醇基汽油合成燃料的NEDC循環排放特性試驗分析*

焦鵬昊 張文 宋國慶 李強 白志杰 李志軍

（1.天津電子信息職業技術學院；2.天津大學）

隨著我國經濟的快速發展，汽車在國民經濟各個領域中扮演著越來越重要的角色。汽車保有量的高速增長，使我國的能源安全與環境保護面臨巨大的壓力。我國的能源結構特點為“富煤、貧油、少氣”，每年需要進口大量的原油及石油制品，能源安全已成為影響我國經濟發展的重要因素之一。此外，近年來我國各地頻發空氣污染事件，“霧霾”一詞頻繁見諸報端，治理大氣環境迫在眉睫。節約傳統化石資源、改善能源消費結構、推廣清潔能源及實現車用能源多元化已經成為我國汽車工業發展的重中之重。因此文章對新型車用醇基汽油合成燃料進行了研究，在某汽油/壓縮天然氣（CNG）雙燃料整車上，以純汽油（M0）和CNG燃料為基準，對不同摻混比例的合成燃料進行空燃比在化學當量比附近的原機常規排放物對比研究。

1 試驗儀器及設備

文章選用的發動機為某公司制造的CA4GA5四缸電控16氣門VCT-i進氣道燃油噴射汽油機，排放分析系統采用日本某公司生產的MEXA-7000系列排放分析系統和奧地利某公司生產的DEWE-5000型燃燒分析儀。試驗燃料為93#汽油，其體積質量為0.733×103kg/m3；醇基燃料以低碳醇、多碳醇、芳香烴及添加劑等組成，其中低碳醇以甲醇為主，并按照醇基燃料所占比體積，依次選用醇基燃料占比分別為10%，20%，30%的新型車用醇基汽油合成燃料，即：M10，M20，M30。并已采集原機排放數據進行排放特性試驗研究。

1.1 整車轉鼓試驗臺

整車轉鼓試驗臺，如圖1所示。主要包括環境模擬倉、底盤測功機（包括駕駛員輔助設備）、排氣分析系統及主控中心等部分。其中環境模擬倉為美國某公司制造的ETC環境模擬倉，溫度范圍：-40～60℃，溫度控制精度：±1℃；濕度范圍：5%～95%RH，濕度控制精度：±5RH；最大測量風速：200km/h；最大照光強度：1 200 W/m2，控制精度：±2.5%；熱路模擬系統模擬范圍：20～75℃。底盤測功機為美國某公司生產的7236-6195型性能測功機，最大測量車速：200 km/h，測速精度：0.08 km/h；最大量程：5 840 N，滿量程精度：±0.1%。電控系統中，M0，M10，M20及M30燃料采用日本某公司的量產電控系統；CNG燃料采用韓國某公司生產的量產電控系統。

圖1 整車轉鼓試驗臺示意圖

1.2 試驗設備

1.2.1 試驗整車主要參數

文章選用某自主品牌汽油/CNG雙燃料經濟型三廂轎車，該車型具有高功率、大扭矩及低油耗特性，為自主品牌代表車型。整車主要參數，如表1所示。

表1 某自主品牌汽油/CNG雙燃料經濟型三廂轎車主要參數

1.2.2 汽車CNG系統改制

在汽油/CNG雙燃料經濟型三廂轎車基礎上進行改裝，加裝國內自主研發的CNG燃料供給系統，其結構，如圖2所示。由圖2可以看到，CNG氣罐放置在轎車后備箱，通過閥門控制其與整個氣路的通斷，保證了整個系統的安全性。在氣罐與CNG減壓器中間布置1個三通閥，通過該閥的開閉，實現加氣模式和供氣模式的切換。由于CNG減壓器在工作時大量吸熱，為保證其正常工作，將其與整個發動機散熱的循環水路連接，利用發動機工作時產生的熱量對CNG減壓器進行加熱。減壓后的CNG氣體，經過濾清器后進入CNG氣軌，通過CNG噴射器調整噴射壓力，然后噴入發動機的進氣歧管，與通過原機氣路進入進氣歧管的空氣混合，最后進入燃燒室燃燒做功。

圖2 壓縮天然氣（CNG）系統結構示意圖

1.2.3 試驗環境

試驗前對原車進行動力性、經濟性及常規排放檢測。試驗車原車排放數據檢測結果，如表2所示。

表2 試驗車原車排放數據g/km

按照GB 18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）》[1]進行各項準備，整車轉鼓試驗所需試驗裝置準備工作完成。試驗現場，如圖3所示。

圖3 整車轉鼓試驗準備現場

2 試驗方案

采用文獻[1]中規定的“常溫下冷啟動后排氣污染物排放實驗（Ⅰ型實驗）”方法進行，包含“市區運轉循環”和“市郊運轉循環”兩部分。其中“市區運轉循環”按操作分解為6個部分，如表3所示；“市郊運轉循環”按操作分解為6個部分，如表4所示；Ⅰ型試驗的試驗循環共包含3個“市區運轉循環”和1個“市郊運轉循環”，如圖4所示。

表3 Ⅰ型試驗市區運轉循環工況分解

表4 Ⅰ型試驗市郊運轉循環工況分解

圖4 整車轉鼓試驗運轉循環示意圖（Ⅰ型試驗）

3 試驗結果

試驗中分別使用M0，CNG，M10，M20及M30新型醇基汽油合成燃料作為整車燃料，在轉鼓試驗臺上進行了國Ⅳ標準NEDC循環工況的整車試驗。

3.1 醇基燃料含量對循環工況常規排放總碳氫（THC）的影響

市區和市郊循環工況THC排放對比，如圖5所示。

從圖5可以看出，5種燃料均在加速時THC排放增加，這是由于在加速過程中，由于此時需要較濃的可燃混合氣，燃料燃燒不完全所致；減速時THC排放減少，這是因為汽油噴射發動機在減速時停止燃料供應所致；M0，CNG，M10，M20及 M30的 THC 排放依次減小，這主要因為CNG的主要成分為甲烷，與M0相比可供氧化的碳原子較少，而新型醇基汽油合成燃料為含氧燃料，醇基燃料的摻混意味著對汽油進行了稀燃，促進了相同進氣量時THC的氧化；M10，M20及M30的THC排放振幅比M0和CNG大，這是因為醇基燃料屬摻混燃料，而它使用的仍是汽油燃料的電控系統，沒有對汽車使用摻混燃料后進行整車標定，而M0和CNG使用的是各自量產的電控系統，經過了整車標定優化。因此，后期還需要開展對新型醇基汽油合成燃料的臺架與實車標定工作。

從圖5a可以看出，在195 s的市區循環工況1中，M0，CNG，M10，M20及M30的THC排放較多，峰值分別達 6 516×10-6，5 752×10-6，4 028×10-6，3 699×10-6，3 241×10-6。這是因為，在冷啟動階段，發動機剛剛開始工作，為保證發動機正常工作，需采用啟動加濃策略，使缸內混合氣的空燃比小于當量空燃比。此外，由于缸體和活塞的溫度較低，造成冷激效應強烈、混合氣霧化不好、燃燒不穩定、容積淬熄較嚴重，上述因素都會導致THC排放增加[2]。在圖5b中的第2，3，4市區循環工況中，M0和CNG的THC排放穩定，這是因為此時發動機溫度升高，從而使油氣混合得更加均勻，進而促進燃料完全燃燒。圖5c為400 s的市郊工況THC排放，在0～70 km/h和50～120 km/h急加速工況下，M10，M20及M30的THC排放大于M0和CNG，并且波動頻率大，這主要是由于急加速需要提供濃的功率混合氣，而醇基燃料的汽化潛熱大，隨著大量濃醇基燃料進入氣缸，導致燃料燃燒溫度降低，不利于燃料的進一步氧化，加劇了未燃燃料的增加，從而導致THC排放增大較大。

3.2 醇基燃料含量對循環工況常規CO排放的影響

市區和市郊循環工況CO排放對比，如圖6所示。

碳氫化合物燃料燃燒的CO排放，是燃燒過程因氧氣不足生成的中間產物[3]。由圖6可以看出，在汽車加速時，M0，CNG，M10，M20及 M30 的 CO 排放增加，這是因為此時混合氣較濃，氧氣量不足；在汽車勻速及減速時，CO排放穩定，這是因為發動機轉速穩定時，可燃混合氣為理論空燃比，CO氧化充分。汽車減速時，電控發動機燃料供應停止，并受化學反應動力學影響，大約在 1 100 K時，CO濃度凍結[4]；M10，M20 及M30的CO排放整體低于M0和CNG的CO排放，這是因為，醇基燃料是含氧燃料，其摻混比例增加意味著增加了可燃混合氣中的氧含量，有利于CO的氧化。由圖6a可以看出，5種燃料的CO排放峰值出現在圖6a所示的第1個市區循環，這是由于發動機開始工作之初，混合氣環境溫度低，霧化不充分，并且為了保證發動機正常工作，需增加燃料供給量，這均導致CO排放過高[5]；發動機暖機之后，發動機工作狀態逐漸穩定。在圖6b中的第2，3，4個市區循環中，5種燃料的CO排放逐步降低并趨于穩定，這是由于此時可燃混合氣環境溫度高，混合均勻，CO氧化充分；在圖6c中的400 s市郊運行循環中，CO排放較高，這是因為發動機處于中高負荷，燃料供給量增加，混合氣中的氧氣含量減少所致。

3.3 醇基燃料含量對循環工況常規NOx排放的影響

市區和市郊循環工況NOx排放對比，如圖7所示。

圖7 市區和市郊循環工況NOx排放對比（Ⅰ型試驗）

由圖7可以看出，循環工況條件下，汽車加速時，M0，CNG，M10，M20 及 M30 的 NOx排放減小；汽車穩速時，NOx排放增加；汽車減速時，NOx排放減小。這是由于加速時混合氣較濃，燃料燃燒過程氧氣較少；勻速時，為保證燃油經濟性，混合氣在當量比或略稀狀態下燃燒，燃燒溫度高、氧氣充足；減速時，發動機電控系統斷油，溫度急劇下降。從圖7還可以看出，隨著燃料中新型車用醇基汽油合成燃料中醇基燃料摻混比例的增加，NOx排放增加，這是由于醇基燃料中的含氧量有利于NOx的生成。

比較圖7a和7b，市區工況2，3，4的NOx排放比市區工況1的NOx排放高，這是因為在市區工況1循環中，發動機剛開始工作，燃料霧化不良，燃燒溫度低，不利于NOx的生成，隨著暖機工作的完成，NOx排放趨于穩定。比較7c和7b，市郊工況的NOx排放較高，這是因為市郊工況發動機轉速較高，單位時間內進入到缸內的燃料增加，這都導致NOx排放增加。

4 結論

文章按照文獻[1]規定的“常溫下冷啟動后排氣污染物試驗方法”，以M0和CNG燃料為基準，分別對M0，CNG，M10，M20及 M30燃料進行整車轉鼓試驗，分析新型車用醇基汽油合成燃料中醇基燃料不同摻混比例對3種常規排放物THC，CO及NOx原機排放的影響，得到以下3點結論。

1）在加速時，由于混合氣較濃，THC和CO排放激增，當車速穩定后，THC和CO排放降低；由于氧氣不足，NOx排放較低。在車速穩定時，可燃混合氣為當量比或略稀，缸內燃燒完全，燃燒溫度高，THC和CO排放降低，NOx排放增加。當汽車減速時，由于電噴發動機斷油，燃料減少，排氣溫度降低，THC，CO及NOx排放減少。

2）在第1個市區循環工況，由于發動機為冷啟動，可燃混合氣環境溫度低，狹隙效應明顯，大量未燃THC和燃燒中間產物CO產生，并在該工況達到峰值，并由于該工況下燃燒溫度低，氧氣缺乏，使得NOx排放峰值在整個試驗過程中最小。

3）由于醇基燃料為含氧燃料，M10，M20及M30中的氧含量為THC和CO的氧化提供有利條件，所以隨著新型車用醇基汽油合成燃料中醇基燃料摻混比例的增加，與M0和CNG燃料相比較，THC和CO排放呈現出逐漸下降趨勢，相反，由于隨著醇基燃料摻混比例的增加，氧含量增加，使得NOx排放呈現逐漸增大趨勢。