柴油乘用车燃用丁醇燃料道路工况气态物排放特性

楼狄明，房 亮，胡志远，谭丕强

（同济大学 汽车学院，上海201804）

面对日益严峻的排放法规限制，先进、清洁、高效的柴油机技术逐渐受到世界各国的重视，被认为是目前缓解能源危机和环境问题的有效可行的手段，欧洲新购置车辆50%以上为柴油乘用车．中国近两年频繁出现的“柴油荒”和柴油质量问题制约了中国先进柴油乘用车的推广及应用［1］．因此，柴油替代燃料的发展迫在眉睫，并要求替代燃料在减少石油消耗、安全和低成本的同时达到降低排放的作用［2］．生物丁醇作为第二代生物替代燃料，完全符合上述对替代燃料的要求，相比其他醇类，其含氧量高、与柴油任意比例互溶、粘度大、热值高、十六烷值较高、气化潜热小、无毒、不易挥发、与橡胶等材料兼容性好，因此为世界各国所青睐．

国内外针对丁醇的生产工艺［3］、应用前景［4］、适应性［5］、可持续性、可替代性［6］，以及丁醇柴油混合燃 料 的 燃 烧 特 性［7－9］、发 动 机 性 能［10－12］和 排 放 特性［13－15］等方面已经做了较多的工作，有关车载实际道路气态物排放特性的研究还未见相关报道．

本文在柴油机燃用丁醇柴油混合燃料台架实验的基础上，针对柴油乘用车分别燃用纯国Ⅳ柴油、正丁醇的体积分数分别为10%和20%的正丁醇和国Ⅳ柴油的混合燃料，进行不同道路类型下的车载实际道路气态物排放特性的研究，为丁醇作为柴油替代燃料的应用及推广提供理论依据．

1 试验设备、燃料及路线

1．1 试验设备

试验在一辆符合国Ⅳ排放、装备有1．9L直列四缸电控泵喷嘴的高压直喷涡轮增压柴油机的柴油乘用车上进行．该车搭载了日本HORIBA公司的OBS－2200车载气态排放物测试仪，以及其他附属设施，通过车载排放测试系统（PEMS）对车辆尾气进行直采，将排气尾管通过Pitot管流量计直接连接到测量装置上，实时测量车辆排放的浓度和排气流量，从而得到气态物排放量［16－17］．

1．2 试验燃油

试验使用硫质量分数不大于50×10－6mg·kg－1的城市车用0 号清洁柴油（国Ⅳ柴油，简称D100），正丁醇（简称Bu100），以及按体积分数分别为10%和20%混合的丁醇柴油混合燃料Bu10（10%的正丁醇与90%的国Ⅳ柴油）和Bu20（20%的正丁醇与80%的国Ⅳ柴油）．其理化指标如表1所示．

表1 试验用国Ⅳ柴油、丁醇柴油理化指标Tab．1 The physical and chemical properties of the fuels used in the experiment

1．3 试验方案

上海城市道路功能与分级体系面向规划、设计、建设与管理多个层次．内环以内的中心城区道路网被划分为主干道、次干道、快速路和支路，内环以外的郊区道路网保持与城区道路规划一致，也分为主干道、次干道和居民路，连接城区和郊区的道路为城郊高速路．同时为改善市区交通状况和加快不同区域间的沟通，兴建了许多跨江大桥［18］．

试验路线全长86．7km，每种油品进行多次试验，每次试验历时3h左右，起点和终点都设在同济大学嘉定校区，经过了以曹安公路为代表的郊区主干道（占20%），以武宁路、周家嘴路和浦东南路为代表的市区主干道（占15%），以余姚路为代表的市区次干道（占6%），以南浦大桥为代表的跨江大桥（占8%），以内环高架、南北高架和延安高架为代表的市区快速路（占19%），以沪渝高速和沈海高速为代表的城郊高速路（占26%），以博园路和绿苑路为代表的郊区次干道（占6%），最大程度地包括了上海市所有典型道路．

车辆比功率（vehicle specific power，VSP）是由美国麻省理工学院的JoséLuis Jiménez Palacios提出的用于遥测数据分析的综合工况参数［19］，被美国环保局用作下一代流动源排放模型的一个核心参数．计算公式［20］为

式中：VSP为比功率，kW·t－1；v为车速，m·s－1；a为加速度，m·s－2；g为道路坡度．

2 试验结果及分析

2．1 道路试验工况特性

图1所示为不同道路类型下不同车速所占比例．从图1 可知，市区主干道怠速工况所占比例最高，达到40%；市区次干道、郊区主干道和郊区次干道怠速所占比例略低，都达到15%以上；三者速度基本处于低速（0～20km·h－1）和中低速（20～50km·h－1）区间．城郊高速路、市区快速路和跨江大桥的怠速比例较低，城郊高速路速度集中在中高速（50～80 km·h－1）和高速（80km·h－1以上）区间；市区快速路和跨江大桥车速均集中在中低速和中高速区间．

图1 不同道路类型不同车速所占比例Fig．1 The proportions of different velocities on different roads

图2所示为不同燃料在不同道路类型下的平均车速．从图2可知，试用的3种燃料在不同道路类型下，其平均速度基本接近．市区主干道平均车速最低，与市区次干道接近，都小于20km·h－1，城郊高速路平均车速最高，郊区主、次干道平均车速都在25 km·h－1左右，市区快速路、跨江大桥平均车速达到30km·h－1．

图2 不同燃料不同道路类型平均车速Fig．2 The average velocity of different fuels on different roads

2．2 一氧化碳（CO）排放特性

图3所示为一氧化碳（CO）的车载实际道路排放特性．从图3a 可知，不同道路类型下，Bu10 和Bu20的CO 每公里排放因子较D100均明显降低，尤其是在平均车速相对比较低的道路，如市区主、次干道和郊区主、次干道，其CO 排放降低最明显．而且在不同道路类型下，Bu10的CO 每公里排放因子都要略高于Bu20．

从图3b中可以看出，在不同比功率下，D100的CO 每秒排放因子均高于Bu10和Bu20，且在比功率较高的时候，Bu10 和Bu20 随丁醇比例升高对CO的减排效果越为明显．

从图3c可知，3 种燃料相比，Bu20 全程的CO每公里排放因子最低，D100全程的CO 每公里排放因子最高．Bu20全程的CO 每公里排放因子比D100低45．3%，Bu10 全程的CO 每 公 里排放因子 比D100低38．0%．

从CO 的车载实际道路排放特性可知，Bu20的CO 排放因子均略低于Bu10，明显低于D100．这主要是由于丁醇具有较高的含氧量，柴油中加入丁醇使得燃烧时氧含量增加，燃烧更加充分，同时由于两种燃料沸点不同而产生的微爆现象也使得燃烧喷雾更加细化，改善了燃烧效果，因此由于燃料不完全燃烧生成的CO 就相对减少，且随着丁醇掺混比例的增加，丁醇柴油含氧量越高，降低CO 排放的效果越明显．

图3 CO 的车载实际道路排放特性Fig．3 The characteristics of CO on－road emission

2．3 总碳氢（THC）排放特性

图4所示为总碳氢（THC）的车载实际道路排放特性．从图4a可知，在7 种不同道路类型下，Bu20的THC每公里排放因子略高于Bu10，且均高于D100．

从图4b可知，在不同比功率下，与D100相比，Bu10和Bu20的THC每秒排放因子均明显增加，且随着丁醇的掺入比例提高，THC排放升高越明显．当比功率＜0时，由于发动机的倒拖，喷油量明显减少，因此在这种工况下，Bu10和Bu20的THC 每秒排放因子没有明显增加，而与D100相近．

从图4c可知，随着丁醇掺混比例的增加，THC的全程每公里排放因子逐渐增加，即Bu20 高于Bu10高于D100．与D100相比，Bu20的THC 全程每公里排放因子升高55%，Bu10升高31%．

从THC的车载实际道路排放特性可知，柴油中加入丁醇，会使得THC 的排放明显升高，并且随丁醇掺混比例的增加，THC 排放升高越明显．这主要是由于丁醇气化潜热较大，且热值相比柴油较低，因此丁醇柴油混合燃料燃烧时的温度就相对降低，使得壁面淬熄的范围变大，相应未燃总碳氢的排放增加．

图4 THC的车载实际道路排放特性Fig．4 The characteristics of THC on－road emission

2．4 氮氧化物（NOx）排放特性

图5所示为氮氧化物（NOx）的车载实际道路排放特性．从图5a，5b可知，不同道路类型和不同比功率下，Bu10和Bu20的NOx排放基本与D100相同．在比功率较大的工况下，Bu10和Bu20的NOx每秒排放因子要略高于D100．在比功率较低的工况下，Bu10 和Bu20 的NOx每秒排放因子要略低于D100．

从图5c可知，Bu10，Bu20和D100的NOx全程每公里排放因子基本相同，均为0．97g·km－1左右．从NOx的车载实际道路排放特性可知，理论上丁醇的气化潜热相比柴油大且热值低，因此柴油中掺入一定比例丁醇会增大燃料的气化潜热并降低热值，进而会降低气缸内的燃烧温度，从而降低NOx的排放；但是由于丁醇属于含氧燃料，其加入会使得燃烧在一个相对富氧的环境中进行，因此又相应增加NOx的排放．这两方面共同制约下，Bu10和Bu20的NOx排放因子与D100相差不多．在较高功率密度下，单位时间内喷油量增加，发动机功率增加，燃烧温度上升，使得丁醇降低燃烧温度的作用不再明显，富氧的影响占上风，因此NOx的每秒排放因子增加了．

图5 NOx 的车载实际道路排放特性Fig．5 The characteristics of NOx on－road emission

2．5 二氧化碳（CO2）排放特性

图6所示为二氧化碳（CO2）的车载实际道路排放特性．从图6a可知，在不同道路类型下，Bu10 和Bu20的CO2每公里排放因子基本相同，且在大部分道路类型下，Bu10和Bu20的CO2每公里排放因子都要略高于D100．

从图6b中可知，Bu10和Bu20的CO2每秒排放因子与D100 基本相同．在比功率较低的工况下，Bu20的CO2排放因子基本都低于Bu10 且均低于D100，而在比功率较高的工况下，Bu10 和Bu20 的CO2排放因子均高于D100．这是由于在低功率密度的工况下，涡轮增压器不工作，丁醇柴油含氧，相当于通入了更多的空气，使得燃烧更加充分，发动机输出功率增加，因此单位时间CO2排放因子减少；而在高功率密度的工况下，随着涡轮增压器的介入，丁醇柴油含氧优势不再明显，而喷油量的增加使丁醇柴油的低热值表现更明显，因此单位时间CO2排放因子增加．

图6 CO2 的车载实际道路排放特性Fig．6 The characteristics of CO2on－road emission

从图6c可知，Bu10和Bu20的全程CO2每公里排放因子与D100基本相同，均略高于D100，且增幅比例都在3%以下．

从CO2的车载实际道路排放特性可知，丁醇柴油混合燃料的使用使得柴油乘用车CO2的排放略有升高，但升高幅度很小，由此表明使用低比例丁醇柴油混合燃料对柴油乘用车的油耗影响很小．丁醇柴油含氧可以改善燃烧特性，使得燃烧更加充分，同时由于丁醇柴油的热值比纯柴油要低，因此又会影响到单位体积燃料的最大输出功率．

3 结论

（1）不同道路类型下的汽车运行工况不同，市区主干道和市区次干道的怠速工况较多，加速度工况变化较大；城郊高速路、市区快速路和跨江大桥怠速工况较少，加速度变化稳定；郊区主干道和郊区次干道怠速工况和加速度变化适中．

（2）丁醇柴油混合燃料能够明显降低CO 的排放，并且随丁醇比例增加，CO 降低越明显．不同道路类型下，丁醇柴油混合燃料的CO 排放均明显降低，市区主、次干道和郊区主、次干道CO 排放降低最明显．在不同工况下，丁醇柴油混合燃料CO 排放明显降低，且随丁醇比例增加而越明显．这是由于丁醇柴油含氧，同时燃烧有微爆效应，因此可以较好地改善燃烧，使得燃料燃烧更加充分．

（3）丁醇柴油混合燃料的使用会明显提高THC的排放．不同道路类型、不同工况下，丁醇柴油混合燃料均会使得THC的排放增加，并且随丁醇比例的增加，THC增加越明显．这主要是由于丁醇的气化潜热较大，热值较低，使得燃烧温度降低，壁面淬熄范围变大，THC排放增加．

（4）不同道路类型、不同工况下，丁醇柴油混合燃料对NOx的排放影响较小．与燃用纯柴油相比，在较低功率密度工况下，NOx的排放略有减少，但是到了较高功率密度工况下，NOx的排放明显增加．因为丁醇柴油混合燃料的较低燃烧温度使得NOx的排放减少，但丁醇富氧燃烧又使得NOx的排放增加，两方面相互制约，因此NOx的排放变化不大．

（5）丁醇柴油混合燃料的使用会略微提高CO2的排放．与燃用纯柴油相比，在较低功率密度工况下，CO2的排放略有减少，但是到了较高功率密度工况下，CO2的排放略微增加．这是由于丁醇柴油含氧，可以改善燃烧，提高效率，同时丁醇柴油热值相对较低，会略微提高燃油消耗率．

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