国Ⅲ与国Ⅳ柴油机燃用费托合成柴油的颗粒排放特性研究
摘要：为研究轻型柴油机燃用费托合成柴油时颗粒排放特性，针对一台满足国Ⅲ和国Ⅳ排放标准的轻型柴油机，使用费托合成柴油与石化柴油按体积比1:1混合的燃油分别在ESC（Electronically Controlled System）和ETC（Electronic Throttle Control）试验循环下进行颗粒排放测试。结果显示，国Ⅲ和国Ⅳ柴油机使用费托合成柴油都能显著降低颗粒物排放量，颗粒排放主要分布在核态（粒径小于500nm）。与石化柴油相比，使用费托合成柴油后柴油机排放的颗粒物总浓度峰值降低，整体向粒径更小的方向移动，颗粒物几何平均直径也更小。研究发现，在ESC循环的13个工况点下，使用费托合成柴油后核模态（粒径小于50nm）颗粒数量浓度与排放率均有显著增加；而对于积聚态（粒径大于50nm）颗粒则有所下降，整体粒径分布向左移动，几何平均直径减小。此外，高负荷与低负荷工况使用费托合成柴油的颗粒排放特性与中负荷相比，存在不同趋势。
关键词：柴油机；费托合成柴油；颗粒排放；粒径分布；ESC试验循环；ETC试验循环。
引言
当前，石油资源短缺和环境污染问题日益严重，机动车排放已成为大气污染的主要来源，特别是柴油机颗粒物排放量大，对环境和人体健康危害严重。研究表明，柴油机尾气可引发呼吸系统和血液系统疾病，柴油燃烧产生的颗粒物进入空气中会导致雾霾等环境问题。
国内学者对柴油机燃用费托合成柴油的颗粒排放特性进行了相关研究。舒歌群等研究发现，不同十六烷值的费托合成柴油可以有效降低柴油机颗粒物的数量浓度和质量浓度；姚广涛等研究了不同混合比例费托合成柴油的常规和非常规污染物排放特性；陈贵升等连续观察了燃用费托柴油的柴油机颗粒排放和粒径分布特性，发现其可以改善颗粒物排放。
为满足日益严格的排放法规和环保要求，降低燃油消耗及减少颗粒物排放已成为柴油机排放控制中的研究热点。本文通过试验研究了国Ⅲ和国Ⅳ柴油机燃用费托合成柴油的颗粒排放特性，并与石化柴油进行了对比分析。
1.试验台架与设备
试验用柴油机为轻型高压共轨柴油机，分别满足国Ⅲ排放试验与国Ⅳ排放标准，其主要技术参数如表1所示。试验用燃油为石化柴油和费托合成柴油，其主要理化特性如表2所示。
试验中颗粒排放稀释采用美国MEXA-2000SPCS颗粒分析数谱仪，颗粒采样在稀释风道中进行，颗粒粒径分析范围为23.5~1004nm。试验按照国Ⅴ标准规定的稳态测试循环ESC与瞬态测试循环ETC进行。ESC测试循环由13个工况点组成，每个工况点持续10min，试验总时长约150min。
2.试验结果与分析
2.1 颗粒排放的数量浓度
图1和图2分别为ESC和ETC测试循环下，国Ⅲ与国Ⅳ柴油机燃用混合柴油的颗粒数量浓度分布图。使用费托合成柴油后，柴油机颗粒物数量浓度明显降低，总的颗粒物数量浓度峰值降低，整体向粒径更小方向移动，峰值对应粒径变小，颗粒物几何平均直径减小。
图3为不同负荷下ESC 13工况点燃用费托合成柴油与石化柴油的颗粒数量浓度与排放率。如图所示，使用费托合成柴油后核模态颗粒数量浓度与排放率均有明显增加，而积聚态颗粒数量浓度与排放率有所下降，整体粒径分布向左移动，颗粒物几何平均直径减小。
在最高转速1700r/min时，不同负荷下颗粒数量浓度与排放率差异显著。100%负荷与75%负荷相比，颗粒数量浓度和排放率均增加；50%负荷与25%负荷相比，颗粒数量浓度波动较大，排放率的变化幅度相对较小。
2.2 颗粒排放的质量浓度
图4为ESC测试循环下柴油机燃用不同燃油的颗粒排放质量浓度。图5为ETC测试循环下柴油机燃用不同燃油的颗粒排放质量浓度。
从图4和图5中可以看出，使用费托合成柴油后，颗粒物质量浓度显著降低，氮氧化物排放大幅下降。对于颗粒质量浓度，燃用费托合成柴油后，颗粒质量排放浓度大幅降低，柴油机颗粒排放改善明显。
3.结论
1) 国Ⅲ与国Ⅳ柴油机燃用50%体积比费托合成柴油均能有效降低颗粒物排放，颗粒排放主要分布在核态（粒径小于500nm）。
2) 与石化柴油相比，使用费托合成柴油后，颗粒物总浓度峰值降低，整体向粒径更小的方向移动，颗粒物几何平均直径减小。
3) 在ESC试验循环13工况点下，使用费托合成柴油后核模态颗粒数量浓度与排放率均有显著增加，积聚态颗粒数量浓度与排放率下降，整体粒径分布向左移动，颗粒物几何平均直径减小。
4) 对于高负荷与低负荷下使用费托合成柴油的颗粒排放特性，与中负荷相比不同的是，中负荷燃用费托合成柴油的颗粒数量浓度最低，50%负荷与25%负荷下，颗粒数量浓度波动较大。
