柴油机的影响和有欧五DPNR排放系统的HSDI柴油机的生物燃料成分

1、柴油机的影响和有欧五DPNR排放系统的HSDI柴油机的生物燃料成分BP Oil International LtdW. BuntingBP JapanI. Sakata, K. Yoshida, S. Taniguchi and K. KitanoToyota Motor Corporation摘要为了减少二氧化碳的排放量，政府越来越要求使用不同层次的生物柴油。虽然这在能源和运输行业原则上被大力支持，这些要求体现在二氧化碳排放量和整体经营效率的影响尚未得到充分的探讨。本文提供了信息关于生物柴油影响的评估和遵从欧四安装DPNR后处理系统的丰田Toyota Avensis D4-D车型的发动机性能

2、、驾驶性能、排放和燃油消耗.两种燃料矩阵（阶段1和2）被设计，使用范围广泛的关键参数来比较影响燃料成分对行车的影响，如十六烷，密度，蒸馏和生物柴油（FAME）水平和类型，在当前全球范围的柴油燃料品质可以被发现。阶段1车辆测试结果表明除了预期影响燃料热值十六烷值对燃料消耗巨大影响。在2个阶段中，十六烷值的影响并不明显，燃料十六烷值的范围较窄。与原始燃料相比，生物柴油混合，B 30或更低水平的，通常显示减少碳氢化合物排放，不影响或减少二氧化碳排放量，不影响或增加氮氧化物的排放。B100 REM整体一氧化碳和二氧化碳排放最多。在同等水平的混合燃料，与JEM,、CME相比，RME排放碳氢化合物，一氧化

3、碳和氮氧化物最多。序序欧洲生物燃料指令 1 是几个相似的主动进行全球化鼓励引用生物燃油衍生成汽车燃料的例子。指令2003 / 30 /欧共体国家表示，运输汽油和柴油燃料在2005必须衍生成含2%生物燃料，这个比例在2010年要上升到5.75%。在欧盟成员国该指令已转变为法律，一些国家的投票推进这个指令和提议加快引进更高生物成分配额。例如在德国，到2009年止，强制汽油和柴油燃料含6.25%生物燃料配额；然而目前EN228和EN590燃料标准只允许量的体积5%或4.8%的生物成分含量。因此，一个德国B7（体积比例7%）柴油燃料标准被定义（DIN51，628）并在2009年初生效。总的来说，这可能

4、证明由于因为需要考虑和修改标准来容纳更高的生物燃油水平在德国满足强制生物燃料混合的难度。这些事态发展突出了探寻生物燃料的引进方法的需要，特别是以了解包括燃料规格上更高的生物成分含量的影响，也包括对车辆性能和排放特性的影响。本研究旨在解决目前信息很少的后一个顾虑。具体来说，FAME型号的影响，混合水平和原始混合燃料在最先进的Avensis 2.2L D4-D车型上被研究。方案设计试验计划的目的是要确定燃油对汽车性能、驾驶性能和排放的瞬时影响。在该方案没有对长期耐久性的影响进行评估试验燃料与润滑剂初步试验燃料列表（1阶段）被设计以满足下列要求：l 确定传统的含脂肪酸甲酯（FAME）成分的生物燃料的

5、不同影响l 评估燃料十六烷值（CN），芳烃，密度，蒸馏和硫含量对发动机的运行的独立影响。l 模拟目前在全球市场能得到的各种汽车柴油燃料质量从全球市场调查内部BP数据被用来确定世界各地柴油燃料最大，最小和典型的混合性能。对2650多个样品的数据进行了分析，以确定候选试验配方。生物燃料混合物包含在名义水平下的B5，B20和B100水平（分别为5%，20%和100%的生物燃料成分）。以菜籽油甲基酯（RME）、，大豆甲酯（SME）和麻疯树甲酯（JME）为原料生物燃料用来代表来源于欧洲，美国和亚洲潜在的生物燃料。B5 RME混合以德国普通柴油燃料为基础，B20 SME和B27 JME使用美国1号燃油。所

6、有燃料的硫含量180g/km)。图3：二氧化碳排放量，阶段1图4：二氧化碳排放量，2阶段优质燃料往往在最低的二氧化碳排放量在 170g/km。在燃料消耗方面以l/100km被测量，基本上反映了那些看到的二氧化碳排放量。如果燃烧效率独立于燃料成分是常量，测定体积的燃料消费量将完全依赖于测试燃料的密度和热值。虽然这种假设可能解释为什么大多数的常规柴油燃料的热值非常相似，在燃油经济性和二氧化碳排放上，显示没有可辨别的差异，它无法解释优质燃油和美国1号燃油分别一好一差的燃油消耗性能。优质燃料，具有最高的十六烷值，最高密度最高的热值，表现出最佳的体积燃料消耗。低十六烷值燃油 US #1，B20 SME和

7、B100 RME表现出最差的的体积燃料消耗，与B27 JME，只是略好。B100 RME较差的燃油消耗性能归咎于其较低的热值。CO排放图5：一氧化碳的排放量，阶段1一氧化碳的排放对十六烷值特别敏感，特别是在1阶段的燃料所涉及的范围比较广泛的十六烷值数（图5）。检查结果表明，美国1号燃油在发动机中产生大量CO，通过排气管排放（图6）。图6：二氧化碳排放发动机模态US#1, B20 SME 和B27 JME燃料由于低十六烷值所引起的燃烧延迟可能会降低最后阶段的燃烧温度，故而增加发动机尾气CO和HC排放同时减少NOx。相反，十六烷值较高的燃料，将经验接近最佳燃烧时间，从而增加温度，从而相对减少发动机

8、尾气CO的排放。文献2的研究表明，当分别比较两个燃料十六烷值高低不同的普通共轨汽车的CO和HC的减少和氮氧化物的增加，在城市循环NEDC工况下发现十六烷值的影响是显著的。其他燃料有二氧化碳排放量 0.3g/km，优质燃油和B5 HVO混合燃油具有最低的总排放量分别在0.18g/km和0.15g/km（图7）。图7：一氧化碳的排放量，2阶段HC排放图8：HC的排放量，1阶段大多数的燃料产生的碳氢化合物排放小于0.1g/km（图8和9）。美国一号燃油例外，并且CO的排放也很高。一些发动机和车辆的研究 2 - 9 表明，柴油燃料含有生物成分通常产生减少HC，CO和PM的排放，有个中立的影响或氮氧化物

9、增高。然而，文献也表明，燃料的作用往往难以辨别，当B5混合水平和效果可以是发动机或车辆的具体。在这项研究中，令人吃惊的是，B27 JME和B20 SME在所有燃料中产生最高的CO和HC。在这种情况下，由于生物成分被融入US# 1基础油，潜在的有利氧气存在的这些燃料超过其相对低十六烷值，由于生物成分被融入我们# 1基础油。事实上，回归分析表明，对于阶段1燃料，十六烷值是关键排放调节模型的一个主要因素。图9：HC的排放量，2阶段当融入欧洲柴油的原料，生物混合油倾向于有最低的碳氢化合物排放（图9）。特别值得注意的是，B100 RME 碳氢化合物排放是最低之一，特别是在1阶段的燃料中，但通常CO排放水

10、平也是最高的。模态数据显示，测的的B100 RME未燃HC排放与其他燃料相比来说是低的，而催化效率高（92%），导致整体的低尾气排放。假定一些由B100 RME产生的高沸点碳氢化合物的可能没有被采样系统精确获取，没有被火焰离子化检测器（FID）用来衡量碳氢化合物排放，从而导致的较低的结果可能部分是采样和测量系统的假象。这是本问题的一些辩论的文献 11 ，但加强了这一事实，可溶性有机成分（SOF）的颗粒质量通常增加生物燃料，因此预计会增加相应的增加气态碳氢化合物排放 11 。这个问题在阶段2被进一步调查，从慢速FID（反应时间在1-2秒）与快速FID比较发现，10 - 90 %反应时间约1毫秒。

11、快速FID减少HCs在采样系统中结滴的可能性。用快速和传统FID测得的内燃机HC排放的不同在图10显示，很大比例的未燃HC排放在传统FID中没有被测出，这些碳氢化合物很可能沿着样品线条冷凝。图10：未燃碳氢排放，传统FID与快速FID对比图11显示一个比较在排气管的排放记录。在这种情况下的分析仪比较，传统FID比快速FID仅仅低60%。由于这些测量是在排气管，它很可能是大多数凝结和较重的碳氢化合物结滴已经发生在排气和催化系统。图11：排气管的碳氢化合物排放，常规与快速检测NOx排放氮氧化物排放量通常在普通常规燃料0.15g/km（图12和13）。FAME型混合物在B10 水平以上往往有较高的氮

12、氧化物排放量，B100 RME提供最高的氮氧化物排放量两个阶段都是总体在 0.22g/km。图12：NOx的排放量，1阶段图12：NOx的排放量，2阶段PM 排放 颗粒物通常在0.003g/km。在这些非常低的水平，不可能辨别任何燃料的作用。颗粒物数量和大小分布也使用排气颗粒大小测试仪(EEPS)测量；这又是难以区分燃料间的明显差异，因此结果不在这里进行更进一步的讨论。关键燃料比较FAME型燃料B20，HVO的影响图14比较不同来源为共混物的名声；即椰子，麻疯树和油菜甲酯，与燃料混合regulardiesel防务委员会和欧洲，被用来作为基础的所有共混物。保费燃料也包括进行比较。图14：FAME

13、型排放影响和B20的HVOB20混合燃料比欧洲正规柴油有较高的氮氧化物排放量；例如B20 RME有着30%更高的氮氧化物排放量。然而，B20 HVO混合燃料并没有显著的比基本燃料更高的氮氧化物排放量。混合燃料与基本燃料相比其对其他排放的影响更难辨别。B20 RME在所有的FAME型混合物里倾向于有更高的HC, CO和NOx。HC排放方面，RME比JME、CME有明显更高的HC排放。（分别高30%和44%）R20 RME也比B20 CME.有明显更高的NOx。图15：HVO混合燃油与各自的基燃料排放相比图15显示了HVO混入欧洲常规柴油B20水平的影响和HVO B5混合柴油的影响。B20 HVO

14、与基本燃油相比更明显的减少了CO和HC的排放。B5 HVO混合燃油也显示的对CO和HC排放的减少作用，但是并不明显。对氮氧化物的影响不可识别。HVO有很高的石蜡成分和类似化学类型的碳氢化合物，发现在较高数额的优质燃料。排放对RME混合水平的反应图1619显示RME混合柴油与欧洲普通柴油的排放反应比较。图16：二氧化碳排放量与含RME燃料的比较虽然错误区趋于重叠，上升趋势与混合水平的比较可以在CO2排放中被看出（图16）图17：CO排放量、RME燃料CO排放量与FAME含量燃料相比再次显示直线上升的趋势（图17）。图18：HC排放与含RME成分燃料图19：氮氧化物的排放量与两种燃料的内容和氮氧化

15、物的排放量（图18和19）表明变量的反应混合水平；明确趋势不明显。然而，b100发展了显着较高的氮氧化物的水平比低的共混物。结论这个方案已成功地确定了FAME与HVO，混入不同的基燃料，在最先进的新车D4-D车辆上的影响。主要结论从方案如下：l 在阶段1、2用的两辆Avensis在排放性能上显示了显著的连续性，因此燃料的影响可以在两个阶段相对比。l 难以明确确定的燃料对新车驾驶性能特点的影响。l 高十六烷值的优质燃料在CO2, CO和HC排放上比欧洲普通柴油有优势，例如，以阶段结果显示高十六烷值的优质燃料在HC排放上有明显的50%的减少。l B20的FAME混合燃料性能效率大大取决于基础燃油类

16、型。美国1号燃料为基础B20的FAME混合燃油的效果，被低十六烷值基燃料的排放特性所掩盖。l 几种类型的B20的FAME混合燃料可以通过排放特性来鉴别。B20的RME往往在FAMEs排放中总碳氢化合物排放最高。在某些情况下，这明显高于JME或CME混合物。l 高度石蜡基油HVO当与欧洲常规基燃料混合时，一氧化碳和碳氢化合物排放的优势是显著的。此外，HVO成分在B20的FAME混合燃油可能减轻NOx的增加。HVO的进一步的排放效益在B5水平的优质燃料跟HVO成分有相同石蜡特性。总的来说， HVO的性能明显好于FAME，尤其是在较高混合率时。l 因为RME的一些定向趋势，其混合等级可以通过CO2

17、和 CO的排放看出。B20以上时，其CO 和CO2的上升是定值。当讨论到生物混合等级时，对于能源转化为汽车动力的CO2 的排放应该被考虑。参考文献1 Directive 2003/30/EC of the EuropeanParliament and of the Council of 8 May 2003 onthe promotion of the use of biofuels or otherrenewable fuels for transport. (OJEU L123 of 17May 2003)2 Francese, D., Gamba, G., Aroldi, C. &Roc

18、chietta, C. “Vegetable Oil Methyl Esters:Diesel-bi Bench and Emissions Tests”, SPA 25thISATA Symposium, Novamont, Italy.3 Hansen, K. F. & Jensen, M.G. “Chemical andBiological Characteristics of Exhaust Emissionsfrom a DI Diesel Engine Fuelled with RME”,SAE 971689.4 Barbier, P. “Evaluation of Cetane

19、ImproverEffects on Regulated Emissions from aPassenger Car Equipped with a Common RailDiesel Engine”, SAE 2000-01-1853.5 Montagne, X., “Introduction of Rapeseed MethylEster in Diesel Fuel The French NationalProgram”, SAE 962065.6 Martini, G., Astorga, C.,Farfaletti, A., Botta, M.,Rey, M. Manfredi, U

20、., Krasenbrink, A.,Larsen,B.R. & De Santi, G. “Effect of BiodieselFuels on Pollutant Emissions from Euro 3 LDDiesel Vehicles (1)”, Institute for Environmentand Sustainability, European CommissionDirectorate-General Joint Research Centre,EUR 22745 EN7 Astorga-Llorens, M.C. “Effect of Biodiesel Fuelson Emissions froM Euro 4 Passenger Cars”,11th ETH Conference on CombustionGenerated Nanoparticles, Aug 2007,8 Babu,