醇基汽油合成燃料的NEDC循环排放特性试验分析*

焦鹏昊 张文 宋国庆 李强 白志杰 李志军

（1.天津电子信息职业技术学院；2.天津大学）

随着我国经济的快速发展，汽车在国民经济各个领域中扮演着越来越重要的角色。汽车保有量的高速增长，使我国的能源安全与环境保护面临巨大的压力。我国的能源结构特点为“富煤、贫油、少气”，每年需要进口大量的原油及石油制品，能源安全已成为影响我国经济发展的重要因素之一。此外，近年来我国各地频发空气污染事件，“雾霾”一词频繁见诸报端，治理大气环境迫在眉睫。节约传统化石资源、改善能源消费结构、推广清洁能源及实现车用能源多元化已经成为我国汽车工业发展的重中之重。因此文章对新型车用醇基汽油合成燃料进行了研究，在某汽油/压缩天然气（CNG）双燃料整车上，以纯汽油（M0）和CNG燃料为基准，对不同掺混比例的合成燃料进行空燃比在化学当量比附近的原机常规排放物对比研究。

1 试验仪器及设备

文章选用的发动机为某公司制造的CA4GA5四缸电控16气门VCT-i进气道燃油喷射汽油机，排放分析系统采用日本某公司生产的MEXA-7000系列排放分析系统和奥地利某公司生产的DEWE-5000型燃烧分析仪。试验燃料为93#汽油，其体积质量为0.733×103kg/m3；醇基燃料以低碳醇、多碳醇、芳香烃及添加剂等组成，其中低碳醇以甲醇为主，并按照醇基燃料所占比体积，依次选用醇基燃料占比分别为10%，20%，30%的新型车用醇基汽油合成燃料，即：M10，M20，M30。并已采集原机排放数据进行排放特性试验研究。

1.1 整车转鼓试验台

整车转鼓试验台，如图1所示。主要包括环境模拟仓、底盘测功机（包括驾驶员辅助设备）、排气分析系统及主控中心等部分。其中环境模拟仓为美国某公司制造的ETC环境模拟仓，温度范围：-40～60℃，温度控制精度：±1℃；湿度范围：5%～95%RH，湿度控制精度：±5RH；最大测量风速：200km/h；最大照光强度：1 200 W/m2，控制精度：±2.5%；热路模拟系统模拟范围：20～75℃。底盘测功机为美国某公司生产的7236-6195型性能测功机，最大测量车速：200 km/h，测速精度：0.08 km/h；最大量程：5 840 N，满量程精度：±0.1%。电控系统中，M0，M10，M20及M30燃料采用日本某公司的量产电控系统；CNG燃料采用韩国某公司生产的量产电控系统。

图1 整车转鼓试验台示意图

1.2 试验设备

1.2.1 试验整车主要参数

文章选用某自主品牌汽油/CNG双燃料经济型三厢轿车，该车型具有高功率、大扭矩及低油耗特性，为自主品牌代表车型。整车主要参数，如表1所示。

表1 某自主品牌汽油/CNG双燃料经济型三厢轿车主要参数

1.2.2 汽车CNG系统改制

在汽油/CNG双燃料经济型三厢轿车基础上进行改装，加装国内自主研发的CNG燃料供给系统，其结构，如图2所示。由图2可以看到，CNG气罐放置在轿车后备箱，通过阀门控制其与整个气路的通断，保证了整个系统的安全性。在气罐与CNG减压器中间布置1个三通阀，通过该阀的开闭，实现加气模式和供气模式的切换。由于CNG减压器在工作时大量吸热，为保证其正常工作，将其与整个发动机散热的循环水路连接，利用发动机工作时产生的热量对CNG减压器进行加热。减压后的CNG气体，经过滤清器后进入CNG气轨，通过CNG喷射器调整喷射压力，然后喷入发动机的进气歧管，与通过原机气路进入进气歧管的空气混合，最后进入燃烧室燃烧做功。

图2 压缩天然气（CNG）系统结构示意图

1.2.3 试验环境

试验前对原车进行动力性、经济性及常规排放检测。试验车原车排放数据检测结果，如表2所示。

表2 试验车原车排放数据g/km

按照GB 18352.3—2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》[1]进行各项准备，整车转鼓试验所需试验装置准备工作完成。试验现场，如图3所示。

图3 整车转鼓试验准备现场

2 试验方案

采用文献[1]中规定的“常温下冷启动后排气污染物排放实验（Ⅰ型实验）”方法进行，包含“市区运转循环”和“市郊运转循环”两部分。其中“市区运转循环”按操作分解为6个部分，如表3所示；“市郊运转循环”按操作分解为6个部分，如表4所示；Ⅰ型试验的试验循环共包含3个“市区运转循环”和1个“市郊运转循环”，如图4所示。

表3 Ⅰ型试验市区运转循环工况分解

表4 Ⅰ型试验市郊运转循环工况分解

图4 整车转鼓试验运转循环示意图（Ⅰ型试验）

3 试验结果

试验中分别使用M0，CNG，M10，M20及M30新型醇基汽油合成燃料作为整车燃料，在转鼓试验台上进行了国Ⅳ标准NEDC循环工况的整车试验。

3.1 醇基燃料含量对循环工况常规排放总碳氢（THC）的影响

市区和市郊循环工况THC排放对比，如图5所示。

从图5可以看出，5种燃料均在加速时THC排放增加，这是由于在加速过程中，由于此时需要较浓的可燃混合气，燃料燃烧不完全所致；减速时THC排放减少，这是因为汽油喷射发动机在减速时停止燃料供应所致；M0，CNG，M10，M20及 M30的 THC 排放依次减小，这主要因为CNG的主要成分为甲烷，与M0相比可供氧化的碳原子较少，而新型醇基汽油合成燃料为含氧燃料，醇基燃料的掺混意味着对汽油进行了稀燃，促进了相同进气量时THC的氧化；M10，M20及M30的THC排放振幅比M0和CNG大，这是因为醇基燃料属掺混燃料，而它使用的仍是汽油燃料的电控系统，没有对汽车使用掺混燃料后进行整车标定，而M0和CNG使用的是各自量产的电控系统，经过了整车标定优化。因此，后期还需要开展对新型醇基汽油合成燃料的台架与实车标定工作。

从图5a可以看出，在195 s的市区循环工况1中，M0，CNG，M10，M20及M30的THC排放较多，峰值分别达 6 516×10-6，5 752×10-6，4 028×10-6，3 699×10-6，3 241×10-6。这是因为，在冷启动阶段，发动机刚刚开始工作，为保证发动机正常工作，需采用启动加浓策略，使缸内混合气的空燃比小于当量空燃比。此外，由于缸体和活塞的温度较低，造成冷激效应强烈、混合气雾化不好、燃烧不稳定、容积淬熄较严重，上述因素都会导致THC排放增加[2]。在图5b中的第2，3，4市区循环工况中，M0和CNG的THC排放稳定，这是因为此时发动机温度升高，从而使油气混合得更加均匀，进而促进燃料完全燃烧。图5c为400 s的市郊工况THC排放，在0～70 km/h和50～120 km/h急加速工况下，M10，M20及M30的THC排放大于M0和CNG，并且波动频率大，这主要是由于急加速需要提供浓的功率混合气，而醇基燃料的汽化潜热大，随着大量浓醇基燃料进入气缸，导致燃料燃烧温度降低，不利于燃料的进一步氧化，加剧了未燃燃料的增加，从而导致THC排放增大较大。

3.2 醇基燃料含量对循环工况常规CO排放的影响

市区和市郊循环工况CO排放对比，如图6所示。

碳氢化合物燃料燃烧的CO排放，是燃烧过程因氧气不足生成的中间产物[3]。由图6可以看出，在汽车加速时，M0，CNG，M10，M20及 M30 的 CO 排放增加，这是因为此时混合气较浓，氧气量不足；在汽车匀速及减速时，CO排放稳定，这是因为发动机转速稳定时，可燃混合气为理论空燃比，CO氧化充分。汽车减速时，电控发动机燃料供应停止，并受化学反应动力学影响，大约在 1 100 K时，CO浓度冻结[4]；M10，M20 及M30的CO排放整体低于M0和CNG的CO排放，这是因为，醇基燃料是含氧燃料，其掺混比例增加意味着增加了可燃混合气中的氧含量，有利于CO的氧化。由图6a可以看出，5种燃料的CO排放峰值出现在图6a所示的第1个市区循环，这是由于发动机开始工作之初，混合气环境温度低，雾化不充分，并且为了保证发动机正常工作，需增加燃料供给量，这均导致CO排放过高[5]；发动机暖机之后，发动机工作状态逐渐稳定。在图6b中的第2，3，4个市区循环中，5种燃料的CO排放逐步降低并趋于稳定，这是由于此时可燃混合气环境温度高，混合均匀，CO氧化充分；在图6c中的400 s市郊运行循环中，CO排放较高，这是因为发动机处于中高负荷，燃料供给量增加，混合气中的氧气含量减少所致。

3.3 醇基燃料含量对循环工况常规NOx排放的影响

市区和市郊循环工况NOx排放对比，如图7所示。

图7 市区和市郊循环工况NOx排放对比（Ⅰ型试验）

由图7可以看出，循环工况条件下，汽车加速时，M0，CNG，M10，M20 及 M30 的 NOx排放减小；汽车稳速时，NOx排放增加；汽车减速时，NOx排放减小。这是由于加速时混合气较浓，燃料燃烧过程氧气较少；匀速时，为保证燃油经济性，混合气在当量比或略稀状态下燃烧，燃烧温度高、氧气充足；减速时，发动机电控系统断油，温度急剧下降。从图7还可以看出，随着燃料中新型车用醇基汽油合成燃料中醇基燃料掺混比例的增加，NOx排放增加，这是由于醇基燃料中的含氧量有利于NOx的生成。

比较图7a和7b，市区工况2，3，4的NOx排放比市区工况1的NOx排放高，这是因为在市区工况1循环中，发动机刚开始工作，燃料雾化不良，燃烧温度低，不利于NOx的生成，随着暖机工作的完成，NOx排放趋于稳定。比较7c和7b，市郊工况的NOx排放较高，这是因为市郊工况发动机转速较高，单位时间内进入到缸内的燃料增加，这都导致NOx排放增加。

4 结论

文章按照文献[1]规定的“常温下冷启动后排气污染物试验方法”，以M0和CNG燃料为基准，分别对M0，CNG，M10，M20及 M30燃料进行整车转鼓试验，分析新型车用醇基汽油合成燃料中醇基燃料不同掺混比例对3种常规排放物THC，CO及NOx原机排放的影响，得到以下3点结论。

1）在加速时，由于混合气较浓，THC和CO排放激增，当车速稳定后，THC和CO排放降低；由于氧气不足，NOx排放较低。在车速稳定时，可燃混合气为当量比或略稀，缸内燃烧完全，燃烧温度高，THC和CO排放降低，NOx排放增加。当汽车减速时，由于电喷发动机断油，燃料减少，排气温度降低，THC，CO及NOx排放减少。

2）在第1个市区循环工况，由于发动机为冷启动，可燃混合气环境温度低，狭隙效应明显，大量未燃THC和燃烧中间产物CO产生，并在该工况达到峰值，并由于该工况下燃烧温度低，氧气缺乏，使得NOx排放峰值在整个试验过程中最小。

3）由于醇基燃料为含氧燃料，M10，M20及M30中的氧含量为THC和CO的氧化提供有利条件，所以随着新型车用醇基汽油合成燃料中醇基燃料掺混比例的增加，与M0和CNG燃料相比较，THC和CO排放呈现出逐渐下降趋势，相反，由于随着醇基燃料掺混比例的增加，氧含量增加，使得NOx排放呈现逐渐增大趋势。