國V公交車實(shí)際道路排放特性研究*

郭佳棟，葛蘊(yùn)珊，譚建偉，張學(xué)敏，余林嘯，付明亮

(1.北京理工大學(xué)，汽車動力性與排放測試國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100193)

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2015022

國V公交車實(shí)際道路排放特性研究*

郭佳棟1，葛蘊(yùn)珊1，譚建偉1，張學(xué)敏2，余林嘯1，付明亮1

(1.北京理工大學(xué)，汽車動力性與排放測試國家專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100193)

使用車載排放測試系統(tǒng)測試了北京市4種不同技術(shù)路線的14輛國V車輛的實(shí)際道路排放情況。結(jié)果表明，氧化催化器(DOC)能明顯降低天然氣公交車的CO排放，但其對THC的降排效果有待提高。采用EGR技術(shù)的天然氣公交車在低速時NOx減排效果較柴油車好，但是高速時沒有優(yōu)勢。使用SCR系統(tǒng)的柴油車CO和THC排放較低，但低速時NOx排放較高。而天然氣車由于排氣溫度較高，加裝SCR系統(tǒng)后可有效降低NOx排放，效果最理想。天然氣公交車的顆粒物質(zhì)量排放遠(yuǎn)低于柴油車，但是由于稀釋方式的影響，其核模態(tài)的顆粒物數(shù)量較多。

公交車；柴油機(jī)；天然氣；實(shí)際道路排放；后處理系統(tǒng)

前言

北京市公交車已經(jīng)在2008年提前于全國實(shí)施了《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》(GB17691—2005)中的國IV階段，并且滿足國V要求的公交車在北京市已經(jīng)占有一定的比例，在新增公交車中比例更大。目前，北京市的國V公交車從燃料上劃分主要包括柴油車和天然氣車兩類。雖然兩種內(nèi)燃機(jī)在先進(jìn)的燃燒方式和控制技術(shù)下，都可以通過排放型式認(rèn)證，達(dá)到國V標(biāo)準(zhǔn)，但是由于柴油和天然氣在燃料性質(zhì)、燃料供給、壓縮比以及著火和燃燒方式等很多方面存在很多不同之處[1]。使用兩種燃料的車輛，后處理系統(tǒng)也不完全相同，因此對于不同的污染物，排放特性可能相差很大。本文中使用車載排放測試系統(tǒng)研究了北京市國V柴油車與天然氣車在實(shí)際道路下的污染物排放，通過對比不同燃料以及不同后處理裝置公交車的排放特性，探討城市公交車排放存在的問題，并為其改進(jìn)提出建議。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 測試車輛與實(shí)驗(yàn)路線

針對北京市國V公交車以柴油車和天然氣車為主的情況，選擇了5條公交線路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每條線路進(jìn)行至少兩輛車的測試，共計(jì)14輛車。每條線路的公交車都滿足國V標(biāo)準(zhǔn)，但是在生產(chǎn)廠家、燃料以及后處理系統(tǒng)等方面各不相同。測試車輛的實(shí)驗(yàn)路線以及各種主要參數(shù)如表1所示，其中所有的車輛均為自動變速。由于相同線路公交車的行駛里程相近，表中列出的是每條線路行駛里程的平均值。

表1 測試車輛主要參數(shù)

測試過程中，測試車輛按照日常運(yùn)行線路行駛，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備較多，噪聲較大，因此沒有載客，只進(jìn)行正常進(jìn)、出站，每次大約?？?0s左右，比正常的?？繒r間稍短，以免影響乘客和其他車輛。每輛車進(jìn)行2個往返行程的測試。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括semtech-DS氣態(tài)污染物分析儀、電子低壓沖擊儀(ELPI)、兩級稀釋器、排氣流量計(jì)、全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器和便攜式計(jì)算機(jī)等。其中semtech-DS用來測試尾氣中CO2、CO、THC和NOx等污染物的濃度，排氣流量計(jì)用來測量排氣溫度和體積流量，GPS接收器用來測量車輛的行駛速度。semtech的測試數(shù)據(jù)可以實(shí)時顯示、記錄并傳輸?shù)奖銛y式計(jì)算機(jī)上。樣氣經(jīng)過兩級稀釋器后進(jìn)入ELPI，該儀器可測量微粒的粒徑分布和數(shù)量濃度。圖1為實(shí)驗(yàn)設(shè)備在測試車輛上的安裝圖。全部儀器的電能由發(fā)電機(jī)供給。由于沒有乘客，加裝了50桶純凈水(約20kg/桶)作為模擬載荷。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)對正

由于整套系統(tǒng)包含semtech-DS和ELPI兩個主要測試儀器，并且前者是由若干個模塊組成的，因此車速、污染物濃度、排氣流量以及顆粒物數(shù)量濃度等主要參數(shù)的延遲時間各不相同。本文中以排氣流量(l/s)為基準(zhǔn)，在excel軟件中使用offset函數(shù)將各個參數(shù)進(jìn)行時間對正，具體過程不再贅述。

2.2 顆粒物質(zhì)量的計(jì)算

本文中使用的電子低壓沖擊儀根據(jù)空氣動力學(xué)直徑的不同將顆粒物分為12級(7nm～10μm)。該儀器通過充電器對排氣中的顆粒物充電，然后利用顆粒物慣性的差異對不同粒徑的顆粒物進(jìn)行分級，并通過電流計(jì)測量每一級上實(shí)時收集的顆粒物的電荷數(shù)，從而計(jì)算不同粒徑的顆粒物數(shù)量。

內(nèi)燃機(jī)顆粒物分為核模態(tài)(5～50nm)、積聚模態(tài)(100～300nm)和粗粒子模態(tài)(>1μm)3種類型[2]，其中大部分集中在1μm以下，而大于1μm的粗粒子模態(tài)顆粒物主要是由通過熱泳等現(xiàn)象附著在氣缸壁或者排氣管壁上的積聚物在瞬態(tài)條件下排出的，數(shù)量相對較少并且具有很大的不確定性和隨機(jī)性[3]。因此本文中主要計(jì)算1μm以下的顆粒物質(zhì)量，也就是對應(yīng)ELPI的1～8級(7～949nm)。

但是，如果要計(jì)算不同粒徑顆粒物的質(zhì)量濃度，除了顆粒物的數(shù)量濃度外還須確定其密度。一般來說，顆粒物的粒徑越小，其分形維數(shù)(fractal dimension)越接近于3[4]，說明其形狀越接近于球體，密度也就越大；而粒徑越大，分形維數(shù)越小，說明其內(nèi)部的空隙越多，密度也就越小。由于采樣方式、稀釋空氣溫度、稀釋比等因素的影響，顆粒物的密度很難確定，所以不同的研究者得出了不同的密度分布[5-6]。本文中使用文獻(xiàn)[5]的結(jié)果，列于表2中。其中DL為每一級的截斷直徑，DU為下一級的截斷直徑，兩者組成的區(qū)間為收集到該級的顆粒物的主要粒徑范圍，ρ為該級的顆粒物密度。

所以，顆粒物的總質(zhì)量可以通過如下公式確定：

(1)

式中：m為顆粒物的總質(zhì)量；Ni、Vi和ρi分別為ELPI第i級的顆粒物數(shù)量、體積和密度。而每一級的體積V是利用該級的中位直徑DI計(jì)算求得，即

(2)

表2 電子低壓沖擊儀前8級的粒徑范圍和顆粒物密度

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測試的5條實(shí)驗(yàn)線路基本代表4種不同的國V重型車技術(shù)路線，如表3所示。雖然線路1和線路2的發(fā)動機(jī)廠商不一樣，但都是加裝SCR系統(tǒng)的柴油車，并且車型相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這兩條線路的實(shí)驗(yàn)車輛在CO、THC、NOx等污染物排放方面特征相似，實(shí)驗(yàn)結(jié)果差距不大，因此兩條線路的公交車可以歸為一類技術(shù)路線。

表3 技術(shù)路線分類及代表線路

由于全部測試車輛的整備質(zhì)量差距很小，并且載質(zhì)量基本一致，所以主要使用以g/km為單位的排放因子對比各種技術(shù)路線的排放情況。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)(如表4所示)，各個公交線路的工況參數(shù)不完全相同，特別是在平均車速方面差別較大。為了使數(shù)據(jù)對比更可信，主要以5km/h為速度區(qū)間對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均計(jì)算，并在同樣的速度區(qū)間內(nèi)對不同技術(shù)路線的排放情況進(jìn)行對比。

表4 各線路主要平均工況參數(shù)

3.1 CO

如圖2所示，車速較低時，技術(shù)路線1和路線3的CO都很高并且相差不大，這是因?yàn)榇藭r柴油機(jī)雖然空燃比較大，但是排氣溫度較低，一部分CO不能被徹底氧化[7]；而天然氣發(fā)動機(jī)的空燃比相對較小但是燃燒溫度較高，有利于CO的氧化。當(dāng)車速上升時，天然氣發(fā)動機(jī)的空燃比進(jìn)一步減小并且接近于1，而柴油機(jī)的排氣溫度升高并且當(dāng)量比仍然很大，所以此時天然氣發(fā)動機(jī)的CO排放相對較高。

從圖2中還可以看出，車速很低時，路線3的CO排放非常高，而帶有DOC的路線2和路線4，在低速范圍內(nèi)就能將CO排放降低很多。這除了跟DOC的起燃溫度相對SCR較低有關(guān)以外，還得益于天然氣發(fā)動機(jī)較高的排氣溫度。因此城市公交車即使平均車速大都很低，加裝DOC后也能使CO排放得到有效控制，對天然氣公交車更加明顯。

3.2 THC

從圖3可以看出，柴油機(jī)的THC排放非常低，接近于零，而天然氣內(nèi)燃機(jī)的THC排放很高。除了因?yàn)樘烊粴獍l(fā)動機(jī)的空燃比較小，這還和天然氣的自燃溫度較高有關(guān)系[8]?？梢钥闯?，路線2由于加裝了DOC，THC排放比路線3降低了很多，但是同樣帶有DOC的路線4卻與路線3相差不大，效果并不理想。這可能是因?yàn)樘烊粴鈨?nèi)燃機(jī)的THC排放主要是CH4，而CH4的著火溫度比CO和大分子烴類高很多，因此傳統(tǒng)的DOC對CH4的反應(yīng)活性很低。由于CH4是一種溫室效應(yīng)比CO2高很多的氣體，因此其排放需要引起重視，并專門針對CH4開發(fā)高活性的DOC催化劑。

3.3 NOx

如圖4所示，路線1和路線2的NOx排放很高，而路線3和路線4低于前兩者。

以NOx與CO2質(zhì)量排放的比值NRC(g/kg)作對比可以更直觀地看出各種技術(shù)路線NOx排放的區(qū)別[9]。如圖5所示，技術(shù)路線1在低速范圍內(nèi)NOx排放很高，在中高速以后才逐漸降低，體現(xiàn)出SCR系統(tǒng)的優(yōu)勢。這主要是由于車速低時排氣溫度較低，達(dá)不到SCR系統(tǒng)噴射尿素的臨界溫度，即使噴射尿素反應(yīng)效率也較低[10]。而路線2在整個速度范圍內(nèi)排放因子變化比路線1平緩，低速時NOx排放比路線1低，但是高速以后，NOx排放情況相對較高。路線3和路線4的NOx低排放顯示了其SCR系統(tǒng)的高效率，這主要得益于天然氣內(nèi)燃機(jī)較高的排氣溫度。如圖6所示，整個速度范圍內(nèi)，路線3和路線4的排氣溫度要比路線1高50℃左右。因此在車速較低時，天然氣公交車的SCR系統(tǒng)就可以有效降低NOx排放，而這特別適合北京市的城市道路。

從圖4中可以看出，同樣是使用SCR技術(shù)，路線1的曲線一直下降并且速度很快，而路線3和路線4的NOx排放變化較慢，并且在25～40km/h之間有一個略微的高值，這可能是因?yàn)榇藭r的空燃比和燃燒溫度都很適合NOx的生成，因此NOx排放較高。同時該現(xiàn)象也表明，對于SCR系統(tǒng)，天然氣的排氣溫度一直處于合適的范圍，因此NOx的轉(zhuǎn)化效率變化不大。而對于柴油機(jī)來說，車速增加帶來的排氣溫度上升能大大增加SCR系統(tǒng)的催化效率，因此NOx排放隨著車速迅速下降。在實(shí)際運(yùn)行中，車速和排氣溫度是決定公交車特別是柴油車的SCR系統(tǒng)催化效果和NOx排放的關(guān)鍵因素。

3.4 顆粒物

不同技術(shù)路線的顆粒物數(shù)量(PN)和質(zhì)量(PM)的排放因子見表5。可以看出，天然氣公交車的顆粒物質(zhì)量排放比柴油公交車低得多。這主要是因?yàn)橄鄬τ诓裼?，天然氣為氣態(tài)燃料且混合均勻，主要成分CH4不含有C-C鍵，因此積聚模態(tài)的微粒少得多。其中由于液化天然氣純度高，雜質(zhì)少，使得路線4的顆粒物排放最低。路線2的顆粒物質(zhì)量排放雖然低于柴油機(jī)，但是數(shù)量排放結(jié)果卻相反。

表5 不同技術(shù)路線的顆粒物質(zhì)量和數(shù)量整體排放因子

從圖7中可以看出，造成這種現(xiàn)象的原因是路線2的核模態(tài)顆粒特別多。其原因是由于天然氣發(fā)動機(jī)的排氣溫度比柴油機(jī)高，但采樣時第一級稀釋空氣的溫度都為190℃，因此將會導(dǎo)致天然氣發(fā)動機(jī)排氣在稀釋過程中，揮發(fā)性有機(jī)物和硫酸鹽等凝結(jié)成大量的核模態(tài)顆粒物。對于路線3和路線4，該現(xiàn)象也有所體現(xiàn)。

另外值得注意的是，由于粒徑范圍的限制，ELPI并未完全描繪出天然氣公交車排氣中的峰值形狀，故該儀器對納米級顆粒的分析范圍有待擴(kuò)展[11]。

4 結(jié)論

(1)通過研究發(fā)現(xiàn)，北京市國V公交車幾種主要技術(shù)路線的污染物排放并不一致，特別是CO、PM和THC排放相差很大，NOx排放也各有特點(diǎn)。

(2)國V柴油車的CO和THC排放很低，但在車速較低時，發(fā)動機(jī)負(fù)荷和排氣溫度低，無法滿足SCR系統(tǒng)工作要求，因此NOx排放很高。車速提高以后，SCR系統(tǒng)效率提高，有效降低了NOx排放。

(3)以天然氣為燃料的國V車型，CO和THC排放較高，建議開發(fā)適合天然氣燃料的DOC。

(4)國V天然氣車如果僅僅通過EGR降低NOx，雖然低速時NOx低于加裝SCR系統(tǒng)的柴油車，但是高速時NOx偏高。天然氣車加裝SCR系統(tǒng)后，由于排氣溫度比柴油機(jī)高，工作情況良好，在全速度范圍內(nèi)可以有效保證NOx的低排放。

(5)天然氣發(fā)動機(jī)的微粒質(zhì)量排放遠(yuǎn)低于柴油機(jī)。但是由于稀釋方式的影響，部分天然氣車輛出現(xiàn)了較高濃度的核模態(tài)微粒排放，使得天然氣公交車的微粒數(shù)量排放比柴油車并沒有明顯降低甚至有所增加。

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致謝《汽車工程》雜志稿件評審專家

《汽車工程》2014年全年出版計(jì)劃圓滿完成，這一切離不開稿件評審專家們的鼎力支持。專家們治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、公正負(fù)責(zé)，對保證稿件的質(zhì)量起到了關(guān)鍵的作用。希望專家們繼續(xù)關(guān)心、支持本刊。值此新春到來之際，《汽車工程》編輯部全體同仁向所有評審專家致以最誠摯的感謝！祝春節(jié)快樂！身體健康！萬事如意！

附：2014年評審專家名單(按姓氏筆劃為序)

丁曉紅 丁能根 于秀敏 于良耀 于德介 馬天飛 馬 彪 馬朝臣 馬 雷 上官文斌 王義春

王偉華 王麗芳 王宏雁 王志福 王國林 王建昕 王建強(qiáng) 王賀武 王彬星 王登峰 王霄鋒

方茂東 仇 斌 帥石金 鄧兆祥 盧蘭光 盧青春 史文庫 史 琳 左正興 左曙光 馮慧華

仲梁維 劉玉光 劉昭度 劉獻(xiàn)棟 劉福水 孫冬野 華劍鋒 成 波 朱 冰 朱西產(chǎn) 畢鳳榮

江浩斌 許 敏 那景新 閆清東 余海東 初 亮 危銀濤 何 仁 何邦全 何洪文 李以農(nóng)

李永兵 李光耀 李興虎 李向榮 李孟良 李建秋 李 亮 李彥龍 李 輝 宋傳學(xué) 宋金甌

連小珉 吳光強(qiáng) 吳志軍 吳 迪 楊亞聯(lián) 楊旭靜 楊 青 楊濟(jì)匡 楊殿閣 楊 靖 張衛(wèi)正

張?jiān)讫?張友坤 張付軍 張立軍 張君媛 張建武 張俊智 張劍波 張維剛 蘇 建 谷中麗

谷正氣 陳無畏 陳全世 陳關(guān)龍 陳吉清 陳成法 陳江平 陳國定 陳 劍 陳思忠 陳家琪

陳慧巖 范子杰 范秀敏 鄭四發(fā) 鄭松林 鄭尊清 羅禹貢 宗長富 周力輝 周云山 周 蘇

周曉軍 周 鋐 季學(xué)武 單穎春 林成濤 林 程 侯之超 姚春德 趙昌普 趙 健 郝志勇

項(xiàng)昌樂 胡興軍 高大威 高云凱 高 青 高 峰 高 瑩 高振海 康 寧 徐石安 徐國艷

夏 勇 夏群生 袁兆成 袁 泉 席軍強(qiáng) 殷承良 聶圣芳 錢立軍 顧 亮 閻東林 曹萬科

曹立波 韓 旭 韓江洪 韓建保 曾小華 喻 凡 葛如海 葛蘊(yùn)珊 樓狄明 禇超美 雷正保

雷君相 雷雨龍 裴普成 翟 麗 翟 涌 管迪華 魏學(xué)哲 魏道高 魏 巍

A Research on the Real World Emission Characteristics of State-V Buses

Guo Jiadong1, Ge Yunshan1, Tan Jianwei1, Zhang Xuemin2, Yu Linxiao1& Fu Mingliang1

1.BeijingInstituteofTechnology,NationalLaboratoryofAutoPerformanceandEmissionTest,Beijing100081;2.CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193

The real world emissions from 14 State-V buses with four different after-treatment technologies are measured with portable emission measurement system. The results show that diesel oxidation catalyst can apparently reduce the CO emission of CNG-fueled buses, but its effect of reducing THC emission need to be improved. The CNG-fueled buses adopting EGR technology have a better emission reduction effects than diesel buses at low speed but there is no superiority at high speeds. The diesel buses with SCR system have lower CO and THC emissions but their NOxemissions are relatively high at low speeds, while the CNG-fueled buses with SCR system can effectively reduce NOxemission due to higher exhaust temperature, being the most ideal choice. The particulate matter mass emissions of CNG-fueled buses are far lower than diesel buses, but due to the effects of the way of dilution they emit more particles in nucleation mode.

buses; diesel engine; CNG; real-world emissions; after-treatment systems

*國家自然科學(xué)基金(51276021)資助。

原稿收到日期為2013年3月21日，修改稿收到日期為2013年6月27日。