柴油烃族组分对柴油机排放的影响

引用本文

刘海峰, 王灿, 孔祥恩, 等. 2020. 柴油烃族组分对柴油机排放的影响[J]. 环境科学学报, 40(2): 479-491.

Liu H F, Wang C, Kong X E, et al. 2020. Effect of diesel hydrocarbon group components on diesel engine emissions[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 40(2): 479-491.

柴油烃族组分对柴油机排放的影响

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刘海峰¹, 王灿¹, 孔祥恩¹, 刘威¹, 金超^2,3, 郑尊清¹

1. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室, 天津 300072;
2. 天津大学环境科学与工程学院, 天津 300072;
3. 天津大学生物质废物利用重点实验室, 天津 300072

收稿日期: 2019-07-11; 修回日期: 2019-08-14; 录用日期: 2019-08-14

基金项目: 国家自然科学基金（No.51922076，31300329）

作者简介: 刘海峰(1981-), 男, E-mail:haifengliu@tju.edu.cn

通讯作者（责任作者）: 金超(1980-), 女, 博士, 讲师, 主要研究方向为生物技术在环境治理修复中的应用, 生物质能源的高效清洁制备及应用.近5年内主持和参加了7项基金项目和重大专项.E-mail:jinchao@tju.edu.cn

摘要：柴油烃族组分可影响柴油的理化特性，从而影响柴油机的燃烧过程，进而对排放产生重要影响.本研究针对烃族组分含量不同的14种柴油，开展了排放特性的试验研究，基于试验结果采用主成分分析法及回归分析法揭示影响柴油机排放性能的关键组分及作用规律，并得到了柴油机排放与关键组分的经验公式，可在一定程度上预测排放特性.分析结果表明，总芳烃是影响柴油机排放的关键组分，当其含量介于5%~17%时，可使NO_x、soot（碳烟）、CO、HC排放均处于较低水平.此外，多环芳烃对柴油机排放有重要影响，其中的苊类、苊烯类对NO_x、碳烟、CO排放的影响作用更为显著，而其他烃族组分与柴油机排放的规律性相对较差.不同工况下，柴油机排放规律有所不同，在低负荷下柴油机排放对总芳烃含量更加敏感.

关键词：柴油机烃族组分排放回归分析主成分分析

Effect of diesel hydrocarbon group components on diesel engine emissions

LIU Haifeng¹, WANG Can¹, KONG Xiang'en¹, LIU Wei¹, JIN Chao^2,3, ZHENG Zunqing¹

1. State Key Laboratory of Engines, Tianjin University, Tianjin 300072;
2. College of Environment Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072;
3. Tianjin Key Lab of Biomass/Wastes Utilization, Tianjin University, Tianjin 300072

Received 11 July 2019; received in revised from 14 August 2019; accepted 14 August 2019

Abstract: The hydrocarbon group components of diesel oil have an influence on the physical and chemical properties of diesel oil, thus affecting the combustion process of diesel engine and then have an important impact on emissions. In this study, the experiment on emission characteristics was performed using 14 kinds of diesel oil with different hydrocarbon group contents. Based on the results, principal component analysis and regression analysis were used to reveal the key components and relationships of influence on the emission performance of diesel engine. The empirical formulas of diesel engine emissions and key components were obtained, by which the emission characteristics can be predicted to a certain extent based on diesel fuel components. The analytic results show that total aromatics are the key components to affect diesel engine emissions. When the content of total aromatics is between 10% and 17%, the emissions of NO_x, soot, CO and HC are at a low level. In addition, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) have an important influence on diesel engine emission, among which alicyclic hydrocarbon and acenaphthylene have more significant effects on NO_x, soot and CO emissions. However, the regularity of other hydrocarbon group components and diesel engine emission is relatively poor. Under different engine load conditions, the emissions of diesel engine behave differently. Diesel engine emission is more sensitive to the total aromatic content under the low load.

Keywords: diesel engine hydrocarbon group components emissions principal component analysis regression analysis

1 引言(Introduction)

近年来, 我国机动车保有量持续增长, 机动车排放已成为导致我国空气污染的重要原因.据环保部统计(2018), 2017年全国机动车保有量达到3.10亿辆, 同比增长5.1%, 其中, 柴油车占9.4%, 但其NO_x排放接近汽车排放总量的70%, 颗粒物排放(PM)超过90%, 是机动车污染防治的重中之重.为应对日益严峻的污染危机, 各种柴油机新技术诸如超高压燃油喷射(Kuti et al., 2013; Tian et al., 2016)、可变进排气系统(Basaran et al., 2017; Yeom et al., 2007)及高效后处理装置(Rodriguez-Fernandez et al., 2016; Millo et al., 2017)等得到了广泛应用, 同时, 一些新型燃烧方式如HCCI(Wang et al., 2019; Khandal et al., 2019)、PPC(Belgiornoa et al., 2018; 房性会等, 2019)、RCCI(Liu et al., 2019)等也得到了广泛的关注和研究.此外, 很多研究发现燃油理化特性对柴油机排放有重要的影响(Cho et al., 2009; 董芳等, 2016; 黄震等, 2016; Singh et al., 2016; 杨勇等, 2016; Zheng et al., 2017), 而柴油的理化特性受烃族组分影响, 同时烃族组分的C/H比、苯环结构等也对排放有直接影响, 因此, 研究柴油的烃族组分与柴油机排放之间的关系, 优化柴油组分是降低柴油机排放的一条重要途径(邓元望, 2003).

王新明等(2015)比较了我国与欧美国家的柴油标准, 认为主要差别在于:我国柴油的多环芳烃限值为11%, 但芳烃没有限值.而大量研究都表明了总芳烃含量对柴油机排放的重要性, 但在影响趋势和幅度上存在差异:陈文淼等(2008)对国外不同研究项目得到的芳香烃含量对排放的影响结果进行了总结, 发现早期大部分研究中柴油芳香烃含量集中在10%~35%内, 而对过低或过高芳烃含量的柴油研究较少; 且芳香烃含量对排放的影响结果有所不同, 柴油芳香烃含量在10%~35%范围内变化时, 芳香烃每增加5%, 柴油机的NO_x平均增加3%(变化范围:增加0~15%)、PM平均增加1%(变化范围:降低9%至增加15%).在Gill等(2011)关于不同制油技术对发动机燃烧排放性能影响的综述中, 79%的研究表明低芳烃含量和高十六烷值的条件下, 碳烟排放升高, 而16%的研究中碳烟没有变化, 另外有5%的研究中碳烟排放升高.此外, Reijnders等(2016)研究了相同十六烷值下燃料中芳烃含量对排放的影响, 结果表明, 无论燃烧方式如何, 减少芳烃的排放都有利于改善碳烟与NO_x之间的trade-off关系.周玉松(2006)研究发现, 燃油芳香烃含量在较低范围时, 随转速、负荷和燃油芳香烃含量的变化, 多环芳烃(PAHs)排放的变化量很小.

针对上述芳烃的研究进展发现, 多数工作仅研究了较窄芳烃含量范围对柴油机排放的影响规律, 且大部分研究未给出建议优化范围.部分研究对芳烃含量提出了上限, 如周玉松(2006)在对燃料性质和成分影响排放的研究中, 建议总芳烃含量应低于25%.但鲜有研究探索芳烃含量优化的下限.此外, 与芳烃的广泛研究相比, 柴油中的其他烃族成分对排放的影响规律则鲜有报道.

因此, 本研究针对调制的14种不同烃族组分含量的柴油, 在一台满足国IV排放要求的电控高压共轨柴油机上, 开展烃族组分对排放特性影响的试验研究, 采用回归分析法及主成分分析法揭示影响柴油机排放性能的关键组分及优化范围, 为优化柴油组分并降低柴油机排放提供参考.

2 试验装置与研究方法(Test device and research method) 2.1 发动机试验装置

试验在一台满足国IV排放法规的8.42 L电控高压共轨柴油机上进行.发动机主要技术参数如表 1所示, 图 1为电控柴油机试验台架示意图, 表 2为试验所使用的主要仪器设备.污染物测量使用Horiba公司的MEXA-7100DEGR排气分析仪, 该分析仪采用氢离子火焰方法分析UHC(未燃碳氢化合物), 使用不分光红外测试法分析CO, 采用化学发光方法分析NO_x.碳烟排放通过AVL 415S烟度计测量获取, 进而通过换算公式计算得到碳烟的比排放, 换算公式如下(AVL List GMBH, 2007):

(1)

图 1 试验台架示意图 Fig. 1 Schematic of experimental setup

表 1 试验发动机主要技术参数 Table 1 Engine main specifications

表 2 试验用主要仪器设备 Table 2 Main instruments and apparatus

式中, B_soot为碳烟排放; F_FSN为实测烟度值; m_air为进气流量(kg · h^-1); m_fuel为柴油机每小时油耗量(kg · h^-1); P_E为有效功率(kW); e≈2.7183

试验选取柴油机欧洲稳态测试循环(ESC)对应的13个工况点进行测试, 并计算得到加权NO_x、碳烟、CO、HC排放值.

2.2 试验燃料

本试验共选用烃族组分含量不同的14种柴油进行研究, 表 3为14种柴油的烃族组成及比例, 表 4为14种柴油的主要理化特性参数.由表 3可以看出, 试验所选14种柴油的烃类组成含量覆盖范围广泛, 总链烷烃含量为4%~99%, 总芳烃含量为0.1%~55.6%, 总环烷烃含量为0.9%~86.9%.上述柴油组分较大的变化范围有利于揭示不同烃族组分对柴油机排放的影响规律.

表 3 试验燃料的烃族组成及比例 Table 3 Composition and proportion of hydrocarbon groups of test fuels

烃族组成	不同编号燃料中烃族的比例
烃族组成	1#	2#	3#	4#	5#	6#	7#	8#	9#	10#	11#	12#	13#	14#
链烷烃	44.6%	41.2%	47.8%	40.1%	52.0%	53.7%	4.0%	30.4%	65.3%	60.7%	30.5%	53.5%	11.7%	99.0%
一环烷烃	18.6%	12.3%	16.7%	18.4%	15.7%	27.1%	1.6%	9.1%	20.2%	22.8%	11.0%	18.5%	52.8%	0.1%
二环烷烃	5.8%	5.7%	8.8%	8.8%	11.5%	8.3%	31.3%	4.1%	6.7%	7.4%	6.2%	6.3%	23.9%	0.7%
三环烷烃	1.0%	1.3%	2.2%	1.6%	5.4%	1.3%	8.2%	0.8%	1.3%	1.4%	1.9%	1.2%	10.2%	0.1%
总环烷烃	25.4%	19.3%	27.7%	28.8%	32.6%	36.7%	41.1%	14.0%	28.2%	31.6%	19.1%	26.0%	86.9%	0.9%
总饱和烃	70.0%	60.5%	75.5%	68.9%	84.6%	90.4%	45.1%	44.4%	93.5%	92.3%	49.6%	79.5%	98.6%	99.9%
烷基苯	6.8%	10.6%	6.0%	11.5%	4.7%	5.5%	7.7%	10.3%	3.4%	4.0%	16.8%	8.7%	0.4%	0.0%
茚满或四氢萘	12.2%	4.9%	8.9%	10.9%	7.3%	3.3%	8.9%	5.7%	2.2%	2.7%	20.9%	6.4%	0.7%	0.0%
茚类	4.0%	1.0%	3.2%	2.4%	1.9%	0.1%	3.1%	0.9%	0.1%	0.2%	4.5%	1.6%	0.2%	0.1%
总单环芳烃	23.0%	16.5%	18.1%	24.8%	13.9%	8.9%	19.7%	16.9%	5.7%	6.9%	42.2%	16.7%	1.3%	0.0%
萘	0.6%	0.6%	0.4%	0.6%	0.4%	0.2%	0.9%	0.9%	0.2%	0.2%	1.3%	0.4%	0.1%	0.0%
萘类	2.1%	12.0%	2.2%	2.9%	0.6%	0.3%	13.2%	19.8%	0.3%	0.3%	2.5%	1.8%	0.0%	0.0%
苊类	2.4%	5.1%	1.9%	2.3%	0.4%	0.2%	9.5%	8.3%	0.3%	0.3%	3.1%	1.1%	0.0%	0.0%
苊烯类	1.4%	2.6%	1.3%	0.4%	0.1%	0.0%	5.3%	4.4%	0.0%	0.0%	1.3%	0.4%	0.0%	0.0%
总双环芳烃	6.5%	20.3%	5.8%	6.2%	1.5%	0.7%	28.9%	33.4%	0.8%	0.8%	8.2%	3.7%	0.1%	0.0%
三环芳烃	0.5%	2.7%	0.6%	0.1%	0.0%	0.0%	6.3%	5.3%	0.0%	0.0%	0.0%	0.1%	0.0%	0.0%
多环芳烃	7.0%	23.0%	6.4%	6.3%	1.5%	0.7%	35.2%	38.7%	0.8%	0.8%	8.2%	3.8%	0.1%	0.0%
总芳烃	30.0%	39.5%	24.5%	31.1%	15.4%	9.6%	54.9%	55.6%	6.5%	7.7%	50.4%	20.5%	1.4%	0.1%

表 4 试验燃料主要理化特性 Table 4 Main physical and chemical properties of test fuels

本研究没有对燃料中的硫含量进行限制.一般认为, 柴油中的硫含量对HC、CO、NO_x 3种常规排放物的排放无明显影响, 但会形成硫酸盐对颗粒物排放有所贡献(董红霞等, 2009; Tan et al., 2013), 同时会造成后处理器催化剂中毒.而本文所研究的碳烟排放是通过AVL 415S烟度计测量得到, AVL 415S是一种滤纸式烟度计, 主要利用了碳烟对光的吸收特性(李昂等, 2017), 硫酸盐不在其测量范围内, 不会影响碳烟排放测量结果.同时, 本文试验没有使用后处理器, 不存在催化剂中毒问题, 因此, 硫含量对本文研究结果影响较小.

2.3 研究方法

由于柴油烃族组分众多且组分之间有相互联系, 故本文采用回归分析和主成分分析两种方法相互验证, 寻找影响排放的关键柴油组分, 探究柴油烃族组分对柴油机排放的影响规律.

主成分分析是采用降维和简化的思想, 将多个变量转换成少数几个综合指标的统计方法, 这几个综合指标可以尽可能多的反映原来变量的信息, 而且彼此互不相关(李四立, 2018), 从而在研究复杂问题时更容易抓住主要矛盾.通常数学上的处理就是将原来P个指标作线性组合, 作为新的综合指标即主成分(高明, 2006).某一变量在第k主成分上的载荷值代表了其对第k主成分的贡献, 其范围在-1~1之间, 绝对值越接近1表示贡献越大, 载荷值为正, 说明此变量与第k主成分成正相关, 反之成负相关.

回归分析法的原理是给定一组观测数据, 在某一类曲线中寻找一条最佳曲线y=φ(x), 使用该曲线拟合这些数据, 得到量与量之间的解析表达式, 从而揭示数据间的客观规律, 并借助表达式对因变量进行预测或插补延长(周浩, 2013).但拟合曲线很难准确地通过所有实验点, 因此, 预测的准确性受到拟合度的影响.

3 试验结果及分析(Test results and analysis) 3.1 两种分析方法的结果及比较 3.1.1 主成分分析法

由于本文所要研究的烃族组分数量较多, 且组分间具有相关关系, 造成统计数据所反映的信息在一定程度上有重叠, 故利用主成分分析法的降维思想将18个烃族组分做线性组合, 形成一组新的相互无关的综合指标(即主成分)来代替原来的指标, 主成分不具有实际意义, 但可以以较少的综合变量反映更多的信息, 并去除不重要信息.详细分析方法介绍可以参考文献(苏本跃等, 2015).

本研究选取14个样本(即14种油), 每个样本共有18个变量(即18个烃族组分), 这样就构成一个14×18阶的数据矩阵X.

首先, 求得X的相关系数矩阵R及R的特征值和特征向量.然后计算主成分贡献率及累计贡献率, 一般取累积贡献率达85%~95%的成分作为主成分.最后计算各指标在主成分上的载荷, 代表其对主成分的贡献, 其范围在-1~1之间, 绝对值越接近于1表示贡献越大, 载荷值为正说明此变量与第k主成分成正相关, 反之成负相关.

表 5列出了各个成分的特征值及贡献率, 前3个成分的主成分贡献率分别为55.6%、21.9%和16.4%, 三者之和达到94%以上, 可确定主成分的数目为3, 但由于只有第一主成分才能揭示评价信息, 其它主成分一般不具有综合评价功能(高明, 2006), 故本文仅列出第一主成分值(表 6)及各组分变量在第一主成分上的载荷值(表 7).然后用第一主成分值与排放进行回归拟合, 由图 2可看出, 第一主成分与柴油机排放的拟合效果较好, 说明用第一主成分进行综合评价是比较准确的.NO_x、碳烟、HC、CO均与第一主成分成正相关关系, 同时结合表 6的载荷值可说明柴油机排放与链烷烃、一环烷烃、总环烷烃、总饱和烃含量成正相关, 而与其他组分成负相关, 且载荷值越高, 对排放的影响越大.由于试验选用的14种柴油的烃族组分中总饱和烃和总芳烃质量分数之和为1, 故其载荷值互为相反数.

图 2 第一主成分值与柴油机加权排放的关系 Fig. 2 The relationship between the first principal component and diesel engine weighted emissions

表 5 总方差解释 Table 5 Explanation of total variance

表 6 第一主成分值 Table 6 The first principal component values

表 7 组分在第一主成分上的载荷值 Table 7 The load values of components on the first principal components

3.1.2 回归分析法

回归分析法在数学上通常采用最小二乘法, 其原理是使误差(即观测值与拟合值之差的绝对值)的平方和最小.决定系数R²代表在Y的总平方和中, 由X引起的平方和所占的比例, 其大小决定了相关的密切程度及拟合度的优劣.

本文对柴油组分和加权NO_x、碳烟、CO、HC排放值进行一次、二次多项式拟合, 得到R²(表 8)及回归方程.由表 8可看出, 二次拟合的R²均大于一次拟合的R², 说明二次拟合的准确性更高, 故后文采用二次多项式回归方程探讨柴油烃族组分对柴油机排放的影响规律, 并通过烃族组分信息在一定程度上对柴油机排放进行预测.由于试验选用的14种柴油的烃族组分中总饱和烃和总芳烃质量分数之和为1, 故其R²相等.

表 8 决定系数R² Table 8 Coefficient of determination R²

烃族组分	R²(NO_x)		R²(碳烟)		R²(HC)		R²(CO)
烃族组分	一次拟合	二次拟合	一次拟合	二次拟合	一次拟合	二次拟合	一次拟合	二次拟合
链烷烃	0.26905	0.27148	0.35292	0.41271	0.37815	0.54137	0.43556	0.49005
一环烷烃	0.19004	0.22843	0.22711	0.32152	0.16588	0.34673	0.17903	0.26607
二环烷烃	0.00394	0.17345	0.09566	0.33680	0.29406	0.52205	0.15917	0.37018
三环烷烃	0.00051	0.00053	0.03005	0.03836	0.15116	0.17670	0.05371	0.06748
总环烷烃	0.06959	0.07376	0.02417	0.02583	0.00050	0.00822	0.00536	0.01937
总饱和烃	0.77600	0.84537	0.74654	0.93815	0.50864	0.75620	0.74232	0.91780
烷基苯	0.34315	0.35383	0.25719	0.25767	0.14450	0.15977	0.26893	0.27068
茚满或四氢萘	0.15737	0.18457	0.19024	0.19747	0.15724	0.16376	0.20628	0.21228
茚类	0.14452	0.16225	0.17962	0.17978	0.17533	0.18448	0.20488	0.20511
总单环芳烃	0.24816	0.28692	0.24160	0.24821	0.17470	0.18456	0.25976	0.26579
萘	0.59858	0.61028	0.64213	0.64236	0.48117	0.51909	0.64603	0.64714
萘类	0.78873	0.79055	0.65792	0.65795	0.35909	0.41266	0.59874	0.60648
苊类	0.77538	0.80016	0.82333	0.82987	0.61277	0.65412	0.81373	0.82400
苊烯类	0.76893	0.82801	0.80699	0.80995	0.62999	0.66429	0.81769	0.82225
总双环芳烃	0.82107	0.82135	0.76519	0.76993	0.49189	0.49265	0.72822	0.72866
三环芳烃	0.64491	0.68098	0.71485	0.73806	0.55191	0.64635	0.70956	0.74668
多环芳烃	0.80036	0.80267	0.76566	0.77193	0.50706	0.50724	0.73352	0.73524
总芳烃	0.77600	0.84537	0.74654	0.93815	0.50864	0.75620	0.74232	0.91780

3.1.3 两种方法的结果比较

载荷绝对值大于0.9的柴油组分共有6个, 将其按载荷绝对值从大到小的顺序依次列在表 9中, 同时在表 9中依次列出按R²从大到小排序的前6种柴油组分.由表 6可以看出, 两种分析方法得到的与柴油机排放相关性较高的柴油组分顺序、种类基本一致, 可互相佐证.

表 9 两种分析方法的柴油组分排序 Table 9 Ranking of diesel components by two analytical methods

3.2 柴油烃族组分对柴油机排放的影响规律

根据表 7~9, 选取与柴油机排放相关性较强的烃族组分, 通过二次回归方程拟合, 深入探讨柴油烃族组分对柴油机排放的影响规律.

3.2.1 柴油烃族组分对NO_x排放的影响规律

图 3为NO_x排放随柴油组分的变化关系.由图 3a可知, 总体上, NO_x排放随总芳烃质量分数的增大呈上升趋势, 但其变化是不均衡的.当总芳烃含量大于17%左右时, NO_x排放随总芳烃增多而快速上升, 总芳烃质量分数从15.4%(5号油)增加到54.9%(7号油), NO_x排放增加了1.91 g · kW^-1 · h^-1; 当总芳烃含量在5%~17%区间内时, NO_x排放增加缓慢, 总芳烃质量分数从6.5%(9号油)增加到15.4%(5号油), NO_x排放增加了0.38 g · kW^-1 · h^-1; 而当总芳烃含量小于5%左右时, NO_x排放却略高于5%~17%区间内的燃油.由图 3b~3d可知, NO_x排放随总双环芳烃、苊类、苊烯类质量分数的增大而上升, 其中, 随总双环芳烃比例增大而上升的速率基本不变, 随苊类、苊烯类比例增大而上升速率变缓.从9号油到7号油, 总双环芳烃含量由0.8%增加到28.9%, 苊类含量由0.3%增加到9.5%, 苊烯类含量由0增加到5.3%, NO_x排放增加了2.29 g · kW^-1 · h^-1.

图 3 加权NO_x排放 Fig. 3 Weighted NO_x emissions

芳烃中含有苯环, 结构稳定性好, 自燃着火困难, 使十六烷值减小, 从而使滞燃期延长, 预混比例增大, 导致初期放热迅速且集中, 使NO_x大量生成(董芳等, 2016); 同时, 芳烃会导致更高的绝热火焰温度, 有利于NO_x生成(Ladommatos et al., 2000), 故NO_x排放随总芳烃含量增多而升高.反之, 饱和烃易断链自燃, 故NO_x排放随之降低.但随着总芳烃含量的继续降低, NO_x排放下降速度变缓, 这是由于在芳烃含量小于20%左右时, 芳烃含量继续减少会使速燃期明显延长(何学良等, 1987), 从而延长了NO_x的生成时间.而当总芳烃含量进一步降低, 如14号油, 总芳烃质量分数为0.1%, NO_x排放略有升高.这是由于其十六烷值达到80, 十六烷值过高会导致在循环早期发生着火, 这使得燃烧产物在高温下停留的时间更长, 从而增加了NO_x的排放(Palash et al., 2013).13号油虽然总芳烃质量分数仅为1.4%, 但其饱和烃组成中链烷烃仅占11.7%, 总环烷烃占86.9%, 十六烷值仅为46, 低于总芳烃含量为5%~17%区间燃油的十六烷值, 故其NO_x排放更高.

由此可见, 柴油组分对NO_x排放的影响主要是通过十六烷值影响NO_x生成所需的高温和持续时间实现的.如图 3e所示, NO_x排放随十六烷值增大而降低, 且速率随之变缓, 当十六烷值过大时, NO_x排放甚至略有升高.故芳烃含量过高或过低都不利于降低NO_x排放, 当总芳烃质量分数介于5%~17%区间内时, 有利于实现较低的NO_x排放.由熊春华等(2010)对柴油理化性质与烃族组成回归方程的研究可知, 影响十六烷值数值的组分按贡献大小依次为:链烷烃、苊类、苊烯类、烷基苯等, 其回归方程的线性回归系数分别为0.73、-9.32、-7.42、1.86.可见在柴油的芳烃组分中, 苊类、苊烯类组分对十六烷值的影响效果较为显著, 苊类、苊烯类均为环状排列且为非饱和烃, 十六烷值随其比例增大而减小, 从而使NO_x排放升高.故减少柴油芳烃组分中的苊类和苊烯类组分可有效降低NO_x排放.

3.2.2 柴油烃族组分对碳烟排放的影响规律

图 4为碳烟排放随柴油组分的变化关系.由图 4a可知, 当总芳烃质量分数大于20%时, 碳烟排放随总芳烃含量增大快速上升.总芳烃质量分数由20.5%(12号油)增加到54.9%(7号油), 碳烟排放增加1.7 mg · kW^-1 · h^-1; 当总芳烃含量小于20%时, 碳烟排放基本不变.由图 4b、4c可知, 随苊类、苊烯类、多环芳烃含量增加, 碳烟排放呈上升趋势.从9号油到7号油, 苊类含量由0.3%增加到9.5%, 苊烯类含量由0增加到5.3%, 多环芳烃含量由0.8%增加到35.2%, 碳烟排放增加了1.7 mg · kW^-1 · h^-1.

图 4 加权碳烟排放 Fig. 4 Weighted soot emissions

碳烟的生成条件主要是高温缺氧, 因此, 混合气均匀性对碳烟的生成和氧化有极大影响.芳烃含量增多, 十六烷值变小, 滞燃期延长, 有利于提高混合均匀性而降低碳烟生成, 并促进碳烟氧化过程, 但芳烃含量增多也会使密度增大, 一般而言, 动力性粘度和蒸馏温度随密度升高而增大, 从而恶化燃油的雾化混合过程, 导致碳烟大量生成(Liu et al., 2018); 同时多环芳烃是碳烟生成的前驱物, 会促进碳烟的生成, 且由于碳烟的主要成分是C, 芳烃C/H比高, 会增加碳烟排放.在反应过程中, 碳烟的生成与氧化同时进行, 因此最终的碳烟排放受以上因素共同影响.当芳烃含量大于20%时, 芳烃对碳烟生成的促进作用占主导地位, 使碳烟排放快速升高; 当芳烃含量小于20%时, 十六烷值的作用占主导地位, 随总芳烃含量减少, 十六烷值越来越高, 预混时间的缩短使高温缺氧区域增多, 对混合均匀性的影响变大, 故虽然C/H降低, 但碳烟排放并没有进一步降低.故当总芳烃质量分数低于20%时, 可获得较低的碳烟排放.苊类、苊烯类是不完全由苯环稠合的多环芳烃, 因此, 碳烟排放随其含量增大而升高.

多环芳烃作为碳烟生成的前驱物, 对碳烟生成有重要影响.图 4d表明碳烟排放随多环芳烃增加呈上升趋势, 其中, 11号油虽然多环芳烃含量较低, 但总芳烃含量达到50.4%, 使11号油碳烟排放较高; 而2号油虽然多环芳烃含量较高, 但其T90较低, 挥发性好并提高了混合均匀性, 因此, 碳烟排放降低.

Williams等(2016)研究发现, 在欧IV车辆中, 多环芳烃使PM排放显著增长, 而欧V车辆中由于DPF技术的使用, 多环芳烃对PM的作用不再明显.由于DPF技术的广泛使用, 多环芳烃将不大可能成为欧V+技术的首要问题.由于多环芳烃对装备DPF车辆的PM排放的影响没有统一结论, 且制定规范以来发动机技术已经过了多年发展, 目前和未来的车辆可能对高于当前限制的多环芳烃水平不敏感.

3.2.3 柴油烃族组分对CO排放的影响规律

图 5为CO排放随柴油组分的变化关系.由图 5a可知, CO排放随总芳烃含量的变化关系与碳烟类似, 当总芳烃质量分数大于20%时, CO排放随总芳烃质量分数增大快速上升.总芳烃质量分数从20.5%(12号油)增加到54.9%(7号油), CO排放增加0.15 g · kW^-1 · h^-1; 当总芳烃含量小于20%时, CO排放基本不变.由图 5b、5c可知, 随苊类、苊烯类含量升高, CO排放呈上升趋势.从9号油到7号油, 苊类质量分数由0.3%增加到9.5%, 苊烯类质量分数由0增加到5.3%, CO排放升高0.16 g · kW^-1 · h^-1.

图 5 加权CO排放 Fig. 5 Weighted CO emissions

一方面, C元素是CO的主要成分, 随C/H比的增大, CO排放增多.另一方面, CO作为燃烧的主要中间产物, 其生成主要受氧气浓度、温度及反应时间影响.柴油机总体过量空气系数较大, 但存在局部混合气过浓或过稀的情况.随十六烷值减小, 预混时间延长, 燃料会更多地扩散到狭隙区域及温度较低的近壁面区域(Liu et al., 2018), 不利于CO的氧化, 故CO排放随十六烷值的增大而减少.但当十六烷值过大, 预混时间的缩短使混合气均匀性降低, 过浓区增多, 部分CO难以被完全氧化.芳烃C/H较高, 会促进CO生成, 同时芳烃含量的增多会使十六烷值降低, 当芳烃含量大于20%时, CO排放快速升高; 而当芳烃含量小于20%时, 饱和烃的性质占主导地位, 随总芳烃含量减少, 十六烷值越来越高, 过浓区的增多促进了CO生成, 使得CO排放没有进一步降低.苊类、苊烯类中包含环状结构及不饱和键, C/H较高, 且不易断链, 十六烷值较低, 故CO排放随其含量增大而升高.其中, 11号油偏离曲线较远, 这是由于11号油虽然与1号油、3号油苊类、苊烯类含量相近, 但它的总单环芳烃含量达到42.2%, 远高于1号、3号油, 而其十六烷值也仅为31.7, 造成了较高的CO排放.在芳烃成分中, 虽然苊类、苊烯类对排放的影响较为显著, 但其含量很低, 当芳烃中其他组分含量相近时, 降低苊类、苊烯类含量对降低CO排放的作用明显; 而当芳烃中某组分含量变化较大时, 此组分的作用将占主导地位, 苊类、苊烯类影响不显著.

3.2.4 柴油烃族组分对HC排放的影响规律

除总芳烃外的其他烃族组分与HC排放的拟合结果较差, R²均低于0.7, 说明其他烃族组分对HC排放的影响没有明显的规律, 故在此仅分析总芳烃含量对HC排放的影响.图 5为HC排放随总芳烃含量的变化规律.由图 6可知, 当总芳烃质量分数大于30%时, HC排放随总芳烃质量分数增大快速上升, 总芳烃质量分数由31.1%(4号油)增加到54.9%(7号油), HC排放增加0.35 g · kW^-1 · h^-1.而当总芳烃质量分数处于10%~30%区间内时, HC排放处于较低水平, 变化幅度不大.当总芳烃质量分数小于10%时, HC排放随总芳烃含量减少略有升高.

图 6 加权HC排放 Fig. 6 Weighted HC emissions

随总芳烃质量分数减少, 十六烷值升高, 预混时间缩短, 扩散到狭隙区域及近壁面的燃料量减少(Liu et al., 2018), 减少了未燃HC和燃烧形成的碳氢化合物中间产物排放.同时, 含牢固苯环的芳烃越少, 燃烧越容易, 未燃和裂解HC相对就少.当总芳烃质量分数大于30%时, 芳烃性质占主导地位, 十六烷值较低, 故HC排放随总芳烃质量分数增大而上升.当总芳烃含量小于10%时, 十六烷值过高, 预混时间缩短, 燃料与空气混合均匀性变差, 过浓区增多, 部分燃料未燃烧或未氧化完全, 增加了未燃HC及碳氢化合物中间产物排放.故当总芳烃含量处于10%~30%区间内时, 即可实现较低的HC排放.

3.2.5 不同工况下总芳烃含量对柴油机排放的影响

由于不同转速和负荷对排放有影响, 且总芳烃在柴油烃族组分中最为重要, 故在此分析了不同工况下的总芳烃含量对柴油机排放的影响.为使图像尽可能包含更多信息量的同时又清晰明了, 本文根据总芳烃含量均匀选取了6个油进行分析, 分别为9号油(总芳烃含量6.5%)、5号油(15.4%)、3号油(24.5%)、4号油(31.1%)、2号油(39.5%)、8号油(55.6%).由图 7a可知, 各个工况下NO_x排放均随总芳烃含量增多而上升, 而低负荷下的NO_x排放增长更加迅速.这是由于低负荷下缸内温度较低, 加大了滞燃期造成影响的作用, 滞燃期随芳烃含量升高而延长, 提高了峰值温度, 使NO_x排放增多.

图 7 不同工况下总芳烃含量对柴油机排放的影响 Fig. 7 Influence of total aromatic content on diesel engine emissions under different working conditions

由图 7b可知, 各个工况下碳烟排放均随总芳烃含量增多而上升, 但在低速下, 上升速度相对较慢, 这是由于转速低时, 以曲轴转角计的滞燃期和燃烧持续期变长, 提高了混合均匀性, 降低了碳烟排放.同时, 由于低负荷缸内温度较低, 燃油的雾化混合过程变差, 不利于碳烟的后期氧化作用, 使低负荷下的碳烟排放略高于其他负荷, 但低负荷下的碳烟排放整体水平仍然很低.

图 7c和图 7d的HC、CO排放也表现出低负荷下排放更高的规律.低负荷下, 缸内温度较低, 滞燃期的影响作用加大, 总芳烃含量的增加使滞燃期延长, 燃料会更多地扩散到狭隙区域及温度较低的近壁面区域(Liu et al., 2018), CO和HC难以被迅速氧化, 而使排放随芳烃含量快速升高.高负荷下, 由于缸内整体温度较高, 加强了对CO和HC的氧化作用, 使最终排放结果受芳烃含量影响较小.

4 结论(Conclusions)

1) 由主成分分析及回归分析可知, 总芳烃(或总饱和烃)含量是影响柴油机排放的主要成分.此外, 多环芳烃对柴油机排放有重要影响, 其中, 苊类、苊烯类对NO_x、碳烟、CO排放的影响更为显著.其他烃族组分与柴油机排放的规律性相对较差.

2) 总体上NO_x、碳烟、CO、HC排放均随总芳烃含量增多而上升, 且在总芳烃含量较高时, 上升速度加快, 而在总芳烃含量较低时略有不同.当总芳烃含量在5%~17%区间内时, NO_x排放增加缓慢; 而当总芳烃含量小于5%时, NO_x排放反而略有升高.当总芳烃含量小于20%时, 碳烟、CO排放基本不变.当总芳烃质量分数含量介于10%~30%区间时, HC排放处于较低水平, 变化幅度不大; 当总芳烃质量分数含量小于10%时, HC排放随总芳烃含量减少略有升高.

3) 芳烃含量过高或过低都不利于降低柴油机排放, 当总芳烃质量分数介于5%~17%内时, 可使NO_x、碳烟、CO、HC排放均处于较低水平.

4) 由于低负荷下, 缸内温度较低, 使滞燃期的影响作用加大, 而滞燃期随总芳烃含量增多而延长, 故柴油机排放在低负荷下对总芳烃含量更加敏感.

参考文献

An Y Z, Tang Q L, Vallinayagamb R, et al. 2019. Combustion stability study of partially premixed combustion by high pressure multiple injections with low-octane fuel[J]. Applied Energy, 248: 626-639.

AVL List GMBH.2007.The specification of AVL 415S filter smoke number meter AVL List GMBH[Z].

Basaran H U, Ozsoysal O A. 2017. Effects of application of variable valve timing on the exhaust gas temperature improvement in a low-loaded diesel engine[J]. Applied Thermal Engineering, 122: 758-767.

Belgiornoa G, Dimitrakopoulosb N, Di B G, et al. 2018. Effect of the engine calibration parameters on gasoline partially premixed combustion performance and emissions compared to conventional diesel combustion in A Light-Duty Euro 6 Engine[J]. Applied Energy, 228: 2221-2234.

陈文淼, 王建昕, 帅石金. 2008. 柴油品质对发动机排放性能的影响[J]. 汽车工程, 30(8): 657-663.

Cho K, Han M, Sluder C S, et al. 2009. Experimental investigation of the effects of fuel characteristics on high efficiency clean combustion in a light-duty diesel engine[OL].SAE.US: https: //doi.org/10.4271/2009-01-2669

邓元望.2003.柴油组分对车用柴油机排放特性影响的模糊集-神经网络分析方法研究[D].武汉: 华中科技大学

董芳, 侯树梅, 刘馨璐, 等. 2016. 柴油燃料特性对重型柴油机燃烧和排放影响的试验[J]. 内燃机学报, 34(4): 289-295.

董红霞, 刘泉山, 徐小红, 等. 2009. 柴油中的硫化物对发动机性能影响研究[J]. 石油炼制与化工, 40(6): 42-44.

房性会, 郑尊清, 刘海峰, 等. 2019. 两次喷射模式下部分预混燃烧火焰发展模式的光学诊断研究[J]. 内燃机工程, 40(2): 1-7.

高明.2006.基于主成分分析的综合评价研究及其应用[D].天津: 南开大学

Gill S S, Tsolakis A, Dearn K D, et al. 2011. Combustion characteristics and emission of fischer-thropsch diesel fuels in IC engines[J]. Progress in Energy and Comustion Science, 37: 503-523.

何学良, 詹永厚. 1987. 柴油烃族组分对柴油机着火和燃烧特性的影响[J]. 石油炼制与化工, (8): 16-21.

黄震, 李新令, 吕田, 等. 2016. 燃料特性对柴油机排放颗粒物理化特性影响的研究[J]. 内燃机学报, 34(2): 97-104.

Jos R, Boot M, Goey P D. 2016. Impact of aromaticity and cetane number on the soot-NO_x trade-off in conventional and low temperature combustion[J]. Fuel, 186: 24-34.

Khandal S V, Banapurmath N R, Gaitonde V N. 2019. Performance studies on homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine powered with alternative fuels[J]. Renewable Energy, 132: 683-693.

Kidoguchi Y, Yang C L, Kato R, et al. 2000. Effects of fuel cetane number and aromatics on combustion process and emissions of a direct-injection diesel engine[J]. JSAE Review, 21(4): 469-75.

Kuti O A, Zhu J, Nishida K, et al. 2013. Characterization of spray and combustion processes of biodiesel fuel injected by diesel engine common rail system[J]. Fuel, 104(2): 838-846.

Ladommatos N, Xiao Z, Zhao H. 2000. Effects of fuels with a low aromatic content on diesel engine exhaust emissions[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D:Journal of Automobile Engineering, 214(7): 779-794.

李昂, 于津涛, 解瀚光. 2017. 不同烟度测试方法在发动机排放测量中的应用[J]. 汽车工程师, (2): 38-41.

李四立.2018.多元统计方法及其应用[D].武汉: 武汉大学

Liu H F, Ma J S, Dong F, et al. 2018. Experimental investigation of the effects of diesel fuel properties on combustion and emissions on a multi-cylinder heavy-duty diesel engine[J]. Energy Conversion and Management, 171: 1787-180.

Liu H F, Tang Q L, Yang Z, et al. 2019. A comparative study on partially premixed combustion (PPC) and reactivity controlled compression ignition (RCCI) in an optical engine[J]. Proceedings of the Combustion institute, 37: 4759-4766.

Liu X L, Kokjohnb S B, Li Y, et al. 2019. A numerical investigation of the combustion kinetics of reactivity controlled compression ignition (RCCI) combustion in an optical engine[J]. Fuel, 241: 753-766.

Millo F, Rafigh M, Andreata M, et al. 2017. Impact of high sulfur fuel and de-sulfation process on a close-coupled diesel oxidation catalyst and diesel particulate filter[J]. Fuel, 198: 58-67.

Palash S M, Kalam M A, Masjuki H H, et al. 2013. Impacts of biodiesel combustion on NO_x emissions and their reduction approaches[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 23: 473-490.

Rodríguez-Fernández J, Hernández J J, Sanchez-Valdepenas J. 2016. Effect of oxygenated and paraffinic alternative diesel fuels on soot reactivity and implications on dpf regeneration[J]. Fuel, 185: 460-467.

Signer M, Heinze P, Mercogliano R, et al. 1996. European Programmes on Emissions, Fuels and Engine Technologies(EPEFE-heavy duty diesel study[OL].SAE, US. https: //doi.org/10.4271/961074

Singh D, Subramanian K A, Juneja M, et al. 2016. Investigating the effect of fuel cetane number, oxygen content, fuel density, and engine operating variables on NO_x emissions of a heavy duty diesel engine[J]. Environmental Progress & Sustainable Energy, 36(1): 214-221.

苏本跃, 陈晓慧, 童星慧, 等. 2015. 两类函数型数据主成分分析方法及其应用[J]. 统计与决策, (17): 24-28.

Tan P Q, Zhao J Y, Hu Z Y, et al. 2013. Effects of fuel properties on exhaust emissions from diesel engines[J]. Journal Fuel Chemistry Technology, 41(3): 347-355.

Tian J P, Zhao M, Long W Q, et al. 2016. Experimental study on spray characteristics under ultra-high injection pressure for DISI engines[J]. Fuel, 186: 365-374.

王新明, 田志坚, 张艳利. 2015. 我国油品对机动车尾气排放的影响及升级经济性分析[J]. 中国科学院院刊, (4): 535-541.

Wang Y, Wang H, Yao M F. 2019. Effects of low-temperature reforming products of PRF50 on combustion and emission characteristics in an HCCI engine[J]. Applied thermal Engineering, 151: 451-458.

Williams R, Hamje H, Zemroch P J, et al. 2016. Effect of fuel properties on emissions from Euro 4 and Euro 5 diesel passenger cars[J]. Transportation Research Procedia, 14: 3149-3158.

熊春华, 田高友, 任连岭. 2010. 柴油理化性质与烃族组成关联[J]. 石油学报:石油加工, 26(4): 551-555.

杨勇, 张凤泉, 刘馨璐, 等. 2017. 中间馏分油密度、十六烷值等指标之间关系的研究[J]. 石油库与加油站, 26(3): 24-26.

Yeom K, Jang J, Bae C. 2007. Homogeneous charge compression ignition of lpg and gasoline using variable valve timing in an engine[J]. Fuel, 86(4): 494-503.

张永涛, 贾延明. 2017. 最小二乘法中代数多项式曲线拟合的分析及实现[J]. 计算机与数字工程, 45(4): 637-639.

Zheng Z Q, Dong F, Guo Y F, et al. 2017. Effect of fuels with different distillation temperatures on performance and emissions of a diesel engine run at various injection pressures and timings[J]. Energy Engineering, 143(3): 04016061.

中华人民共和国生态环境部.2018.中国机动车污染防治年报[R].北京: 中华人民共和国生态环境部

周浩. 2013. 线性数据拟合方法的误差分析及其改进应用[J]. 大学数学, 29(1): 70-76.

周玉松.2016.燃料性质和成分对内燃机车排放影响的研究[D].北京: 北京交通大学


环境科学学报 2020, Vol. 40 Issue (2): 479-491