國柴油與天然氣制油混合燃料排放特性試驗研究

國柴油與天然氣制油混合燃料排放特性試驗研究

1天然氣制合成油生物柴油具有16烷值高、硫含量低、潤滑性好、可回收性好等特點。與石化柴油比較,發(fā)動機燃用生物柴油燃料后,除NOx略有升高外,PM、CO、HC、CO2排放降低。合成燃料是由天然氣、煤或生物質通過費托工藝生產的一種無色無味、基本不含硫和芳香烴、十六烷值高達75~80的新型液態(tài)燃料。天然氣制合成油(gastoliquid,GTL)是合成燃料中技術較為成熟、成本相對較低并已經進入大規(guī)模產業(yè)化和市場推廣的燃料。與石化柴油比較,發(fā)動機使用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氣制合成油,可在一定程度上改善目前市場上的柴油品質,降低柴油轎車的排放。本文對某國產柴油轎車分別燃用國Ⅱ柴油、體積混合比為10%(90%為國Ⅱ柴油,10%為生物柴油,簡稱為B10)的國Ⅱ柴油—生物柴油混合燃料、體積混合比為10%(90%為國Ⅱ柴油,10%為天然氣制油(GastoLiquid,GTL),簡稱為G10的國Ⅱ柴油-天然氣制油混合燃料,以及滬Ⅳ柴油進行排放試驗研究,系統(tǒng)考察了生物柴油、天然氣制油對柴油轎車排放的降低效果。2測試系統(tǒng)和參數試驗樣車為某國產TDI1.9L柴油轎車,發(fā)動機為水冷直列四缸四氣門、雙頂置凸輪軸、電控高壓共軌直噴渦輪增壓柴油機,并配備廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和尾氣氧化催化轉換器。該柴油轎車主要技術參數見表1所列,不同燃油的主要理化性能指標見表2所列。試驗系統(tǒng)主要包括-10~45℃環(huán)境模擬艙、SCHENCK汽車底盤測功機、HORIBA全流CVS采樣和MEXA-7000系列排放采樣分析系統(tǒng)、超微量天平。測試設備的主要技術參數見表3所列。排放測試依據《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)》(GB18352.3-2005)Ⅰ型試驗NEDC循環(huán)進行。整個測試共持續(xù)1180s,由1部(城區(qū)行駛循環(huán)ECE)和2部(城郊行駛循環(huán)EU-DC)組成。其中,1部由4個市區(qū)運轉循環(huán)單元組成,每個市區(qū)循環(huán)單元包含怠速、加速、勻速、減速等15個工況,平均車速為19km/h,有效行駛時間為195s,理論行駛距離為1013km;2部由1個市郊運轉循環(huán)組成,該市郊循環(huán)包含13個工況,平均車速為62.6km/h,有效行駛時間為400s,理論行駛距離為6.955km,最高車速為120km/h。3汽車燃用排放該柴油轎車燃用國Ⅱ柴油、B10、G10及滬Ⅳ柴油的CO、NOx、HC+NOx、PM、CO2排放測試結果見表4所列。由表4可以看出,該柴油轎車燃用國Ⅱ柴油、B10、G10、滬Ⅳ柴油后的CO排放滿足國Ⅳ排放標準限值。與國Ⅱ柴油比較,該柴油轎車燃用B10、G10、滬Ⅳ柴油的CO排放分別降低3%、0.7%和3%。CO是碳或烴類燃燒的中間產物和不完全燃燒的產物之一,產生的原因包括可燃混合氣溫度過低、可燃混合氣局部缺氧等。生物柴油是含氧燃料,不但增加了燃燒時氧的供給,而且使CO2被還原為CO的機會降低。GTL的餾出溫度較低,蒸發(fā)過程進行較快,產生過濃區(qū)可能性較小,產生的CO排放較低。同時,GTL、生物柴油的十六烷值高,著火性能好,能進一步改善燃燒及降低CO排放。由表4可見,該柴油轎車燃用滬Ⅳ柴油的NOx排放滿足國Ⅳ排放標準限值;燃用國Ⅱ柴油、G10、B10后的NOx排放超過國Ⅳ排放標準限值,但滿足國Ⅲ排放標準限值。與國Ⅱ柴油比較,該柴油轎車燃用G10、滬Ⅳ柴油的NOx排放分別降低5%和23%,燃用B10的NOx排放增加約2%。生物柴油富氧,對NOx形成作用明顯,使得NOx排放升高。預混合燃燒是產生NOx的主要階段,由于GTL相對于傳統(tǒng)柴油具有十六烷值高、滯燃期短的特點,燃燒時具有預混合燃燒比例減少,擴散燃燒比例增大的特點,因此可以降低柴油機的NOx排放。由表4可見,該柴油轎車燃用滬Ⅳ柴油的HC+NOx排放滿足國Ⅳ排放標準限值;燃用國Ⅱ柴油、G10、B10后的HC+NOx排放超過國Ⅳ排放標準限值,但滿足國Ⅲ排放標準限值。與國Ⅱ柴油比較,該柴油轎車燃用G10、滬Ⅳ柴油的HC+NOx排放分別降低6%和21%,燃用B10的HC+NOx排放增加約1%。直噴式柴油機的HC排放來源于油束的過濃區(qū)、過稀區(qū)以及油束碰壁激冷區(qū)。一般芳香烴含量越少,滯燃期越短,HC排放越低。同時,十六烷值較高時,燃油著火性能好,滯燃期短,未燃碳氫和裂解碳氫均較少,有利于減少HC排放。與柴油比較,GTL的餾出溫度較低,蒸發(fā)過程進行較快,產生過濃區(qū)和油束碰壁激冷區(qū)的可能性較小,HC排放較低,其HC+NOx排放降低。生物柴油中芳香烴含量很少,十六烷值較高,HC排放較低,但由于該柴油轎車燃用B10的NOx排放升高,導致其HC+NOx排放也稍有增加。由表4可見,該柴油轎車燃用滬Ⅳ柴油的PM排放滿足國Ⅳ排放標準限值;燃用國Ⅱ柴油、G10、B10后的PM排放超過國Ⅳ排放標準限值,但滿足國Ⅲ排放標準限值。與國Ⅱ柴油比較,該柴油轎車燃用G10、B10、滬Ⅳ柴油的PM排放分別降低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、生物柴油的芳烴含量較低,燃料在燃燒過程中減少了高溫裂解組分,能夠改善燃料燃燒,使得PM排放降低。同時,GTL、生物柴油和滬Ⅳ柴油的硫含量較低,使得PM排放降低。由表4可見,與燃用國Ⅱ柴油相比,該柴油轎車燃用G10、B10的CO2排放分別降低1%和1.7%,燃用滬Ⅳ柴油的CO2排放與國Ⅱ柴油相當。燃用G10、B10有利于降低柴油轎車溫室氣體CO2排放。4汽車燃料和柴油排放a.滿足國Ⅳ排放標準的某國產柴油轎車燃用滬Ⅳ柴油后,其CO、NOx、HC+NOx、PM排放均滿足國Ⅳ標準排放限值。b.該柴油轎車燃用國Ⅱ柴油、B10、G10的CO滿足國Ⅳ排放標準限值,NOx、HC+NOx排放接近國Ⅳ排放標準限值,PM排放超過國