深圳市液化天然氣與混合動力巴士排放試驗(yàn)研究

高謀榮 黃文偉 孫龍林 萬 霞（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 深圳 518055）

GAO Mourong HUANG Wenwei SUN Longlin WAN Xia（ Shenzhen Polytechnic， Shenzhen 518055， China ）

深圳市液化天然氣與混合動力巴士排放試驗(yàn)研究

高謀榮 黃文偉 孫龍林 萬 霞
（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 深圳 518055）

利用高精度的移動排放測試儀，對液化天然氣巴士和混合動力巴士進(jìn)行城市典型道路工況下的排放測試，對比分析車輛的排放特征。試驗(yàn)結(jié)果表明：液化天然氣車較之混合動力車的一氧化碳排放有較大下降，氧化氮排放較為接近，而碳?xì)浠衔锱欧胚h(yuǎn)高于混合動力巴士；總體而言，LNG 車三種污染排放因子隨著車速的增加而不斷減少，但三種污染物排放速率卻隨著車速和加速度的變化增減不一；混合動力車因其純電動起步模式和加速時(shí)采用電機(jī)輔助驅(qū)動，使得其三種污染物在15～20 km/h 排放達(dá)到最佳，在加速度為 0 時(shí)一氧化碳和碳?xì)浠衔锱欧胚_(dá)到最大值，而氧化氮在加速度 0.5 m/s2附近達(dá)到最大。

LNG；混合動力；排放；試驗(yàn)研究

X 734.2

A

1 引 言

目前，機(jī)動車的尾氣排放已經(jīng)成為影響城市空氣質(zhì)量的最重要污染源之一。同時(shí)，我國的能源越來越緊缺，2013 年中國原油進(jìn)口 28195萬噸，對外依存度上升至 57.39%，石油安全形勢進(jìn)一步加?。?］。液化天然氣（Liquefied NaturalGas，LNG）車和混合動力汽車有效地緩解了環(huán)境與能源的問題。 近年來，深圳市作為清潔能源示范性城市大力推廣 LNG、混合動力和純電動汽車的使用。深圳某公共汽車有限公司提供的數(shù)據(jù)顯示：截至 2013 年，該公司共有公交巴士 3908輛，其中混合動力巴士 526 輛，純電動巴士 76輛，LNG 巴士 50 輛。而近 5 年深圳購買的公交巴士又以 LNG 巴士、混合動力巴士及純電動巴士三種為主，因此，針對 LNG 和混合動力巴士排放的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)和科學(xué)意義。

目前國內(nèi)外不少專家學(xué)者對 LNG 車和混合動力車輛的排放進(jìn)行了研究，如澳大利亞的 Beer等［2］對清潔能源車輛在道路工況下排放的研究和美國社會汽車工程師［3］對混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車的排放進(jìn)行比較等；國內(nèi)葛蘊(yùn)珊學(xué)者對 LNG發(fā)動機(jī)排放顆粒物粒徑分布特性進(jìn)行研究［4］，學(xué)者李孟良、王領(lǐng)輝等分別對混合動力車的排放特性及油耗特性等進(jìn)行了研究［5，6］。但總體而言，對 LNG 車和混合動力車在實(shí)際道路工況下排放規(guī)律的研究較為匱乏。通過學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，LNG、混合動力車與傳統(tǒng)能源車輛排放特性有較大差異，由于各個城市道路、環(huán)境等相差較大，其排放影響也較大，因此在深圳市實(shí)際道路工況下對 LNG 和混合動力巴士的排放特性進(jìn)行了研究。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 測試系統(tǒng)

研究采用美國 Sensors 公司生產(chǎn)的SEMTECH-DS 車載排放分析儀，在城市道路上進(jìn)行選定車型的排放測試。試驗(yàn)原理如圖 1 所示，測試車輛排放的廢氣經(jīng)過排氣管后由連接管道全部進(jìn)入廢氣流量計(jì)測量廢氣的總流量和排氣溫度，廢氣流量計(jì)內(nèi)部的取樣管對廢氣進(jìn)行取樣，并傳遞給車載排放分析儀進(jìn)行分析。同時(shí)，安裝在車輛上的溫度濕度計(jì)和 GPS 分別對環(huán)境空氣的溫度、濕度以及測試車輛的行駛速度進(jìn)行測量，并將信號傳遞給車載排放分析儀。與車載排放分析儀相連的筆記本電腦可以進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)零、標(biāo)定和監(jiān)控，并收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)車輛

本研究采用的測試巴士為深圳市最為普遍使用的混合動力巴士和 LNG 巴士，混合動力巴士裝配最大功率為 136 kW 的發(fā)動機(jī)和最大功率為90 kW 的驅(qū)動電機(jī)，LNG 巴士和普通柴油巴士分別采用最大功率為 191 kW 和 192 kW 的發(fā)動機(jī)，測試巴士的具體參數(shù)如表 1 所示。

圖1 測試系統(tǒng)簡圖Fig. 1 Test system diagram

表1 測試車輛參數(shù)Table 1 Test vehicle parameters

2.3 試驗(yàn)方法

本研究的試驗(yàn)方法采用道路工況法進(jìn)行實(shí)際行駛工況測試，試驗(yàn)道路選擇深圳市具有代表性的混合型道路深南路作為測試線路。測試從世界之窗起始到上步南路為止，全長約 15 公里。測試線路如圖 2 所示。

圖2 測試路線Fig. 2 Test line

3 排放特征分析

3.1 排放速率分析

排放速率是指單位時(shí)間內(nèi)機(jī)動車污染物的排放量。排放速率是最直觀的機(jī)動車排放結(jié)果，是從機(jī)理上分析排放特征并進(jìn)行排放模擬的有效表現(xiàn)形式。

研究對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)間統(tǒng)計(jì)，以 5 km/h 為間隔，將數(shù)據(jù)劃分為怠速（速度為 0）、（0， 5］、…、（65， 70］和＞70 等共 16 個區(qū)間，分別求取區(qū)間內(nèi)的一氧化碳（CO）、氧化氮（NOx）和碳?xì)浠衔铮℉C）的平均排放速率。LNG 巴士和混合動力巴士的排放數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)整理后如圖 3 所示。

圖3 各種污染物的排放速率特性Fig. 3 Characteristics of emission rates of three pollutants

由圖 3（a）可見，隨著車速上升，LNG 巴士的 CO 的排放逐漸增加，但在（5， 10］區(qū)間后相對比較平穩(wěn)，表現(xiàn)為開始時(shí)排放低而后排放較平穩(wěn)的特征。主要原因可能是在低速時(shí)特別是在怠速附近時(shí)，燃料供給少，生成的 CO 也較少?；旌蟿恿Π褪康?CO 排放總體呈現(xiàn)出隨車速上升而增加的趨勢，在（0， 20］區(qū)間保持相對穩(wěn)定，而在（20，30］區(qū)間有一個小的瞬間排放尖峰。主要原因可能是在 20 km/h 之前只有驅(qū)動電機(jī)參與驅(qū)動車輛，而20 km/h 后，發(fā)動機(jī)啟動參與直接驅(qū)動車輛且給予電池充電，導(dǎo)致 CO 排放突然增加，隨著車速繼續(xù)增加、負(fù)荷增加，CO 排放也隨之增加。

圖 3（b）為 NOx的排放速率曲線，從圖可看出，隨著車速的上升，LNG 的 NOx排放增加較為明顯，主要原因是車速不斷提高，車輛的燃燒溫度隨之升高，NOx的排放量也增加。混合動力巴士在怠速和低速區(qū)間（0～20 km/h ），NOx排放量保持穩(wěn)定，主要原因亦為混合動力巴士在該速度區(qū)間采用純電動驅(qū)動模式，因而混合動力巴士發(fā)動機(jī)燃燒室溫度相對較低，NOx排放較少，且增加不明顯。在混合動力巴士發(fā)動機(jī)開始接替驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)對車輛的直接驅(qū)動之后，發(fā)動機(jī)溫度急劇上升，且車輛加速相對激烈而驅(qū)動模式的切換中可能存在不夠平順的情況，導(dǎo)致 NOx排放出現(xiàn)較高的峰值。之后隨著負(fù)荷增大，發(fā)動機(jī)和電機(jī)同時(shí)對車輛直接驅(qū)動，使得發(fā)動機(jī)負(fù)荷有所下降并且發(fā)動機(jī)運(yùn)行更加平順，導(dǎo)致 NOx排放下降。

從圖 3（c）可看出，LNG 巴士的 HC 排放在怠速附近較低，可能是因?yàn)榈∷贂r(shí)所供給的燃料較少所致。但在（5， 10］區(qū)間達(dá)到最大值后，HC排放隨速度增加而下降。造成該情況的主要原因可能是，在低速時(shí)燃燒溫度較低，影響了燃點(diǎn)為650℃ 的混合氣的燃燒和火焰?zhèn)鞑?，這時(shí) HC 排放較多，而隨著溫度的上升，燃燒狀況變好，HC 排放減少?；旌蟿恿Π褪?HC 排放與混合動力巴士 CO 排放趨勢相似，但不同之處是在（20，30］區(qū)間并未出現(xiàn)瞬間排放尖峰，主要原因是在純電動驅(qū)動階段，即低速階段，發(fā)動機(jī) HC 排放保持穩(wěn)定。發(fā)動機(jī)直接參與驅(qū)動后，隨著車速的增加，發(fā)動機(jī)負(fù)荷不斷增加，燃燒逐漸惡劣，HC 持續(xù)上升。

3.2 排放因子分析

基于行駛里程的排放因子是考察行駛一段距離或完成一個工況的平均排放因子，即機(jī)動車行駛每公里的排放污染物量。這是一種非常直觀的表示方法，但缺點(diǎn)是不能表示汽車處于怠速模式下的排放情況。

與排放速率對數(shù)據(jù)劃分一樣，以 5 km/h 為間隔，將數(shù)據(jù)劃分 15 個區(qū)間，求取區(qū)間內(nèi)的 CO、NOx和 HC 的平均排放因子。LNG 巴士和混合動力巴士的排放數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)整理后如圖 4 所示。

從圖 4 的三個圖可以看出，LNG 車的 CO、NOx和 HC 排放因子隨著車速的增加而明顯減小。其中，CO 排放和 HC 排放下降過程無明顯的波動，而 NOx在下降過程中出現(xiàn)一定波動。主要原因是：LNG 車富氧燃燒，CO 排放和 HC 排放較為穩(wěn)定，下降規(guī)律較為明顯；NOx排放出現(xiàn)波動，可能是因?yàn)?LNG 車在該區(qū)間加減速和換擋較頻繁。

從圖 4 中還可看出，與 LNG 巴士相同，混合動力巴士低速時(shí)三種污染物排放因子下降較快，主要原因是車速較低，單位里程所耗時(shí)間隨車速增加而減少，因此車速越高，排放因子越低?？傮w而言，混合動力車輛 CO 排放較 LNG車輛大，與排放速率一樣在（20， 30］區(qū)間有一個小的瞬間排放尖峰，原因亦相同，即發(fā)動機(jī)突然參與直接驅(qū)動車輛。從圖中亦可以看出，混合動力車輛 CO 排放最低為（15， 20］區(qū)間，也就說明在發(fā)動機(jī)突然參與直接驅(qū)動車輛前，CO 排放達(dá)到最低?；旌蟿恿囕v NOx排放較 LNG 車輛略小，與 CO 排放相同，在（20， 30］區(qū)間有一個瞬間排放尖峰，但隨后 NOx排放不斷下降，說明與CO 和 HC 相比，NOx排放因子增加幅度小，使單位里程 NOx排放隨著車速不斷下降。

而混合動力車輛 HC 排放遠(yuǎn)低于 LNG 車 HC排放，混合動力車輛 HC 排放開始隨著車速增加而下降，與 CO 排放相似，在（15， 20］區(qū)間附近達(dá)到最低值。而后平穩(wěn)增加，但未出現(xiàn)瞬間排放尖峰，主要原因?yàn)榘l(fā)動機(jī)參與直接驅(qū)動車輛導(dǎo)致HC 排放增加，與由于發(fā)動機(jī)突然參與驅(qū)動導(dǎo)致CO 猛增而出現(xiàn) CO 瞬間排放尖峰不同，燃油增加的幅度較為平穩(wěn)，HC 增加的幅度也較為平穩(wěn)。

3.3 加速度特性分析

為了進(jìn)一步分析加速度對 LNG 車和混合動力車排放因子的總體影響。根據(jù)深圳市 LNG 車和混合動力車的實(shí)際行駛工況，將加速度分為9 個加速度區(qū)間，分別為：D4＜-1.0 m/s2≤D3＜-0.7 m/s2、-0.7 m/s2D2＜-0.4 m/s2、-0.4 m/s2≤D1＜-0.1 m/s2、-0.1 m/s2≤Z≤0.1 m/s2、0.1 m/s2＜A10.4 m/s2、0.4 m/s2≤A20.7 m/s2、0.7 m/s2＜A3≤1.0 m/s2和 1.0 m/s2＜A4。圖 5 分別給出了 LNG 車和混合動力車CO 、NOx和 HC 的加速度特性。

圖4 各種污染物排放因子特性Fig. 4 Characteristics of emission factors

圖5 各種污染物加速度特性Fig. 5 Acceleration characteristics of emissions

圖 5（a）顯示，當(dāng) LNG 車加速度為負(fù)時(shí)，CO排放較小，且當(dāng) LNG 車加速度為 0 時(shí)，即車輛勻速時(shí)，LNG 車 CO 排放速率接近最低。這是因?yàn)樵趧蛩贂r(shí)，燃燒較為穩(wěn)定，導(dǎo)致 CO 排放速率接近最低。而混合動力車 CO 排放速率在勻速和小幅度加速時(shí)達(dá)到最大值。這是因?yàn)榛旌蟿恿囋诩铀俟r時(shí)，電力系統(tǒng)參與驅(qū)動汽車，因此加速瞬間未增加發(fā)動機(jī)的負(fù)荷，甚至有可能減輕發(fā)動機(jī)的負(fù)荷，從而出現(xiàn)加速度增加時(shí) CO 排放下降。

從圖 5（b）看出，LNG 車在加速度為負(fù)時(shí)和加速度為 0 時(shí)，NOx排放較小，主要原因是怠速時(shí)溫度較低，NOx排放少，因此拉低了勻速時(shí)NOx的排放量。而又由于車輛高速時(shí)速度相對較為平穩(wěn)，加速度相對較小，這導(dǎo)致 NOx排放量在加速度較小時(shí)達(dá)到最大值。與 LNG 車相類似，混合動力車在加速度較小時(shí)達(dá)到最大值，而加速度較大時(shí)和加速度為負(fù)時(shí)，NOx排放較小。

而圖 5（c）則看出 LNG 車 HC 排放隨著加速度的增加而不斷增加，特別是加速度為正時(shí)，HC 排放增加幅度更大。這是因?yàn)榧铀俣仍黾訒r(shí)燃料供給突然增加，未燃燒的燃料增加導(dǎo)致 HC排放增加。而混合動力車 HC 排放與其 CO 排放相類似，由于加速時(shí)電力系統(tǒng)參與驅(qū)動電機(jī)，減輕了發(fā)動機(jī)負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致在勻速附近 HC 排放達(dá)到最大值。

3.4 排放總量分析

為了能夠掌握 LNG 車和混合動力車的總體污染狀況，以目前常用的普通柴油大巴為參考車型，對所排放的三種污染物進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6 所示。從圖中可以看出，LNG 車 CO 平均排放因子遠(yuǎn)小于普通柴油巴士和混合動力車。其中，普通柴油車巴士 CO 平均排放因子為 LNG 巴士的 11 倍左右，混合動力巴士 CO 平均排放因子約為 LNG 巴士的 5 倍。主要原因在于混合動力車電力系統(tǒng)參與工作，而 LNG 車燃點(diǎn)高于柴油燃點(diǎn)，從而導(dǎo)致混合動力車 CO 排放小于普通柴油車。

圖6 不同類型車輛各種污染物平均排放因子Fig. 6 Average emission factors of different types of vehicles

從 NOx平均排放因子來看，混合動力巴士與LNG 巴士較為接近，但都高于普通柴油巴士，這是因?yàn)槠胀ú裼蛙噹в?EGR。

從 HC 平均排放因子來看，LNG 車遠(yuǎn)高于普通柴油巴士和混合動力車。其中，LNG 車 HC 平均排放因子分別為普通柴油巴士的 135 倍和混合動力車的 15 倍。這是因?yàn)?LNG 車所供給的燃料為氣體，相對于液態(tài)的柴油燃料，LNG 混合氣更不均勻。

4 結(jié) 論

通過以上的研究，得出以下的結(jié)論：

（1）LNG 巴士 CO 排放速率在速度為 0 附近時(shí)較低，從（5， 10］區(qū)間開始相對比較平穩(wěn)，其NOx隨著車速的增加而快速增加，其 HC 排放在速度為 0 附近時(shí)較低，在（5， 10］區(qū)間達(dá)到最大值，之后排放速率逐漸減小；混合動力巴士的CO、NOx和 HC 排放速率在（15， 20］區(qū)間之前保持穩(wěn)定，而后 CO 和 NOx出現(xiàn)排放尖峰，尖峰之后 CO 不斷增加，NOx則減少，HC 排放速率在（15， 20］區(qū)間后隨著速度不斷增大，未出現(xiàn)排放尖峰現(xiàn)象。

（2）LNG 車 CO、NOx和 HC 排放因子都隨著車速的增加而下降，但 NOx在下降過程中有波動；混合動力車輛 CO 和 HC 排放在（15， 20］區(qū)間附近達(dá)到最低值，NOx在該區(qū)間也達(dá)到一個較低值，因此在發(fā)動機(jī)直接參與驅(qū)動車輛前為混合動力車排放最佳區(qū)域。

（3）由于電力系統(tǒng)參與工作，混合動力大巴CO 和 HC 最大排放值出現(xiàn)在加速度為 0 附近，NOx最大值則出現(xiàn)在加速度較小時(shí)；LNG 車則在加速度為 0 時(shí) CO 達(dá)到最小值，其 NOx最大值在（0.4， 0.7］區(qū)間，而 HC 排放則隨著加速度的增加而不斷增加。

（4）混合動力車 CO 排放小于普通柴油車，LNG 車 CO 平均排放因子小于普通柴油車和混合動力車；LNG 車和混合動力車 NOx平均排放因子相近，且大于普通柴油大巴；LNG 車 HC 排放量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)柴油大巴和混合動力大巴。

［1］ 中財(cái)網(wǎng). 2013 年中國原油對外依存度達(dá)到 57.39% ［EB/OL］. ［2014-11-11］. http://www.cfi.net.cn/ p20140123000497.html.

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［3］ SAE-J2711-2002. Recommended practice for measuring fuel economy and emissions of hybridelectric and conventional heavy-duty vehicle ［S］.

［4］ 劉志華， 葛蘊(yùn)珊， 丁焰. 柴油機(jī)和 LNG 發(fā)動機(jī)排放顆粒物粒徑分布特性研究 ［J］. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2009， 27（6）: 518-522.

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Experimental Research on the Emission Characteristics of Liquefied Natural Gas and Hybrid Bus in Shenzhen

The emission experiments of LNG （Liquefied Natural Gas） bus and Hybrid bus on urban roads were carried out with high-precision mobile emission tester. Then the vehicles’ emission characteristics were analyzed. Experimental results show that the CO emission of the LNG vehicle is less than that of the hybrid vehicle， and NOxemissions are relatively close to each other， while the HC emission of the LNG bus is far higher than that of the hybrid bus. Three emission factors of LNG vehicle decrease with the increase of speed， but the emission rates are different with the change of speed and acceleration. Due to the mode of pure electric start and motor auxiliary accelerating of the hybrid bus， the emissions of the three pollutants achieve the least at the speed of 15-20 km/h， and CO and HC emissions reach their maximums at the acceleration of 0 while the NOxemission reach its maximum at the acceleration of around 0.5 m/s2.

LNG； hybrid； emission； experiment

GAO Mourong HUANG Wenwei SUN Longlin WAN Xia
（ Shenzhen Polytechnic， Shenzhen 518055， China ）

2014-11-7

2014-11-11

深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技基金（2213k3100003）

高謀榮（通訊作者），副教授，研究方向?yàn)槠嚺欧排c控制技術(shù)、道路交通污染控制技術(shù)，E-mail：mourong@szpt.edu.cn；黃文偉，教授，研究方向?yàn)槠嚺欧排c控制技術(shù)、新能源汽車技術(shù)；孫龍林，講師，研究方面為汽車排放與控制技術(shù)、汽車政策研究；萬霞，講師，研究方面為汽車排放與控制技術(shù)、汽車電子技術(shù)。