柴油乘用車燃用丁醇燃料道路工況氣態(tài)物排放特性

樓狄明，房 亮，胡志遠(yuǎn)，譚丕強(qiáng)

（同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海201804）

面對日益嚴(yán)峻的排放法規(guī)限制，先進(jìn)、清潔、高效的柴油機(jī)技術(shù)逐漸受到世界各國的重視，被認(rèn)為是目前緩解能源危機(jī)和環(huán)境問題的有效可行的手段，歐洲新購置車輛50%以上為柴油乘用車．中國近兩年頻繁出現(xiàn)的“柴油荒”和柴油質(zhì)量問題制約了中國先進(jìn)柴油乘用車的推廣及應(yīng)用［1］．因此，柴油替代燃料的發(fā)展迫在眉睫，并要求替代燃料在減少石油消耗、安全和低成本的同時(shí)達(dá)到降低排放的作用［2］．生物丁醇作為第二代生物替代燃料，完全符合上述對替代燃料的要求，相比其他醇類，其含氧量高、與柴油任意比例互溶、粘度大、熱值高、十六烷值較高、氣化潛熱小、無毒、不易揮發(fā)、與橡膠等材料兼容性好，因此為世界各國所青睞．

國內(nèi)外針對丁醇的生產(chǎn)工藝［3］、應(yīng)用前景［4］、適應(yīng)性［5］、可持續(xù)性、可替代性［6］，以及丁醇柴油混合燃 料 的 燃 燒 特 性［7－9］、發(fā) 動 機(jī) 性 能［10－12］和 排 放 特性［13－15］等方面已經(jīng)做了較多的工作，有關(guān)車載實(shí)際道路氣態(tài)物排放特性的研究還未見相關(guān)報(bào)道．

本文在柴油機(jī)燃用丁醇柴油混合燃料臺架實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對柴油乘用車分別燃用純國Ⅳ柴油、正丁醇的體積分?jǐn)?shù)分別為10%和20%的正丁醇和國Ⅳ柴油的混合燃料，進(jìn)行不同道路類型下的車載實(shí)際道路氣態(tài)物排放特性的研究，為丁醇作為柴油替代燃料的應(yīng)用及推廣提供理論依據(jù)．

1 試驗(yàn)設(shè)備、燃料及路線

1．1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在一輛符合國Ⅳ排放、裝備有1．9L直列四缸電控泵噴嘴的高壓直噴渦輪增壓柴油機(jī)的柴油乘用車上進(jìn)行．該車搭載了日本HORIBA公司的OBS－2200車載氣態(tài)排放物測試儀，以及其他附屬設(shè)施，通過車載排放測試系統(tǒng)（PEMS）對車輛尾氣進(jìn)行直采，將排氣尾管通過Pitot管流量計(jì)直接連接到測量裝置上，實(shí)時(shí)測量車輛排放的濃度和排氣流量，從而得到氣態(tài)物排放量［16－17］．

1．2 試驗(yàn)燃油

試驗(yàn)使用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于50×10－6mg·kg－1的城市車用0 號清潔柴油（國Ⅳ柴油，簡稱D100），正丁醇（簡稱Bu100），以及按體積分?jǐn)?shù)分別為10%和20%混合的丁醇柴油混合燃料Bu10（10%的正丁醇與90%的國Ⅳ柴油）和Bu20（20%的正丁醇與80%的國Ⅳ柴油）．其理化指標(biāo)如表1所示．

表1 試驗(yàn)用國Ⅳ柴油、丁醇柴油理化指標(biāo)Tab．1 The physical and chemical properties of the fuels used in the experiment

1．3 試驗(yàn)方案

上海城市道路功能與分級體系面向規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)與管理多個(gè)層次．內(nèi)環(huán)以內(nèi)的中心城區(qū)道路網(wǎng)被劃分為主干道、次干道、快速路和支路，內(nèi)環(huán)以外的郊區(qū)道路網(wǎng)保持與城區(qū)道路規(guī)劃一致，也分為主干道、次干道和居民路，連接城區(qū)和郊區(qū)的道路為城郊高速路．同時(shí)為改善市區(qū)交通狀況和加快不同區(qū)域間的溝通，興建了許多跨江大橋［18］．

試驗(yàn)路線全長86．7km，每種油品進(jìn)行多次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)歷時(shí)3h左右，起點(diǎn)和終點(diǎn)都設(shè)在同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)，經(jīng)過了以曹安公路為代表的郊區(qū)主干道（占20%），以武寧路、周家嘴路和浦東南路為代表的市區(qū)主干道（占15%），以余姚路為代表的市區(qū)次干道（占6%），以南浦大橋?yàn)榇淼目缃髽颍ㄕ?%），以內(nèi)環(huán)高架、南北高架和延安高架為代表的市區(qū)快速路（占19%），以滬渝高速和沈海高速為代表的城郊高速路（占26%），以博園路和綠苑路為代表的郊區(qū)次干道（占6%），最大程度地包括了上海市所有典型道路．

車輛比功率（vehicle specific power，VSP）是由美國麻省理工學(xué)院的JoséLuis Jiménez Palacios提出的用于遙測數(shù)據(jù)分析的綜合工況參數(shù)［19］，被美國環(huán)保局用作下一代流動源排放模型的一個(gè)核心參數(shù)．計(jì)算公式［20］為

式中：VSP為比功率，kW·t－1；v為車速，m·s－1；a為加速度，m·s－2；g為道路坡度．

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 道路試驗(yàn)工況特性

圖1所示為不同道路類型下不同車速所占比例．從圖1 可知，市區(qū)主干道怠速工況所占比例最高，達(dá)到40%；市區(qū)次干道、郊區(qū)主干道和郊區(qū)次干道怠速所占比例略低，都達(dá)到15%以上；三者速度基本處于低速（0～20km·h－1）和中低速（20～50km·h－1）區(qū)間．城郊高速路、市區(qū)快速路和跨江大橋的怠速比例較低，城郊高速路速度集中在中高速（50～80 km·h－1）和高速（80km·h－1以上）區(qū)間；市區(qū)快速路和跨江大橋車速均集中在中低速和中高速區(qū)間．

圖1 不同道路類型不同車速所占比例Fig．1 The proportions of different velocities on different roads

圖2所示為不同燃料在不同道路類型下的平均車速．從圖2可知，試用的3種燃料在不同道路類型下，其平均速度基本接近．市區(qū)主干道平均車速最低，與市區(qū)次干道接近，都小于20km·h－1，城郊高速路平均車速最高，郊區(qū)主、次干道平均車速都在25 km·h－1左右，市區(qū)快速路、跨江大橋平均車速達(dá)到30km·h－1．

圖2 不同燃料不同道路類型平均車速Fig．2 The average velocity of different fuels on different roads

2．2 一氧化碳（CO）排放特性

圖3所示為一氧化碳（CO）的車載實(shí)際道路排放特性．從圖3a 可知，不同道路類型下，Bu10 和Bu20的CO 每公里排放因子較D100均明顯降低，尤其是在平均車速相對比較低的道路，如市區(qū)主、次干道和郊區(qū)主、次干道，其CO 排放降低最明顯．而且在不同道路類型下，Bu10的CO 每公里排放因子都要略高于Bu20．

從圖3b中可以看出，在不同比功率下，D100的CO 每秒排放因子均高于Bu10和Bu20，且在比功率較高的時(shí)候，Bu10 和Bu20 隨丁醇比例升高對CO的減排效果越為明顯．

從圖3c可知，3 種燃料相比，Bu20 全程的CO每公里排放因子最低，D100全程的CO 每公里排放因子最高．Bu20全程的CO 每公里排放因子比D100低45．3%，Bu10 全程的CO 每 公 里排放因子 比D100低38．0%．

從CO 的車載實(shí)際道路排放特性可知，Bu20的CO 排放因子均略低于Bu10，明顯低于D100．這主要是由于丁醇具有較高的含氧量，柴油中加入丁醇使得燃燒時(shí)氧含量增加，燃燒更加充分，同時(shí)由于兩種燃料沸點(diǎn)不同而產(chǎn)生的微爆現(xiàn)象也使得燃燒噴霧更加細(xì)化，改善了燃燒效果，因此由于燃料不完全燃燒生成的CO 就相對減少，且隨著丁醇摻混比例的增加，丁醇柴油含氧量越高，降低CO 排放的效果越明顯．

圖3 CO 的車載實(shí)際道路排放特性Fig．3 The characteristics of CO on－road emission

2．3 總碳?xì)洌═HC）排放特性

圖4所示為總碳?xì)洌═HC）的車載實(shí)際道路排放特性．從圖4a可知，在7 種不同道路類型下，Bu20的THC每公里排放因子略高于Bu10，且均高于D100．

從圖4b可知，在不同比功率下，與D100相比，Bu10和Bu20的THC每秒排放因子均明顯增加，且隨著丁醇的摻入比例提高，THC排放升高越明顯．當(dāng)比功率＜0時(shí)，由于發(fā)動機(jī)的倒拖，噴油量明顯減少，因此在這種工況下，Bu10和Bu20的THC 每秒排放因子沒有明顯增加，而與D100相近．

從圖4c可知，隨著丁醇摻混比例的增加，THC的全程每公里排放因子逐漸增加，即Bu20 高于Bu10高于D100．與D100相比，Bu20的THC 全程每公里排放因子升高55%，Bu10升高31%．

從THC的車載實(shí)際道路排放特性可知，柴油中加入丁醇，會使得THC 的排放明顯升高，并且隨丁醇摻混比例的增加，THC 排放升高越明顯．這主要是由于丁醇?xì)饣瘽摕彷^大，且熱值相比柴油較低，因此丁醇柴油混合燃料燃燒時(shí)的溫度就相對降低，使得壁面淬熄的范圍變大，相應(yīng)未燃總碳?xì)涞呐欧旁黾樱?/p>

圖4 THC的車載實(shí)際道路排放特性Fig．4 The characteristics of THC on－road emission

2．4 氮氧化物（NOx）排放特性

圖5所示為氮氧化物（NOx）的車載實(shí)際道路排放特性．從圖5a，5b可知，不同道路類型和不同比功率下，Bu10和Bu20的NOx排放基本與D100相同．在比功率較大的工況下，Bu10和Bu20的NOx每秒排放因子要略高于D100．在比功率較低的工況下，Bu10 和Bu20 的NOx每秒排放因子要略低于D100．

從圖5c可知，Bu10，Bu20和D100的NOx全程每公里排放因子基本相同，均為0．97g·km－1左右．從NOx的車載實(shí)際道路排放特性可知，理論上丁醇的氣化潛熱相比柴油大且熱值低，因此柴油中摻入一定比例丁醇會增大燃料的氣化潛熱并降低熱值，進(jìn)而會降低氣缸內(nèi)的燃燒溫度，從而降低NOx的排放；但是由于丁醇屬于含氧燃料，其加入會使得燃燒在一個(gè)相對富氧的環(huán)境中進(jìn)行，因此又相應(yīng)增加NOx的排放．這兩方面共同制約下，Bu10和Bu20的NOx排放因子與D100相差不多．在較高功率密度下，單位時(shí)間內(nèi)噴油量增加，發(fā)動機(jī)功率增加，燃燒溫度上升，使得丁醇降低燃燒溫度的作用不再明顯，富氧的影響占上風(fēng)，因此NOx的每秒排放因子增加了．

圖5 NOx 的車載實(shí)際道路排放特性Fig．5 The characteristics of NOx on－road emission

2．5 二氧化碳（CO2）排放特性

圖6所示為二氧化碳（CO2）的車載實(shí)際道路排放特性．從圖6a可知，在不同道路類型下，Bu10 和Bu20的CO2每公里排放因子基本相同，且在大部分道路類型下，Bu10和Bu20的CO2每公里排放因子都要略高于D100．

從圖6b中可知，Bu10和Bu20的CO2每秒排放因子與D100 基本相同．在比功率較低的工況下，Bu20的CO2排放因子基本都低于Bu10 且均低于D100，而在比功率較高的工況下，Bu10 和Bu20 的CO2排放因子均高于D100．這是由于在低功率密度的工況下，渦輪增壓器不工作，丁醇柴油含氧，相當(dāng)于通入了更多的空氣，使得燃燒更加充分，發(fā)動機(jī)輸出功率增加，因此單位時(shí)間CO2排放因子減少；而在高功率密度的工況下，隨著渦輪增壓器的介入，丁醇柴油含氧優(yōu)勢不再明顯，而噴油量的增加使丁醇柴油的低熱值表現(xiàn)更明顯，因此單位時(shí)間CO2排放因子增加．

圖6 CO2 的車載實(shí)際道路排放特性Fig．6 The characteristics of CO2on－road emission

從圖6c可知，Bu10和Bu20的全程CO2每公里排放因子與D100基本相同，均略高于D100，且增幅比例都在3%以下．

從CO2的車載實(shí)際道路排放特性可知，丁醇柴油混合燃料的使用使得柴油乘用車CO2的排放略有升高，但升高幅度很小，由此表明使用低比例丁醇柴油混合燃料對柴油乘用車的油耗影響很小．丁醇柴油含氧可以改善燃燒特性，使得燃燒更加充分，同時(shí)由于丁醇柴油的熱值比純柴油要低，因此又會影響到單位體積燃料的最大輸出功率．

3 結(jié)論

（1）不同道路類型下的汽車運(yùn)行工況不同，市區(qū)主干道和市區(qū)次干道的怠速工況較多，加速度工況變化較大；城郊高速路、市區(qū)快速路和跨江大橋怠速工況較少，加速度變化穩(wěn)定；郊區(qū)主干道和郊區(qū)次干道怠速工況和加速度變化適中．

（2）丁醇柴油混合燃料能夠明顯降低CO 的排放，并且隨丁醇比例增加，CO 降低越明顯．不同道路類型下，丁醇柴油混合燃料的CO 排放均明顯降低，市區(qū)主、次干道和郊區(qū)主、次干道CO 排放降低最明顯．在不同工況下，丁醇柴油混合燃料CO 排放明顯降低，且隨丁醇比例增加而越明顯．這是由于丁醇柴油含氧，同時(shí)燃燒有微爆效應(yīng)，因此可以較好地改善燃燒，使得燃料燃燒更加充分．

（3）丁醇柴油混合燃料的使用會明顯提高THC的排放．不同道路類型、不同工況下，丁醇柴油混合燃料均會使得THC的排放增加，并且隨丁醇比例的增加，THC增加越明顯．這主要是由于丁醇的氣化潛熱較大，熱值較低，使得燃燒溫度降低，壁面淬熄范圍變大，THC排放增加．

（4）不同道路類型、不同工況下，丁醇柴油混合燃料對NOx的排放影響較?。c燃用純柴油相比，在較低功率密度工況下，NOx的排放略有減少，但是到了較高功率密度工況下，NOx的排放明顯增加．因?yàn)槎〈疾裼突旌先剂系妮^低燃燒溫度使得NOx的排放減少，但丁醇富氧燃燒又使得NOx的排放增加，兩方面相互制約，因此NOx的排放變化不大．

（5）丁醇柴油混合燃料的使用會略微提高CO2的排放．與燃用純柴油相比，在較低功率密度工況下，CO2的排放略有減少，但是到了較高功率密度工況下，CO2的排放略微增加．這是由于丁醇柴油含氧，可以改善燃燒，提高效率，同時(shí)丁醇柴油熱值相對較低，會略微提高燃油消耗率．

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