汽油清凈劑對汽車尾氣排放影響及其清凈性研究

朱仁成，鮑曉峰，賈明，岳欣，劉澤民，王博文

1.南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇 南京　2100162.中國環(huán)境科學研究院國家環(huán)境保護機動車污染控制與模擬重點實驗室，北京　100012

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汽油清凈劑對汽車尾氣排放影響及其清凈性研究

朱仁成1,2，鮑曉峰2,1*，賈明2，岳欣2，劉澤民2，王博文2

1.南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇 南京2100162.中國環(huán)境科學研究院國家環(huán)境保護機動車污染控制與模擬重點實驗室，北京100012

摘要通過整車轉(zhuǎn)鼓試驗，對比研究了10種市售清凈劑在分別加入93#汽油后，汽車尾氣排放的變化情況；從中選取一種性能良好的物理清凈劑，通過1.2×104km道路行車試驗和發(fā)動機拆解試驗，進一步評價該清凈劑的節(jié)能減排效果及對發(fā)動機沉積物的清潔作用。結(jié)果表明：整體來看，使用所選的10種汽油清凈劑后，汽車尾氣排放會有不同程度的下降；但有的清凈劑可能會增加尾氣中個別污染物的排放，尤其是HC和NOx。加入所選物理清凈劑后，受試車輛的HC、CO及NOx排放量分別下降14.3%、13.6%和16.7%，油耗下降3.5%；與加劑前相比，發(fā)動機系統(tǒng)的進氣閥和缸蓋部位沉積物均有所減少，其中進氣閥沉積物質(zhì)量減少6.8%，但對活塞頂部沉積物無明顯抑制或清潔作用。試驗還證明了汽車發(fā)動機拆解重裝后，磨合期內(nèi)CO和NOx排放量及油耗會有所增加；但清除缸內(nèi)沉積物后，受試車輛的尾氣排放和油耗情況均有所改善。

關鍵詞汽油清凈劑；尾氣排放；油耗；清凈性

隨著機動車保有量的持續(xù)增加和石化資源的不斷減少，我國汽車尾氣污染控制和燃油經(jīng)濟性壓力越來越大，節(jié)能、減排仍是目前汽車行業(yè)研究的重要問題之一[1]。與歐盟、美國和日本相比，我國汽油以催化裂化為主，烯烴含量較高，低溫下更易氧化形成沉積物，堵塞噴嘴。大量研究[2-5]表明，使用合適清凈劑是提高汽油品質(zhì)、實現(xiàn)節(jié)能減排的一種切實有效措施?！盾囉闷颓鍍魟穱覙藴首?005年5月1日開始實施，極大促進了我國汽油清凈劑行業(yè)的發(fā)展。目前，國內(nèi)市場清凈劑品牌多達數(shù)百種，為汽油車實際運行中的節(jié)能減排起了很大作用。但由于缺少有效的監(jiān)管手段及終端管理缺位，我國市場上的汽油清凈劑質(zhì)量和作用效果很難得到保證。

車用汽油清凈劑按照不同的生產(chǎn)工藝及其組成可以細分為化學清凈劑、物理清凈劑及生物清凈劑?；瘜W清凈劑出現(xiàn)最早、應用最廣，通過向汽油中添加某種化學物質(zhì)來調(diào)節(jié)燃油的理化性質(zhì)，從而達到節(jié)油、減排、抗暴等效果；物理清凈劑是相對化學清凈劑而言的，以汽油為基質(zhì)，通過對汽油產(chǎn)生物理作用來改善其燃燒特性，例如通過共振波來清除已有沉積物，阻止新沉積物的生成；生物清凈劑則是通過生物合成的一種清凈劑，多以植物為原料，對發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性具有一定的改善效果[6-7]。一般來說，車用汽油中加入質(zhì)量合格的清凈劑則可以有效減少發(fā)動機噴嘴、進氣閥和燃燒室中沉積物的生成，并清除已有的沉積物，從而達到降低汽車油耗、減少尾氣排放、延長發(fā)動機壽命的目的。國內(nèi)外有關化學清凈劑、生物清凈劑對汽車節(jié)能、排放性能影響的研究較多[3,8-13]，而對物理清凈劑的報道相對較少。物理清凈劑具有添加靈活，不發(fā)生化學反應，且可以無損清除發(fā)動機沉積物等優(yōu)點，是汽油清凈劑研發(fā)的一個新方向，應加強研究[7]。

目前對汽油清凈劑性能評價主要有歐、美、日三大體系，歐盟、日本均為發(fā)動機臺架試驗法；而美國既有Ford 2.3發(fā)動機臺架法，也有ASTM D6201整車試驗法，且以整車試驗為主[14]。我國GBT 19230.6—2003《評價汽油清凈劑使用效果的試驗方法》規(guī)定了以M111發(fā)動機臺架試驗法對汽油清凈性進行檢測，該方法具有測試參數(shù)固定、操作性強及可重復性高等優(yōu)點，屬于理想條件下的實驗室模擬試驗，并不能完全反映和涵蓋所有道路工況，與實車在道路行駛情況相比仍有一定差別。因此，為更真實地反映汽油清凈劑對汽車各方面性能的影響，應采用實車道路行駛法對其進行測試。

為了解我國汽油清凈劑市場上產(chǎn)品的節(jié)能減排效果及對發(fā)動機系統(tǒng)沉積物的清潔性能，筆者從市場上選取10種具有代表性的清凈劑，分別考察加劑前后受試車輛的尾氣排放變化情況；并從中選取一種性能良好的物理清凈劑，詳細考察受試車輛加劑行駛約1.2×104km后，其對汽車尾氣排放、油耗等方面的影響，并通過發(fā)動機拆解試驗評價其對進氣閥及燃燒室等部位沉積物的清凈效果。

1裝置及方法

1.1受試車輛和測試設備

受試車輛為一輛符合國Ⅳ排放標準的鄭州日產(chǎn)PALADIN轎車，試驗前里程表數(shù)為40 610 km，車況良好。受試車輛的基本配置參數(shù)如表1所示。

表1　試驗車部分基本參數(shù)

尾氣排放和油耗測試試驗主要在中國環(huán)境科學研究院的汽車性能實驗室內(nèi)進行，發(fā)動機拆解是在4S店內(nèi)由專業(yè)人員完成。試驗所用測功機為日本HORIBA生產(chǎn)的CTDY-1211型直流電流底盤測功機；尾氣中CO、HC和NOx排放借助CVS 9100定容取樣系統(tǒng)，由MEXA 9400型汽車排氣分析系統(tǒng)分析；活塞頂沉積物厚度采用德國PHYNIX生產(chǎn)的 Surfix FN電子測厚儀測量；沉積物質(zhì)量采用瑞士METTLER TOLEDO生產(chǎn)的AL204電子天平測量。

1.2試驗用汽油及清凈劑

試驗選用符合國Ⅳ標準的市售93#車用汽油為基礎汽油，按照所選擇的10種汽油清凈劑要求分別配制出10個加劑油樣，并標記為1～10號。最后，從中選取的一種性能良好的物理清凈劑，用于系統(tǒng)考察使用加劑行駛1.2×104km后，該受試車輛尾氣排放、油耗及發(fā)動機系統(tǒng)沉積物變化情況。該物理清凈劑部分參數(shù)如表2所示。

表2　清凈劑部分基本參數(shù)

1)GB 19592—2004未做專門要求。

1.3試驗方案

10種市售清凈劑的減排性能評價方案：依據(jù)GB 18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(國Ⅲ、Ⅳ階段)》規(guī)定的Ⅰ型試驗方法，按照ECE(economic commission for Europe)+EUDC(extra urban driving cycle)循環(huán)工況先對受試車輛使用基礎汽油時進行常規(guī)氣態(tài)污染物(CO，NOx和THC)排放測試。測試結(jié)束后，放空原有汽油，更換加劑汽油進行相同工況下的測試，比較2次試驗結(jié)果，得出該清凈劑的減排效果。雖然清凈劑可以通過提高燃油品質(zhì)改善燃燒特性，從而迅速實現(xiàn)某種作用；但其主要還是經(jīng)過清除燃油管路、進氣閥及燃燒室的表面油垢和積碳，并保持一定清潔度來達到節(jié)能減排的效果。所以使用含清凈劑汽油應行駛一定距離(至少100 km)，基本清除進氣閥等部件表面積碳后再進行測試。

對所選物理清凈劑進行評價，具體方案：1)加劑前，按照GB 18352.3—2005規(guī)定，對受試車輛使用基礎汽油時進行尾氣排放及百公里油耗測試，記為Test 1。2)Test 1測試完成后，去4S店對該車輛發(fā)動機進行第1次拆解，測量活塞頂沉積物厚度、進氣閥質(zhì)量(m1，含沉積物)；在不清除發(fā)動機任何部位積碳情況下，復原發(fā)動機。3)轎車復原后添加基礎汽油，磨合60 km，再對其尾氣排放及百公里油耗進行測試，記為Test 2。4)受試車輛使用加劑汽油，道路行駛約1.2×104km后，再進行尾氣排放及百公里油耗測試，記為Test 3。5)Test 3測試完成后，去4S店對車輛發(fā)動機進行第2次拆解，測量活塞頂積碳厚度、進氣閥質(zhì)量(m2，含沉積物)；清除各進氣閥閥積碳后，稱量各閥門的質(zhì)量(m)；最后，清除缸內(nèi)各部分沉積物，復原發(fā)動機。6)試驗車經(jīng)第2次拆解并清除缸內(nèi)各部分沉積物，添加基礎汽油后再次進行污染物排放及油耗測試，記為Test 4。

為消除受試車輛拆解對尾氣排放的影響，分別以Test 1、Test 3測量結(jié)果作為基礎汽油及使用加劑汽油行駛1.2×104km后尾氣排放及油耗情況；并分別以m1，m2與m的差值作為清凈劑使用前后進氣閥沉積物(IVD)的質(zhì)量。Omata等[15]研究證明，在清除燃燒室沉積物(CCD)后，HC、CO和NOx排放幾乎回歸到新車水平。因此可以用Test 4測量結(jié)果代表新車尾氣排放及油耗水平。

具體試驗流程如圖1所示。試驗中對比Test 1和Test 2，Test 1和Test 3，Test 1和Test 4結(jié)果，認為分別是發(fā)動機拆解、使用物理清凈劑、清除發(fā)動機內(nèi)沉積物等因素對尾氣排放和油耗的影響。

圖1　試驗具體流程Fig.1　Process of the experiment

2結(jié)果與討論

2.1市售清凈劑對尾氣排放影響

圖2是受試車輛分別使用10種不同汽油清凈劑前后HC、CO和NOx排放的變化。

圖2　10種清凈劑使用前后污染物排放變化Fig.2　Decrease rates of the gaseous emissions fromthe vehicle before and after the addition of 10 detergents

從圖2可以看出，1號、2號、4號和10號4種清凈劑對HC、CO和NOx均有一定減排效果，其中對CO的減排效果最明顯，達14.7%～29.2%。然而3號、7號和9號清凈劑在降低HC和CO排放的同時，會不同程度地增加NOx的排放，這可能是由于這些清凈劑促進燃油燃燒的同時，增加了缸內(nèi)熱峰值，從而造成NOx排放增加。另外，6號和8號清凈劑會較大幅度地增加HC污染物的排放，分別增加了16.7%和18.8%。所測試的10種清凈劑中僅有5號會增加CO的排放，約8.9%。總體來看，受試車輛使用汽油清凈劑后，其尾氣污染物排放會有不同程度的下降，但使用部分清凈劑后反而會增加個別污染物的排放，尤其是HC和NOx。這也反映了我國清凈劑市場上產(chǎn)品質(zhì)量有待進一步提高。

2.2物理清凈劑對尾氣排放的影響

圖3分別為受試車輛使用基礎汽油(Test 1、Test 2)與加入物理清凈劑且道路行駛1.2×104km后(Test 3、Test 4)尾氣中HC、CO和NOx排放量對比。對比圖3的Test 1和Test 2可以看出，發(fā)動機拆解對CO和NOx排放量具有較大影響，分別增加了9.9%和50.0%，但對HC排放量基本沒影響。這是對發(fā)動機拆解過程中沉積物碎屑掉落或易揮發(fā)成分揮發(fā)等導致燃燒室體積改變、縫隙增大等多種因素綜合作用的結(jié)果。對比第1次發(fā)動機拆解前后(Test 1、Test 2)和第2次發(fā)動機拆解前后(Test 3、Test 4)HC排放均無明顯變化，可以推測HC排放受發(fā)動機拆解操作影響較小，但具體原因有待進一步研究證實?？傊鹧b和更換發(fā)動機組件等操作后對發(fā)動機排放影響較大，一般需要一定時間的磨合期才能恢復其正常排放水平。

圖3　加劑前后尾氣排放量變化Fig.3　Variations of the tailpipe gaseous emissionsbefore and after the addition of detergent

對比圖3的Test 1和Test 3可知，加入物理清凈劑后，HC、CO和NOx排放量均有所減少，降幅分別為14.3%、13.6%和16.7%。說明受試車輛使用加劑汽油并行駛一定里程后，其尾氣排放得到有效控制。一般化學清凈劑通過加快缸內(nèi)混合氣燃燒速度，增加了燃燒溫度，在降低HC和CO排放的同時可能會惡化NOx排放[1,12]。而本試驗使用物理清凈劑后，在改善HC和CO排放的同時，NOx排放量也有較大幅度下降，這與Omata等[15-17]添加物理清凈劑后得出NOx下降的試驗結(jié)果相一致。加劑后尾氣中NOx排放有所降低，一方面是由于清凈劑對IVD和CCD起到了清凈作用，增大了燃燒室容積，使壓縮比有輕微的減小，由CCD造成的隔熱效果也有所下降，從而降低了最高燃燒溫度；另一方面如文獻[6]所述，由于物理清凈劑與汽油分子產(chǎn)生共振，降低了分子間凝聚力，使汽油黏度、表面張力及實際膠質(zhì)下降，改善噴霧效果、細化油滴，使其燃燒更迅速，縮短了燃燒持續(xù)時間，從而抑制NOx排放。

對比圖3的Test 1和Test 4可知，清除發(fā)動機缸內(nèi)沉積物后，發(fā)動機尾氣HC、CO和NOx排放量均有大幅度削減，降幅與Test 3相當。這也說明使用清凈劑后(Test 3)，尾氣中除CO、HC和NOx排放幾乎達到了新車水平(Test 4)。

2.3物理清凈劑對油耗的影響

圖4是受試車輛使用基礎汽油(Test 1、Test 2)與加劑汽油且道路行駛1.2×104km(Test 3、Test 4)后的百公里油耗。對比圖4的Test 1與Test 2可知，整車經(jīng)過拆解，在不清除發(fā)動機任何部位沉積物情況下再次復原，油耗量卻增加了1.4%，與圖2拆解后CO和NOx排放量增加相一致。這是由于各配件間隙較緊，摩擦力增大造成的。說明車輛在實際運行中經(jīng)大修后，油耗可能出現(xiàn)小幅度惡化，需要一定磨合期。

圖4　實車燃用加劑汽油前后油耗變化Fig.4　Variations of the fuel consumption beforeand after the addition of detergent

圖6　發(fā)動機進氣閥加劑前后積碳累積情況對比Fig.6　Comparison of the intake valve photos before and after the addition of detergent

從圖4可見，加劑后受試車輛百公里油耗(Test 3, 10.44 L100 km)與加劑前(Test 1)相比顯著降低，節(jié)油率約為3.5%，并且達到了新車油耗水平(Test 4, 10.45 L100 km)，說明該物理清凈劑節(jié)油效果較為明顯。清凈劑的節(jié)油原理較為復雜，一般認為是改善噴油質(zhì)量、提高燃燒效率、減少摩擦及促進燃燒等多種功能綜合作用的結(jié)果。也有研究者認為，物理清凈劑能擴大分子間距，增強其活性，提高油氣混合質(zhì)量，加快燃燒速率，使燃燒更充分，讓更多燃料在上止點附近燃燒，提高了熱、功轉(zhuǎn)化效率，所以物理清凈劑能降低汽油油耗[6]。與發(fā)動機臺架試驗加劑前后的節(jié)油率相比，本試驗得到的實車油耗下降率可能較小，但與同樣在實車上進行的3M添加劑得到的節(jié)油率(2%～4%)相當[18]。

對比圖4的Test 1和Test 4可知，清除缸內(nèi)沉積物可以顯著提高汽車的燃油經(jīng)濟性，達3.5%。

2.4物理清凈劑對進氣閥沉積物的影響

圖5為加入物理清凈劑并行駛1.2×104km后，進氣閥上沉積物質(zhì)量的變化。由圖5可知，汽缸1、汽缸2、汽缸3進氣閥上沉積物質(zhì)量均有明顯降低，其中對汽缸2的2個進氣閥清洗效果最好，其沉積物降幅最大，分別為28%和16.2%；而汽缸4的2個進氣閥積碳有所升高，沉積物量分別增加9.2%和44.2%；4個汽缸8個進氣閥總的降幅為6.8%。

注：(1-1,1-2)、(2-1,2-2)、(3-1,3-2)、(4-1,4-2)分別為汽缸1、汽缸2、汽缸3和汽缸4各自對應的2個進氣閥。圖5　進氣閥沉積物質(zhì)量變化Fig.5　Variations of the IVD amount before andafter the addition of detergent

圖6是從每個汽缸選一個進氣閥進行加劑前后積碳累積情況對比。由圖6可以看出，物理清凈劑對大多數(shù)進氣閥會有一定清洗效果。其基本原理是清凈劑加入燃油后，把自身的物理共振特性傳遞給汽油和發(fā)動機部件；汽油獲得這一共振特性后，在高溫高壓的發(fā)動機內(nèi)部環(huán)境下同步爆發(fā)，產(chǎn)生巨大共振波，擊碎燃燒室內(nèi)陳積的積碳，實現(xiàn)清洗功能。從圖6還可看出，同一缸上2個IVD增減幅度雖略有差異，但有相同增減趨勢。各汽缸之間IVD清凈程度差別較大，這是由于各缸內(nèi)燃燒特性略有不同造成的。

2.5物理清凈劑對燃燒室沉積物的影響

清凈劑對缸內(nèi)沉積物的清洗對象包括汽缸蓋沉積物和活塞頂沉積物。圖7是物理清凈劑使用前后氣缸蓋和活塞頂部分沉積物的對比情況。由圖7可以看出，受試車輛使用物理清凈劑后，對活塞頂和汽缸蓋各部分的沉積物都有一定清洗效果，尤其是對活塞頂上沉積物清凈作用較為明顯，褐色的灰狀物已不存在，露出較為光滑的表面。雖然從圖7可見，物理清凈劑對各活塞頂也都有明顯清洗效果，但經(jīng)過厚度測試，汽缸3活塞頂上沉積物平均厚度反而有大幅度上升，且4個活塞頂上積碳平均厚度也上升了1.5 μm。由于本試驗車是在行駛40 610 km后添加的物理清凈劑，可能是活塞頂部分積碳沉積過于牢固，汽油共振產(chǎn)生的沖擊波不足以將其全部清洗掉，造成該清凈劑對活塞頂上沉積物無明顯抑制或清凈作用。繼續(xù)增加清凈劑的使用時間是否會達到降低活塞頂積碳平均厚度的效果還需進一步試驗研究?？傮w來說，該物理清凈劑在清除進氣閥沉積物的同時，幾乎沒有增加燃燒室沉積物，也沒導致排放和油耗的惡化，符合第四代汽油清凈劑功能特征。

注：圖示中數(shù)值為活塞頂積碳平均厚度。圖7　物理清凈劑對燃燒室清凈性試驗結(jié)果Fig.7　Comparison of the combustion chamber crown and piston crown photos before and after the addition of detergent

3結(jié)論

(1)總體來看，使用所抽取的10種汽油清凈劑產(chǎn)品后，汽車尾氣排放會有不同程度下降；但使用部分產(chǎn)品后反而會增加個別污染物的排放，尤其是HC和NOx。我國清凈劑的質(zhì)量有待進一步提高。

(2)通過1.2×104km道路行車試驗和發(fā)動機拆解試驗，該受試車輛使用加入物理清凈劑的汽油后，尾氣中HC、CO和NOx排放有所改善，百公里油耗也略有下降。

(3)總體來看，使用物理清凈劑后，對受試車輛的進氣閥沉積物、氣缸頂沉積物均有一定清潔效果，但對活塞頂上沉積物無明顯抑制或清凈作用。

(4)發(fā)動機拆裝等操作，短期內(nèi)對CO、NOx排放及油耗影響較大，但對HC排放幾乎沒影響；清除發(fā)動機缸內(nèi)沉積物后，尾氣排放改善及燃油經(jīng)濟性提高效果較為明顯。

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Study on Impact of Gasoline Detergent on Vehicle Emissions and Its Detergency

ZHU Rencheng1,2, BAO Xiaofeng2,1, JIA Ming2, YUE Xin2, LIU Zemin2, WANG Bowen2

1.College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Vehicle Emission Control and Simulation, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

AbstractThrough the dynamometer tests, variations of tailpipe emissions from a passenger car fueling with 93#gasoline adding 10 different gasoline detergents were tested, respectively. Furthermore, a qualified physical detergent was chosen from the 10 detergents. The effects of energy saving and emission reduction were tested, and the detergency of the physical detergents in the engine deposits was also evaluated by engine disassembly test before and after driving about 12×104km with the additive. The results showed that the tailpipe emissions from the test vehicle would have different decrease if using qualified detergents. However, some emissions, such as HC and NOx, might be increased after using unqualified detergents. The vehicle emissions of HC, CO, NOxdecreased obviously after using the physical detergent, approximately 14.3%, 13.6% and 16.7%, respectively. At the same time, the fuel consumption had a slight decrease of approximately 3.5%. There were some improvements in the deposits on the intake valves and cylinder covers after using the physical detergent. For example, the intake valve deposits (IVDs) decreased by about 6.8%. However, there was no obvious clarifying effect on the deposits on the piston crowns. The test also proved that major repair of the engine might result in the increase of fuel consumption and CO, NOxemissions, while the vehicle emissions and the fuel consumption would be improved after the deposits being cleaned.

Key wordsgasoline detergent; tailpipe emissions; fuel consumption; detergency

收稿日期：2016-01-12

基金項目:國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2014AA06A503)；國家科技合作專項(2012DFA91570)；國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201409021)

作者簡介：朱仁成(1989—)，男，博士，主要從事機動車污染控制技術研究，zhurencheng2006@163.com *責任作者：鮑曉峰(1957—)，男，首席研究員，博士，博士生導師，主要從事車用燃料及添加劑、機動車污染控制理論和控制方法、汽車和發(fā)動機性能研究，baoxf@craes.org.cn

中圖分類號:X701

文章編號:1674-991X(2016)04-0307-07

doi:10.3969?j.issn.1674-991X.2016.04.046

朱仁成，鮑曉峰，賈明,等.汽油清凈劑對汽車尾氣排放影響及其清凈性研究[J].環(huán)境工程技術學報,2016,6(4):307-313.

ZHU R C, BAO X F, JIA M, et al.Study on impact of gasoline detergent on vehicle emissions and its detergency[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(4):307-313.