柴油轎車燃用生物柴油的排放特性*

譚丕強，周 舟，胡志遠，樓狄明

(同濟大學汽車學院，上海 201804)

前言

生物柴油是以動、植物油脂為原料，用甲醇或乙醇在催化劑的作用下經脂交換制成的含氧燃料。它具有較高的十六烷值和閃點，潤滑性好、黏度高、不含芳香烴和硫含量低等特點。長期以來，國內外針對生物柴油的排放研究大多是根據發動機穩態工況下測出的排放數據進行分析，結果顯示發動機燃用生物柴油后，排放特性有所改善［1－7］。然而汽車在實際的行駛過程中經常會遇到起動、加速、減速和停車等情況，這會造成某些有害排放物如HC急劇增加［8－9］，使環境污染更加嚴重。因此，對燃用生物柴油的汽車進行瞬態工況排放研究具有重要意義。

本文中以一輛帕薩特柴油轎車為樣車，燃用純柴油、純生物柴油和不同摻混比例生物柴油的混合燃料，研究了柴油轎車在NEDC循環下CO、HC、PM和NOx的排放特性。

1 試驗設備與方案

試驗樣車為一輛帕薩特TDI 1.9L柴油轎車，該車裝有尾氣氧化催化轉化器(diesel oxidation catalytic converter，DOC)。NEDC循環包括代表城市工況的ECE15行駛循環和代表城郊高速路的EUDC行駛循環。其中，ECE15包括4個同樣的市區循環單元，每個市區循環單元包含15個工況，總計運行時間780s。ECE15行駛循環的 CO、HC、NOx和 PM排放量是由4個市區循環單元的排放量平均求得。EUDC由一個市郊循環單元組成，包含13個工況，運行時間為400s。

試驗所用的設備為德國SCHENCK公司的排放轉鼓，日本HORIBA公司的CVS采樣系統、MEXA-7000排放氣體分析儀、CHAM-1000電子天平系統和上海佐竹公司的－10℃ ～+45℃排放環境艙等相關設備，測量的排放對象包括HC、CO、NOx和PM。

本試驗所用的6種燃料包括純柴油B0、純生物柴油B100、柴油中滲混5%、10%、20%和50%生物柴油的B5、B10、B20和B50混合燃料，其中生物柴油是由餐飲廢油制成，這6種燃料的基本理化特性見表1。

表1 6種燃料的基本理化特性

由表1可以看出，該生物柴油的十六烷值、密度和黏度均高于柴油，硫質量分數較低，主要性能指標滿足柴油機的使用要求。

2 試驗結果和分析

2.1 柴油轎車ECE15和EUDC循環的排放

2.1.1 CO排放

圖1為該柴油轎車在ECE15循環和EUDC循環下的CO排放。由圖1可見，該車燃用6種燃料ECE15循環的CO排放量遠遠高于EUDC循環的CO排放量，大約占整個NEDC循環CO排放總量的90%～95%，平均比例約為93%。CO形成原因包括3個方面:①過濃混合氣導致缺氧，使得CO不能充分燃燒生成CO2;②過稀混合氣導致反應不穩定，使CO不能繼續燃燒生成CO2;③火焰遇到低溫或壁面猝熄。在ECE15循環下，由于冷起動的原因，前期缸內溫度過低，氧化反應不完全;此外，冷起動時的DOC沒有達到合適的溫度，在CO通過DOC時沒有被進一步氧化，造成CO排放較高。因此，控制ECE15第一個市區循環單元的冷起動排放對改善整個循環的CO排放具有重要意義。在ECE15循環下存在較多的加速和怠速工況，混合氣過濃也造成較多的CO排放。

2.1.2 HC排放

圖2為該柴油轎車在ECE15循環和EUDC循環下的HC排放。

由圖2可知，HC的排放特性與CO類似，大部分都集中在ECE15循環。燃用這6種燃料ECE15循環的HC排放量大約占整個NEDC循環HC排放總量的85%～90%，平均比例約為87%。對于柴油機而言，當混合氣過濃、過稀，或燃燒溫度較低時，都容易產生HC的排放。在ECE15循環下，存在更多的加速工況，加速會導致混合氣過濃，當混合氣濃至局部空氣過量系數小于1.1時，會引起HC排放突然劇增［10］。此外，在ECE15循環的怠速工況，循環供油量小，噴油壓力低，霧化和混合的情況不好，再加上排氣溫度低，極稀混合氣區的燃料沒有燃燒，殘留在排氣之中，引起HC的排放量升高。與CO類似，控制ECE15第一個市區循環單元的冷起動排放對改善整個循環的HC排放也具有重要意義。在EUDC行駛循環下，由于速度較高，負荷較大，發動機缸內溫度較高，霧化較好，燃燒質量高，故HC排放較低。

2.1.3 NOx排放

圖3為該柴油轎車在ECE15循環和EUDC循環下的NOx排放。

由圖3可知，EUDC行駛循環下的NOx排放量比ECE15行駛循環高12% ～16%，平均高出約14%。NOx是在高溫富氧的條件下產生的，高溫持續時間越長，NOx的排放量就越高，轎車行駛在EUDC循環下，持續的高負荷產生了高溫的條件，導致NOx的排放量較高;此外，NOx的排放同尾氣流量正相關，高速時的尾氣流量較高導致 NOx排放量升高。

2.1.4 PM排放

圖4為該柴油轎車在ECE15循環和EUDC循環下的PM排放。

由圖4可知，ECE15行駛循環下的PM排放總量高于EUDC循環，燃用6種燃料ECE15循環的PM排放量大約占整個NEDC循環PM排放總量的60%～70%，平均比例約為65%。顆粒PM排放由燃燒時生成的碳煙、可溶有機組分SOF和硫酸鹽微粒等組成。碳煙是由烴類燃料在高溫缺氧的條件下裂解生成的，而PM的質量主要取決于碳煙的質量。在ECE15循環下，車輛存在較多的加速工況，這時柴油機的空燃比較低，導致發動機高溫缺氧，產生較多碳煙。

2.2 不同比例生物柴油的整車排放量

2.2.1 CO排放

圖5為不同比例生物柴油NEDC循環下的CO排放量。

由圖5可知，無論在哪種循環下，CO排放量隨著生物柴油摻混比例的增加而持續降低。與純柴油B0 相比，柴油轎車 NEDC 循環下 B5、B10、B20、B50、B100的 CO降幅分別為10%、13%、17%、19%和23%。在整個NEDC循環下，柴油轎車的CO排放主要是在冷起動時的幾十秒內產生的，此時缸內溫度較低。因此，ECE15循環的CO排放與整個NEDC循環的CO排放特性類似，隨著生物柴油含量的加大，CO排放量逐漸降低。因此，控制ECE15循環的CO排放對于降低柴油轎車NEDC循環的CO排放非常關鍵。EUDC循環下6種燃料所產生CO排放量相差不多，總量都較少，在0.02g/km以下，因為在EUDC循環下，發動機在高速、高負荷的狀態下運轉，溫度高，有利于CO進一步氧化生成CO2。

2.2.2 HC排放

圖6為不同比例生物柴油在NEDC循環下的HC排放量。

由圖6可知，隨著生物柴油摻混比例的增加，各循環下柴油轎車HC排放量大都持續降低。與純柴油B0相比，柴油轎車 NEDC循環下 B5、B10、B20、B50和 B100的 HC降幅分別為7%、12%、15%、21%和43%。在ECE15循環下的趨勢相同。因此，控制ECE15循環的HC排放對于降低柴油轎車NEDC循環的HC排放非常關鍵。而在EUDC循環下，HC排放量的波動較小。HC排放幾乎與著火滯后期的大小成正比［10］，生物柴油不含芳香烴，十六烷值高，使滯燃期縮短，降低了HC初始生成量，同時其本身含氧，有利于后期的HC氧化，從而導致HC排放的降低。

2.2.3 NOx排放

圖7為不同比例生物柴油在NEDC循環下的NOx排放量。各循環下隨著燃料中生物柴油含量的增加，NOx排放量均先降低后增加。燃用低配比生物柴油B5、B10和B20燃料產生的NOx排放均略低于純柴油B0，但是下降幅度不超過5%。燃用B50和B100產生的NOx排放比純柴油B0增加7%～12%。與柴油相比，生物柴油的十六烷值高，燃用高配比生物柴油的B50和B100燃料時，滯燃期縮短，缸內溫度升高，有利于NOx的形成;此外，氣缸內局部區域氧氣量少時，生物柴油的分子內氧對形成NOx的作用明顯［11］，因此B50和 B100的NOx排放相對B0較高。而對于B5、B10和B20，由于其生物柴油的含量較低，氧含量和芳烴的影響并不明顯。由此可見，采用低配比生物柴油的混合燃料(B5、B10、B20)對NOx排放的影響不大。

2.2.4 PM排放

圖8為不同比例生物柴油在NEDC循環下的PM排放量。

由圖8可知，在各循環下燃用生物柴油后，PM排放量均下降。隨著生物柴油配比的增加，PM排放量的下降幅度增大。與純柴油B0相比，NEDC循環下B5、B10、B20、B50和 B100的 PM 降幅分別為10%、13%、17%、19%和23%。由于生物柴油不含芳香烴，減少了燃燒過程中的高溫裂解組分，從而抑制了碳煙的生成［12］。柴油機油氣混合時，噴霧中間部分的燃料由于缺少氧氣，在高溫條件下裂解生成碳煙，而生物柴油含有分子內氧，改善了缸內局部混合氣過濃區域的燃燒，因此也有助于減少碳煙的生成。同時，由于硫酸鹽和硫酸微粒也是PM的成分之一，因此生物柴油硫質量分數低也是PM排放下降的重要原因之一。

3 結論

以一輛帕薩特柴油轎車為試驗樣車，研究NEDC循環下燃用純柴油B0、摻混不同比例生物柴油的B5、B10、B20與B50混合燃料和純生物柴油B100的CO、HC、NOx和PM的排放特性，結論如下。

(1)柴油轎車CO、HC和PM排放主要集中在ECE15城市行駛循環，燃用這6種燃料的CO、HC和PM排放量占整個NEDC循環排放總量的比例分別約為93%、87%、65%;而EUDC城郊行駛循環下各燃料產生的NOx排放量比ECE15循環均有所增加，平均約增加14%。

(2)CO和HC的排放特性類似，其排放量均隨生物柴油摻混比例的增大而降低。在ECE15城市行駛循環和整個NEDC循環下，CO和HC的排放隨生物柴油摻混比例的變化趨勢類似，而在EUDC城郊行駛循環下各燃料產生的排放量較低且相差不大。因此，控制ECE15循環的CO和HC排放對于降低柴油轎車NEDC循環的CO和HC排放非常關鍵。

(3)隨燃料中生物柴油含量的增加，NOx的排放量呈現先降低后增加的趨勢。

(4)無論是在ECE15城市行駛循環、EUDC城郊行駛循環，還是在整個NEDC循環下，PM的排放量隨著生物柴油摻混比例的增加而逐漸降低。

［1］梅德清，孫平，袁銀南，等.柴油機燃用生物柴油的排放特性研究［J］.內燃機學報，2006，24(4):331 －335.

［2］李博，樓狄明，譚丕強，等.發動機燃用生物柴油的常規和非常規排放特性［J］.內燃機工程，2009，30(5):22 －26.

［3］葛蘊珊，李曉，吳思進，等.餐飲廢油制生物柴油的排放特性［J］.北京理工大學學報，2004，24(4):290 －293.

［4］譚丕強，胡志遠，樓狄明.非直噴式增壓柴油機燃用生物柴油的性能與排放特性［J］.內燃機學報，2006，24(2):110 －115.

［5］Senatore A，Cardone M，Buono D，et al.Performances and Emissions Optimization of a CR Diesel Engine Fuelled with Biodiesel［C］.SAE Paper 2006－01－0235.

［6］Kousoulidou M，Fontaras G，Ntziachristos L，et al.Evaluation of Biodiesel Blends on the Performance and Emissions of a Common-Rail Light-Duty Engine and Vehicle［C］.SAE Paper 2009－01－0692.

［7］Patterson J，Hassan M.G，Clarke A，et al.Experimental Study of DI Diesel Engine Performance Using Three Different Biodiesel Fuels［C］.SAE Paper 2006 －01 －0234.

［8］李文書，胡志遠，譚丕強，等.柴油轎車模態排放特性研究［J］.汽車技術，2010(12):17－21.

［9］許建民.車用汽油機瞬態排放特性的試驗研究［J］.北京汽車，2009(2):17－21.

［10］劉巽俊.內燃機的排放與控制［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［11］Mueller C J，Boehman A L，Martin G C.An Experimental Investigation of the Origin of Increased NOxEmissions When Fueling a Heavy-Duty Compression-Ignition Engine with Soy Biodiesel［C］.SAE Paper 2009－01－1792.

［12］蔣德明.內燃機燃燒與排放學［M］.西安:西安交通大學出版社，2001.