不同排放階段公交車燃用生物柴油的排放特性

李 勇 李 仲 于全順 凌 建 秦建蕓

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

大氣污染的防治已經(jīng)成為當(dāng)前國內(nèi)環(huán)保治理的最主要任務(wù)之一，而移動(dòng)源排放作為大氣污染大戶越來越受到政府和社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。移動(dòng)源排放中，重型柴油車的尾氣排放占了很大比例，是主要的NOx和PM污染源。據(jù)2014年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，柴油車數(shù)量僅占汽車總量的14.1%，但卻貢獻(xiàn)汽車排放中的69.2%的NOx排放和99%的PM排放。有研究表明，上海市重型車保有量只占機(jī)動(dòng)車總保有量5.5%，但其中NOx和PM的貢獻(xiàn)率高達(dá)65%和56%[1-2]。因此控制重型柴油車的尾氣排放成為目前大氣保護(hù)的研究重點(diǎn)之一。

目前市場(chǎng)上已經(jīng)存在多種降低重型柴油車排放的技術(shù)，但多數(shù)是通過發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化或增加尾氣處理裝置來完成，通過燃料技術(shù)完成的較少。但通過結(jié)構(gòu)更改和增加后處理的方法來減排，前期投入較大，收益周期較長，短時(shí)間無法抑制排放污染。

生物柴油是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂，動(dòng)物油脂及廢棄油脂等為原料通過酯交換工藝制成的甲酯或乙酯燃料[3]。與傳統(tǒng)的石化柴油相比，生物柴油具有十六烷值高，芳香烴含量低，揮發(fā)性低和燃料分子中含氧原子等特點(diǎn)，是一種理想的柴油替代燃料[4]。本研究采用混合一定比例（5%）的生物柴油的車用京VI柴油作為燃料，研究其對(duì)重型柴油車尾氣排放的影響。

1 試驗(yàn)樣機(jī)與試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)采用2個(gè)車型，共6輛柴油公交車，國IV、國V各3輛。試驗(yàn)車1～3為滿足國IV排放的公交車，試驗(yàn)車4～6為滿足國V階段排放的公交車。表1為試驗(yàn)用車主要技術(shù)參數(shù)。

表1 試驗(yàn)用車主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)用燃料共3種分別為：京VI柴油，國V柴油以及在京VI柴油中摻混5%餐飲廢油制成的生物柴油B5燃料。

2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備包括底盤測(cè)功機(jī)與全流尾氣排放檢測(cè)設(shè)備。底盤測(cè)功機(jī)為德國MAHA公司生產(chǎn)的ECDM-72H型重型轉(zhuǎn)鼓：軸距調(diào)節(jié)范圍為3.2～8 m，載荷模擬范圍為3.5～49 t，最大模擬車速為130 km/h。全流尾氣排放設(shè)備為HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA-7000的定容采樣分析儀。包括用于檢測(cè)NOx的化學(xué)發(fā)光分析儀（CLD）、檢測(cè)HC的氫火焰離子分析儀（FID）、檢測(cè)CO與CO2的不分光吸收型分析儀（NDIR）以及檢測(cè)PM的顆粒取樣設(shè)備、微克天平和稱重間，可以滿足重型車國IV、國V及國VI各個(gè)階段排放標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)要求。

3 試驗(yàn)方案

選取6輛裝配有柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的公交車，國IV和國V階段各3輛進(jìn)行不同燃料（國V、京VI、B5共3種燃料）的排放對(duì)比試驗(yàn)。測(cè)試分3個(gè)階段進(jìn)行：分別在初始狀態(tài)、行駛5 000 km后與行駛10 000 km后進(jìn)行。試驗(yàn)的測(cè)試循環(huán)采用C-WTVC測(cè)試循環(huán)的城市部分。更換燃料試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行預(yù)處理，并讓車輛充分預(yù)熱。

由于公交車在城市中行駛隨機(jī)性強(qiáng)，道路排放測(cè)試的結(jié)果難以體現(xiàn)足夠的對(duì)比性，因此采用在轉(zhuǎn)轂臺(tái)架使用C-WTVC循環(huán)中的城市工況部分模擬實(shí)際道路情況進(jìn)行試驗(yàn)[5-6]。C-WTVC城市工況循環(huán)是模擬重型車在城市路況下運(yùn)行的工況，運(yùn)行時(shí)間為900 s，全程為5.73 km，平均速度22.92 km/h。最大速度66.2 km/h。C-WTVC城市工況循環(huán)中怠速、加速以及勻速所占比例分別在20%～30%，與實(shí)際公交行駛時(shí)的路況基本一致，可以滿足試驗(yàn)需求。

為盡量減少因駕駛習(xí)慣引起的誤差，每次轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)均使用同一駕駛員完成。每次試驗(yàn)跑3次測(cè)試循環(huán)，取3次測(cè)試循環(huán)結(jié)果的算術(shù)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。圖1為C-WTVC測(cè)試循環(huán)曲線。

圖1 C-WTVC測(cè)試循環(huán)

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 NO x排放

圖2為試驗(yàn)車燃用不同種類燃料的NOx排放結(jié)果。從排放結(jié)果中可以看出：對(duì)于不同階段排放的發(fā)動(dòng)機(jī)來說燃用京VI柴油和國V柴油對(duì)于NOx的排放并不存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，且NOx排放因子差異較小，因此可以確定試驗(yàn)車燃用京VI柴油和國V柴油對(duì)于車輛的NOx排放影響不大。

當(dāng)以B5生物柴油作為燃料時(shí)，試驗(yàn)車均出現(xiàn)NOx排放因子增大的情況。由于車輛運(yùn)行在城市工況下，出現(xiàn)頻繁啟停及加速情況。車輛起動(dòng)或加速時(shí)，循環(huán)供油量快速上升。但由于柴油機(jī)增壓系統(tǒng)響應(yīng)慢于電控燃油供給系統(tǒng)，造成了進(jìn)氣量延遲的情況，缸內(nèi)空燃比下降，未達(dá)到NOx最易生成的富氧環(huán)境。生物柴油作為一種含氧燃料，在缸內(nèi)燃燒室可以提供一定的氧，間接提高空燃比造成富氧環(huán)境。同時(shí)，生物柴油的熱值較高，滯燃期較長，有利于提升最高燃燒溫度，有助于NOx的形成[7]。

試驗(yàn)車運(yùn)行5 000 km后，NOx排放因子均有所增大。這是由于車輛經(jīng)過長時(shí)間道路行駛，充分的磨合，燃燒更加充分。因此NOx排放相比于初始里程有少量增加。10 000 km后NOx排放因子的增量與5 000 km相比變化較小，車輛運(yùn)行情況穩(wěn)定。

圖2 試驗(yàn)車輛NO x排放因子對(duì)比

4.2 CO排放

圖3 為試驗(yàn)車燃用不同種類燃料的CO排放結(jié)果。從排放結(jié)果中可以看出：試驗(yàn)車燃用國V柴油產(chǎn)生的CO多于燃燒京VI柴油產(chǎn)生的CO。京VI柴油中多環(huán)烷烴少于國V柴油，使用京VI柴油的車輛缸內(nèi)燃燒更加充分，因此產(chǎn)生的CO的量要小于使用國V柴油的車輛。

對(duì)比B5柴油與京VI柴油對(duì)CO排放因子，從結(jié)果中可以看出，試驗(yàn)車燃用B5柴油的CO排放因子較小。CO是燃油不完全燃燒產(chǎn)生的，試驗(yàn)車在城市工況測(cè)試循環(huán)中經(jīng)常出現(xiàn)啟停、加減速工況，瞬間循環(huán)油量增大，造成缸內(nèi)氧含量低，容易產(chǎn)生CO。生物柴油作為含氧燃料，可以在燃油燃燒時(shí)提供額外的氧，使燃油燃燒更加完全，從而降低CO的排放。而且氧的增加也減小了CO2被還原成CO的可能性，從而進(jìn)一步降低CO排放。

圖3 試驗(yàn)車輛CO排放因子對(duì)比

試驗(yàn)車運(yùn)行5 000 km后，CO排放因子有所減小。這是由于車輛經(jīng)過充分的磨合，燃燒更加充分，因此CO排放相比于初始里程有少量減小。10 000 km后CO排放與5 000 km相比并未增加，車輛運(yùn)行情況穩(wěn)定。試驗(yàn)車3的CO因子出現(xiàn)了增大，考慮其在試驗(yàn)中油耗、煙度同時(shí)增加，判斷其油嘴磨損較大，造成油量比初始里程增加從而引起了CO排放因子增大。

4.3 HC排放

圖4為試驗(yàn)車燃用不同種類燃料的HC排放結(jié)果。從排放結(jié)果中可以看出：對(duì)于不同階段排放的發(fā)動(dòng)機(jī)來說燃用京VI柴油和國V柴油對(duì)于HC的排放并不存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，且HC排放因子差異較小，因此可以確定試驗(yàn)車燃用京VI柴油和國V柴油對(duì)于車輛的HC排放影響不大。

對(duì)比B5柴油與京VI柴油對(duì)HC排放因子的影響，可以發(fā)現(xiàn)使用B5柴油的車輛的HC排放因子要比使用京VI柴油車輛的HC排放因子要小。HC是燃油裂解后未完全燃燒產(chǎn)生的，試驗(yàn)車在測(cè)試循環(huán)低速情況較多，混合氣較稀薄，缸內(nèi)溫度較低，容易產(chǎn)生HC。測(cè)試循環(huán)中頻繁出現(xiàn)的啟停工況，會(huì)造成瞬時(shí)循環(huán)油量的增加，缸內(nèi)空燃比較低，也容易產(chǎn)生HC。生物柴油作為含氧燃料，可以在燃油燃燒時(shí)提供額外的氧，燃燒比較充分，使燃油裂解后的HC鏈燃燒更加完全從而降低HC的排放。

圖4 試驗(yàn)車輛HC排放因子對(duì)比

試驗(yàn)車運(yùn)行5000km后，HC排放因子有所減小。這是由于車輛經(jīng)過充分的磨合，燃燒更加充分，因此HC排放相比于初始里程有少量減小。10 000 km后HC排放與5 000 km相比并未增加，車輛運(yùn)行情況穩(wěn)定。

4.4 PM排放

圖5為試驗(yàn)車燃用不同種類燃料的PM排放結(jié)果。從排放結(jié)果中可以看出：對(duì)于不同階段排放的發(fā)動(dòng)機(jī)來說燃用京VI柴油和國V柴油對(duì)于PM的排放呈現(xiàn)相反趨勢(shì)，考慮到國IV柴油機(jī)與國V柴油機(jī)存在標(biāo)定策略差異，因此無法判斷燃料差異是否有關(guān)聯(lián)。

對(duì)比B5柴油與京VI柴油對(duì)PM排放因子的影響，可以發(fā)現(xiàn)使用B5柴油的車輛的PM排放因子要比使用京VI柴油車輛的PM排放因子要小。PM的主要來源是未燃燒完全的柴油受熱脫氫形成的soot顆粒，在柴油機(jī)空燃比較低時(shí)容易生成。試驗(yàn)車輛所用測(cè)試循環(huán)為城市工況，啟停工況較多，因此缸內(nèi)循環(huán)供油量大，空燃比低，燃燒較為惡劣，十分容易生成PM。生物柴油是含氧燃料，含氧量接近10%。在燃燒時(shí)提供額外的氧，提高缸內(nèi)的空燃比，使燃燒更加充分。而且由于生物柴油在缸內(nèi)的分布與京VI柴油的分布濃稀趨勢(shì)基本相同，可以提升油氣過濃區(qū)域的氧含量，改善燃燒。綜上，生物柴油由于含有一定的氧，可以改善缸內(nèi)燃燒，降低PM的排放。

圖5 試驗(yàn)車輛PM排放因子對(duì)比

5輛試驗(yàn)車運(yùn)行5 000 km后，PM排放因子有所減小。這是由于車輛經(jīng)過充分的磨合，燃燒更加充分，因此PM排放相比于初始里程有少量減小。10 000 km后HC排放與5 000 km相比并未增加，車輛運(yùn)行情況穩(wěn)定。試驗(yàn)車3的PM排放因子出現(xiàn)了增大，考慮其在試驗(yàn)中CO同時(shí)增加，判斷其噴孔可能增大，造成油量比初始里程增加從而引起了PM排放因子增大。

5 結(jié)論

1）國IV、國V車輛燃用國V和京VI柴油對(duì)于排放沒有明顯的改善。

2）車輛燃用摻混5%生物柴油的NOx排放因子與燃用純京VI柴油相比出現(xiàn)了增大。

3）燃用摻混5%生物柴油的京VI柴油的車輛，PM、HC與CO的排放因子與純京VI柴油相比出現(xiàn)了不同程度的減小。

4）經(jīng)過10 000 km耐久的燃用生物柴油的車輛，排放性能并未出現(xiàn)較大波動(dòng)，生物柴油對(duì)于車輛燃油系統(tǒng)與后處理系統(tǒng)無不良影響。