柴油轎車(chē)燃用混合燃料道路顆粒物排放測(cè)試*

姚 笛，樓狄明，胡志遠(yuǎn)，譚丕強(qiáng)，馮 謙

(1．同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 201804;2．上海大眾汽車(chē)有限公司，上海 201805)

前言

顆粒物是柴油車(chē)的主要排氣污染物之一。它不僅影響大氣能見(jiàn)度，同時(shí)還附著了多種有毒致癌有機(jī)物，對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康有害［1－2］。

使用清潔替代燃料是改善柴油車(chē)顆粒物排放的有效途徑之一。生物柴油、丁醇、天然氣制油和煤制油等清潔替代燃料可按照一定比例與純柴油混合使用，對(duì)柴油車(chē)的顆粒物排放特性會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。生物柴油的影響主要表現(xiàn)為顆粒物細(xì)化和顆粒物質(zhì)量減小［3－6］;丁醇可改善缸內(nèi)局部缺氧，降低碳煙顆粒排放［7－10］;天然氣制油和煤制油具有同時(shí)抑制顆粒物數(shù)量和質(zhì)量排放的作用［11－14］。

汽車(chē)排放法規(guī)的日益嚴(yán)格對(duì)排放控制和檢測(cè)手段提出了更高的要求。歐盟已開(kāi)始對(duì)輕型乘用車(chē)的顆粒物質(zhì)量和數(shù)量排放進(jìn)行全面限制。檢測(cè)和分析柴油車(chē)燃用混合燃料時(shí)排氣顆粒物粒徑分布、數(shù)量和質(zhì)量排放規(guī)律對(duì)于研究和發(fā)展清潔能源柴油車(chē)具有重大意義。

本文中在一輛柴油轎車(chē)上分別燃用生物柴油、丁醇、天然氣制油和煤制油與純石化柴油混合制成的4種混合燃料，對(duì)比純柴油，開(kāi)展了實(shí)際道路顆粒物排放特性車(chē)載測(cè)試試驗(yàn)研究。分析了不同運(yùn)行工況、不同燃料對(duì)車(chē)輛顆粒物排放特性的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)車(chē)輛

試驗(yàn)車(chē)輛采用帕薩特1.9L TDI柴油轎車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)為水冷直列四缸8氣門(mén)、電控泵噴嘴、直噴渦輪增壓柴油機(jī)，配備廢氣再循環(huán) EGR和催化氧化器DOC，最大功率為96kW。

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)燃料為生物柴油、丁醇、天然氣制油、煤制油均以10%體積混合比分別與純柴油混合制成的4種混合燃料，簡(jiǎn)稱 BD10、Bu10、G10和 C10;純柴油作為試驗(yàn)基準(zhǔn)燃料，簡(jiǎn)稱D100。其中，純柴油為國(guó)Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)0#低硫柴油，生物柴油原料為餐飲廢油，天然氣制油和煤制油均為殼牌公司生產(chǎn)。試驗(yàn)燃料的主要理化特性如表1所示。

表1 試驗(yàn)燃料主要理化特性指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主要包括顆粒物測(cè)試系統(tǒng)、排氣流量計(jì)、GPS系統(tǒng)和主控計(jì)算機(jī)等部分。顆粒物測(cè)試系統(tǒng)采用TSI-EEPS 3090顆粒物粒徑分析儀和旋轉(zhuǎn)盤(pán)稀釋器，以10Hz頻率對(duì)排氣管中的顆粒物進(jìn)行部分流量稀釋采樣，稀釋比為500，稀釋溫度為80℃，分析顆粒粒徑分布、數(shù)密度和質(zhì)量密度。排氣流量由HORIBA-OBS 2200車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)中的流量計(jì)測(cè)量。試驗(yàn)車(chē)輛行駛軌跡、里程、車(chē)速和加速度等運(yùn)行數(shù)據(jù)由車(chē)載GPS系統(tǒng)采集。

1.4 試驗(yàn)方案

在上海市選取一段實(shí)際道路作為試驗(yàn)路線，包含了市區(qū)道路、郊區(qū)道路和高速公路，全程約78km。試驗(yàn)車(chē)輛分別燃用每種混合燃料進(jìn)行一次全程道路車(chē)載排放測(cè)試試驗(yàn)。每次試驗(yàn)前均進(jìn)行車(chē)輛預(yù)熱，盡量保持試驗(yàn)時(shí)間段一致，駕駛習(xí)慣一致，車(chē)速和道路條件等因素近似。

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)車(chē)輛啟停和排放變化峰值進(jìn)行運(yùn)行工況數(shù)據(jù)和排放數(shù)據(jù)對(duì)齊。根據(jù)GPS記錄的行駛軌跡篩選出不同運(yùn)行工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)合顆粒物排放、排氣流量和車(chē)輛運(yùn)行等數(shù)據(jù)，計(jì)算得到試驗(yàn)車(chē)輛在不同運(yùn)行工況下的排氣顆粒物數(shù)量排放率和質(zhì)量排放率。

綜合考慮試驗(yàn)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器匹配的特點(diǎn)、駕駛習(xí)慣和道路路況等因素，將車(chē)速劃分為怠速、0～20、20～50、50～80和 80km/h以上，共5個(gè)典型車(chē)速區(qū)間。在上述車(chē)速區(qū)間內(nèi)，分析研究車(chē)速、加速度和比功率(VSP)等參數(shù)對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛顆粒物排放特性的影響規(guī)律，對(duì)比試驗(yàn)車(chē)輛燃用不同試驗(yàn)燃料時(shí)顆粒物排放特性的差異。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同車(chē)速下的顆粒物排放特性

2.1.1 顆粒物粒徑分布

試驗(yàn)車(chē)輛分別燃用5種試驗(yàn)燃料，在不同車(chē)速區(qū)間內(nèi)的顆粒物粒徑分布規(guī)律，如圖1～圖5所示。

由圖可見(jiàn)，試驗(yàn)車(chē)輛燃用5種試驗(yàn)燃料時(shí)的顆粒物粒徑分布規(guī)律均呈現(xiàn)為包含核模態(tài)峰和聚集態(tài)峰的雙峰對(duì)數(shù)分布。其中，核模態(tài)顆粒物數(shù)量峰值對(duì)應(yīng)的粒徑為10nm左右，聚集態(tài)顆粒物數(shù)量峰值對(duì)應(yīng)的粒徑為80～150nm。各試驗(yàn)燃料對(duì)應(yīng)的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量峰值大多高于其核模態(tài)顆粒物數(shù)量峰值，隨著車(chē)速區(qū)間的升高，各試驗(yàn)燃料對(duì)應(yīng)的顆粒物數(shù)量整體升高，核模態(tài)顆粒物數(shù)量峰值隨車(chē)速升高更明顯。由此可見(jiàn)，聚集態(tài)顆粒物對(duì)顆粒物總體數(shù)量和質(zhì)量排放具有較大影響;而隨著車(chē)速的升高，核模態(tài)顆粒物占總顆粒物數(shù)量的比例升高。核模態(tài)顆粒物主要來(lái)源于燃料中硫生成的硫酸鹽、半揮發(fā)性硫酸以及半揮發(fā)性HC有機(jī)物。試驗(yàn)車(chē)輛排氣系統(tǒng)中的催化氧化器DOC可氧化消除HC等有機(jī)成分顆粒物，但同時(shí)也會(huì)促進(jìn)排氣中的SO2向核模態(tài)硫酸小顆粒轉(zhuǎn)化，引起二次核模態(tài)顆粒物增多，且隨著排氣溫度的升高，上述作用會(huì)更加明顯。根據(jù)圖1～圖5所示的顆粒物粒徑分布規(guī)律可以推斷:在排氣溫度較低的怠速和中低車(chē)速區(qū)間內(nèi)，HC等有機(jī)成分可能為核模態(tài)顆粒物的主要來(lái)源，硫化物其次;在排氣溫度較高的中高車(chē)速區(qū)間內(nèi)，核模態(tài)顆粒物中硫化物成分會(huì)逐漸增多。

各混合燃料對(duì)應(yīng)的顆粒物粒徑分布規(guī)律存在一定差異。D100呈現(xiàn)10nm核模態(tài)峰和150nm聚集態(tài)峰的雙峰對(duì)數(shù)分布。相比其它4種混合燃料，D100在各車(chē)速區(qū)間內(nèi)均具有最高的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量峰值和最大的峰值粒徑，且聚集態(tài)峰值隨車(chē)速的升高幅度更明顯。

含氧燃料BD10和Bu10均呈現(xiàn)10nm核模態(tài)峰和80nm聚集態(tài)峰的雙峰對(duì)數(shù)分布。相比其它3種混合燃料，BD10和Bu10的核模態(tài)峰值隨車(chē)速的升高幅度更明顯，聚集態(tài)峰值較低并左移，說(shuō)明BD10和Bu10引起了排氣顆粒物粒徑細(xì)小化，核模態(tài)顆粒物增多而聚集態(tài)顆粒物減少。BD10對(duì)應(yīng)的顆粒物數(shù)量級(jí)整體高于Bu10。

混有F-T合成燃料的G10和C10呈現(xiàn)10nm核模態(tài)峰和100～150nm聚集態(tài)峰的雙峰對(duì)數(shù)分布。與D100相比，G10和C10對(duì)應(yīng)的聚集態(tài)峰在低車(chē)速區(qū)間左移，在高車(chē)速區(qū)間聚集態(tài)峰值降低。G10對(duì)粒徑細(xì)小的核模態(tài)顆粒物抑制作用明顯。

引起不同混合燃料之間粒徑分布規(guī)律差異的主要因素是燃料的理化特性。D100和C10的芳烴含量較高，在燃燒過(guò)程中生成了較多的大粒徑碳團(tuán)，引起聚集態(tài)峰值偏高，粒徑偏大。BD10的硫含量較高，在高溫排氣和DOC催化作用下生成了大量硫酸小顆粒，其核模態(tài)峰值在高車(chē)速區(qū)間大幅升高。BD10和Bu10的含氧特性有助于對(duì)顆粒物的氧化作用，一方面可抑制碳團(tuán)顆粒物長(zhǎng)大，使聚集態(tài)峰值降低并左移，另一方面則引起細(xì)小顆粒物增多，使核模態(tài)峰值升高。G10具有極低的硫和芳烴含量，使核模態(tài)和聚集態(tài)顆粒物同時(shí)得到抑制。

2.1.2 顆粒物數(shù)量和質(zhì)量排放率

圖6和圖7為試驗(yàn)車(chē)輛分別燃用5種混合燃料時(shí)，顆粒物數(shù)量排放率隨車(chē)速的變化規(guī)律。圖8和圖9為試驗(yàn)車(chē)輛分別燃用5種混合燃料時(shí)，顆粒物質(zhì)量排放率隨車(chē)速的變化規(guī)律。

由圖6～圖9可見(jiàn)，試驗(yàn)車(chē)輛燃用5種混合燃料對(duì)應(yīng)的顆粒物數(shù)量排放率和質(zhì)量排放率隨車(chē)速的變化趨勢(shì)基本一致:隨著車(chē)速的升高，單位時(shí)間內(nèi)顆粒物排放率均呈現(xiàn)升高的變化趨勢(shì)，單位里程內(nèi)顆粒物排放率均呈現(xiàn)降低的變化趨勢(shì)。從車(chē)輛實(shí)際使用的角度考慮，將平均車(chē)速維持在20～80km/h區(qū)間可以在高效利用燃料的同時(shí)降低顆粒物排放率。車(chē)速低于20km/h時(shí)，單位里程內(nèi)顆粒物排放率顯著升高;車(chē)速超過(guò)80km/h時(shí)則會(huì)引起單位時(shí)間內(nèi)大量顆粒物的集中排放。

試驗(yàn)中4種混合燃料對(duì)應(yīng)的顆粒物數(shù)量排放率和質(zhì)量排放率整體均低于純柴油D100。顆粒物數(shù)量排放率由高至低依次為 D100、C10、BD10、G10、Bu10。顆粒物質(zhì)量排放率由高至低依次為D100、C10、G10、BD10、Bu10。含氧燃料 BD10 和 Bu10 在聚集態(tài)顆粒物排放控制方面具有優(yōu)勢(shì)，故顆粒物質(zhì)量排放率較低;BD10由于硫含量較高，大量核模態(tài)硫化物顆粒引起顆粒物數(shù)量排放率升高。與C10相比，雜質(zhì)較少的G10對(duì)顆粒物數(shù)量和質(zhì)量排放率控制效果更好。

2.2 不同加速度和VSP下的顆粒物排放特性

圖10和圖11為試驗(yàn)車(chē)輛分別燃用5種混合燃料時(shí)，在不同車(chē)速區(qū)間內(nèi)，顆粒物數(shù)量排放率和顆粒物質(zhì)量排放率隨加速度變化的規(guī)律。

由圖可見(jiàn)，隨著車(chē)速區(qū)間升高，試驗(yàn)車(chē)輛的最大加速度值減小，試驗(yàn)車(chē)輛燃用5種混合燃料對(duì)應(yīng)的顆粒物數(shù)量排放率和質(zhì)量排放率隨加速度的變化趨勢(shì)基本一致:當(dāng)加速時(shí)，絕大多數(shù)情況下，隨加速度的升高，單位時(shí)間內(nèi)顆粒物數(shù)量排放率和質(zhì)量排放率均呈現(xiàn)升高的變化趨勢(shì);當(dāng)勻速和減速時(shí)，顆粒物排放率水平較低，并在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖12和圖13為試驗(yàn)車(chē)輛分別燃用5種混合燃料時(shí)，顆粒物數(shù)量排放率和顆粒物質(zhì)量排放率隨比功率(VSP)值變化的規(guī)律。

VSP(vehicle specific power)定義為車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)每牽引1t質(zhì)量所輸出的功率，單位為kW/t，是流動(dòng)源排放模型的一個(gè)重要參數(shù)。其計(jì)算公式［15］為

式中:v為車(chē)速，m/s;a為加速度，m/s2;g為道路坡度。本文中選用的試驗(yàn)路線為平原路況，VSP值受坡度因素影響較小，分析時(shí)取g=0。因此VSP值主要取決于車(chē)輛的車(chē)速和加速度聯(lián)合作用的影響，它綜合反映了車(chē)輛運(yùn)行時(shí)負(fù)荷的變化情況。

由圖12和圖13可見(jiàn)，試驗(yàn)車(chē)輛燃用5種混合燃料對(duì)應(yīng)的顆粒物數(shù)量排放率和質(zhì)量排放率隨VSP值的變化趨勢(shì)基本一致:當(dāng)VSP值為正時(shí)，車(chē)輛處于加速或勻速行駛工況，顆粒物數(shù)量排放率和質(zhì)量排放率均隨VSP值的升高而升高;當(dāng)VSP值為零時(shí)，車(chē)輛處于怠速工況，顆粒物排放量極低，趨勢(shì)線出現(xiàn)凹點(diǎn);當(dāng)VSP值為負(fù)時(shí)，車(chē)輛處于減速工況，顆粒物排放率在一個(gè)較低的水平波動(dòng)。

采用加速度或VSP考察各混合燃料在試驗(yàn)車(chē)輛不同負(fù)荷工況下的顆粒物排放規(guī)律對(duì)比情況，得到的結(jié)果基本一致。如圖10～圖13所示，各混合燃料對(duì)應(yīng)的顆粒物數(shù)量排放率由高至低依次為D100、C10、BD10、G10、Bu10，顆粒物質(zhì)量排放率由高至低依次為 D100、C10、G10、BD10、Bu10。4 種混合燃料對(duì)應(yīng)的顆粒物排放率整體均低于純柴油D100，在車(chē)輛高負(fù)荷(車(chē)速區(qū)間、加速度或VSP值)工況下，混合燃料相比純柴油的顆粒物排放的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

2.3 全程顆粒物排放率

圖14為試驗(yàn)車(chē)輛分別燃用5種混合燃料時(shí)，試驗(yàn)路線全程內(nèi)，單位里程顆粒物數(shù)量排放率和顆粒物質(zhì)量排放率。

由圖14可見(jiàn)，試驗(yàn)車(chē)輛燃用各混合燃料的全程顆粒物數(shù)量排放率由高至低依次為D100(8.73×1014個(gè)/km)、C10(8.57 ×1014個(gè)/km)、BD10(7.58 ×1014個(gè)/km)、G10(6.40 ×1014個(gè)/km)、Bu10(6.17 ×1014個(gè)/km)，混合燃料分別比純柴油降低了1.89%、13.23%、26.72%和29.28%。全程顆粒物質(zhì)量排放率為由高至低依次為 D100(0.114g/km)、C10(0.101g/km)、G10(0.095g/km)、BD10(0.085g/km)、Bu10(0.079g/km)，混合燃料分別比純柴油降低了11.41%、17.16%、25.93%和30.61%。與純柴油相比，4種混合燃料均不同程度地改善了試驗(yàn)車(chē)輛的顆粒物排放性能。

3 結(jié)論

(1)與純柴油D100相比，含氧燃料BD10、Bu10會(huì)引起試驗(yàn)車(chē)輛排氣中的核模態(tài)顆粒物數(shù)量增多，聚集態(tài)顆粒物數(shù)量減少，顆粒物粒徑細(xì)小化;混合燃料G10和C10可同時(shí)降低試驗(yàn)車(chē)輛排氣中的核模態(tài)和聚集態(tài)顆粒物數(shù)量，G10對(duì)核模態(tài)顆粒物抑制作用明顯。

(2)在試驗(yàn)車(chē)輛不同工況下，混合燃料BD10、Bu10、G10和C10對(duì)應(yīng)的顆粒物數(shù)量排放率和質(zhì)量排放率整體均低于純柴油D100?；旌先剂系念w粒物排放優(yōu)勢(shì)在車(chē)輛高負(fù)荷工況下較明顯。

(3)各混合燃料對(duì)應(yīng)的全程顆粒物數(shù)量排放率由高至低依次為 D100、C10、BD10、G10、Bu10，混合燃料分別比純柴油D100降低了1.89%、13.23%、26.72%、29.28%;全程顆粒物質(zhì)量排放率由高至低依次為 D100、C10、G10、BD10、Bu10，混合燃料分別比純柴油D100降低了11.41%、17.16%、25.93%、30.61%。混合燃料均不同程度地改善了試驗(yàn)車(chē)輛的顆粒物排放性能，說(shuō)明采用清潔優(yōu)質(zhì)的混合燃料具有優(yōu)化車(chē)輛顆粒物排放特性的作用。

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