在用國Ⅳ公交車燃用B5生物柴油的排放特性

胡志遠(yuǎn)， 謝亞飛， 譚丕強(qiáng)， 樓狄明

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804)

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在用國Ⅳ公交車燃用B5生物柴油的排放特性

胡志遠(yuǎn)， 謝亞飛， 譚丕強(qiáng)， 樓狄明

(同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804)

摘要：以一輛滿足國Ⅳ排放的柴油公交車為試驗(yàn)樣車，在重型底盤測(cè)功機(jī)上分別進(jìn)行燃用柴油和B5生物柴油的中國典型城市公交車循環(huán)(CCBC)排放特性試驗(yàn)，分析了該車燃用B5生物柴油CCBC循環(huán)的氣態(tài)物和顆粒物排放特性.結(jié)果表明：CCBC循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況主要集中在900～1 100 r·min-1和200～500 N·m，呈明顯的低速、中低負(fù)荷特征；該車燃用柴油和B5低速行駛的總碳?xì)?THC)和NOX、顆粒質(zhì)量(PM)和顆粒數(shù)量(PN)單位里程排放因子較高，高速行駛的CO單位里程排放因子較高.與柴油比較，該車燃用B5的THC和NOX排放增加，CO和PM排放降低，PN排放基本相當(dāng).其中，車輛怠速、中低速加速行駛的THC排放率較高，中低速加速行駛的NOX排放率相對(duì)較高，中高速加速、高速勻速行駛的PN較多是導(dǎo)致該車燃用B5的THC，NOX和PN增加的主要原因.除低、中速加速CO排放較高，低速加速/減速/勻速PM排放率較高之外，其他工況的CO和PM排放降低是導(dǎo)致該車燃用B5的CO和PM降低的主要原因.

關(guān)鍵詞：在用國Ⅳ公交車； B5生物柴油； 中國典型城市公交車循環(huán)； 排放

2015年1月1日起，我國全面實(shí)施國Ⅳ柴油標(biāo)準(zhǔn)，滿足國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的柴油公交車被廣泛用于上海等大城市.由于運(yùn)行環(huán)境的特殊性，公交車處于頻繁起動(dòng)、制動(dòng)、怠速和低速行駛工況，其實(shí)際運(yùn)行工況與ETC工況存在較明顯的差異[1].另一方面，柴油公交車作為城市重要的公共交通工具需要消耗巨大的能源，同時(shí)又產(chǎn)生大量的污染物排放，例如：上海中心城區(qū)公交車氮氧化物(NOX)、顆粒物排放分擔(dān)率分別為37.6%和45%[2].采取措施，實(shí)現(xiàn)在用公交車的節(jié)能減排是目前的研究熱點(diǎn).

生物柴油是以油料作物、廢棄油脂等為原料通過酯交換工藝制成的液體燃料，具有十六烷值高、潤滑性好、可再生性等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，無需改動(dòng)柴油機(jī)可直接使用[5].發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)研究表明：柴油機(jī)燃用生物柴油后的一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、顆粒物(PM)等排放降低，多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon, PAHs)降低且等效毒性下降[6-7].由于公交車實(shí)際道路行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速集中區(qū)域與現(xiàn)階段發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)歐洲瞬態(tài)工況(European Transient Cycle, ETC)循環(huán)工作區(qū)域不完全相同[8-9]，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果不能完全代表車輛的實(shí)際道路排放特性，如何客觀評(píng)價(jià)在用國Ⅳ柴油公交車使用B5的排放特點(diǎn)是亟待解決的問題.

采用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(Portable Emission Measurment System, PEMS)，測(cè)量車輛的實(shí)際道路排放是目前國內(nèi)外學(xué)者評(píng)價(jià)車輛實(shí)際道路排放的主要研究手段之一.Shauna Hallmark[10]等采用PEMS對(duì)公交車進(jìn)行實(shí)際道路CO，HC，CO2和NOX排放測(cè)試，胡志遠(yuǎn)[11]等對(duì)上海市國Ⅳ公交車的實(shí)際道路NOX和顆粒排放特性進(jìn)行了研究，譚丕強(qiáng)[12]等對(duì)公交車燃用生物柴油后主干道、次干道路等不同道路類型的CO，THC，NOX等排放特性進(jìn)行了研究，樓狄明等[13]對(duì)國Ⅳ公交車燃用生物柴油的實(shí)際道路顆粒數(shù)量排放特性進(jìn)行了研究.但是，受試驗(yàn)環(huán)境、路線、駕駛行為的影響，公交車實(shí)際道路排放測(cè)量具有隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，須進(jìn)行大樣本試驗(yàn)才能部分表征車輛的實(shí)際道路排放特點(diǎn).

重型車底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)可以根據(jù)特定的駕駛循環(huán)，在特定的環(huán)境下對(duì)公交車進(jìn)行排放性能試驗(yàn)，具有試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性、一致性和代表性好的特點(diǎn)，可同時(shí)避免發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和車輛實(shí)際道路試驗(yàn)結(jié)果代表不強(qiáng)的缺點(diǎn)，成為國外學(xué)者研究重型車排放和油耗性能的主要手段.Jonathan Burton[14]等利用重型轉(zhuǎn)轂比較紐約循環(huán)(NY Comp)、重型車駕駛循環(huán)(Heavy Heavy-Duty Diesel Truck Drive Cycles, HHDDTT)下重型卡車的排放和經(jīng)濟(jì)性.Muralidharan M[15]等采用ELPI(Electrical Low Pressure Impactor)和煙度計(jì)，在重型車轉(zhuǎn)轂上研究生物柴油公交車燃用B5新德里公交駕駛循環(huán)(Delhi Bus Driving Cycle, DBDC)的煙度和顆粒數(shù)量排放特性.Nigel Clark[16]等比較了公交車燃用生物柴油橘郡循環(huán)(the Orange County Transit Authority Driving Schedule, OCTA)和城市駕駛循環(huán)(the Urban Dynamometer Driving Schedule, UDDS)的經(jīng)濟(jì)性及排放特性.國內(nèi)學(xué)者亦開始利用重型車轉(zhuǎn)轂研究其經(jīng)濟(jì)性、排放性的相關(guān)研究，例如：王燕軍[17]等研究了重型柴油車在重型車實(shí)際道路行駛工況(VECC)循環(huán)和重型商用車瞬態(tài)車輛循環(huán)(China World Transie Vehicle Cycle，C-WTVC)的CO，HC，NOX和CO2排放特性，李騰騰[18]等研究了混合動(dòng)力客車運(yùn)行中國典型城市公交循環(huán)(China City Bus Cycle, CCBC)循環(huán)和C-WTVC排放及油耗.但有關(guān)公交車燃用生物柴油的相關(guān)研究仍為空白.

本文以滿足國Ⅳ排放的柴油公交車為試驗(yàn)樣車，在重型底盤測(cè)功機(jī)上研究該車燃用柴油、柴油-生物柴油混合燃料B5在CCBC循環(huán)的CO，THC，NOX，CO2，PN和PM的排放特性，為客觀評(píng)價(jià)在用國Ⅳ柴油公交車使用B5的排放特點(diǎn)提供參考依據(jù).

1試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)樣車及燃料

試驗(yàn)樣車為一輛滿足國Ⅳ排放的柴油公交車，安裝高壓共軌六缸增壓中冷柴油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1.

試驗(yàn)燃料為柴油、柴油與廢棄油脂制生物柴油按5%體積比混合的柴油-生物柴油混合燃料(B5)，柴油及B5的主要理化指標(biāo)如表2所示.

表2　柴油與B5理化指標(biāo)

1.2試驗(yàn)裝置及循環(huán)

試驗(yàn)裝置包括MAHA-AIP重型底盤測(cè)功機(jī)，日本HORIBA公司OBS-2200氣態(tài)排放測(cè)試儀，芬蘭Dekati公司的靜電低壓沖擊儀ELPI，及FPS-4000稀釋通道等輔助設(shè)備.試驗(yàn)裝置如圖1所示.HORIBA公司OBS-2200包括CO分析計(jì)、CO2分析計(jì)、THC分析計(jì)和NOX分析計(jì)，量程(體積分?jǐn)?shù))分別為0～10%，0～20%，0～10 000×10-6和0～3 000×10-6，其誤差為±2.5%.Dekati公司的ELPI分辯率為1 Hz，量程為7 nm～10 μm，包括12個(gè)通道.Pitot管式流量計(jì)量程為0～20 m3·min-1，流量精度±1.5%.

試驗(yàn)循環(huán)采用GB/T19754-2005推薦的中國典型城市公交車循環(huán)(CCBC)，如圖2所示.為消除駕駛員操作隨機(jī)性因素，試驗(yàn)時(shí)循環(huán)重復(fù)進(jìn)行5次.

圖1　試驗(yàn)裝置示意圖

圖2　中國典型城市公交車循環(huán)

CCBC循環(huán)是在北京、上海和廣州3個(gè)城市公交運(yùn)行工況數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開發(fā)的測(cè)試循環(huán)由怠速、低速、勻速、中速和高速等14個(gè)工況構(gòu)成，運(yùn)行時(shí)間為1 314 s，平均車速為16.16 km·h-1，行駛里程5.89 km.杜愛民[19]等根據(jù)上海市公交車實(shí)際道路行駛數(shù)據(jù)，構(gòu)建了上海市公交駕駛循環(huán)，平均速度15.68 km·h-1，最高車速69.41 km·h-1，最大加速度和減速度為0.5 m·s-2和-0.58 m·s-2，怠速、加速、減速及勻速所占比例分別在20%～30%，行駛里程5.67 km.循環(huán)的工況特征與CCBC循環(huán)基本一致，因此，CCBC循環(huán)可較好反映上海市綜合交通路況.

為更好地對(duì)循環(huán)中的公交車行駛工況進(jìn)行分析，將CCBC循環(huán)劃分為低速、中速和高速行駛?cè)惞r，其中:I類行駛工況表示公交車在城市道路上低速行駛路況，工況時(shí)長222 s，行駛距離0.36 km，平均車速5.85 km·h-1，最高車速21.10 km·h-1；II類代表公交車在城市道路上中速行駛路況，工況時(shí)長708 s，行駛距離3.05 km，平均車速15.48 km·h-1，最高車速51.70 km·h-1，III類代表公交車在城市道路上高速行駛路況，工況時(shí)長384 s，行駛距離2.49 km，平均車速為23.35 km·h-1，最高車速為60 km·h-1.

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)工況

圖3所示為國Ⅳ公交車用柴油機(jī)CCBC循環(huán)的工況分布.可見，CCBC循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況主要集中在900～1 100 r·min-1，200～500 N·m范圍內(nèi)(怠速工況轉(zhuǎn)矩為0，為顯示方便劃分I，II，III類時(shí)將其排除)，呈明顯的低速、中低負(fù)荷特征，與ETC工況的高轉(zhuǎn)速大扭矩特征存在明顯的差異.代表城市低速路況的I類工況點(diǎn)占總循環(huán)的16.90%，分布在600～1 100 r·min-1，80～400 N·m范圍內(nèi)，為低速、低轉(zhuǎn)矩工況；代表城市中速路況的II類工況點(diǎn)占總循環(huán)53.88%，分布在850～1 150 r·min-1，40～550 N·m范圍內(nèi)，亦為低速、低轉(zhuǎn)矩工況，但發(fā)動(dòng)機(jī)的起始轉(zhuǎn)速、最高轉(zhuǎn)矩等升高；代表城市高速路況的III類工況點(diǎn)占總循環(huán)29.22%，分布在950～1 200 r·min-1和150～1 000 N·m范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)矩較I類、II類工況的轉(zhuǎn)矩明顯增大.

圖3　CCBC循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工況特征

2.2污染物排放因子

車輛的單位里程污染物排放因子(g·km-1)表征車輛某個(gè)行駛片段(從怠速到下一個(gè)怠速的行駛過程)以里程計(jì)算的平均污染物排放.表3所示為CCBC循環(huán)下公交車燃用柴油和B5的污染物排放因子.

表3　柴油和B5生物柴油CCBC循環(huán)污染物排放因子

由表3可見，與燃用柴油比較，該公交車燃用B5的CO排放降低2.78%，PM降低5.5%，THC和NOX排放分別升高18.0%和7.9%，PN略有增加.這是因?yàn)橐环矫?，B5生物柴油含氧，在燃燒過程中增加了氧的供給，促進(jìn)燃燒，CO，PM降低，NOX排放增加[20].另一方面，本次試驗(yàn)用生物柴油為餐廚廢棄油脂制取，B5生物柴油的密度和運(yùn)動(dòng)粘度相對(duì)較高，燃料的霧化相對(duì)較差，同時(shí)抗氧化劑的加入也是導(dǎo)致其HC排放增加的可能原因[21].

為進(jìn)一步分析CCBC循環(huán)低速、中速、高速行駛時(shí)公交車燃用柴油和B5生物柴油的污染物排放差異，圖4為國Ⅳ公交車燃用柴油與B5生物柴油CCBC循環(huán)低速(I類)、中速(II類)和高速(III類)行駛時(shí)產(chǎn)生的THC，CO，NOX和顆粒物質(zhì)量(PM)和顆粒物數(shù)量(PN)排放因子.

由圖4a可知，與中高速行駛比較，該公交車燃用柴油和B5時(shí)，低速行駛時(shí)單位里程排放的THC較高.與柴油比較，該公交車燃用B5生物柴油之后，低速行駛工況的THC排放因子升高30.73%，而中速、高速行駛工況的THC排放因子分別升高21.65%和8.92%.這是因?yàn)?，CCBC循環(huán)中，公交車低速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速比例約占60%，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷相對(duì)較低，B5生物柴油密度和動(dòng)力粘度較大，霧化不良導(dǎo)致其THC排放增加.中速、高速行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速較比例較低(分別為25%和23%)，負(fù)荷相對(duì)較高，燃料的霧化相對(duì)較差，對(duì)THC的影響變?nèi)酰锊裼秃鯇?duì)THC降低作用增強(qiáng)，THC排放升高幅度變小.

a THC排放

b CO排放

c NOX排放

d 顆粒數(shù)量排放

e 顆粒質(zhì)量排放

由圖4b可知，公交車燃用柴油和B5時(shí)，高速行駛時(shí)單位里程排放的CO較高.與柴油比較，該公交車燃用B5生物柴油之后，由于B5生物柴油含氧，CO排放因子降低.由圖4c可知，公交車燃用柴油和B5時(shí)，低速行駛時(shí)單位里程排放的NOX較高.與柴油比較，由于B5生物柴油含氧，該公交車燃用B5生物柴油的NOX排放因子增大.

研究表明，柴油機(jī)排氣中存在的微粒粒徑分布范圍幾乎全都在10 μm以下[22].將柴油車排放的顆粒物進(jìn)一步分為PM0.1，PM0.1-0.5，PM0.5-2.5和PM2.5-10四類.由圖4d可知，公交車燃用柴油和B5的顆粒物數(shù)量排放主要為粒徑小于0.1 μm的超細(xì)顆粒，其比例占所有顆粒數(shù)量排放的90%以上，與柴油比較，該公交車燃用B5生物柴油的PM0.1數(shù)量排放增加，PM0.1-0.5，PM0.5-2.5，PM2.5-10數(shù)量排放降低.由圖4e可知，公交車燃用柴油和B5的顆粒物質(zhì)量排放主要為粒徑2.5～10 μm的大顆粒，其比例占所有顆粒質(zhì)量排放的77%以上.與柴油比較，該公交車燃用B5生物柴油的PM2.5-10質(zhì)量排放相對(duì)較低，PM0.5-2.5，PM0.1-0.5，PM0.1質(zhì)量排放略有增加.綜合圖4d和4e可見，由于公交車的最高車速不超過60 km·h-1，公交車燃用柴油和B5低速行駛的單位里程排放的顆粒數(shù)量和質(zhì)量相對(duì)較高，中速行駛排放的顆粒數(shù)量、質(zhì)量排放因子較低.這是因?yàn)?，與氣態(tài)排放物類似，當(dāng)車輛低速、中速、高速行駛時(shí)，燃料的霧化效果與含氧因素交互作用，當(dāng)霧化不良占主導(dǎo)因素時(shí)，車輛的超細(xì)顆粒PM0.1數(shù)量升高及大顆粒PM2.5-10質(zhì)量降低效果不明顯；當(dāng)燃料含氧，促進(jìn)燃燒占主導(dǎo)因素時(shí)，車輛 的超細(xì)顆粒PM0.1數(shù)量增加，大顆粒PM2.5-10質(zhì)量排放降低.

2.3污染物排放率

車輛的單位里程排放因子表征車輛某個(gè)行駛片段以里程計(jì)算的平均污染物排放.為進(jìn)一步分析公交車燃用柴油和B5生物柴油在車輛怠速、勻速、加速、減速等行駛工況的污染物排放特性，根據(jù)公交車的行駛狀態(tài)將CCBC循環(huán)劃分為怠速、加速、勻速、減速等行駛工況區(qū)間，詳細(xì)分析公交車燃用B5生物柴油不同行駛工況的污染排放特性.劃分的行駛區(qū)間如表4所示，a表示加速度，v表示速度.

圖5為公交車燃用柴油和B5生物柴油時(shí)怠速，20 km·h-1以下低速加速、減速、勻速行駛，20 km·h-1～40 km·h-1中速加速、減速、勻速行駛，40 km·h-1以上高速加速、減速、勻速行駛時(shí)，不同行駛工況產(chǎn)生的污染物排放對(duì)CCBC循環(huán)整體排放的貢獻(xiàn)率.

表4　CCBC循環(huán)工況區(qū)間劃分

圖5　公交車燃用柴油和B5不同工況行駛的污染物排放特性

由圖5可見，該公交車燃用柴油和B5生物柴油怠速、低速加速、中速加速行駛時(shí)排放的THC較多，占CCBC 循環(huán)THC總排放量約60%；中速加速、高速加速行駛時(shí)排放的CO較多，占CCBC 循環(huán)CO總排放量約80%；低、中、高速加速行駛時(shí)排放的NOX較多，占CCBC 循環(huán)NOX排放量約66%；高速加速、勻速、減速行駛時(shí)排放的PN較多，占CCBC 循環(huán)PN排放量約50%；中速加速、高速加速、高速勻速行駛時(shí)排放的PM較多，占CCBC 循環(huán)PM排放量約66%.與柴油比較，該公交車燃用B5生物柴油后怠速、低速、中速加速、高速勻速行駛時(shí)THC排放率相對(duì)較高，低、中速加速行駛時(shí)CO排放率相對(duì)較高，怠速、低速加速、中速勻速、高速勻速行駛的NOX排放率相對(duì)較高，低速加速、中速加速、高速加速行駛的產(chǎn)生的PN排放率較高，低速加速、減速、勻速行駛的產(chǎn)生的PM排放率較高.其他工況的THC，CO，NOX，PN和PM排放率與柴油基本相當(dāng)或相對(duì)降低.

3結(jié)論

(1) CCBC循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)工況集中在900～1 100 r·min-1，200～500 N·m范圍內(nèi)，呈明顯的低速、中低負(fù)荷特征，與ETC發(fā)動(dòng)機(jī)工況存在明顯的差異.

(2) 該車燃用柴油和B5生物柴油低速行駛工況的THC單位里程排放因子較高，怠速、低速加速、中速加速行駛時(shí)排放的THC較多.與柴油比較，該公交車燃用B5的THC排放升高18.0%，生物柴油B5低速行駛工況中怠速、中低速加速行駛的THC排放率較高是導(dǎo)致該車燃用B5生物柴油THC增加的主要原因.

(3) 該車燃用柴油和B5生物柴油高速行駛工況的CO單位里程排放因子較高，中速加速、高速加速行駛時(shí)排放的CO較多.與柴油比較，該公交車燃用B5的CO排放降低2.78%，除低、中速加速行駛時(shí)的CO排放率相對(duì)較高外，其他工況的CO排放降低.

(4) 該車燃用柴油和B5生物柴油低速行駛工況的NOX單位里程排放因子較高，怠速、加速、勻速、減速四個(gè)行駛工況中低、中、高速加速行駛時(shí)排放的NOX較多.與柴油比較，該公交車燃用B5的NOX排放升高7.9%，怠速、低速加速、中速勻速、高速勻速行駛的NOX排放率相對(duì)較高是導(dǎo)致該車燃用B5生物柴油NOX增加的主要原因.

(5) 該車燃用柴油和B5生物柴油顆粒物數(shù)量排放主要為PM0.1，顆粒物質(zhì)量排放主要為PM2.5-10.低速行駛工況的PM，PN單位里程排放因子均較高，中高速加速、勻速、減速行駛時(shí)排放的PN較多，中速加速、高速加速、高速勻速行駛時(shí)排放的PM較多.與柴油比較，該公交車燃用B5的PN排放與柴油基本相當(dāng)，PM排放降低5.5%，低速加速、中速加速、高速加速行駛產(chǎn)生的PN排放率較高，除低速加速、減速、勻速行駛工況外，其他工況產(chǎn)生的PM排放率較低.

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Emission Characteristics of an In-use China Four Diesel Bus Fueled with B5

HU Zhiyuan, XIE Yafei, TAN Piqiang, LOU Diming

(College of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：The characteristics of particulate matter and gaseous emission from a China-IV diesel bus burning diesel and biodiesel with 5% blend ratio were tested on heavy chassis dynamometer under China City Bus Driving Cycle (CCBC). The results indicated that the bus working condition under CCBC is mainly during 900～1 100 r·min-1and 200～500 N·m, which shows the characteristics of low speed and middle-low load. The total hydrocarbon(THC), NOX, particulate matter(PM) and particulate number(PN) emission factor of diesel and biodiesel is higher at low speed, while the CO emission factor is higher at high speed. Compared with diesel, the THC and NOX emission of biodiesel is increasing, while the CO and PM emission is decreasing, and the PN emission of B5 is almost the same with diesel. On the working conditions of idle and middle-low speed acceleration the THC emission rate becomes higher, while the NOX emission rate is higher on the working conditions of middle-low speed acceleration. PN emission rate is much higher on the working conditions of middle-high speed acceleration and high uniform speed. That’s the reason why THC, NOX, PN emission rates of B5 increase. Except for the higher CO emission rate during middle-low speed acceleration and higher PM emission during low-speed acceleration, deceleration and uniform speed, CO and PM emission on the other working conditions is lower. That’s the main reason why CO and PM emission of B5 decreases under CCBC.

Key words：in-use China four diesel bus; biodiesel B5; China City Bus Driving Cycle(CCBC); emission

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：U467.1+1

基金項(xiàng)目：上海市科委攻關(guān)計(jì)劃(13DZ1205602)

收稿日期：2015—05—09

第一作者： 胡志遠(yuǎn)(1970—)，男，副教授，博士后，主要研究方向?yàn)槠嚽鍧嵦娲剂?E-mail: huzhiyuan@#edu.cn