在用環(huán)衛(wèi)車燃用F-T柴油的排放特征

朱仁成，鮑曉峰，解淑霞，劉澤民，李宇飛

1.南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇 南京　210016 2.中國環(huán)境科學研究院，國家環(huán)境保護機動車污染控制與模擬重點實驗室，北京　100012

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在用環(huán)衛(wèi)車燃用F-T柴油的排放特征

朱仁成1,2，鮑曉峰2*，解淑霞2，劉澤民2，李宇飛2

1.南京航空航天大學能源與動力學院，江蘇 南京210016 2.中國環(huán)境科學研究院，國家環(huán)境保護機動車污染控制與模擬重點實驗室，北京100012

為開展柴油車替代燃料示范應用工作，通過3輛國Ⅳ環(huán)衛(wèi)車整車轉鼓試驗，詳細考察了分別燃用京Ⅴ柴油和費托合成(F-T)柴油時的體積油耗和尾氣排放特征。通過道路試驗驗證了在實際工作狀態(tài)下15輛在用環(huán)衛(wèi)車的體積油耗和排氣煙度變化情況。轉鼓試驗結果表明：與京Ⅴ柴油相比，F(xiàn)-T柴油的體積油耗增加1.2%～4.7%，但CO2排放量減少了0.2%～3.3%；CO、總碳氫(THC)排放水平較低，變化幅度不大；NOx和PM排放量均有大幅降低，分別降低了14.8%～47.2%和46.5%～55.0%。道路驗證試驗結果表明：燃用F-T柴油時所測環(huán)衛(wèi)車的體積油耗平均增加4.8%，排氣煙度平均下降28.9%。F-T柴油是較好的車用替代補充燃料。

費托合成(F-T)柴油；柴油車；燃油經(jīng)濟性；排放特性

機動車污染對人體健康的影響備受關注，長期暴露于受污染空氣中不但易引發(fā)肺癌、動脈硬化、支氣管炎等疾病[1]，還會增加嬰兒先天畸形等風險[2]。因此，機動車污染已成為目前亟待解決的環(huán)境問題。另外，隨著汽車工業(yè)迅猛發(fā)展，我國石油對外依存度急劇上升[3-4]?！?014年國內(nèi)外油氣行業(yè)發(fā)展報告》[5]顯示，我國凈進口石油3.08億t，對外依存度高達59.5%，石油安全成為我國能源安全領域的核心問題。因此，發(fā)展清潔替代燃料，不但能降低機動車污染還能緩解我國石油對外依賴程度。

費托合成(F-T)柴油是以煤炭、天然氣或生物質等為原料，經(jīng)F-T反應合成的一種柴油替代燃料[6]。研究表明[7-10]，F(xiàn)-T柴油因具有硫和芳烴含量低、十六烷值高等特性，可有效改善發(fā)動機的燃燒狀況，降低尾氣中CO、CO2、PM及非常規(guī)氣態(tài)物質排放。因此，結合我國“富煤、少油、有氣”的能源結構特征，發(fā)展F-T柴油是解決石油短缺、平衡能源結構和改善機動車污染的有效途徑之一[11]。

隨著汽油機技術的改進和三元催化器凈化效率的提高，柴油車對城市大氣污染貢獻率日益凸顯，已成為機動車污染領域的重點控制對象[12]。以北京市為例，2013年柴油車僅占機動車保有量的4.3%，而NOx和PM排放量卻占汽車總排放量的50%和90%以上[13]。近年來，隨著機動車污染物排放標準的不斷加嚴，環(huán)衛(wèi)、公交和物流等柴油車的減排也面臨較大壓力[14]。因此開展城市柴油車的排放控制研究對改善城市空氣質量具有一定現(xiàn)實意義。

目前，有關F-T柴油的研究多集中于發(fā)動機臺架上，如黃勇成等[15]在柴油機臺架上開展了不同含量F-T柴油對其燃燒特性的影響，結果表明，隨著F-T柴油比例的增加，其燃燒放熱峰值、燃燒持續(xù)時間、缸內(nèi)燃燒壓力和平均溫度等均有明顯變化。Gowdagiri等[7]在輕型柴油機上研究認為，F(xiàn)-T柴油還可有效降低尾氣中的CO、總碳氫(THC)等排放。除此之外，劉立東等[16-19]證實F-T柴油可有效降低尾氣中顆粒物等排放，但對NOx排放影響并不一致。考慮到發(fā)動機臺架測試是在相對理想條件下的模擬試驗，并不能完全反映車輛燃用F-T柴油時的實際道路排放情況，胡志遠等[3]考察了柴油轎車以F-T柴油為燃料的整車排放情況，結果表明，汽車尾氣污染物排放水平得到改善，且可降低產(chǎn)生氣溶膠、酸化等環(huán)境影響的潛力。與普通柴油相比，F(xiàn)-T柴油具有相對較高的十六烷值、基本不含硫和芳烴等特性，在噴油策略不作調(diào)整情況下，F(xiàn)-T柴油也適合在城市環(huán)衛(wèi)、公交等柴油車上使用，但有關F-T柴油在這些污染較嚴重的城市車輛上的推廣應用研究相對較少。

為配合2014年中國APEC會議期間空氣質量保障工作，環(huán)境保護部門在北京市進行了柴油替代燃料示范應用工作。筆者以18輛在用環(huán)衛(wèi)車為研究對象，對其中3輛進行整車轉鼓試驗，在發(fā)動機不作調(diào)整情況下，分別添加京Ⅴ柴油和F-T柴油，評價其燃油消耗和尾氣排放特征。對其余15輛環(huán)衛(wèi)車進行整車道路驗證試驗，考察其實際工作中分別燃用2種柴油時的體積油耗和排氣煙度特征。

1　設備及方案

1.1試驗設備

1.2試驗車輛與燃油

試驗共選取符合國Ⅳ排放標準的大功率垃圾壓縮車6輛、小功率垃圾壓縮車6輛和清掃車6輛，所有試驗車輛均裝配有選擇性催化還原(SCR)后處理系統(tǒng)，行駛里程為3萬～6萬km。以上3種車型各選取了1輛具代表性的車輛進行整車轉鼓試驗，分別用H1、H2和H3表示，其主要參數(shù)如表1所示。

表1　整車轉鼓試驗車輛的主要技術參數(shù)

其余15輛試驗車輛進行道路驗證試驗，與H1相同車型的5輛大功率垃圾壓縮車用S1、S2、S3、S4和S5表示，與H2相同車型的5輛小功率垃圾壓縮車用S6、S7、S8、S9和S10表示，與H3相同車型的5輛清掃車用S11、S12、S13、S14和S15表示。

試驗燃油為市售京Ⅴ柴油和F-T柴油2種，其中試驗所用F-T柴油為純F-T柴油和普通柴油按一定比例混合而成。2種試驗柴油的主要理化指標如表2所示。

圖2　試驗方案流程Fig.2　Test procedure of the experiment

1.3試驗方案

首先，對H1、H2和H3環(huán)衛(wèi)車燃用京Ⅴ柴油進行整車轉鼓試驗，根據(jù)GBT 27840—2011《商用車燃料消耗量測量方法》[20]進行體積油耗(Q)測試，同時對THC、CO、CO2、NOx和PM排放量進行測試，平行有效測試3次，取平均值。測試完成后，將油箱內(nèi)的京Ⅴ柴油放空，改加F-T柴油行駛約200 km后，再放空油箱，然后添加F-T柴油重復上述測試。其中，Q采用容積法確定，按式(1)進行計算。

(1)

式中：Q為體積油耗，L(100 km)；V為燃料消耗量(體積)測量值，L；α為燃料容積膨脹系數(shù)，0.003℃；T0為基準溫度，20 ℃；TF為燃料平均溫度，℃；D為試驗期間的實際行駛距離，km。

試驗采用的C-WTVC循環(huán)是以世界統(tǒng)一的商用車輛瞬態(tài)循環(huán)(WTVC)為基礎，調(diào)整加速度和減速度后形成的駕駛循環(huán)。該C-WTVC循環(huán)運行時間1 800 s，累積行駛20.51 km，其具體時間-速度關系如圖1所示。

圖1　中重型商用車C-WTVC循環(huán)曲線[20]Fig.1　C-WTVC cycle for medium and heavy-duty commercial vehicles

對其余15輛柴油車進行整車道路驗證試驗，測量實際工作過程中的體積油耗和排氣煙度。試驗前14 d添加京Ⅴ柴油，記錄其總的行駛里程及燃油消耗量，并依據(jù)GB 3847—2005《車用壓燃式發(fā)動機和壓燃式發(fā)動機汽車排氣煙度排放限值及測量方法》規(guī)定的自由加速試驗方法測試其排氣煙度〔以光吸收系數(shù)(K)表示，全文同〕。每輛車添加京Ⅴ柴油后的第7和14天分別進行1組煙度排放測試，每組平行有效測試3次；后14 d更換為F-T柴油進行同樣操作測試。試驗期間18輛車運行正常，狀況基本良好，未進行任何維修。具體試驗方案如圖2所示。

2　結果與分析

2.1整車轉鼓試驗

2.1.1體積油耗和CO2排放特性

圖3為H1、H2和H3試驗車分別燃用京Ⅴ柴油和F-T柴油時的體積油耗及CO2排放對比情況。由圖3(a)可知，與京Ⅴ柴油相比，燃用F-T柴油時3輛環(huán)衛(wèi)車的體積油耗均有所增加，增幅分別為1.2%、4.7%和1.3%。這與文獻[21]的輕型柴油車整車試驗體積油耗升高約3%的結論相一致。F-T柴油體積油耗略高，一方面是因為F-T柴油單位體積的熱值(3.54 MJL)與京Ⅴ柴油(3.57 MJL)相比較低，要得到相同的熱量，F(xiàn)-T柴油的體積消耗量較大；另一方面3輛環(huán)衛(wèi)車均采用普通柴油進行標定，而本試驗使用F-T柴油測試時未對柴油車噴油控制系統(tǒng)進行任何修正，可能會導致F-T柴油十六烷值高等優(yōu)點不能得到充分發(fā)揮[22]。

圖3　燃用2種柴油的體積油耗和CO2排放特性Fig.3　Comparison of fuel consumptions and CO2 emissions with F-T and commercial diesels

由圖3(b)可知，與京Ⅴ柴油相比，3輛試驗車燃用F-T柴油時，CO2排放量有所下降。車輛H1和H3的CO2排放量分別降低了3.0%和3.3%，而H2的變化卻不明顯，這與Ushakov等[10]在發(fā)動機臺架試驗得出的CO2排放量下降約4%和Bermúdez等[23]在輕型柴油車上試驗得到的CO2排放量下降2.4%相一致。與京Ⅴ柴油相比，F(xiàn)-T柴油CO2排放量降低與柴油消耗量增加并不矛盾，這是因為F-T柴油含碳量(HC為2.13)低于普通柴油(HC為1.86)，在一定程度上降低了CO2排放量[15,23]；另外可能與F-T柴油具有相對較高的燃燒效率有關[11]。

2.1.2CO和THC排放特性

CO和THC均是缸內(nèi)燃油不完全燃燒的產(chǎn)物，與燃燒質量和負荷密切相關。H1、H2和H3試驗車分別燃用京Ⅴ柴油和F-T柴油時，CO和THC排放情況如圖4所示。

圖4　燃用2種柴油氣態(tài)污染物CO和THC排放特性Fig.4　Comparison of gaseous emissions with F-T and commercial diesels

由圖4可知，CO、THC排放水平較低，分別為0.60～2.23和0.45～0.62 gkm。清掃車H3燃用F-T柴油時的CO和THC排放量均有所下降，與文獻報道[8,11,16]相一致。車輛H1、H2的CO和THC排放規(guī)律并不一致，如H1燃用F-T柴油時CO排放量升高了32.2%，而THC排放量與京Ⅴ柴油相當；H2則相反。可能的原因是：1)F-T柴油的餾程溫度低于京Ⅴ柴油，噴出后蒸發(fā)較快，產(chǎn)生過濃區(qū)的可能性降低，燃燒相對充分，導致F-T柴油THC和CO排放量較低[11]；2)試驗車輛排放受C-WTVC測試循環(huán)中的高速工況影響較大，因為燃油滯燃期隨負荷增大而減小，F(xiàn)-T柴油的滯燃期相比京Ⅴ柴油降幅較大，在高負荷時，F(xiàn)-T柴油易出現(xiàn)滯燃期過小，蒸發(fā)混合時間縮短，過濃區(qū)增大問題，導致CO和THC排放量增加[18]。Vicente等[18,24]通過試驗證明，與普通柴油相比，低負荷工況下F-T柴油的CO、THC排放量降低，高負荷工況下CO、THC排放量略有增加。不同車輛技術和測試工況時，上述兩方面影響因素的主導地位可能不同，導致燃用F-T柴油后CO和THC排放量變化趨勢略有差異。

2.1.3PM和NOx排放特性

圖5對比了H1、H2和H3試驗車輛分別燃用京Ⅴ柴油和F-T柴油時的PM、NOx排放情況。

圖5　燃用2種柴油PM和NOx排放特性Fig.5　Comparison of PM and NOx emissions with F-T and commercial diesels

由圖5可知，F(xiàn)-T柴油可同時降低PM和NOx的排放量。3輛車的PM排放量降幅分別為55.0%、46.5%和53.1%，NOx排放量降幅分別為47.2%、32.7%和14.8%，與王鳳濱等[8,17,19,21,25]的試驗結果基本一致。PM排放量與燃料中HC、硫及芳烴含量有密切關系，而F-T柴油HC高、硫和芳烴含量低的特征有助于降低PM排放量[26]。相比京Ⅴ柴油，試驗車燃用F-T柴油時，NOx排放量有所降低，其主要與F-T柴油的組成和理化性質有關，如F-T柴油十六烷值高，壓縮著火性能較好，且滯燃期縮短，使得F-T柴油在缸內(nèi)燃燒較為柔和，降低了最高燃燒溫度，利于減少NOx排放量[27]。對比圖5(a)和圖5(b)可知，顆粒物排放量較高的車輛，其NOx排放量則較低，這可能是顆粒物和NOx之間“trade-off”關系引起的[27-28]。

2.2整車道路驗證試驗

為評價環(huán)衛(wèi)車在實際工作運行中燃用F-T柴油的油耗水平及排放特性，進行了整車道路驗證試驗，通過體積油耗測試和自由加速煙度測試來表征其燃油經(jīng)濟性和顆粒物排放特征。煙度測試方法采用在用車進行年檢的標準測試方法，雖不能準確測量試驗車輛顆粒物排放的質量和數(shù)量，但通過樣本統(tǒng)計分析，仍可顯示其中的變化規(guī)律。

2.2.1體積油耗

圖6是15輛環(huán)衛(wèi)車在實際工作運行時分別燃用京Ⅴ柴油和F-T柴油時的體積油耗對比情況。

注：基于成對雙樣本均值分析，P<0.05。圖6　燃用2種柴油的體積油耗對比Fig.6　Comparison of the fuel consumption of the fleet fueled with F-T and commerical diesels

由圖6可知，燃用F-T柴油前后，15輛試驗車的體積油耗變化趨勢并非完全一致，這是由于車輛在實際運行中司機駕駛習慣、路況、車況及工作負荷等多因素綜合作用的結果。總體來看，該車隊燃用F-T柴油的體積油耗高于京Ⅴ柴油，平均升高4.8%；對2組體積油耗數(shù)據(jù)進行基于成對雙樣本均值分析，得出P<0.05，說明實際運行中2種柴油的體積油耗具備統(tǒng)計學差異。這一試驗結果與整車轉鼓試驗結果基本一致。

2.2.2煙度排放

不透光煙度與柴油車尾氣顆粒物排放量具有直接關系，在不具備機動車尾氣顆粒物數(shù)量和質量測量條件時，可以選擇易于測量的不透光煙度來反映機動車顆粒物排放情況[22]。英國車輛與經(jīng)營者服務局(VOSA)依據(jù)經(jīng)驗總結了K與歐洲排放標準之間的對應關系[29]，通過該對應關系可對車輛是否符合排放標準進行預判。

注：基于成對雙樣本均值分析，P<0.05。圖7　燃用2種柴油的煙度排放對比Fig.7　Comparison of the opacity values of the fleet fueled with F-T and commerical diesels

圖7是15輛環(huán)衛(wèi)車先后使用京Ⅴ柴油和F-T柴油時煙度排放情況對比。由圖7可知，15輛試驗車燃用F-T柴油后K均有所下降，降幅為4.0%～42.6%，平均下降28.9%，低于黃勇成等[11,18]在發(fā)動機臺架上得出的試驗結果，但與Ushakov等[10,24]在重型柴油機上得出的結果相一致?；诔蓪﹄p樣本均值分析得出P<0.05，說明使用2種燃料的尾氣煙度排放值具有顯著性差異。這與整車轉鼓試驗測得PM排放量顯著下降趨勢相一致。K下降原因與PM相似，主要是因為F-T柴油硫含量和芳烴含量低，十六烷值高，且擴散燃燒速度較快有助于抑制炭煙的生成[11,18,27]。從圖7還可以看出，燃用京Ⅴ柴油時，除S13、S14和S15外，其余車輛均能滿足等價的歐Ⅳ標準，其中有6輛車還可以滿足等價的歐Ⅴ標準；而燃用F-T柴油時，大部分車輛均可滿足等價的歐Ⅴ標準。說明試驗車輛燃用F-T柴油可以顯著改善尾氣顆粒物排放，更易滿足較嚴格的排放法規(guī)標準。

3　結論

(1)在不作任何調(diào)整情況下，試驗車輛燃用F-T柴油時CO2排放略有降低，NOx、PM排放均有大幅度降低，降幅分別為14.8%～47.2%和46.5%～55.0%；但CO和THC排放變化趨勢不明顯。

(2)試驗車輛燃用F-T柴油時，可顯著降低尾氣煙度排放，平均降幅可達28.9%左右；但體積油耗略有升高。

(3)使用F-T柴油作為試驗車燃料時，尾氣排放情況整體優(yōu)于京Ⅴ柴油，說明F-T柴油是一種良好的車用替代補充燃料。

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Emission Characteristics of In-use Sanitation Trucks Fueled with F-T Diesel

ZHU Rencheng1,2, BAO Xiaofeng2, XIE Shuxia2, LIU Zemin2, LI Yufei2

1.College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China 2.State Environmental Protection Key Laboratory of Vehicle Emission Control and Simulation, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

To carry out application demonstration of alternative fuel for diesel vehicles, the drum tests were conducted with 3 sanitation trucks meeting Euro Ⅳ, and the fuel consumption and emission characteristics of vehicles respectively fueled with the Beijing Ⅴ diesel and the fischer-tropsch (F-T) diesel were investigated. The variations of the fuel consumption and smoke emission under the actual running conditions were verified through the road tests with 15 sanitation trucks. The drum test results indicated that compared to the Beijing Ⅴ diesel, the fuel consumption with F-T diesel increased by 1.2%-4.7% and the CO2emissions decreased by 0.2%-3.3%. The mission levels of CO and total hydrocarbon (THC) were low and had little variation, while the NOxand particulate matter (PM) emissions were reduced significantly by 14.8%-47.2% and 46.5%-55.0%, respectively. The road test showed that when fueled with the F-T diesel, the fuel consumption slightly increased, by approximately 4.8%, and the smoke opacity decreased obviously, by approximately 28.9%. In conclusion, the F-T diesel should be a fine supplementalalternative diesel fuel in China.

fischer-tropsch (F-T) diesel; diesel vehicle; fuel economy; emission characteristics

2016-03-09

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2014AA06A503)；國家環(huán)境保護公益性行業(yè)科研專項(201409021)

朱仁成(1989—)，男，博士，主要從事機動車污染控制技術研究，zhurencheng2006@163.com

*責任作者：鮑曉峰(1957—)，男，首席研究員，博士，主要從事車用燃料及添加劑、機動車污染控制理論和控制方法、汽車和發(fā)動機性能研究，baoxf@craes.org.cn

X701

1674-991X(2016)05-0413-07

10.3969j.issn.1674-991X.2016.05.061

朱仁成，鮑曉峰，解淑霞,等.在用環(huán)衛(wèi)車燃用F-T柴油的排放特征[J].環(huán)境工程技術學報,2016,6(5):413-419.

ZHU R C, BAO X F, XIE S X, et al.Emission characteristics of in-use sanitation trucks fueled with F-T diesel[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(5):413-419.