基准柴油与市售柴油对船用柴油机排放影响
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作者:张继俊
摘 要：船用柴油机按GB15097-2016中恒速五工况（D2循环）用基准柴油与市售柴油分别进行排放测试，对比在10%、25%、50%、75%和100%负荷下，柴油机CO、HC、NOx和PM排放变化趋势及差异，研究分析了测试用油对排放量的影响，为柴油机排放测试选择用油提供参考。
关键词：柴油机;排放;基准油;市售油
中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）01-0097-03
环保部制定了GB15097-2016船舶发动机排放标准，约束了船舶内燃机污染物排放。该标准对碳氢HC、一氧化碳CO、氮氧化物NOx和颗粒PM都有排放限值要求，其中要求型式试验使用基准柴油或市售燃料。本次试验分别利用基准柴油和市售柴油进行排放测试，对比并分析其测试结果。
基准柴油和市售柴油主要区别在于十六烷值不同，其中GB15097-2016规定基准油的十六烷值在46～50之间，而现在市售0#柴油十六烷普遍在52～56之间。国内外都有研究十六烷值的差异对排放的影响[1～5]。增大十六烷值，有些资料显示能减少CO、HC、NOx，增加PM 的排放量[1、2];有些資料显示对CO、HC、NOx、PM的排放量没有明显影响[2～4]。总之，各种机型在各种工况下得出的结论不尽相同，但绝大多数认为增加十六烷值会减少HC、NOx，增加PM排放量。本次对比试验选择在耐久试验最后一次测试时，在发动机达到低磨合稳定状态下进行，尽量反映出发动机在实际使用过程中燃用不同燃油对排放的真实影响。
1试验设备和燃料及研究方法
试验用柴油机为直列4缸机;单缸排量：1.0535L，功率：55 kW，转速：1500 r/min，压缩比：17，缸径：108mm，行程：115mm。
试验台架示意图见图1。采用奥地利AVL生产的DynoDur 160/4.1‐10测功机进行扭矩、转速等的控制。气体分析仪采用AVL五组气体分析仪。颗粒采样设备采用SPC472全流采样系统，测试试验使用的滤纸为碳氯化合物涂层的玻璃纤维滤纸（DOP）。
按GB15097-2016中恒速五工况即D2循环，分别燃用基准柴油和市售柴油进行排放测试，对比因燃油不同引起的排放变化。实验用基准柴油和市售柴油主要参数见表1。
2 排放测试结果及分析
2.1一氧化碳CO
2.1.1 CO排放量随负荷变化趋势
在75%负荷时CO排放量在五个负荷点中最少。当过量空气系数继续减小（负荷增大）时，因为氧不足造成燃烧不充分从而使CO生成量加大。当过量空气系数升高（负荷减小）时，CO的排放量会随过量空气系数升高而上升，因为燃烧温度降低不利于CO氧化成CO2从而导致CO排放量上升。
2.1.2 燃油对CO排放影响
从图3中可以看出在50%、75%、100%负荷时燃用基准柴油和市售柴油产生的CO排放量几乎相同，说明在上述工况下十六烷值对CO排放量几乎没有影响。但在25%负荷时基准柴油产生的CO排放量高于市售柴油产生的CO排放量。在10%负荷时市售柴油产生的CO排放量高于基准柴油产生的CO排放量。
2.2碳氢 HC
2.2.1 HC排放量随负荷变化趋势
图4显示HC排放量随负荷增减的变化。在10%负荷时，过量空气系数最大，缸内温度过低不利于反应进行，超稀限混合气量增加，最终导致在10%负荷时HC排放量最大。当工作负荷加大时，缸内温度升高，反应速度加快，燃烧更充分，HC排放量减少。所以当负荷从10%增加到50%负荷过程中，HC排放量随负荷增加而减少。从50%增加到75%负荷时HC排放量无明显变化，当增加负荷到100%负荷时，过量空气系数进一步减小，虽然总体上仍是富氧燃烧，但局部会出现混合气过浓产生不完全燃烧碳氢，使HC排放量增加。
2.2.2燃油对HC排放影响
从图中5可以看出在10%和25%负荷时燃用基准柴油产生的HC排放量高于燃用市售柴油产生的HC排放量，差距随负荷增大而减小。因为基准柴油较市售柴油十六烷值低，滞燃期长，其未燃HC和裂解HC增多，引起HC的排放量增加。在50%额定负荷时，两种油产生的HC排放量几乎相同;在75%和100%额定负荷时，市售柴油产生的HC排放量反而大于基准柴油产生的HC排放量，差距随负荷增大而增加，整体变化趋势一致。
2.3氮氧化物NOx
2.3.1 NOx排放量随负荷变化趋势
图6显示NOx排放量随负荷增减的变化。因为柴油机的过量空气系数始终大于1，当负荷增大时缸内燃烧温度升高，所以NOx生成量也随之增多。
2.3.2 燃油对NOx排放影响
从图7中可以看出在10%、25%负荷时燃用基准柴油产生的NOx排放量略高于燃用市售柴油产生的NOx排放量，差距随负荷增大而减小。十六烷值低的基准柴油，着火性能差，滞燃期长，预混燃烧占比增加，着火后缸内温度和压力急剧增高;导致NOx生成量增加。在50%额定负荷时，两种油产生的排放量几乎相同;在75%和100%负荷时基准柴油产生的NOx排放量反而小于市售柴油产生的NOx排放量，差距随负荷增大而增加，整体变化趋势一致。
2.4 颗粒PM
燃用基准柴油产生的颗粒物质量为1.876mg;燃用市售油产生的颗粒物质量为1.927mg。可以看出，基准柴油产生的颗粒物小于市售柴油产生的颗粒物。市售柴油十六烷值高，会使滞燃期变短，更快生成过氧化物。另外市售柴油粘度相对较高，会使雾化性能变差，加之滞燃期较短，预混燃烧占比相对较小，着火时与空气混合均匀程度不如基准柴油的程度，烷烃分解生成游离碳后形成碳烟的程度加剧，最终导致颗粒物生成量的增加。 3 加权方式与最终比排放值
根据GB15097-2016，每种试验循环的最终气体比排放量是将各工况的值通过加权计算得出。其中恒速工况有五工况（D2）和四工况（E2）两种循环，其负荷与加权系数关系见表2。
本次试验按D2循环进行，最终燃用基准柴油和市售柴油的气体比排放量见表3;如将排放测试数据按E2循环加权计算，最终气体比排放量见表4。
通过表3和表4对比可以看出：按D2循环计算基准柴油产生的CO、HC和NOx比排放值均高于市售柴油，但按E2循环计算市售柴油产生的HC比排放量高于基准柴油。说明由于所取工况号和各工况加权系数不同，导致用相同气体排放数据计算得出的最终比排放量的大小关系也不完全一样。
4 结论
通过燃用两种不同燃油来对比柴油机污染物排放量的试验，结论如下：
（1）燃用市售柴油和基准柴油产生CO、HC和NOx的排放量随负荷变化而增减的规律完相同。
（2）此柴油机在50%负荷时，燃用市售柴油和基准柴油产生的CO、HC和NOx排放几乎相同。当负荷增加时HC和NOx排放差异值扩大，CO差异值几乎不变;当负荷减小时，CO、HC和NOx差异值均扩大。
（3）此柴油机燃用市售柴油较基准柴油在10%负荷时CO排放量增多，在75%和100%负荷时HC排放量增多;在100%负荷时NOx排放量增多。这些与现在大多数研究结果不同，可能与两种燃油中芳烃含量有关，还需进一步研究。
（4）此次试验测出两种油产生各气体污染物的数据，按不同循环计算得出的比排放量，会因各循环的工况数和加权系数不同影响其最终比排放量大小关系不一致。
参考文献：
[1] 周松，肖又洪，朱元清.内燃机排放与污染物控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010
[2] Mitsuo Tamanouchi， Hiroki Morihisa， Shigehisa Yamada， Jihei lida， Takanobu Sasaki， and Harufusa Sue. Effects of Fuel Properties on Exhaust Emissions for Diesel Engines With and Without Oxidation Catalyst and High Pressure Injection [C].SAE 970758
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[4] Andrew C. Matheaus， Gary D. Neely and Thomas W. Ryan III， Rafal A. Sobotowski， John C. Wall and Christine H. Hobbs， Glenn W. Passavant， Thomas J. Bond.EPA HDEWG Program-Engine Tests Results[C].SAE 2000-01-1858
[5] 何學良，詹永厚，李疏松.内燃机燃料[M].北京：中国石化出版社，2004
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