柴油出租車(chē)燃用不同替代燃料的試驗(yàn)研究

胡志遠(yuǎn)，岳 晗，譚丕強(qiáng)，樓狄明

（同濟(jì)大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院，上海201804）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，汽車(chē)保有量快速增長(zhǎng).2010年，我國(guó)汽車(chē)保有量達(dá)到7 800萬(wàn)輛，消耗了1.5億t成品油，折合原油約2.5億t，占原油總消耗量的57%.同時(shí)，汽車(chē)產(chǎn)生的CO，HC，NOx和顆粒物（PM）等有害污染物和溫室氣體CO2排放總量逐年上升，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣污染已經(jīng)成為影響中國(guó)大氣質(zhì)量的重要源，尤其是在北京、上海、天津等大城市和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的珠江三角洲等地區(qū)［1－3］.

我國(guó)擁有出租車(chē)約100萬(wàn)輛，與其他類(lèi)型機(jī)動(dòng)車(chē)比較，出租車(chē)普遍存在行駛里程長(zhǎng)且在交通擁堵地區(qū)行駛工況比例較大等特點(diǎn)，已成為北京、上海等城市機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放的重要來(lái)源［4］.隨著高壓噴射系統(tǒng)、多氣門(mén)系統(tǒng)、增壓中冷、廢氣再循環(huán)、顆粒捕集器、NOx還原催化轉(zhuǎn)化器等機(jī)內(nèi)凈化和機(jī)外凈化新技術(shù)措施相繼得以采用，柴油機(jī)的尾氣排放大幅度降低.柴油轎車(chē)得到歐盟、韓國(guó)、印度等許多國(guó)家的高度重視［5］，且在中國(guó)具備規(guī)模發(fā)展的潛力［6］.而且，與同等排量的汽油轎車(chē)相比，先進(jìn)柴油轎車(chē)能夠節(jié)省燃油20%～30%［7］，推廣使用先進(jìn)柴油出租車(chē)有利于降低城市出租車(chē)的能源消耗及HC，CO，CO2等污染物排放.

先進(jìn)柴油轎車(chē)燃料除傳統(tǒng)的石化柴油外，還可以燃用生物柴油［8］、天然氣制合成油［9］等柴油替代燃料.本文對(duì)柴油出租車(chē)燃用柴油（簡(jiǎn)稱為BD0）、混合體積比例為10%（90%為石化柴油，10%為廢棄油脂制生物柴油，簡(jiǎn)稱為BD10）的柴油—生物柴油混和燃料，及天然氣制合成油（簡(jiǎn)稱為G100）進(jìn)行10萬(wàn)km的運(yùn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證生物柴油、天然氣制合成油在柴油出租車(chē)上運(yùn)行的可靠性、便利性、排放優(yōu)勢(shì)和燃油經(jīng)濟(jì)性.

1 試驗(yàn)出租車(chē)及方案

1.1 試驗(yàn)出租車(chē)

采用上海市正常運(yùn)營(yíng)的帕薩特TDI 1.9L柴油出租車(chē)作為試驗(yàn)出租車(chē)，共350輛，323輛燃用BD0，19輛燃用BD10，8輛燃用G100，同時(shí)選擇10輛桑塔納汽油出租車(chē)作為對(duì)比車(chē)輛.柴油出租車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)為水冷直列式4缸4沖程，電控泵噴嘴高壓直噴渦輪增壓柴油機(jī)，并配備廢氣再循環(huán)系統(tǒng)和尾氣催化轉(zhuǎn)換器，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)運(yùn)行用燃油為BD0，BD10和G100等3種燃料，試驗(yàn)燃油主要理化指標(biāo)如表2所示.

表1 帕薩特柴油出租車(chē)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameter of PASSAT diesel taxi

表2 3種試驗(yàn)用燃油主要理化指標(biāo)Tab.2 Physical and chemical parameters of test fuel

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)運(yùn)行期間，分別記錄這350輛柴油出租車(chē)每天的行駛里程及燃油消耗量，累加得到每輛出租車(chē)每月的行駛里程及燃油消耗量，計(jì)算得到這350輛車(chē)的月平均百公里油耗.在試驗(yàn)運(yùn)行出租車(chē)中，分別選擇2輛BD0出租車(chē)、2輛BD10出租車(chē)、2輛G100出租車(chē)作為排放跟蹤測(cè)試車(chē)輛，在試驗(yàn)運(yùn)行開(kāi)始、出租車(chē)行駛到2萬(wàn)km、4萬(wàn)km、6萬(wàn)km、8萬(wàn)km和10萬(wàn)km時(shí)，依據(jù)《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段）》（GB 18352.3—2005），分別對(duì)其進(jìn)行排放測(cè)試.同時(shí)選擇這6輛排放跟蹤測(cè)試出租車(chē)作為缸內(nèi)積炭檢查車(chē)輛，在試驗(yàn)運(yùn)行開(kāi)始前及結(jié)束后，采用奧林巴斯工業(yè)內(nèi)窺鏡對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)積炭進(jìn)行檢測(cè)，檢查柴油、生物柴油、天然氣制合成油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)積炭的影響.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 燃油經(jīng)濟(jì)性

323輛出租車(chē)燃用BD0，19輛出租車(chē)燃用BD10，8輛出租車(chē)燃用G100，10輛桑塔納汽油出租車(chē)試驗(yàn)運(yùn)行期間的月平均百公里油耗分別取平均值后隨試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間的變化情況如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)運(yùn)行出租車(chē)平均百公里油耗Fig.1 Fuel consumption per 100kilometers of tested taxies

由圖1可見(jiàn)，12個(gè)月試驗(yàn)運(yùn)行期間，柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10，G100、汽油出租車(chē)的月平均百公里油耗隨時(shí)間變化趨勢(shì)一致.受夏季使用空調(diào)及其他月份不使用空調(diào)的影響，柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10，G100、汽油出租車(chē)不同月份的月平均百公里油耗存在差異.在夏季（6—8月），由于空調(diào)的集中使用，發(fā)動(dòng)機(jī)功率消耗增加，柴油、汽油出租車(chē)的月平均百公里油耗升高.

對(duì)323輛出租車(chē)燃用BD0，19輛出租車(chē)燃用BD10，8輛出租車(chē)燃用G100，10輛桑塔納汽油出租車(chē)試驗(yàn)運(yùn)行期間的月平均百公里油耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其百公里油耗分布頻率如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)運(yùn)行出租車(chē)月平均百公里油耗分布頻率Fig.2 Distribution probability of fuel consumption per 100kilometers

由圖2a，b，c可見(jiàn)，柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10，G100的百公里油耗分布范圍分別為5.94～9.08L·（102km）－1，6.19～9.09L·（102km）－1和6.16～8.52L·（102km）－1，百公里油耗分布均值分別為7.15L·（102km）－1，7.26L·（102km）－1和7.31L·（102km）－1.由圖2d可見(jiàn)，汽油出租車(chē)的百公里油耗分布范圍為7.25～12.32L·（102km）－1，百 公 里 油 耗 分 布 均 值 為 9.87L· （102km）－1.與BD0比較，柴油出租車(chē)燃用BD10和G100的百公里油耗分布均值分別升高1.5%和2.3%.這是因?yàn)?，與柴油比較，生物柴油和天然氣制油的體積熱值相對(duì)較低，產(chǎn)生相同功率消耗燃料的體積增加，百公里油耗升高.另外，與汽油出租車(chē)比較，柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10，G100的百公里油耗分布均值分別降低27.6%，26.5%和25.9%.這是因?yàn)?，與汽油機(jī)比較，柴油機(jī)具有壓縮比大，熱效率高的特點(diǎn)，百公里較低.因此，柴油出租車(chē)可在一定程度上降低出租車(chē)的運(yùn)營(yíng)成本.

2.2 排放特性

試驗(yàn)運(yùn)行期間，柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10和G100的CO，NOx，HC＋ NOx，PM等法規(guī)限制污染物排放隨行駛里程變化情況如圖3所示.

圖3 柴油出租車(chē)法規(guī)限制污染物排放測(cè)試結(jié)果Fig.3 Ruled emission test results of tested diesel taxies

由圖3a可見(jiàn)，柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10和G100的CO排放低于國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)限值.與BD0比較，試驗(yàn)柴油出租車(chē)燃用BD10和G100的CO排放分別降低17%和75%.CO是碳或烴類(lèi)燃燒的中間產(chǎn)物和不完全燃燒的產(chǎn)物之一，產(chǎn)生的原因包括可燃混合氣溫度過(guò)低、可燃混合氣局部缺氧等.生物柴油是含氧燃料，不但增加了燃燒時(shí)氧的供給，而且使CO2被還原為CO的機(jī)會(huì)降低.天然氣制合成油的餾出溫度較低，蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行較快，產(chǎn)生過(guò)濃區(qū)可能性較小，產(chǎn)生的CO排放較低.同時(shí)，生物柴油及天然氣制合成油的十六烷值高，著火性能好，能進(jìn)一步改善燃燒，能降低CO排放.

由圖3b和c可見(jiàn)，柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10的NOx和HC＋NOx排放低于國(guó)III排放標(biāo)準(zhǔn)限值，且接近國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)限值，燃用G100的NOx和HC＋NOx排放低于國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)限值.與BD0比較，試驗(yàn)柴油出租車(chē)燃用BD10的NOx，HC＋NOx排放分布升高12%和8%；燃用G100的NOx，HC＋NOx排放分別降低9%和10%.NOx生成的主要因素為高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間.生物柴油富氧，對(duì) NOx形成作用明顯，NOx排放升高［10］.預(yù)混合燃燒是產(chǎn)生NOx的主要階段，由于天然氣制合成油相對(duì)于柴油具有十六烷值高、滯燃期短的特點(diǎn)，燃燒時(shí)具有預(yù)混合燃燒比例減少，擴(kuò)散燃燒比例增大的特點(diǎn)，能降低柴油機(jī)的NOx排放.HC包括無(wú)氧碳?xì)浜陀醒跆細(xì)?，生成的原因主要有混合氣過(guò)濃、混合氣過(guò)稀、燃燒溫度過(guò)低以及反應(yīng)時(shí)間過(guò)短等.一般芳香烴含量越少，滯燃期越短，HC排放越低［11］.同時(shí)，十六烷值較高時(shí)，燃油著火性能好，滯燃期短，未燃碳?xì)浜土呀馓細(xì)渚^少，有利于減少HC排放.與柴油比較，天然氣制合成油的餾出溫度較低，蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行較快，產(chǎn)生過(guò)濃區(qū)和油束碰壁激冷區(qū)的可能性較小，HC排放較低，其HC＋NOx排放降低.生物柴油中芳香烴含量很少，十六烷值較高，HC排放較低，但由于該柴油轎車(chē)燃用B10的NOx排放升高，導(dǎo)致其HC＋NOx排放稍有增加.

由圖3d可見(jiàn)，柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10的PM排放低于國(guó)II排放標(biāo)準(zhǔn)限值，且接近國(guó)III排放標(biāo)準(zhǔn)限值；燃用G100的PM排放接近國(guó)IV排放限值.與BD0比較，試驗(yàn)柴油出租車(chē)燃用BD10和G100的PM排放分別降低9%和51%.這是因?yàn)?，低硫含量、低密度、高十六烷值有助于降低燃料的PM排放.天然氣制合成油、生物柴油的芳烴含量較低，燃料在燃燒過(guò)程中減少了高溫裂解組分，能夠改善燃料燃燒，從根本上抑制了炭煙的形成，PM排放降低.同時(shí)，天然氣制合成油、生物柴油的硫含量較低，可減少微粒的產(chǎn)生，PM排放降低.

綜合圖3a—d可見(jiàn)，隨著行駛里程的增加，柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10和G100的CO及PM排放增加，NOx和HC＋NOx排放在新車(chē)磨合期后隨行駛里程的增加有所降低，然后保持穩(wěn)定.2009年11月1日，上海開(kāi)始執(zhí)行滬IV柴油標(biāo)準(zhǔn)，柴油的硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)由超過(guò)1 000×10－6的國(guó)II柴油直接過(guò)渡到硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于50×10－6的滬IV柴油.帕薩特柴油出租車(chē)燃用滬IV柴油及基于滬IV柴油的生物柴油混合燃料后，其CO，NOx，HC＋NOx和PM排放明顯降低.其中，NOx和HC＋NOx排放降低到國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)限值以內(nèi)，PM排放降低到接近國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)限值.這是因?yàn)?，滬IV柴油具有芳香烴含量低、硫含量低、十六烷值高等特點(diǎn).十六烷值高時(shí)，燃料的著火性能好，滯燃期短，CO和HC排放降低；同時(shí)，滬IV柴油的硫含量較低，PM排放降低［12］.

2.3 生物柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)積炭的影響

柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10和G100試驗(yàn)前、后第一缸噴油器的積炭情況如圖4所示.可見(jiàn)，與試驗(yàn)運(yùn)行開(kāi)始時(shí)比較，柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10和G100運(yùn)行約10萬(wàn)km后，其噴油器頭部積炭略有增加，但不影響柴油出租車(chē)的正常使用.與BD0比較，柴油出租車(chē)燃用BD10后噴油器積炭有所增加，燃用G100后噴油器積炭與BD0基本相當(dāng).

圖4 柴油、生物柴油、天然氣制油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器積炭的影響Fig.4 Fuel injector carbon deposit state of BD0，BD10and G100fueled taxies

3 結(jié)論

（1）與汽油出租車(chē)比較，柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10，G100的百公里油耗分布均值分別降低27.6%，26.5%和25.9%，柴油出租車(chē)的運(yùn)營(yíng)成本較低.

（2）柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10和G100的排放性能穩(wěn)定，CO排放低于國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)限值.BD0和BD10的NOx，HC＋NOx排放接近國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)限值，PM排放接近國(guó)III排放標(biāo)準(zhǔn)限值；G100的NOx和HC＋NOx排放低于國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)限值，PM排放接近國(guó)IV排放限值.

（3）與BD0比較，試驗(yàn)柴油出租車(chē)燃用BD10的CO和PM排放分別降低17%和9%，NOx和HC＋NOx排放分別升高12%及8%.燃用G100的CO，NOx，HC＋ NOx，PM 排放分別降低75%，9%，10%和51%.BD10和G100可以在一定程度上降低柴油出租車(chē)的污染物排放.

（4）柴油出租車(chē)燃用BD0，BD10和G100運(yùn)行約10萬(wàn)km后，其缸內(nèi)噴油器頭部積炭略有增加，但不影響柴油出租車(chē)的正常使用.

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