第七章 低排放燃料

石油燃料性质对排放的影响
4、烃类组成的影响
芳烃具有很高的辛烷值，添加芳烃组分是 炼油工业为使汽油达到现代车用汽油所需 要的抗爆性水平所使用的一种手段。 芳烃有较高的C／H比，因而有较高的密度 和较大的CO2排放量。 芳烃燃烧温度高，从而提高了排放NOx水 平。 图7—3a分别表示某汽油机以中等转速中等 负荷用无芳烃的烷烃汽油和含芳烃多的高 级汽油运转时，NOx排放量随过量空气系 数的变化。在排放峰值．两者相差20％左 右。
二、低排放柴油
对于低排放柴油来说(表7—6)。首 先要提高十六烷值。 十六烷值的概念：十六烷值是指柴 油在规定试验发动机上测得有关柴 油压缩着火性的一个相对性参数； 十六烷指数概念： 十六烷指数是指燃料固有的十六烷， 是由被测燃料特性计算得出。 十六烷值反映十六烷值改善剂的影 响。 为避免添加剂的剂量过多，应尽量 减小十六烷值与十六烷指数之间的 差值。
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§7.3非石油燃料的排放特性
一、汽油和柴油的掺水燃烧 柴油掺水
图7—13为另—组试验数据，用的是由少量 表面活性乳化剂配制成的含水乳化柴油，表 明在含水量适当时．既能降低柴油机的排气 烟度，又能降低燃油消耗率。
NOx排放减少的原因 碳烟排放减少的原因
柴油机燃烧室中的水降低了火焰温度，因而减少 NOx排放。
柴油掺水
柴油掺水是能同时降低柴油机的微粒排放量和NOx排放量的少有手段之一，而其 他各种手段大多产生互相相反的结果，所以对柴油掺水的研究工作几十年来一直 没有中断。
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一、汽油和柴油的掺水燃烧 柴油掺水
已经提出三种不同的掺水方法： 1）把水掺入柴油形成乳化液(可借助少量乳化助溶剂或者采用在机机械乳化法)； 2）直接把水喷入气缸； 3）把水以雾状加入进气空气中。 柴油机上的试验结果表明： 含柴油70％的乳化油在标定工况的NOx排放量比纯 柴油的低约25％，含柴油55％的乳化油NOx排放量 比柴油的低约37.5％(图7—12)。 用乳化油时，HC和CO排放都有所上升（不是柴油 机的主要排放问题）。 根据含水高低不同，柴油机在标定工况的排气烟度 下降，微粒排放质量浓度下降。 用乳化柴油时柴油机热效率相对纯柴油运转时提高
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硫(s)天然存在于原油中，如果在炼油过程未进行脱硫处理，汽油受污染。 硫降低三效催化转化器的效率，对氧传感器也有不利影响，因而使车用汽油机排 放增加。
5、硫含量的影响
表7—2表示不同来源的研究结果。不论发动机技术水平和状态如何，汽油中硫下 降一个数量级时，HC、CO、NOx等均有显著的下降。
2、汽油密度的影响
因为汽油密度许可的相对变化量很小，所以可以认为，密度变化对 于根据标准燃料调整的发动机的排放的影响忽略不计。
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3、汽油挥发性的影响
汽油的馏程主要由馏出10％、50％、90％的温度表征。由这些参数 组合且用燃油中氧含量修正的驱动性指数DI可用来表征该燃油的发 动机的驱动性或相应汽车驾驶的舒适性，包括冷起动时间、加速性 能、怠速运转稳定性等：
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二、低排放柴油
缩小低排放柴油的密度变化范围， 以保证燃油质量供给的稳定性。量。 这是因为硫使柴油机排气微粒中的 硫酸盐成正比地增加，且高硫柴油 不能应用氧化型催化剂降低微粒排 放和富氧降NOx。
柴油中的芳烃可增加柴油机的微粒 和NOx排放，并使排气中毒性大的 多环芳烃含量增加。所以，低排放 柴油严格限制芳烃。
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§7.3
非石油燃料的排放特性
促进应用代用燃料的动因
动因1：根据已探明的世界石油蕴藏量和目前的石油消耗量，估计石油最多满足 人类今后100年的需求，预计最晚到21世纪中期，石油的代用燃料将在内燃机燃 料中扮演重要角色。 动因2：减轻环境污染，因为有些代用燃料可排放较少的大气污染物，有些燃料 能改善大气中的碳循环。 较有前途的内燃机代用燃料有氢、天然气、植物油、醇类(甲醇、乙醇等)、醚类 (甲基叔丁基醚MTBE、二甲醚DME等)等。 这些燃料或者以很小比例加入汽油或柴油中、或者以很大比例用于经过必要改造 的点燃式或压燃式内燃机中。
成熟的添加剂：消烟剂。 消烟效果主要决定于阳离子(金属)类型，而阴离子影响很小。 Ba的效果最好，图7-ll表示Ba基消烟剂对柴油机的排气烟度和微粒浓度的影响。 可见Ba对降低烟度效果明显；但对排气微粒浓度，则先随着Ba的增加快速下降， 然后又逐渐上升。 这主要是由Ba的氧化物造成的。 形成较多的BaSO4 ，使微粒排放量上升。所以现在不推荐使用消烟剂。
图7－1表示29种燃料的试验结果（9种为全烃汽油，11种含质量分 数10％的乙醇，9种含15％的MTBE）；当DI增加时，所有种类燃料 的驱动性的问题均增加，且当DI＞560时，驱动性恶化加剧。图7— 2表示DI与排气中HC排放有关：当DI＞560时，HC排放明显增加。
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§7.1
一、汽油的影响
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柴油中的硫在柴油机中燃烧后以SO2形式混在排气中。 一部分SO2被氧化成SO3， SO3与水结合形成硫酸和硫酸盐（构成微粒质量的相 当大一部分）。图7－9表示一台排量14L的重型车用6缸涡轮增压直喷式柴油机， 用硫含量不同的两种柴油在中等负荷运转时微粒排放物的组成（硫酸盐非常吸 水）。试验中对该柴油机导出了这样的经验式：
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§7.1
二、柴油的影响
石油燃料性质对排放的影响
3、芳烃含量的影响
柴油的芳烃含量直接影响其十六烷值，两者之间有逆变关系。只有添加十六烷值 改善剂才能打破这种关系。 芳烃是柴油中的有害组分。芳烃燃烧时冒烟倾向严重，所以当柴油中芳烃的体积 分数增加时，柴油机微粒排放的质量浓度急剧增加(图7—8a)。 有关数据表示，柴油机的CO、HC排放随柴油芳烃含量 提高而增加。NOx排放受柴油芳烃含量影响较小。
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§7.3
非石油燃料的排放特性
一、汽油和柴油的掺水燃烧 汽油掺水
汽油掺水曾有效地用于航空活塞式内燃机。 其目的是防止它全负荷运转时发生爆燃，缓解汽油辛烷值与发动机压缩比之间的 矛盾。 对现代车用汽油机来说：对汽油掺水的热情已经冷却
1）车用汽油辛烷值的提高以及电控防爆燃系统的采用； 2）汽油掺水能大幅度降低汽油机的NOx排放，但也可能导致CO和HC排放增加； 3）使用麻烦以及机件的锈蚀等。
柴油的十六烷值对柴油机燃烧的滞燃期有很大影响。如果CN较低，则滞燃期较 长，初期预混燃烧的燃油量增加，初期放热率峰值和最高燃烧温度较高，因而 NOx排放量较多。 高CN柴油允许较多推迟喷油，这也有利于在保持燃 油经济性的条件下降低NOx排放(图7－7)。 高CN柴油易于自燃，可降低柴油机的CO都HC排放 CN下降时柴油机冷起动性能变差，柴油机容易排气 冒白烟（未燃烧柴油液滴组成的排气烟雾） CN对微粒排放的影响比较复杂，在不同条件下可能 得出相反的结果。
第七章
低排放燃料
石油燃料性质对排放的影响 石油燃料的低排放改造 非石油燃料的排放特性
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§7.1
一、汽油的影响
石油燃料性质对排放的影响
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§7.1
一、汽油的影响
石油燃料性质对排放的影响
1、辛烷值的影响
1）汽油的辛烷值主要是直接关系到是否发生爆燃。较低的辛烷值 可能引起较强的爆燃，并增加NOx排放量，特别是在较稀混合气的 情况下更加显著。 2）较低的辛烷值限制了发动机的压缩比，导致燃油消耗上升，总 的污染物排放量也随之增大。
作为移动式动力装置的燃料，天然气的主要缺点是能量密度低，不容易携带。 根据携带方式不同，天然气在汽车内燃机上的应用可分为两类： 一是用压缩天然气(CNG)，即将天然气加压到20-30MPa，灌入高压气瓶； 二是用液化天然气(LNG)，即将天然气在沸点-162℃以下低温冷藏。 不管哪一种方式，附加成本都很高。
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§7.2
一、低排放汽油
汽油的挥发性作了更加合 理而细致的规定(表7— 5)．既保证发动机良好的 驱动性，又不会引起气阻、 过量蒸发等运行可靠性和 排放问题。 低排放汽油允许用含氧 掺和物，但对氧含量有一 定限制。 高含氧量的非石油燃料不 在此列。
石油燃料的低排放改造
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二、天然气和液化石油气
使用天然气时CO的循环排放比用 汽油时下降60％以上(图7－14a) NOx的循环排放下降80％以上(图 7—14b)； THC的循环排放虽略有增加，但 能导致产生臭氧的NMHC却减少 了70％以上(图7—14c)。
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二、天然气和液化石油气
§7.3
非石油燃料的排放特性
天然气在汽车内燃机上的应用
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§7.1
二、柴油的影响
石油燃料性质对排放的影响
柴油的组成和性质对柴油 机的排放有重要影响，因 此各国都对柴油品质作出 明确规定。 表7—3列出欧洲标准柴油 的某些技术指标。 我国2000年开始实施的排 放法规，采用了与此等价 的技术要求。
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§7.1
二、柴油的影响
石油燃料性质对排放的影响
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§7.2
一、低排放汽油
石油燃料的低排放改造
对于低排放无铅汽油来说(表7—4)， 规定铅的质量浓度要从微量(＜ 13mg／L)降低到0【以根治铅对健 康的直接危害和对尾气净化催化剂 的毒害作用】。 硫含量作了严格限制、因为硫也使 催化剂中毒。 生成灰分的各种无机杂质将被根 治．以免影响排放控制系统。 烯烃含量大幅度下降，以降低排气 的臭氧生成活性，并减少汽油机内 的沉积物。 对芳烃特别是苯含量作了控制，以 降低排气的毒性。 汽油的密度变动范围要控制，以免 发动机偏离标定供油量过大。
1）水延长滞燃期，增加在预混合火焰中燃烧的燃油比例，因而减少在扩散火焰 中生成碳烟量。 2）乳化柴油雾化后可形成油包水的微滴，中心部分水的微爆作用改善了混合气 形成的均匀性，促进碳烟生成的减少。