生物添加剂对汽车发动机废气排放质量的影响

刘德文 袁秋玲 杨密龙 杨乐桢 朱正富

摘 要：为了提取探讨在汽油内加入生物添加剂，所造成的废气排放质量影响。运用了试验法对比分析汽车发动机台架试验前后，在废气排放质量各指标上改变情况。结果发现将棕榈油提取物作为生物添加剂，加入汽油中很大程度改善了汽车发动机的燃油性能，在加剂之后实现了93#高清洁汽油，上升了HC（未燃碳氢），减少了NOx（氮氧化物）和一氧化碳排放浓度，明显改善了CO2的排放;实现了乙醇汽油在HC和CO2的略微增加。

关键词：生物添加剂;汽车发动机;废气;颗粒物

随着我国对汽车发动机废气的排放标准逐渐提升，也提出越来越严格的发动机技术与燃料要求，发动机在近年来实现机内外净化技术创新，改善车内燃油用品特性。发动机的汽油通过加入生物添加剂，改善汽油性能已作为研究热门课题[1]。在汽油所加入的添加剂中，最为突出的就是四乙基铅，但是因为铅毒害催化转化器，再加上存在污染环境的弊端，我国目前已经禁用[2]。如今在汽车领域主要应用的添加剂，集中在含氧醚类、醇类、酸酯类为主[3-6]，例如甲基叔丁基醚MTBE、乙醇、甲醇、碳酸二甲酯DMC等，虽然DTBE应用效果显著但在美国等国家地区，已经因为该类生物添加剂严重污染环境水源同样禁用[7]。所以生物添加剂基于生物为原料，满足了能源环保所需，并且易于微生物降解，可以有效减少以外所致污染问题，并且生物添加剂在C+呈阳性，O-呈阴性，从本质上决定生物添加剂能够实现对汽车醇类、烃类燃料的助溶效果[8]。因此本文将展开对生物添加剂加入汽油内，对汽车发动机废气排放质量所造成的影响。

1试验设备及方法

1.1试验设备

（1）汽车发动机

本次台架试验中所应用的汽车发动机，作为目前普遍常见的直列四缸电控高压共轨柴油机，在保证满足国IV排放标准，配备了EGR系统和增压中冷，相关参数（见表1）。

（2）汽油和生物添加剂

本次试验选用市面售卖的93#高清洁汽油、乙醇和汽油1：9比例的乙醇汽油这两种，将不同比例的棕榈油生物添加剂加入其中，该生物添加剂以碳、氢、氧三者76：12：12的比例，具有较好的生物溶解性，可以很好的溶于汽油。选定的试验比例包括了0.2%、0.4%、0.6%，在1L汽油内分别添加了2ml、4ml、6ml的生物添加剂，为了确保添加剂达到汽油流动性及燃料互溶性，设定试验过程中始终保持20℃的环境温度。

1.2试验方法

本次试验设定在2000r/min转速下汽车发动机的道路运行工况，加入生物添加剂之后对废气排放质量造成的影响。汽车发动机的测量负荷分别设定为30Nm、60Nm、90Nm、120Nm、150Nm，在达到最高负荷点时，基本全开发动机的气节门开度。

2试验结果分析

2.1添加剂对93#高清洁汽油、乙醇汽油的不同比油耗影响

（1）通过加入棕榈油生物添加剂之后，在设定三种不同添加剂比例试验条件下，获得对93#高清洁汽油的不同比油耗影响，发现明显改善了汽油的比油耗。在0.2%、0.4%添加剂比例下，在30～150Nm的负荷点范围内，加入生物添加剂之后的汽油较基础油在比油耗上明显降低。对于负荷较小情况下，0.2%比例达到了7.98%的最大节油率，0.4%比例达到了7.66%的最大节油率，各自达到了3.64%、2.43%的节油率均值。在0.6%比例下分别在小负荷、大负荷中节油效果明显。所以在2000r/min汽车发动机工况下，生物添加剂在整个负荷范围条件内，都可以明显改善燃油的经济性能，但是添加剂比例需要控制在0.4%以内效果较佳。

（2）通过加入棕榈油生物添加剂之后，在设定三种不同添加剂比例试验条件下，获得对乙醇汽油的不同比油耗影响，发现在2000r/min汽车发动机工况下，生物添加剂在整个负荷范圍条件内，10%乙醇直接兑入汽油内获得的乙醇汽油，达到的油耗情况较93#高清洁汽油有所上升。因此乙醇热值仅仅达到汽油61%左右，将乙醇加入其中降低了混合燃料的热值，因此如果将乙醇汽油直接燃用，会应影响发动机的燃油经济性。但是将生物添加剂加入乙醇汽油中，发现不同程度降低了比油耗，根据乙醇汽油试验结果能够发现，不同生物添加剂比例下，最明显的效果就是0.4%添加比例，较平时能够达到4.08%的发动机比油耗降低效果。

2.2生物添加剂对93#高清洁汽油废气排放质量影响

（见图1）作为在93#高清洁汽油中加入不同比例的生物添加剂后，汽车发动机废气排放各指标的变化情况。发现将生物添加剂加入之后，明显减少了NOx（氮氧化物）和一氧化碳排放浓度，最为明显的就是在发动机大负荷条件下的效果。通过加入生物添加剂后，汽车发动机在整个功率范围中，HC（未燃碳氢）上升，明显改善了CO2的排放。在加入生物添加剂之后相较基础油，虽然生物添加剂的添加比例不同，也就在不同程度上降低了气体排放量，但是有不同的影响程度。在0.2%添加比例下达到最大幅度的CO2排放量下降，所以通过减少CO2排放量，对于改善环境减少温室气体排放，改善废气排放环境影响意义重大。

2.3生物添加剂对乙醇汽油废气排放质量影响

因为目前我国部分地区已经开始广泛应用乙醇汽油，所以将棕榈油生物添加剂加入乙醇汽油中，对比分析废气排放质量的影响情况。发现将不同比例的生物添加剂，加入乙醇内不同排放参数对比。根据图示对比能够发现，将生物添加剂加入之后，乙醇汽油和普通93#汽油在废气排放上存在诸多不同。将生物添加剂加入之后，基本不会明显改变乙醇的NOx排放浓度。虽然在汽油燃烧速度上高出50%，有着较高的含氧量，基本达到35.0%的质量比。可是因为汽化潜热较大，所以在压缩进气中就要吸收大量热量，所致降低了燃烧温度。较低的燃烧温度、较快的燃烧速度，所以这可能作为不会改变NOx排放浓度的根本原因。并且相较普通汽油来说，乙醇汽油HC及CO在排放浓度上，有着显著的废气排放特点就是CO2的排放量较低。相较93#高清洁汽油来说，有着略低的CO2排放量和略低的CO2的排放浓度优势，所以乙醇汽油也同样具备推广应用的优势。（见图2）通过本试验发现将生物添加剂加入乙醇汽油内，并未明显改变各类废气的排放情况，在较高的生物添加剂排放浓度下，一定程度增加了乙醇汽油的HC和CO2的排放。

2.4生物添加剂对汽油颗粒物浓度的影响

积聚态颗粒物对汽车发动机的废气排放量中有较大占比，通过加入生物添加剂，发现在低负荷下明显减小了颗粒物浓度，中负荷以及高负荷条件下，生物添加剂应用并未明显改变颗粒物总浓度，在高负荷下对低于20nm的颗粒物浓度存在明显减少，但是对于20～50nm范围内会增加废气排放中的颗粒物浓度。

3结论

综上，根据本次汽油发动机的台架试验情况能够发现，将一定比例添加剂加入汽油中，无论是普通或乙醇汽油都能够有效改善燃料经济性。本研究证实废气排放除了HC有所增加，在剩余气体影响改变并不明显，很大程度减少了CO2排放，这一情况可能因为降低了燃油的消耗量。本文应用了棕榈油此种升入添加剂，棕榈油内含有不饱和脂肪酸及氧成分，所以在汽油内加入棕榈油能够促燃烧，减少汽油的燃烧持续周期，所以对汽油的燃烧经济效益有效提升。因为存在较大的脂肪酸分子量和较长的分子链，所以在气缸狭缝地方增加了未燃烧HC的排放量。而棕榈油的加入能够改善燃烧完全度，极大程度提升了燃烧效率经济性。总之，通过本文对棕榈油作为生物添加剂，加入汽油内对汽车发动机废气排放质量的影响结果，发现将棕榈油提取物作为生物添加剂，加入汽油中很大程度改善了汽车发动机的燃油性能，在加剂之后实现了93#高清洁汽油，上升了HC（未燃碳氢），减少了NOx（氮氧化物）和一氧化碳排放浓度，明显改善了CO2的排放;实现了乙醇汽油在HC和CO2的略微增加。

参考文献

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[2]曾悬， 邹园， 朱飞雄，等. 汽车排气系统清洁度与可燃物对排放PM值影响的研究[J]. 时代汽车， 2018， 302（11）：13-15.

[3]None. 博格华纳废气再循环技术助力现代汽车降低发动机NO_x排放[J]. 汽车与配件， 2019（5）：19-19.

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