F-T汽油對(duì)國Ⅴ直噴汽油轎車排放性能影響的研究

秦宏宇，胡葳，高俊華

(1.中國汽車技術(shù)研究中心汽車試驗(yàn)研究所, 天津 300300; 2.中國汽車技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)中心, 北京 100176)

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F-T汽油對(duì)國Ⅴ直噴汽油轎車排放性能影響的研究

秦宏宇1，胡葳2，高俊華1

(1.中國汽車技術(shù)研究中心汽車試驗(yàn)研究所, 天津 300300; 2.中國汽車技術(shù)研究中心數(shù)據(jù)中心, 北京 100176)

以一輛滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的新生產(chǎn)轎車為試驗(yàn)樣車，在NEDC測(cè)試循環(huán)下，車輛分別燃用國Ⅴ汽油和F-T汽油，應(yīng)用全流稀釋排放測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了氣態(tài)污染物排放、顆粒物質(zhì)量排放和顆粒物數(shù)目排放的對(duì)比研究。研究結(jié)果表明：相較于燃用國Ⅴ汽油，燃用F-T汽油后THC排放和CO2排放分別降低了14.3%和2.8%，CO和NOx的排放分別增加26.8%和104.8%，顆粒物質(zhì)量排放量(PM)和粒數(shù)排放量(PN)分別下降了26.5%和39.1%。研究分析表明，滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽車在不進(jìn)行人為調(diào)整的條件下，具有較好的F-T汽油使用適應(yīng)性，且燃用F-T汽油比燃用國Ⅴ汽油具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性以及更低的溫室氣體排放。

F-T汽油； 排放測(cè)量； 顆粒

1923年德國化學(xué)家Hans Tropsch和Franz Fischer開發(fā)出煤炭間接液化(Fische-Tropsch)技術(shù)[1]。二戰(zhàn)期間為了滿足戰(zhàn)爭(zhēng)需要德國曾建成9個(gè)間接液化廠。隨著間接液化技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前南非的薩索爾公司和新西蘭、馬來西亞的煤間接液化生產(chǎn)廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，南非的薩索爾公司生產(chǎn)的F-T汽油和柴油可滿足南非28%的需求量[2]。其他國家也逐漸推廣應(yīng)用煤化油技術(shù)，如美國空軍為擺脫對(duì)國外石油的依賴,2008年開始建設(shè)“煤變油”設(shè)施，日本三菱重工有限公司在2007年與荷蘭皇家殼牌和?？松梨诼?lián)合開發(fā)煤炭液化設(shè)施，印度和加拿大建立了用于生產(chǎn)交通運(yùn)輸燃料的煤液化工廠。中國的科研院所及企業(yè)對(duì)F-T柴油的生產(chǎn)工藝、車輛或發(fā)動(dòng)機(jī)使用F-T柴油的適應(yīng)性進(jìn)行過大量的研究與驗(yàn)證，目前內(nèi)蒙古伊泰公司在北京的萬t級(jí)煤液化工廠已經(jīng)投產(chǎn)，生產(chǎn)出的F-T柴油得到北京發(fā)改委的批準(zhǔn)擬在北京市場(chǎng)上進(jìn)行示范運(yùn)營。

國內(nèi)外針對(duì)F-T柴油在柴油機(jī)上的應(yīng)用發(fā)表過大量的研究成果，而對(duì)于F-T汽油在車輛上應(yīng)用的研究成果較少，且多集中于對(duì)南非F-T汽油的研究。如Ulrik Larsen[3]以一輛GOLF在用車為試驗(yàn)樣車，使用NEDC和FTP75測(cè)試循環(huán)對(duì)燃用南非F-T汽油和95號(hào)標(biāo)準(zhǔn)汽油的氣態(tài)污染物排放、顆粒物質(zhì)量排放以及多環(huán)芳烴(PAHs)進(jìn)行過比對(duì)研究。Authur Bell[4]使用一輛豐田Corolla，在NEDC循環(huán)下比較了歐Ⅳ基準(zhǔn)汽油、南非F-T汽油以及南非市場(chǎng)上供應(yīng)的兩種石油級(jí)汽油對(duì)車輛ECE和EUDC循環(huán)排放的影響。我國對(duì)F-T汽油的合成[5-6]與催化[7-8]等技術(shù)開展過相關(guān)研究，但F-T汽油對(duì)汽油車排放的影響及車輛使用的適應(yīng)性未見報(bào)道。本研究針對(duì)我國某單位合成的小批量F-T汽油，在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)油品關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行化學(xué)分析，并在一輛符合國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型缸內(nèi)直噴汽油車上燃用F-T汽油和國Ⅴ汽油進(jìn)行NEDC循環(huán)下的排放研究，探討F-T汽油對(duì)輕型車氣態(tài)污染物排放、顆粒物質(zhì)量排放、顆粒物數(shù)目排放和燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)所用的汽油轎車滿足中國第5階段排放標(biāo)準(zhǔn)，該車所裝配的發(fā)動(dòng)機(jī)采用缸內(nèi)直噴技術(shù)。車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)見表1。試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.5—2013[9]中Ⅰ型試驗(yàn)的NEDC循環(huán)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試設(shè)備及條件滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。試驗(yàn)中所使用的主要儀器設(shè)備見表2。

試驗(yàn)用油選擇滿足輕型車京五標(biāo)準(zhǔn)[10]的95號(hào)汽油(G5)和國內(nèi)某煤合成油公司生產(chǎn)的F-T汽油。其理化特性對(duì)比見表3。試驗(yàn)車輛先以95號(hào)汽油為燃料進(jìn)行2次Ⅰ型試驗(yàn)，試驗(yàn)過程記錄氣態(tài)污染物模態(tài)值以及瞬時(shí)的PN值。在95號(hào)汽油試驗(yàn)結(jié)束后更換新的汽車油箱，以F-T汽油為燃料進(jìn)行2次NEDC循環(huán)試驗(yàn)。4次排放試驗(yàn)過程的參數(shù)基本一致，包括預(yù)處理循環(huán)、浸車溫度及時(shí)間、輪胎氣壓、試驗(yàn)前的機(jī)油和冷卻液溫度等。

表1 車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)

表2 主要測(cè)試儀器及設(shè)備

表3 F-T汽油與95號(hào)汽油理化特性對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 法規(guī)排放結(jié)果對(duì)比

表4 示出了NEDC測(cè)試循環(huán)下，試驗(yàn)用車燃用G5汽油和F-T汽油的排放特性試驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看到，試驗(yàn)車輛以G5汽油和F-T汽油為燃料時(shí)的各污染物排放結(jié)果均低于國Ⅴ階段排放限值。圖1示出了相對(duì)于G5汽油，燃用F-T汽油時(shí)試驗(yàn)車輛主要排放物的變化情況。對(duì)于氣態(tài)排放物，相對(duì)于G5汽油，F(xiàn)-T汽油能有效降低車輛的THC和CO2排放量，分別降低了14.3%和2.8%，而CO及NOx排放量增加，分別增加了26.8%和104.3%。此外，相對(duì)于G5汽油，燃用F-T汽油能夠大幅降低顆粒物排放，以F-T汽油為燃料時(shí)顆粒物質(zhì)量排放量(PM)和粒數(shù)排放量(PN)分別下降了26.5%和39.1%。

表4 法規(guī)排放結(jié)果對(duì)比

2.2 模態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖2示出了在NEDC循環(huán)過程中，即不同車速下試驗(yàn)用車燃用F-T和G5汽油時(shí)CO，THC和NOx的瞬時(shí)排放特性。圖3示出了NEDC循環(huán)前100 s的瞬態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比。從圖3可以看到，在NEDC測(cè)試循環(huán)的前100 s，CO，THC和NOx排放量較大，這可能是由于發(fā)動(dòng)機(jī)剛起動(dòng)，催化器溫度較低，催化轉(zhuǎn)化效率低所導(dǎo)致。對(duì)比兩種汽油下的瞬時(shí)排放可以發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)前100 s，燃用F-T汽油的CO和THC排放量明顯大于燃用G5汽油的排放量。從圖2可以看出，隨著測(cè)試循環(huán)的進(jìn)行，CO，THC和NOx排放量由于催化器轉(zhuǎn)化效率的提高而大幅降低。兩種燃油下的CO排放幾乎為0；THC排放差別并不明顯，不同車速下排放量有所不同；特別需要指出的是，在整個(gè)NEDC測(cè)試工況下F-T汽油的NOx瞬時(shí)排放都比G5汽油的排放量高，燃用F-T汽油時(shí)在整個(gè)工況的初始階段和高速階段均產(chǎn)生了較高的排放峰值，而循環(huán)總顆粒物質(zhì)量排放比G5汽油低，從而可推斷發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒F-T汽油時(shí)燃燒更充分，燃燒最高溫度更高。這說明車輛不進(jìn)行人為調(diào)整，在發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制自調(diào)整的情況下，F(xiàn)-T汽油能適用于國Ⅴ輕型車輛。

圖4示出了在NEDC測(cè)試循環(huán)中，試驗(yàn)用車燃用F-T和G5汽油時(shí)PN的瞬時(shí)排放特性。

從圖4可以看出，在整個(gè)測(cè)試循環(huán)過程中，燃用F-T汽油的PN值都明顯小于G5汽油。從而表明，燃用F-T汽油不僅在一次顆粒物生成過程所產(chǎn)生的大顆粒污染物質(zhì)量排放比燃用G5汽油時(shí)少，在二次顆粒物生成過程及小粒徑顆粒物生成方面均相對(duì)于燃用G5汽油有不同程度的降低。這可能是由F-T汽油的低芳烴含量導(dǎo)致的，芳烴是一種含有苯環(huán)結(jié)構(gòu)的烴類有機(jī)物，其不僅結(jié)構(gòu)牢固，而且含碳量較高，不易燃燒，容易形成炭煙顆粒，而相對(duì)于G5汽油，F(xiàn)-T汽油的芳烴含量較低，有利于減少顆粒的形成。

2.3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

表5示出了試驗(yàn)用車在NEDC循環(huán)下，燃用G5汽油及F-T汽油的燃油消耗量對(duì)比。相對(duì)于G5汽油，燃用F-T汽油時(shí)試驗(yàn)用車在ECE循環(huán)和EUDC循環(huán)的百公里油耗分別降低1.77%和2.40%，綜合油耗降低2.29%。圖5示出了在NEDC循環(huán)過程中，試驗(yàn)用車燃用F-T和G5汽油時(shí)CO2的瞬時(shí)排放特性的對(duì)比。從圖5中可以看出，F(xiàn)-T汽油的瞬時(shí)CO2排放量略低于G5汽油。分析結(jié)果表明，F(xiàn)-T汽油具有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性，其節(jié)油效果在高速工況更為明顯，而且F-T汽油能有效降低溫室氣體的排放。這進(jìn)一步表明了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒F-T汽油時(shí)比G5汽油燃燒更加充分、燃燒質(zhì)量更高，充分說明了F-T汽油在國Ⅴ輕型汽油車上良好的適應(yīng)性。

表5 G5汽油和F-T汽油的燃油經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

3 結(jié)論

a) 相比于燃用G5汽油，燃用F-T汽油THC排放和CO2排放分別降低了14.3%和2.8%，CO和NOx的排放分別增加26.8%和104.8%，顆粒物質(zhì)量排放量(PM)和粒數(shù)排放量(PN)分別下降了26.5%和39.1%；

b) F-T汽油對(duì)滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車具有很好的適應(yīng)性，不需要對(duì)車輛進(jìn)行人為調(diào)整，即使NOx排放有一定的上升，但車輛的NOx排放結(jié)果仍滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)；

c) 與G5汽油相比，汽車燃用F-T汽油時(shí)的燃油消耗量略有下降，具有更好的燃油經(jīng)濟(jì)性及更低的溫室氣體排放量。

[1] 劉立東.柴油機(jī)燃用F-T柴油的基礎(chǔ)研究[D].天津:天津大學(xué)，2010.

[2] 吳春來.煤炭間接液化技術(shù)及其在中國的產(chǎn)業(yè)化前景[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2005,28(4):79-81.

[3] Ulrik Larsen,Peter Lundorf,Anders lvarsson,et al.Emissions from Diesel and Gasoline Vehicles Fuelled by Fischer-Tropsch Fuels and Similar Fuels[C].SAE Paper 2007-01-4008.

[4] Arthur Bell,Andy Yates.An Evaluation of the Speciated Exhaust Emissions Associated with South African Gasoline in an EU4 Vehicle[C].SAE Paper 2008-01-1769.

[5] 關(guān)玉德,王定珠,林恒生,等.一氧化碳和氫一步合成汽油[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào),1983,11(1):1-9.

[6] 黃克權(quán).降低F-T合成汽油成本的途徑[J].煤炭轉(zhuǎn)化,1992,15(1):79-83.

[7] 李宇萍,王鐵軍,吳創(chuàng)之,等.SiO2/HZSM-5對(duì)鈷基催化劑費(fèi)托合成汽油烴類的影響[J].現(xiàn)代化工,2008,28(2):43-46.

[8] 盧學(xué)棟,李文彬,楊彩虹,等.F-T模型化合物在ZSM-5氟石催化劑上的反應(yīng)研究[J].天然氣化工,1991,16(3):12-17.

[9] 北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.DB 11/238—2012 車用汽油[S].北京:[出版者不詳]，2012.

[10] 環(huán)境保護(hù)部.GB 18352.5—2013 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第五階段)[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2013.

[編輯：姜曉博]

Influences of Fischer-Tropsch Gasoline on Emission Performance for China-Ⅴ DI Gasoline Passenger Car

QIN Hong-yu1, HU Wei2, GAO Jun-hua1

(1.Auto Testing Research Institute of China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300300, China；2.Data Center of China Automotive Technology and Research Center, Beijing 100176, China)

The gaseous pollutants, particulate mass and particulate number of China-Ⅴ passenger car fueled with China-Ⅴ gasoline and fischer-tropsch (F-T) gasoline respectively were measured with the full-flow dilution test system according to NEDC test cycle.The results show that THC, CO2, PM and PN reduces by 14.3%, 2.8%, 26.5% and 39.1% respectively and CO and NOxincreases by 26.8% and 104.8% after using F-T gasoline.It is found that China-Ⅴ light-duty passenger car has good adaptability to F-T gasoline without artificial intervention.Furthermore, F-T gasoline has better fuel economy and lower greenhouse gas emission than Chian-Ⅴ gasoline.

Fischer-Tropsch gasoline； exhaust emission measurement； particulate

2014-10-11；

2015-04-02

秦宏宇(1985—)，男，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)槠嚺欧欧ㄒ?guī)和排放測(cè)試技術(shù)研究；qinhongyu@catarc.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.011

TK418.9;TK411.5

B

1001-2222(2015)02-0053-04