汽油中芳烴對發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

張孝銘，張建榮，宋海清

(中國石化 石油化工科學(xué)研究院，北京100083)

汽油中芳烴對發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響

張孝銘，張建榮，宋海清

(中國石化 石油化工科學(xué)研究院，北京100083)

對我國典型煉油工藝生產(chǎn)的組分汽油進(jìn)行分析、調(diào)合，采用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，考察了汽油中芳烴含量及種類對Ford DHE420發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)和非常規(guī)污染物排放的影響情況。結(jié)果表明，汽油中芳烴含量增加，尾氣中CO排放增加，碳?xì)浠衔锖蚇Ox排放變化不明顯，甲醛、甲醇和小分子烴類化合物排放減少，甲苯排放升高，1,3-丁二烯和苯排放幾乎不變；烷基化汽油中加入7%的不同種類芳烴化合物不會(huì)顯著影響發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)污染物排放，不同的芳烴在尾氣中生成甲苯和苯的趨勢各不相同。

汽油；芳烴；發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)；非常規(guī)排放

汽油的組成及性質(zhì)與汽車尾氣排放和大氣質(zhì)量密切相關(guān)。受環(huán)保法規(guī)越來越嚴(yán)格和汽車技術(shù)進(jìn)步雙重因素的影響，世界汽油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不斷提高。歐洲、美國、日本在制定符合其國情的汽油標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，均針對其自身汽車工業(yè)、煉油工業(yè)實(shí)際情況進(jìn)行過系統(tǒng)的燃油排放影響研究[1-3];而我國的相關(guān)研究項(xiàng)目相對較少，在制定汽油標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，很大程度上依賴于參考?xì)W洲汽油標(biāo)準(zhǔn)。但我國煉油業(yè)結(jié)構(gòu)、汽油池組成與歐美顯著不同[4-5]，與歐洲汽油相比，目前我國市售汽油烯烴含量高、芳烴含量低；過多地參照歐洲汽油標(biāo)準(zhǔn)，倡導(dǎo)“降烯提芳”，勢必引導(dǎo)我國煉油工業(yè)在“趨歐化”的道路上進(jìn)行大規(guī)模的調(diào)整和改造，改造的方向是否科學(xué)，需要從各方面進(jìn)行研究。

芳烴作為車用汽油中的主要組分之一，具有低蒸氣壓、高密度和優(yōu)良抗爆性的特點(diǎn)。多項(xiàng)研究表明，汽油中芳烴對汽車常規(guī)污染物及有毒污染物排放有重要影響，同時(shí)，汽油組成對發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響情況隨發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)和燃油配方的改變而變化[6-9]。筆者通過對我國典型煉油工藝生產(chǎn)的國Ⅳ汽油調(diào)合組分進(jìn)行分析和調(diào)合研究，采用先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)和排放測試設(shè)備，考察了芳烴含量及芳烴化合物種類對發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)和非常規(guī)污染物排放的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 汽油樣品

選用國內(nèi)煉油廠典型煉油工藝生產(chǎn)的S-Zorb催化裂化汽油、催化重整汽油及烷基化等汽油調(diào)合組分，調(diào)配汽油樣品SH-1、SH-2、SH-3、SH-4、SH-5、SH-6、SH-7、SH-8、SH-9和SH-10。其中，SH-1、SH-2和SH-3為第一組，烯烴體積分?jǐn)?shù)為18%，芳烴體積分?jǐn)?shù)分別為20%、27%、34%，考察汽油中芳烴含量變化的影響；SH-4、SH-5、SH-6、SH-7、SH-8、SH-9和SH-10為第二組，以烷基化汽油(SH-4)作為基礎(chǔ)汽油，分別向其中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%的苯、甲苯、乙基苯、間二甲苯、異丁基苯和1,2,4,5-四甲基苯，調(diào)合得到樣品SH-5～SH-10，考察汽油中典型芳烴化合物的影響情況。為盡量降低油品抗爆性差異對發(fā)動(dòng)機(jī)造成的干擾，在確保汽油烴組成滿足設(shè)計(jì)方案的前提下，向油樣中調(diào)入正庚烷、異辛烷、丁烷等試劑，使汽油樣品的研究法辛烷值相近。汽油樣品SH-1～SH-4的主要理化性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 汽油樣品的主要理化性質(zhì)指標(biāo)

1.2 儀器

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)所用主要設(shè)備見表2。

臺(tái)架試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為Ford DHE420直列、四缸、水冷、四沖程、閉環(huán)電控進(jìn)氣道噴射歐Ⅳ汽油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)排量2.0 L，壓縮比10.8/1，額定功率107 kW (6000 r/min)，最大扭矩190 Nm (4500 r/min)。

為更直接研究汽油對發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒排放的影響，尾氣采樣為原機(jī)排放，即MEXA-7500D和MEXA-4000FT在線排放分析儀的尾氣采樣口位于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管之后、三效催化轉(zhuǎn)化器之前。實(shí)驗(yàn)過程中，待發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)工況下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后，檢測發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的污染物排放濃度。HORIBA MEXA-7500D用于檢測尾氣中的常規(guī)污染物(如NOx、CO、CO2、THC)排放濃度，HORIBA MEXA-4000FT主要用于檢測尾氣中的非常規(guī)污染物(甲烷、乙烷、乙烯、丙烯、異丁烯、甲醛、乙醛、1,3-丁二烯、苯、甲苯、二氧化硫、甲基叔丁基醚、甲醇等)排放濃度。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)所用主要設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方法及工況

按照GB/T 18297-2001《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》要求，將機(jī)油溫度、冷卻液溫度、汽油溫度分別維持在(95±5)、(88±5)、(25±2)℃，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化控制在±20 r/min范圍內(nèi)，負(fù)荷波動(dòng)控制在±2 Nm范圍內(nèi)。在更換汽油樣品、沖洗油路后，使發(fā)動(dòng)機(jī)在2000、3000、4000 r/min，60 Nm的穩(wěn)態(tài)工況條件下各運(yùn)行10 min進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，一是為了沖洗發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)殘留的已測試汽油樣品，排除其干擾；二是電控單元ECU自動(dòng)調(diào)整，使發(fā)動(dòng)機(jī)與新的測試汽油樣品相適應(yīng)。然后，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)到試驗(yàn)工況，待轉(zhuǎn)速、扭矩和溫度(排氣、機(jī)油、燃油及冷卻液溫度)穩(wěn)定3 min后，進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，連續(xù)2次測量時(shí)間間隔為1 min。試驗(yàn)工況見表3。

表3 臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)

1.4 試驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)重復(fù)性

影響發(fā)動(dòng)機(jī)排放的因素較多，包括油品質(zhì)量、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)及工作狀況、進(jìn)氣充量等，因此試驗(yàn)數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)較大偏差。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、有效，試驗(yàn)前考察了臺(tái)架系統(tǒng)的穩(wěn)定性和所測排放數(shù)據(jù)的重復(fù)性。

調(diào)試發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架裝置及排放系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)連續(xù)測量5次排放數(shù)據(jù)，每兩次測量間隔1 min。計(jì)算5次結(jié)果相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)，發(fā)現(xiàn)除個(gè)別工況點(diǎn)，排放物乙醛和苯的RSD介于5%～7%，所測量其他常規(guī)及非常規(guī)排放物在各工況下的排放數(shù)據(jù)RSD均小于5%。

采用相同的油樣、實(shí)驗(yàn)方法、條件和工況條件，連續(xù)5d在同一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行測試，計(jì)算所得5次排放數(shù)據(jù)的RSD，發(fā)現(xiàn)排放物乙醛的RSD在高速高負(fù)荷工況時(shí)超過20%，NOx、甲醛、苯、甲苯的RSD在個(gè)別工況下介于12%～18%，其他常規(guī)及非常規(guī)排放物RSD均小于12%。

2 結(jié)果與討論

2.1 汽油芳烴含量對其排放的影響

在15個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)條件下進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，考察了汽油中芳烴含量對發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)和非常規(guī)排放的影響。對比試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各工況點(diǎn)芳烴含量對發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響趨勢基本一致。以4000 r/min、60 Nm工況條件為例，說明汽油中芳烴對發(fā)動(dòng)機(jī)排放的影響，結(jié)果示于圖1。

圖1 采用不同芳烴含量汽油樣品SH-1、SH-2、SH-3時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放的情況

由圖1可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨汽油中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加(19.5%→27.1%→33.9%)，常規(guī)污染物中CO排放增加，碳?xì)浠衔?THC)和NOx排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不明顯；有毒污染物中苯和1,3-丁二烯排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎不變，甲醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有減少，乙醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有上升；小分子烴類化合物排放量呈下降趨勢；甲苯排放顯著增加，甲醇生成量略有減少。

尾氣中的CO和THC主要是燃料未充分燃燒的產(chǎn)物，其排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加與芳烴的碳含量較高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易充分燃燒有關(guān)；NOx的生成主要與缸內(nèi)燃燒溫度和缸內(nèi)工質(zhì)的空/燃比有關(guān)，芳烴化合物單位質(zhì)量熱值較低，但因其理論空/燃比也較低，所以其理論混合氣熱值與烷烴、烯烴相近，芳烴含量增加并不會(huì)顯著影響缸內(nèi)燃燒溫度，因此，NOx排放濃度變化不顯著；尾氣中的小分子烴類化合物主要是汽油中烷烴和烯烴的燃燒裂解產(chǎn)物，汽油中芳烴含量增加，導(dǎo)致尾氣中小分子烴類化合物的生成源烷烴和烯烴減少；尾氣中1,3-丁二烯在燃料中的前體比較復(fù)雜，通常認(rèn)為主要是1-己烯和環(huán)己烷，實(shí)際上在長鏈烷烴和芳烴化合物的燃燒過程中也會(huì)生成1,3-丁二烯，當(dāng)芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)在20%～34%之間變化時(shí)，尾氣中丁二烯濃度變化不大。尾氣中甲苯主要源于汽油中的芳烴化合物，芳烴未經(jīng)燃燒直接排放，以及芳烴氧化裂解未完全燃燒的產(chǎn)物都會(huì)增加尾氣中芳烴污染物的排放，因此，甲苯排放隨汽油中芳烴含量增加而顯著增加；尾氣中甲醛、甲醇、乙醛主要是烷烴、烯烴不完全燃燒的產(chǎn)物，一方面芳烴的增加會(huì)相應(yīng)地減少其生成源，導(dǎo)致其排放降低，另一方面，芳烴增加導(dǎo)致的燃燒不充分會(huì)增加其排放，因此，尾氣中甲醛、甲醇、乙醛濃度變化并不明顯。理論上，尾氣中苯含量會(huì)隨汽油中芳烴含量增加而增加，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果中尾氣的苯含量并未隨汽油的芳烴含量增加而增加，可能的原因是，(1)汽油中苯含量對廢氣中苯含量的影響程度大約是汽油中1個(gè)帶有支鏈的烷基芳烴的10倍以上，3個(gè)油樣中苯含量相近，所以尾氣中苯含量基本相同；(2)環(huán)己烷等烷烴化合物在燃燒過程中也會(huì)生成苯，且其生成苯的能力與烷基芳烴相近[10]。

2.2 汽油中不同芳烴化合物對其排放的影響

市售汽油是由催化裂化、催化重整和烷基化汽油等多種調(diào)合組分及添加劑按一定的比例調(diào)合而成，其中所含芳烴主要源于催化裂化和催化重整汽油。采用《SH/T 0714-2002石腦油中單體烴組成測定法(毛細(xì)管氣相色譜法)》，測定了國內(nèi)典型煉油廠S-Zorb催化裂化汽油、催化重整汽油及市售汽油的單體烴組成，結(jié)果表明，我國煉油廠典型工藝所生產(chǎn)的汽油中含量較高的芳烴化合物為C7～C10芳烴，主要包括苯、甲苯、乙基苯、二甲苯、甲乙基苯、甲丙基苯、三甲基苯和四甲基苯，還包括丙基苯、丁基苯、萘以及茚滿。

根據(jù)此分析結(jié)果，向烷基化汽油中加入不同種類的芳烴化合物得到第二組實(shí)驗(yàn)油樣，以考察汽油中6種典型芳烴化合物對發(fā)動(dòng)機(jī)排放物生成的影響。

由圖2可知，7%芳烴化合物的加入不會(huì)顯著影響DHE420發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)污染物的排放量，對1,3-丁二烯、甲醇及乙醛的排放也無明顯影響，但會(huì)降低甲醛及小分子烴類化合物的排放量，并且明顯影響尾氣中的苯、甲苯等芳烴化合物的排放。

SH-4為烷基化汽油，其燃燒后尾氣中含有較多量的苯(約20 μg/g)，但基本不含有甲苯，說明烷基化汽油中的異構(gòu)烷烴在燃燒過程中也會(huì)生成苯。與SH-4相比，烷基化汽油加入苯的SH-5燃燒后尾氣中苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)(約35 μg/g)明顯升高，這主要是燃料中苯未經(jīng)燃燒直接排放的結(jié)果；此外，燃料中苯脫氫原子形成的苯基與烷烴裂解形成的甲基自由基結(jié)合生成甲苯，導(dǎo)致尾氣中含少量甲苯。烷基化汽油加入甲苯的SH-6燃燒后尾氣中甲苯含量很高，苯含量低于SH-4燃燒尾氣中苯含量，推測尾氣中的甲苯系由燃料中部分甲苯未經(jīng)燃燒直接排放所致，而烷基化汽油中的異構(gòu)烷烴是比甲苯更重要的尾氣苯生成源。SH-7和SH-9是分別含有7%的乙基苯和異丁基苯的烷基化汽油，其燃燒后尾氣中甲苯含量較高，苯含量較低，判斷乙苯和異丁基苯燃燒時(shí)脫側(cè)鏈生成苯基和側(cè)鏈C—C鍵斷裂生成芐基均是重要的反應(yīng)步驟。SH-8和SH-10是分別含有7%的間二甲苯和1,2,4,5-四甲基苯的烷基化汽油，其燃燒后尾氣中含有一定量的苯，幾乎不含有甲苯，可能是由于間二甲苯和1,2,4,5-四甲基苯的對稱結(jié)構(gòu)，苯環(huán)與甲基間的C—C鍵能相等，其燃燒時(shí)各個(gè)甲基同時(shí)脫除生成苯。與不含芳烴的烷基化汽油相比，所有含有帶支鏈芳烴的烷基化汽油燃燒后尾氣中苯含量都較低。而影響較大的“世界燃油規(guī)范”認(rèn)為，汽油中芳烴含量高會(huì)增加尾氣中苯的含量。要解析出現(xiàn)差異的原因還需要對國外的具體油樣和實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行分析。

圖2 采用含不同芳烴汽油樣品SH-4～SH-10時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放情況

3 結(jié) 論

(1)在本研究所設(shè)工況下，符合歐Ⅳ排放法規(guī)的Ford DHE420汽油發(fā)動(dòng)機(jī)原機(jī)排放尾氣中大部分非常規(guī)污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5～100 μg/g之間；其中，甲醛、乙烯、丙烯、甲烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，達(dá)到30～100 μg/g，乙烷、1,3-丁二烯、異丁烯、乙醛、甲醇、甲苯和苯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5～30 μg/g之間。

(2)當(dāng)Ford DHE420發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，隨汽油中芳烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加(19%→34%)，尾氣中常規(guī)污染物CO排放增加，THC和NOx排放變化不明顯；非常規(guī)污染物1,3-丁二烯和苯排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化不明顯，甲醛、甲烷、乙烯等小分子烴類化合物排放減少，甲苯排放量升高。

(3)向烷基化汽油中加入7%的不同種類芳烴化合物不會(huì)顯著影響Ford DHE420發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)污染物、1,3-丁二烯、甲醇和乙醛的排放量，但會(huì)降低甲醛、甲烷、乙烯等小分子烴類化合物的排放量；烷基化汽油中異構(gòu)烷烴在燃燒過程中生成苯的趨向較強(qiáng)，汽油中苯、甲苯未燃燒直接排放造成尾氣中相應(yīng)的苯、甲苯排放量明顯增加；加有所選取的6種烷基芳烴化合物烷基化汽油燃燒尾氣的苯含量低于不含芳烴的烷基化汽油燃燒尾氣的苯含量；汽油中的不同芳烴化合物在缸內(nèi)燃燒后生成甲苯的趨向不同。

[1] HOCHHAUSER A M, BENSON J D,BURNS V, et al. The effect of aromatics, MTBE, olefins and T90 on mass exhaust emissions from current and older vehicles——The auto/oil air quality improvement research program[C]//US:SAE International.SAE Technical Paper，912322.

[2] GOODFELLOW C L, GORSE R A, HAWKINS M J, et al. European programme on emissions, fuels and engine technologies (EPEFE)——Gasoline aromatics/E100 study[C]//US:SAE International.SAE Technical Paper，961072.

[3] SAITOH K, HAMASAKI M. Effects of sulfur, aromatics, T50, T90 and MTBE on mass exhaust emissions from vehicles with advanced technology——JCAP gasoline WG STEP II report[C]//US:SAE International.SAE Technical Paper，2003-01-1905.

[4] 栗雪云. 提高車用汽油質(zhì)量方法的分析探討[J].煉油技術(shù)與工程,2014,44(1):12-16. (LI Xueyun. Study on methods for improving motor gasoline quality[J]. Petroleum Refinery Engineering,2014,44(1):12-16.)

[5] 何錚,鄒勁松. 中國煉油業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整建議[J].當(dāng)代石油石化,2010,(4):11-18. (HE Zheng, ZOU Jinsong. Suggestions for structural readjustment of China’s oil refining Industry[J]. Petroleum & Petrochemical Today, 2010,(4):11-18.)

[6] JOHNSON T. Vehicular emissions in review[C]//US:SAE International.SAE Technical Paper,2014-01-1491.

[7] JAIN A K, BABU V S, SAXENA M, et al. Effect of gasoline composition (olefins,aromatics and benzene)on automotive exhaust emissions——A literature review[C]//India:The Automotive Research Association of India. SAE Technical Paper,2004-28-0081.

[8] HOCHHAUSER A M. Review of prior studies of fuel effects on vehicle emissions[C]//US:SAE International.SAE Technical Paper,2009-01-1181.

[9] HATTORI H, SOGAWA Y, YANAGISAWA N, et al. Unregulated emissions evaluation of gasoline combustion systems (lean burn/stoichiometric DISI and MPI), state of the art diesel aftertreatment technologies (DPF,urea-SCR and DOC), and fuel qualities effects(EtOH,ETBE,aromatics and FAME)[C]//US:SAE International.SAE Technical Paper,2007-01-4082.

[10] ZERVAS E, MONTAGNE X, LAHAYE J. Influence of fuel and air/fuel equivalence ratio on the emission of hydrocarbons from a SI engine 1 Experimental findings[J]. Fuel, 2004, 83(17-18): 2301-2311.

Effects of Aromatics in Gasoline on Engine Exhaust Emissions

ZHANG Xiaoming, ZHANG Jianrong, SONG Haiqing

(ResearchInstituteofPetroleumProcessing,SINOPEC,Beijing100083,China)

Gasoline blending and individual hydrocarbon analysis were done for gasoline fractions of domestic typical refining process. Effects of aromatics content and aromatics species in gasoline on regular and non-regular pollutants of exhaust emission gases were tested on Ford DHE420 engine. The results showed that increase of the aromatics content in gasoline led to higher CO and toluene emissions, as well as lower formaldehyde, methanol and small molecular hydrocarbon emissions. 1,3-butadiene，benzene and NOxemissions were not evidently correlated with the aromatics content of gasoline. Different aromatic species in gasoline got different generation trends of benzene and toluene.

gasoline; aromatics; engine rig test ; non-regular emission

2014-10-10

國家科技部“十一五”科技支撐計(jì)劃課題項(xiàng)目(2007BAE43B03)基金資助 第一作者： 張孝銘，男，工程師，碩士，從事油品評價(jià)及發(fā)動(dòng)機(jī)排放研究；Tel：010-82368155；E-mail: zhangxm.ripp@sinopec.com

張建榮，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，碩士，從事石油產(chǎn)品及添加劑研究；Tel：010-82368009；E-mail: zhangjr.ripp@sinopec.com

1001-8719(2015)02-0476-06

TE626

A

10.3969/j.issn.1001-8719.2015.02.027