醇基汽油合成燃料的NEDC循環(huán)排放特性試驗分析*

焦鵬昊 張文 宋國慶 李強 白志杰 李志軍

（1.天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.天津大學(xué)）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色。汽車保有量的高速增長，使我國的能源安全與環(huán)境保護(hù)面臨巨大的壓力。我國的能源結(jié)構(gòu)特點為“富煤、貧油、少氣”，每年需要進(jìn)口大量的原油及石油制品，能源安全已成為影響我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一。此外，近年來我國各地頻發(fā)空氣污染事件，“霧霾”一詞頻繁見諸報端，治理大氣環(huán)境迫在眉睫。節(jié)約傳統(tǒng)化石資源、改善能源消費結(jié)構(gòu)、推廣清潔能源及實現(xiàn)車用能源多元化已經(jīng)成為我國汽車工業(yè)發(fā)展的重中之重。因此文章對新型車用醇基汽油合成燃料進(jìn)行了研究，在某汽油/壓縮天然氣（CNG）雙燃料整車上，以純汽油（M0）和CNG燃料為基準(zhǔn)，對不同摻混比例的合成燃料進(jìn)行空燃比在化學(xué)當(dāng)量比附近的原機常規(guī)排放物對比研究。

1 試驗儀器及設(shè)備

文章選用的發(fā)動機為某公司制造的CA4GA5四缸電控16氣門VCT-i進(jìn)氣道燃油噴射汽油機，排放分析系統(tǒng)采用日本某公司生產(chǎn)的MEXA-7000系列排放分析系統(tǒng)和奧地利某公司生產(chǎn)的DEWE-5000型燃燒分析儀。試驗燃料為93#汽油，其體積質(zhì)量為0.733×103kg/m3；醇基燃料以低碳醇、多碳醇、芳香烴及添加劑等組成，其中低碳醇以甲醇為主，并按照醇基燃料所占比體積，依次選用醇基燃料占比分別為10%，20%，30%的新型車用醇基汽油合成燃料，即：M10，M20，M30。并已采集原機排放數(shù)據(jù)進(jìn)行排放特性試驗研究。

1.1 整車轉(zhuǎn)鼓試驗臺

整車轉(zhuǎn)鼓試驗臺，如圖1所示。主要包括環(huán)境模擬倉、底盤測功機（包括駕駛員輔助設(shè)備）、排氣分析系統(tǒng)及主控中心等部分。其中環(huán)境模擬倉為美國某公司制造的ETC環(huán)境模擬倉，溫度范圍：-40～60℃，溫度控制精度：±1℃；濕度范圍：5%～95%RH，濕度控制精度：±5RH；最大測量風(fēng)速：200km/h；最大照光強度：1 200 W/m2，控制精度：±2.5%；熱路模擬系統(tǒng)模擬范圍：20～75℃。底盤測功機為美國某公司生產(chǎn)的7236-6195型性能測功機，最大測量車速：200 km/h，測速精度：0.08 km/h；最大量程：5 840 N，滿量程精度：±0.1%。電控系統(tǒng)中，M0，M10，M20及M30燃料采用日本某公司的量產(chǎn)電控系統(tǒng)；CNG燃料采用韓國某公司生產(chǎn)的量產(chǎn)電控系統(tǒng)。

圖1 整車轉(zhuǎn)鼓試驗臺示意圖

1.2 試驗設(shè)備

1.2.1 試驗整車主要參數(shù)

文章選用某自主品牌汽油/CNG雙燃料經(jīng)濟(jì)型三廂轎車，該車型具有高功率、大扭矩及低油耗特性，為自主品牌代表車型。整車主要參數(shù)，如表1所示。

表1 某自主品牌汽油/CNG雙燃料經(jīng)濟(jì)型三廂轎車主要參數(shù)

1.2.2 汽車CNG系統(tǒng)改制

在汽油/CNG雙燃料經(jīng)濟(jì)型三廂轎車基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，加裝國內(nèi)自主研發(fā)的CNG燃料供給系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由圖2可以看到，CNG氣罐放置在轎車后備箱，通過閥門控制其與整個氣路的通斷，保證了整個系統(tǒng)的安全性。在氣罐與CNG減壓器中間布置1個三通閥，通過該閥的開閉，實現(xiàn)加氣模式和供氣模式的切換。由于CNG減壓器在工作時大量吸熱，為保證其正常工作，將其與整個發(fā)動機散熱的循環(huán)水路連接，利用發(fā)動機工作時產(chǎn)生的熱量對CNG減壓器進(jìn)行加熱。減壓后的CNG氣體，經(jīng)過濾清器后進(jìn)入CNG氣軌，通過CNG噴射器調(diào)整噴射壓力，然后噴入發(fā)動機的進(jìn)氣歧管，與通過原機氣路進(jìn)入進(jìn)氣歧管的空氣混合，最后進(jìn)入燃燒室燃燒做功。

圖2 壓縮天然氣（CNG）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.3 試驗環(huán)境

試驗前對原車進(jìn)行動力性、經(jīng)濟(jì)性及常規(guī)排放檢測。試驗車原車排放數(shù)據(jù)檢測結(jié)果，如表2所示。

表2 試驗車原車排放數(shù)據(jù)g/km

按照GB 18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》[1]進(jìn)行各項準(zhǔn)備，整車轉(zhuǎn)鼓試驗所需試驗裝置準(zhǔn)備工作完成。試驗現(xiàn)場，如圖3所示。

圖3 整車轉(zhuǎn)鼓試驗準(zhǔn)備現(xiàn)場

2 試驗方案

采用文獻(xiàn)[1]中規(guī)定的“常溫下冷啟動后排氣污染物排放實驗（Ⅰ型實驗）”方法進(jìn)行，包含“市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)”和“市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)”兩部分。其中“市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)”按操作分解為6個部分，如表3所示；“市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)”按操作分解為6個部分，如表4所示；Ⅰ型試驗的試驗循環(huán)共包含3個“市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)”和1個“市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)”，如圖4所示。

表3 Ⅰ型試驗市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)工況分解

表4 Ⅰ型試驗市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)工況分解

圖4 整車轉(zhuǎn)鼓試驗運轉(zhuǎn)循環(huán)示意圖（Ⅰ型試驗）

3 試驗結(jié)果

試驗中分別使用M0，CNG，M10，M20及M30新型醇基汽油合成燃料作為整車燃料，在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上進(jìn)行了國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)NEDC循環(huán)工況的整車試驗。

3.1 醇基燃料含量對循環(huán)工況常規(guī)排放總碳?xì)洌═HC）的影響

市區(qū)和市郊循環(huán)工況THC排放對比，如圖5所示。

從圖5可以看出，5種燃料均在加速時THC排放增加，這是由于在加速過程中，由于此時需要較濃的可燃混合氣，燃料燃燒不完全所致；減速時THC排放減少，這是因為汽油噴射發(fā)動機在減速時停止燃料供應(yīng)所致；M0，CNG，M10，M20及 M30的 THC 排放依次減小，這主要因為CNG的主要成分為甲烷，與M0相比可供氧化的碳原子較少，而新型醇基汽油合成燃料為含氧燃料，醇基燃料的摻混意味著對汽油進(jìn)行了稀燃，促進(jìn)了相同進(jìn)氣量時THC的氧化；M10，M20及M30的THC排放振幅比M0和CNG大，這是因為醇基燃料屬摻混燃料，而它使用的仍是汽油燃料的電控系統(tǒng)，沒有對汽車使用摻混燃料后進(jìn)行整車標(biāo)定，而M0和CNG使用的是各自量產(chǎn)的電控系統(tǒng)，經(jīng)過了整車標(biāo)定優(yōu)化。因此，后期還需要開展對新型醇基汽油合成燃料的臺架與實車標(biāo)定工作。

從圖5a可以看出，在195 s的市區(qū)循環(huán)工況1中，M0，CNG，M10，M20及M30的THC排放較多，峰值分別達(dá) 6 516×10-6，5 752×10-6，4 028×10-6，3 699×10-6，3 241×10-6。這是因為，在冷啟動階段，發(fā)動機剛剛開始工作，為保證發(fā)動機正常工作，需采用啟動加濃策略，使缸內(nèi)混合氣的空燃比小于當(dāng)量空燃比。此外，由于缸體和活塞的溫度較低，造成冷激效應(yīng)強烈、混合氣霧化不好、燃燒不穩(wěn)定、容積淬熄較嚴(yán)重，上述因素都會導(dǎo)致THC排放增加[2]。在圖5b中的第2，3，4市區(qū)循環(huán)工況中，M0和CNG的THC排放穩(wěn)定，這是因為此時發(fā)動機溫度升高，從而使油氣混合得更加均勻，進(jìn)而促進(jìn)燃料完全燃燒。圖5c為400 s的市郊工況THC排放，在0～70 km/h和50～120 km/h急加速工況下，M10，M20及M30的THC排放大于M0和CNG，并且波動頻率大，這主要是由于急加速需要提供濃的功率混合氣，而醇基燃料的汽化潛熱大，隨著大量濃醇基燃料進(jìn)入氣缸，導(dǎo)致燃料燃燒溫度降低，不利于燃料的進(jìn)一步氧化，加劇了未燃燃料的增加，從而導(dǎo)致THC排放增大較大。

3.2 醇基燃料含量對循環(huán)工況常規(guī)CO排放的影響

市區(qū)和市郊循環(huán)工況CO排放對比，如圖6所示。

碳?xì)浠衔锶剂先紵腃O排放，是燃燒過程因氧氣不足生成的中間產(chǎn)物[3]。由圖6可以看出，在汽車加速時，M0，CNG，M10，M20及 M30 的 CO 排放增加，這是因為此時混合氣較濃，氧氣量不足；在汽車勻速及減速時，CO排放穩(wěn)定，這是因為發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時，可燃混合氣為理論空燃比，CO氧化充分。汽車減速時，電控發(fā)動機燃料供應(yīng)停止，并受化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)影響，大約在 1 100 K時，CO濃度凍結(jié)[4]；M10，M20 及M30的CO排放整體低于M0和CNG的CO排放，這是因為，醇基燃料是含氧燃料，其摻混比例增加意味著增加了可燃混合氣中的氧含量，有利于CO的氧化。由圖6a可以看出，5種燃料的CO排放峰值出現(xiàn)在圖6a所示的第1個市區(qū)循環(huán)，這是由于發(fā)動機開始工作之初，混合氣環(huán)境溫度低，霧化不充分，并且為了保證發(fā)動機正常工作，需增加燃料供給量，這均導(dǎo)致CO排放過高[5]；發(fā)動機暖機之后，發(fā)動機工作狀態(tài)逐漸穩(wěn)定。在圖6b中的第2，3，4個市區(qū)循環(huán)中，5種燃料的CO排放逐步降低并趨于穩(wěn)定，這是由于此時可燃混合氣環(huán)境溫度高，混合均勻，CO氧化充分；在圖6c中的400 s市郊運行循環(huán)中，CO排放較高，這是因為發(fā)動機處于中高負(fù)荷，燃料供給量增加，混合氣中的氧氣含量減少所致。

3.3 醇基燃料含量對循環(huán)工況常規(guī)NOx排放的影響

市區(qū)和市郊循環(huán)工況NOx排放對比，如圖7所示。

圖7 市區(qū)和市郊循環(huán)工況NOx排放對比（Ⅰ型試驗）

由圖7可以看出，循環(huán)工況條件下，汽車加速時，M0，CNG，M10，M20 及 M30 的 NOx排放減?。黄嚪€(wěn)速時，NOx排放增加；汽車減速時，NOx排放減小。這是由于加速時混合氣較濃，燃料燃燒過程氧氣較少；勻速時，為保證燃油經(jīng)濟(jì)性，混合氣在當(dāng)量比或略稀狀態(tài)下燃燒，燃燒溫度高、氧氣充足；減速時，發(fā)動機電控系統(tǒng)斷油，溫度急劇下降。從圖7還可以看出，隨著燃料中新型車用醇基汽油合成燃料中醇基燃料摻混比例的增加，NOx排放增加，這是由于醇基燃料中的含氧量有利于NOx的生成。

比較圖7a和7b，市區(qū)工況2，3，4的NOx排放比市區(qū)工況1的NOx排放高，這是因為在市區(qū)工況1循環(huán)中，發(fā)動機剛開始工作，燃料霧化不良，燃燒溫度低，不利于NOx的生成，隨著暖機工作的完成，NOx排放趨于穩(wěn)定。比較7c和7b，市郊工況的NOx排放較高，這是因為市郊工況發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高，單位時間內(nèi)進(jìn)入到缸內(nèi)的燃料增加，這都導(dǎo)致NOx排放增加。

4 結(jié)論

文章按照文獻(xiàn)[1]規(guī)定的“常溫下冷啟動后排氣污染物試驗方法”，以M0和CNG燃料為基準(zhǔn)，分別對M0，CNG，M10，M20及 M30燃料進(jìn)行整車轉(zhuǎn)鼓試驗，分析新型車用醇基汽油合成燃料中醇基燃料不同摻混比例對3種常規(guī)排放物THC，CO及NOx原機排放的影響，得到以下3點結(jié)論。

1）在加速時，由于混合氣較濃，THC和CO排放激增，當(dāng)車速穩(wěn)定后，THC和CO排放降低；由于氧氣不足，NOx排放較低。在車速穩(wěn)定時，可燃混合氣為當(dāng)量比或略稀，缸內(nèi)燃燒完全，燃燒溫度高，THC和CO排放降低，NOx排放增加。當(dāng)汽車減速時，由于電噴發(fā)動機斷油，燃料減少，排氣溫度降低，THC，CO及NOx排放減少。

2）在第1個市區(qū)循環(huán)工況，由于發(fā)動機為冷啟動，可燃混合氣環(huán)境溫度低，狹隙效應(yīng)明顯，大量未燃THC和燃燒中間產(chǎn)物CO產(chǎn)生，并在該工況達(dá)到峰值，并由于該工況下燃燒溫度低，氧氣缺乏，使得NOx排放峰值在整個試驗過程中最小。

3）由于醇基燃料為含氧燃料，M10，M20及M30中的氧含量為THC和CO的氧化提供有利條件，所以隨著新型車用醇基汽油合成燃料中醇基燃料摻混比例的增加，與M0和CNG燃料相比較，THC和CO排放呈現(xiàn)出逐漸下降趨勢，相反，由于隨著醇基燃料摻混比例的增加，氧含量增加，使得NOx排放呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。