丁醇燃料對柴油車污染物排放影響的試驗研究

常靜，張克松，王剛，喬意

(山東交通學院汽車工程學院，山東濟南 250357)

汽車保有量的不斷增長，加劇了全球性的石油危機和大氣污染，石油匱乏已經嚴重影響到我國的能源安全和國民經濟的可持續發展，因此發展內燃機替代燃料已是當務之急[1-4]。丁醇是一種高能量生物燃料，其特點：能量密度分別比甲醇和乙醇高出82.5%、49%，達到汽油的91.3%[5]；蒸氣壓力低，氣化潛熱小，親水性差，更易于與汽油、柴油混合，可大比例調入汽、柴油中[6-10]；含氧量較大，可以改善柴油機在燃燒過程中的局部缺氧問題[11-13]；丁醇腐蝕性小，不必改變原有發動機的結構，適合在現有的燃料供應系統中使用[14-16]；丁醇與源自石油煉制的運輸燃料相比，具有顯著的環境效益[17]。因此，發展丁醇燃料的前景比其它生物燃料更為樂觀[18-19]。但目前的研究對丁醇燃料的排放特性結論不一，且大多數試驗研究僅停留在發動機臺架試驗或數值模擬中[20-23]，本文將丁醇以不同比例加入柴油中進行整車排放試驗，分析具有不同丁醇體積分數的丁醇-柴油混合燃料對柴油車排放的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗設備及系統組成

試驗設備包括：江鈴皮卡柴油車、AVL底盤測功機臺架系統、軸流風機、排氣取樣系統、排氣分析系統、控制系統、計算機數據處理終端等。試驗車輛發動機為JX493ZQ5C型、直列四缸、增壓中冷柴油機，主要參數如表1所示。

試驗車輛停放于底盤測功機上，驅動輪與轉鼓表面接觸，低速轉動轉鼓，調節車身方向使其與轉鼓滾筒軸線垂直，將車輛轉向輪固定，試驗時汽車的驅動輪帶動滾筒轉動，滾筒則帶動底盤測功機的電動機旋轉發電，通過控制電動機的工作參數，從而模擬汽車在實際道路上受到的阻力。

軸流通風機放于車身正前方，在計算機控制下其轉速隨車速的變化而變化，從而模擬汽車在行駛時迎面風的冷卻作用。

表1 試驗車輛發動機主要參數

車況顯示屏位于試驗車輛左前方，方便駕駛員及時了解汽車車速的變化情況，以提高操作精度，減少誤差。

排氣取樣系統對排氣進行搜集，采用定容取樣系統將汽車排氣在特定條件下用空氣連續稀釋，計量稀釋排氣物的總容積，且按一定的容積比將汽車排放的氣體搜集到氣袋中，為以后的分析做好準備。

排氣分析系統對廢氣進行分析，其中，一氧化碳(CO)與二氧化碳(CO2)采用不分光紅外線吸收型分析儀分析，碳氫化合物(HC)用氫火焰離子化學分析法分析，氮氧化物(NOx)用化學發光分析儀分析。因為柴油機中碳氫化合物大部分為高分子化合物，高溫時容易冷凝，為防止高沸點HC發生凝結，將采樣管路加熱至190 ℃左右，用加熱式氫離子化分析儀測量，然后通過積分進行求值。

計算機系統監控試驗進程，并進行數據處理。

1.2 試驗方案

試驗開始前，使用燒杯和量筒，將正丁醇和柴油按照不同的體積比配制成均勻的混合燃料，混合燃料中丁醇的體積分數分別為0、10%、20%、40%，分別記為B0、B10、B20、B40。

本次試驗是常溫下冷啟動的排氣污染物測試，試驗前車輛需在20～30 ℃的室溫下停放12 h以上，不同丁醇體積分數的燃料試驗需間隔8 h以上。車輛啟動后，根據文獻[24]的要求，試驗車輛按照新歐洲測試循環NEDC工況進行試驗，由1個市區運行大循環(包括4個小循環)和一個郊區運行循環組成，共需1 180 s完成一個完整的試驗循環。分析不同丁醇體積分數的丁醇—柴油混合燃料的NOx、CO、HC的排放情況，同時分析CO2的生成情況。

圖1 實際車速與設定車速對比

數據處理終端對監測到的各類氣態污染物瞬時體積分數進行記錄、分析并形成動態圖形。系統根據稀釋后的氣體流量、行駛里程等數據分析得出車輛全程污染物排放量均值。試驗車輛在試驗過程中的實際車速與設定的NEDC工況對比如圖1所示，由圖1可以看出實際車速與設定車速基本吻合。

2 排放分析

通過車輛全程運行瞬態排放曲線、冷啟動工況的排放曲線、市區與郊區運行的循環排放曲線(含加速、減速、勻速、怠速工況)分析不同丁醇體積分數的燃料在不同工況下各氣態污染物的排放情況。

2.1 NOx的排放

B0、B10、B20、B40燃油在不同工況下，NOx的排放情況如圖2～5所示。由圖2～5可以看出：

1)在每一個加速階段，因噴油量增加，燃燒溫度上升，4種燃料的NOx排放升高；在減速階段，噴油量減少，燃燒溫度降低，4種燃料的NOx排放下降，勻速階段NOx排放介于二者之間。

2)冷啟動工況過后的市區循環工況相比于郊區循環工況NOx排放減少；NOx體積分數峰值(80×10-6)位于郊區階段的加速區域；從全程NOx排放來看，郊區高速階段所占比例最大，達50%以上。

圖2 全程瞬時NOx排放曲線

圖3 冷啟動工況NOx排放曲線

圖4 市區循環工況NOx排放曲線

圖5 郊區循環工況NOx排放曲線

為了量化分析不同丁醇體積分數燃料的排放差異，根據稀釋后的氣體流量、行駛里程等參數，并經修正后計算得出每個階段的排放量。表2為計算所得不同丁醇體積分數的丁醇-柴油混合燃料市區運行循環階段、郊區運行循環階段以及全程運行階段的NOx排放量均值。

表2 NOx排放量 g/km

由表2可以看出：

1)4種燃料市區NOx的排放量均大于同種燃料的郊區排放，原因可能是由于試驗模擬的市區工況考慮了道路的擁堵，且怠速工況所占比例較大。怠速時車速為零，發動機不對外做功，因此以g/km計量的排放量較大。

2)無論從市區、郊區還是全程運行工況來看，使用含有丁醇的燃料均會增加NOx排放量，隨著丁醇體積分數的增加，NOx排放呈現先增大后減小趨勢。究其原因：B10、B20、B40燃料中氧的質量分數分別為2.08%、4.18%、8.43%，使燃燒趨向于富氧條件，促進了NOx的生成；另一方面，丁醇的汽化潛熱較高，蒸發時吸收的熱量多，造成缸內溫度下降，抑制了NOx的生成。因此，當混合燃料中丁醇的體積分數較小時，燃料中增加的氧元素是影響NOx生成的主要因素，而當燃料中丁醇的體積分數較大時，蒸發吸熱則是主要因素。

2.2 CO的排放

不同丁醇體積分數的燃料、不同工況下CO的排放情況如圖6～9所示。

圖6 全程瞬時CO排放曲線

圖7 冷啟動工況CO排放曲線

圖8 市區循環CO排放曲線

圖9 郊區循環CO排放曲線

從圖6～9可以看出：

1)4種燃料的CO排放體積分數峰值均出現在冷啟動階段的前幾秒，直至郊區高速階段CO排放的體積分數逐漸減小。原因為：冷啟動階段，氣缸內溫度較低，混合氣局部缺氧、霧化效果差，不完全燃燒現象較嚴重，加劇了CO的生成。

2)市區循環階段CO的排放遠高于郊區循環階段，且第一個市區小循環CO排放總量占全程循環總量的80%左右，隨著試驗的進行，氣缸溫度升高， CO排放則會隨之降低。

4種燃料市區運行循環階段、郊區運行循環階段以及全程運行階段CO的排放量均值如表3所示。

表3 CO排放量 g/km

由表3可以看出：

1)市區的CO排放量遠大于同種燃料的郊區排放，市區排放量為郊區的4倍左右，這與前述的市區模擬工況的特殊性以及冷啟動階段CO生成快速增加、CO市區排放所占比例較大有關。

2)市區與全程運行工況使用B0燃料時CO的排放量均為最小，郊區運行工況使用B10燃料時CO的排放量最小，相比使用B0燃料郊區工況減少排放8.2%；市區與全程運行工況使用B20燃料時CO的排放量最大；郊區運行工況使用B40燃料時CO的排放量最大，是使用B0燃料時的1.1倍左右，使用B10、B20燃料的CO的排放量與使用B40燃料時接近。因此同一試驗運行工況下，混合燃料中丁醇的體積分數對CO的排放影響不大。

2.3 HC化合物的排放

不同丁醇體積分數的燃料、不同工況下HC的排放情況如圖10～13所示。

圖10 全程瞬時HC排放曲線

圖11 冷啟動工況HC排放曲線

圖12 市區循環工況HC排放曲線

圖13 郊區循環工況HC排放曲線

由圖10～13可以看出：

1)4種燃料HC化合物排放的整體趨勢無較大差別，均在冷啟動階段的前幾秒達到排放峰值60×10-6，由于冷啟動時溫度低，缸內缺火，壁面火焰淬熄現象頻發，因此冷啟動前期產生大量的HC化合物，待發動機溫度上升后HC化合物排放慢慢趨于穩定。

2)在每個加速階段特別是市區循環的加速階段，HC化合物排放量都有所增加，這是由于混合氣的濃度、燃燒溫度以及反應時間等均會影響HC化合物的排放。在汽車加速階段，發動機的負荷增加，導致噴油量增加，進入氣缸的混合氣過濃，又由于轉速增加，油氣混合時間變短，燃料燃燒不充分，進而導致HC化合物排放量有所增加。

3)市區第一個小循環階段的HC化合物排放量約占全程排放量的65%以上，這是因為此階段氣缸內溫度較低，燃料霧化不好，增大了局部熄火面積，進而導致HC排放量升高，但隨著氣缸內溫度的升高，燃油霧化得到改善，HC化合物排放則隨之降低。

4)柴油中加入較大比例丁醇后會使HC化合物排放量有所升高，這是因為發動機在進氣、壓縮過程中，氣缸壁面上的潤滑油油膜以及活塞頂部、氣缸壁面和進、排氣門上的積炭都會吸附未燃燒的混合氣，進而會降低HC化合物的排放；但是在氣缸縫隙中的沉積物減小了縫隙進而促進了淬熄現象的產生，這又使得HC化合物排放量升高，綜合兩者相互作用，淬熄現象造成的影響較大時，便會使得HC化合物的排放升高。

4種不同丁醇體積分數的燃料在市區運行循環階段、郊區運行循環階段以及全程運行階段的HC排放如表4所示。

表4 HC排放量 g/km

由表4可以看出：

1)4種燃料市區HC排放量均大于同種燃料的郊區排放，市區排放量為郊區的4倍左右，這與前述的市區模擬工況特性以及冷啟動階段HC劇增并達到峰值有關。

2)所有工況下，使用B10燃料時HC的排放量均最小，相比純柴油時市區、郊區、全程運行工況分別減少18.1%、21.6%、19.1%。

3)市區運行工況使用B0燃料時，HC的排放量最大，郊區及全程運行工況使用B40燃料時，HC的排放量均為最大值，究其原因：B40中丁醇所占比例較高，而丁醇揮發性較強，汽化潛熱較高，造成燃料噴入氣缸時吸熱量增大，故會增加壁面淬熄，且B40十六烷值較低，著火性能差，因此造成HC排放量有所上升。

值得注意的是，3種運行工況下B0、B20、B40的HC排放量均相差不太大。

2.4 CO2的排放

汽車的CO2排放量主要取決于混合氣中C原子的多少。不同丁醇體積分數的燃料，CO2在不同工況下的生成情況如圖14～17所示。

由圖14～17可以看出：

1)燃料中丁醇的體積分數對CO2生成量的整體排放無較大影響。

2)4種燃料CO2的排放的體積分數在郊區加速階段達到峰值，郊區循環階段的排放量占整個循環工況的50%左右；從各工況來看，加速階段CO2排放急速增加，減速階段CO2排放急速減少，怠速工況及勻速工況時CO2排放也較少。

2)4種燃料在市區運行循環階段、郊區運行循環階段以及全程階段的CO2生成見表5。

圖14 全程瞬時CO2排放曲線

圖15 冷啟動工況CO2排放曲線

圖16 市區循環CO2排放曲線

圖17 郊區循環工況CO2排放曲線

g/km

由表5可以看出：

1)4種燃料市區的CO2排放量均大于同種燃料的郊區排放。

2)市區與全程運行工況使用B0時CO2的排放量均最小，郊區運行工況使用B10時CO2的排放量最小，相比使用B0時的郊區工況減少排放0.31%。市區與全程運行工況使用B10時CO2的排放量最大，使用B20時次之；郊區運行工況使用B20時CO2的排放量最大，但與使用B0、B40相比，均相差甚微，即4種燃料CO2的排放差距很小，可以認為燃料中丁醇的體積分數對CO2的生成影響甚微。

3 結論

1)在不需要其他助溶劑的情況下，柴油與丁醇可以很好的混合，這對于丁醇的推廣有重要意義。

2)不同丁醇體積分數的混合燃料市區運行時氣態污染物的排放量大于同種燃料的郊區排放；同一試驗運行工況下，燃料中丁醇的體積分數對CO、CO2排放幾乎沒有太大影響。

3)所有試驗運行工況使用含有丁醇的燃料均會增加NOx排放量，但整體波動不大。隨著丁醇添加比例的增加，NOx排放量呈現先增大后減小的趨勢。

4)市區、郊區、全程運行工況使用B10時HC的排放量均為最小，相比使用B0時分別減少18.1%、21.6%、19.1%；所有試驗運行工況使用B0、B20、B40時的HC的排放量均相差不大。

5)柴油車排放受多重因素影響，試驗條件、試驗誤差、人為誤差、車齡、車況等均會對最終結果產生一定的影響。因此在柴油中加入丁醇時，應視車輛是經常運行在郊區還是市區以及車輛的實際車況，考慮主要影響因素在整個循環中所占的比例，有針對性地進行丁醇的添加。本文沒有考慮丁醇對柴油雜質產生的溶解作用等，需要后續進一步研究。