国柴油与天然气制油混合燃料排放特性试验研究

国柴油与天然气制油混合燃料排放特性试验研究

1天然气制合成油生物柴油具有16烷值高、硫含量低、润滑性好、可回收性好等特点。与石化柴油比较,发动机燃用生物柴油燃料后,除NOx略有升高外,PM、CO、HC、CO2排放降低。合成燃料是由天然气、煤或生物质通过费托工艺生产的一种无色无味、基本不含硫和芳香烃、十六烷值高达75~80的新型液态燃料。天然气制合成油(gastoliquid,GTL)是合成燃料中技术较为成熟、成本相对较低并已经进入大规模产业化和市场推广的燃料。与石化柴油比较,发动机使用GTL燃料后PM、NOx、CO、HC、CO2排放降低。因此,在柴油中混入一定比例的生物柴油或天然气制合成油,可在一定程度上改善目前市场上的柴油品质,降低柴油轿车的排放。本文对某国产柴油轿车分别燃用国Ⅱ柴油、体积混合比为10%(90%为国Ⅱ柴油,10%为生物柴油,简称为B10)的国Ⅱ柴油—生物柴油混合燃料、体积混合比为10%(90%为国Ⅱ柴油,10%为天然气制油(GastoLiquid,GTL),简称为G10的国Ⅱ柴油-天然气制油混合燃料,以及沪Ⅳ柴油进行排放试验研究,系统考察了生物柴油、天然气制油对柴油轿车排放的降低效果。2测试系统和参数试验样车为某国产TDI1.9L柴油轿车,发动机为水冷直列四缸四气门、双顶置凸轮轴、电控高压共轨直喷涡轮增压柴油机,并配备废气再循环系统和尾气氧化催化转换器。该柴油轿车主要技术参数见表1所列,不同燃油的主要理化性能指标见表2所列。试验系统主要包括-10~45℃环境模拟舱、SCHENCK汽车底盘测功机、HORIBA全流CVS采样和MEXA-7000系列排放采样分析系统、超微量天平。测试设备的主要技术参数见表3所列。排放测试依据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》(GB18352.3-2005)Ⅰ型试验NEDC循环进行。整个测试共持续1180s,由1部(城区行驶循环ECE)和2部(城郊行驶循环EU-DC)组成。其中,1部由4个市区运转循环单元组成,每个市区循环单元包含怠速、加速、匀速、减速等15个工况,平均车速为19km/h,有效行驶时间为195s,理论行驶距离为1013km;2部由1个市郊运转循环组成,该市郊循环包含13个工况,平均车速为62.6km/h,有效行驶时间为400s,理论行驶距离为6.955km,最高车速为120km/h。3汽车燃用排放该柴油轿车燃用国Ⅱ柴油、B10、G10及沪Ⅳ柴油的CO、NOx、HC+NOx、PM、CO2排放测试结果见表4所列。由表4可以看出,该柴油轿车燃用国Ⅱ柴油、B10、G10、沪Ⅳ柴油后的CO排放满足国Ⅳ排放标准限值。与国Ⅱ柴油比较,该柴油轿车燃用B10、G10、沪Ⅳ柴油的CO排放分别降低3%、0.7%和3%。CO是碳或烃类燃烧的中间产物和不完全燃烧的产物之一,产生的原因包括可燃混合气温度过低、可燃混合气局部缺氧等。生物柴油是含氧燃料,不但增加了燃烧时氧的供给,而且使CO2被还原为CO的机会降低。GTL的馏出温度较低,蒸发过程进行较快,产生过浓区可能性较小,产生的CO排放较低。同时,GTL、生物柴油的十六烷值高,着火性能好,能进一步改善燃烧及降低CO排放。由表4可见,该柴油轿车燃用沪Ⅳ柴油的NOx排放满足国Ⅳ排放标准限值;燃用国Ⅱ柴油、G10、B10后的NOx排放超过国Ⅳ排放标准限值,但满足国Ⅲ排放标准限值。与国Ⅱ柴油比较,该柴油轿车燃用G10、沪Ⅳ柴油的NOx排放分别降低5%和23%,燃用B10的NOx排放增加约2%。生物柴油富氧,对NOx形成作用明显,使得NOx排放升高。预混合燃烧是产生NOx的主要阶段,由于GTL相对于传统柴油具有十六烷值高、滞燃期短的特点,燃烧时具有预混合燃烧比例减少,扩散燃烧比例增大的特点,因此可以降低柴油机的NOx排放。由表4可见,该柴油轿车燃用沪Ⅳ柴油的HC+NOx排放满足国Ⅳ排放标准限值;燃用国Ⅱ柴油、G10、B10后的HC+NOx排放超过国Ⅳ排放标准限值,但满足国Ⅲ排放标准限值。与国Ⅱ柴油比较,该柴油轿车燃用G10、沪Ⅳ柴油的HC+NOx排放分别降低6%和21%,燃用B10的HC+NOx排放增加约1%。直喷式柴油机的HC排放来源于油束的过浓区、过稀区以及油束碰壁激冷区。一般芳香烃含量越少,滞燃期越短,HC排放越低。同时,十六烷值较高时,燃油着火性能好,滞燃期短,未燃碳氢和裂解碳氢均较少,有利于减少HC排放。与柴油比较,GTL的馏出温度较低,蒸发过程进行较快,产生过浓区和油束碰壁激冷区的可能性较小,HC排放较低,其HC+NOx排放降低。生物柴油中芳香烃含量很少,十六烷值较高,HC排放较低,但由于该柴油轿车燃用B10的NOx排放升高,导致其HC+NOx排放也稍有增加。由表4可见,该柴油轿车燃用沪Ⅳ柴油的PM排放满足国Ⅳ排放标准限值;燃用国Ⅱ柴油、G10、B10后的PM排放超过国Ⅳ排放标准限值,但满足国Ⅲ排放标准限值。与国Ⅱ柴油比较,该柴油轿车燃用G10、B10、沪Ⅳ柴油的PM排放分别降低32%、23%和59%。低硫含量、低密度、高十六烷值有助于降低燃料的PM排放。GTL、生物柴油的芳烃含量较低,燃料在燃烧过程中减少了高温裂解组分,能够改善燃料燃烧,使得PM排放降低。同时,GTL、生物柴油和沪Ⅳ柴油的硫含量较低,使得PM排放降低。由表4可见,与燃用国Ⅱ柴油相比,该柴油轿车燃用G10、B10的CO2排放分别降低1%和1.7%,燃用沪Ⅳ柴油的CO2排放与国Ⅱ柴油相当。燃用G10、B10有利于降低柴油轿车温室气体CO2排放。4汽车燃料和柴油排放a.满足国Ⅳ排放标准的某国产柴油轿车燃用沪Ⅳ柴油后,其CO、NOx、HC+NOx、PM排放均满足国Ⅳ标准排放限值。b.该柴油轿车燃用国Ⅱ柴油、B10、G10的CO满足国Ⅳ排放标准限值,NOx、HC+NOx排放接近国Ⅳ排放标准限值,PM排放超过国