汽油-天然氣雙燃料汽車高原道路CO2排放特性研究

馬志磊，何超，劉明，鄒浪，張榮柱

(西南林業(yè)大學(xué)汽車與交通學(xué)院，云南 昆明 650224)

中國于2016年9月批準(zhǔn)了“巴黎氣候協(xié)議”，承諾到2030年使CO2排放達(dá)到峰值。中國在2016年1月實施的第四階段乘用車燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)提出，到2020年，乘用車100 km油耗平均目標(biāo)為5.0 L[1]，并計劃在2025年和2030年，乘用車100 km油耗平均值分別達(dá)到4.0 L與3.2 L的標(biāo)準(zhǔn)，減排幅度很大。國外也進一步加嚴(yán)對燃油經(jīng)濟性與溫室氣體排放的要求，歐洲計劃在2021年將基于NEDC工況下的溫室氣體CO2排放控制在95 g/km以內(nèi)，美國計劃在2025年將基于U.S.綜合工況下的CO2排放控制在88.9 g/km以內(nèi)[2]。目前，除交通部門外，工業(yè)、建筑、電力等部門均對中國提前達(dá)到CO2排放峰值且達(dá)到峰值后使排放量下降做出了貢獻[3]。使用天然氣作為發(fā)動機燃料，不僅成本低廉，還能夠有效降低溫室氣體排放，減少石油消耗[4-6]，因此，天然氣作為發(fā)動機替代燃料，已在國內(nèi)很多城市推廣使用[7]。

目前，天然氣汽車的道路排放試驗多在平原地區(qū)進行，針對天然氣公交車的排放試驗表明，CO2排放與行駛工況有很大關(guān)系，低速、加速行駛時的CO2排放因子比高速、勻速行駛時高[8]。對天然氣發(fā)動機工作過程[9]、天然氣汽車臺架試驗[10]、天然氣汽車道路試驗[11-12]顆粒物排放與氣態(tài)污染物研究也多在平原地區(qū)進行?；蛘唠m在高原地區(qū)進行汽車道路排放試驗，但僅把CO2排放量作為使用移動平均窗口法處理污染物的窗口累計數(shù)據(jù)，未對不同海拔條件下的CO2排放特性進行研究[13-14]。中國海拔高于1 000 m的高原地區(qū)占到了國內(nèi)陸地面積的60%，隨著天然氣汽車的推廣，對天然氣汽車在高原地區(qū)的溫室氣體排放特性進行研究很有必要。本研究使用PEMS設(shè)備進行汽油-天然氣雙燃料汽車高原實際道路行駛排放測試，研究不同海拔條件下汽車燃用天然氣和汽油時的CO2排放特性。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備

試驗車輛為一輛原裝汽油-天然氣雙燃料汽車，使用的燃料分別為92號汽油與壓縮天然氣，汽車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗車輛參數(shù)

試驗使用Sensors SEMTECH作為便攜式排放測試系統(tǒng)(PEMS)，試驗設(shè)備連接方法見圖1。PEMS設(shè)備中主要使用的是燃油經(jīng)濟性分析模塊(FEM)與電源分配模塊(PDM)，F(xiàn)EM使用不分光紅外分析法測試經(jīng)流量計采樣的CO2和CO含量，PDM連接獨立于汽車配置的12 V鉛酸蓄電池為各設(shè)備供電。流量計連接排氣管，測試排氣流量，并對尾氣進行采樣送至PEMS。車頂設(shè)置的GPS、氣象站連接至PEMS，采集地理信息與環(huán)境參數(shù)。將發(fā)動機通過車載診斷接口向外發(fā)送的數(shù)據(jù)接入PEMS，采集發(fā)動機運行參數(shù)。PEMS連接一臺試驗用電腦，實時觀測數(shù)據(jù)并進行保存。

圖1 試驗設(shè)備安裝示意

1.2 試驗道路

分別使用天然氣與汽油作為汽車燃料，在云南省選擇了開遠(yuǎn)、彌勒、昆明3個城市進行試驗，3個城市的試驗道路平均海拔分別為1 110 m，1 330 m，1 960 m。參考《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[15]中對實際行駛路線的要求，規(guī)劃試驗道路。

試驗道路分為市區(qū)、市郊、高速3種工況，每種工況下的最小行駛里程為16 km，各工況行駛里程應(yīng)占總行駛里程的34%，33%，33%，各行駛里程占比誤差應(yīng)控制在±10%以內(nèi)，其中市區(qū)工況占比不得低于29%。市區(qū)工況車速控制在60 km/h以內(nèi)，平均車速在15～40 km/h；市郊工況車速控制在60～90 km/h之間；高速工況車速大于90 km/h，并覆蓋90～110 km/h的車速范圍，其中車速高于100 km/h的時間應(yīng)超過5 min，正常情況下車速不應(yīng)高于120 km/h[15]。

試驗地點與線路見圖2，道路基本情況見表2。各城市的行駛里程、里程占比與平均車速符合試驗線路要求。

圖2 不同海拔地區(qū)試驗線路

表2道路試驗基本情況

地區(qū)工況里程/km里程占比/%用時/s平均車速/km·h-1開遠(yuǎn)市區(qū)21.98 30.26 3 60121.98市郊25.57 35.20 1 17978.08 高速25.09 34.53 91698.60彌勒市區(qū)17.6532.723 23119.66市郊18.7734.8087777.04高速17.5232.48610103.39昆明市區(qū)21.46 33.36 3 76320.53市郊24.97 38.81 1 20574.61高速17.91 27.83 68993.56

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 海拔對CO2排放因子的影響

參考《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》中的移動平均窗口法，計算各試驗中滿足窗口條件的CO2排放因子與平均車速，使用移動平均窗口法處理后，將平均車速小于45 km/h的窗口定義為市區(qū)路段，平均車速大于等于45 km/h且小于80 km/h的窗口定義為市郊路段，平均車速大于80 km/h的窗口定義為高速路段[15]。不同海拔城市的窗口CO2排放因子與窗口內(nèi)平均車速的關(guān)系見圖3。由圖3可看出，燃用天然氣時，各車速段的CO2排放因子比燃用汽油時低，天然氣是以甲烷為主要成分的碳?xì)浠衔?，甲烷分子式CH4，汽油分子式CnH1.87n，在相同空燃比的條件下，天然氣燃料中所含的碳原子數(shù)較少，使燃用天然氣行駛時的CO2排放降低。昆明試驗中車速在70～80 km/h范圍附近的CO2排放因子是燃用天然氣時高，主要原因是昆明天然氣道路試驗時，市郊道路車流量稍大，為保證市郊路段的車速滿足測試要求，加速較為頻繁，市郊路段行駛時的發(fā)動機平均功率增加，比汽油道路試驗時高28.0%(見圖4)，CO2排放因子因而升高。

圖3 各城市CO2排放因子

表3列出不同海拔條件下各道路工況的窗口CO2排放因子平均值。參考移動平均窗口法，總行程CO2排放因子按式(1)計算：

(1)

式中：MCO2為總行程CO2排放因子；fu，fr，fm為市區(qū)、市郊、高速道路的份額加權(quán)系數(shù)，分別為0.34，0.33，0.33；MCO2,u，MCO2,r，MCO2,m為市區(qū)、市郊、高速路段的平均CO2排放因子。

圖4 各道路工況發(fā)動機平均功率對比

表3各路段窗口CO2排放因子

試驗地點_燃料類型窗口CO2排放因子/g·km-1市區(qū)市郊高速總行程開遠(yuǎn)_CNG99.23 83.86 70.86 84.80彌勒_CNG116.33 84.07 95.70 98.88昆明_CNG128.32 94.50 122.78 115.33開遠(yuǎn)_汽油120.10 98.32 90.41 103.12彌勒_汽油152.34 100.57 151.54 134.99昆明_汽油189.78 86.37 136.52 138.08

使用天然氣行駛時，市區(qū)、市郊、高速、總行程的CO2排放因子均隨著海拔上升而升高。由于空氣密度隨海拔上升而減小，進入氣缸的氧氣量減少，導(dǎo)致發(fā)動機燃燒性能下降。為克服相同行駛工況下的運行阻力，發(fā)動機負(fù)荷增大，混合氣加濃，使燃燒產(chǎn)生的CO2排放有隨海拔上升而升高的趨勢。使用汽油行駛時，總行程的CO2排放因子也隨著海拔上升而升高，但變化不如使用天然氣時明顯。

用線性回歸方法對使用天然氣時總行程的CO2排放因子與海拔的關(guān)系進行擬合，相關(guān)系數(shù)R為0.97，相關(guān)關(guān)系見式(2)。

MCO2=0.033 8×H+50.166。

(2)

式中：H為海拔。在1 100～2 000 m的海拔區(qū)間，海拔每上升100 m，CO2排放因子升高3.38 g/km。在昆明、彌勒、開遠(yuǎn)3個地區(qū)使用天然氣行駛時，較使用汽油時CO2排放因子分別降低16.47%，26.75%，17.77%， CO2排放因子平均降低20.33%。

將120 km/h以內(nèi)的車速分為6個區(qū)間，分別計算各車速區(qū)間內(nèi)的節(jié)氣門開度平均值和發(fā)動機負(fù)荷平均值，并計算怠速工況下的節(jié)氣門開度平均值和發(fā)動機負(fù)荷平均值，節(jié)氣門開度與發(fā)動機負(fù)荷參數(shù)通過基于SAE J1979協(xié)議的車載診斷接口進行采集。節(jié)氣門開度參數(shù)標(biāo)識(PID)為11(Hex)，發(fā)動機負(fù)荷PID為04(Hex)。其中負(fù)荷定義為當(dāng)前進氣流量與當(dāng)前轉(zhuǎn)速下節(jié)氣門全開時的最大進氣流量之比，并根據(jù)海拔與環(huán)境溫度修正進氣流量，用于指示發(fā)動機在用性能的百分比，點燃式或壓燃式發(fā)動機均可用扭矩替代進氣流量進行計算[16]。節(jié)氣門開度平均值與發(fā)動機負(fù)荷平均值的關(guān)系見圖5，左下角為怠速工況下的節(jié)氣門開度平均值與發(fā)動機負(fù)荷平均值，右上角為車速在100～120 km/h的節(jié)氣門開度平均值與發(fā)動機負(fù)荷平均值。由圖5可看出，隨著海拔升高，最高車速區(qū)間的節(jié)氣門開度逐漸增大，其余各車速區(qū)間的節(jié)氣門開度也有向右移動變大的趨勢。這可看做隨著海拔上升，發(fā)動機動力下降，在相同車速下需要更大的節(jié)氣門開度來滿足汽車行駛的負(fù)荷需求。

圖5 節(jié)氣門開度與發(fā)動機負(fù)荷的關(guān)系

使用天然氣在各海拔地區(qū)行駛時，最高車速區(qū)間的節(jié)氣門開度均比使用汽油時大，說明使用天然氣行駛時，動力比使用汽油時下降，在相同車速下需要更大的節(jié)氣門開度來滿足汽車行駛負(fù)荷需求。

使用對數(shù)回歸擬合圖5中的節(jié)氣門開度平均值與發(fā)動機負(fù)荷平均值的關(guān)系，得到擬合函數(shù)y=aln(x)+b，擬合函數(shù)的系數(shù)與確定系數(shù)R2見表4。除了開遠(yuǎn)天然氣試驗的R2為0.76，其余試驗擬合的R2均高于0.8，擬合程度較好。擬合結(jié)果見圖6。由圖6可看出，在節(jié)氣門開度相同的條件下，隨著海拔上升，負(fù)荷下降。在負(fù)荷相同的條件下，隨著海拔上升，節(jié)氣門開度增大。海拔較低時，發(fā)動機負(fù)荷隨節(jié)氣門打開提升更為迅速；隨著海拔上升，負(fù)荷提升變緩。

表4 擬合函數(shù)系數(shù)

圖6 氣門開度與發(fā)動機負(fù)荷對數(shù)擬合曲線

2.2 海拔對CO2高排放區(qū)域的影響

不同海拔條件下，使用天然氣行駛時的CO2排放因子與車速、負(fù)荷的關(guān)系見圖7。高排放區(qū)域集中在低車速范圍，隨著海拔上升，低車速范圍的高排放區(qū)域向中等車速區(qū)間延伸。低排放區(qū)域集中在高車速、低負(fù)荷范圍，隨著海拔上升，高車速范圍的低排放區(qū)域向小負(fù)荷范圍收縮，高排放區(qū)域自高負(fù)荷區(qū)間向中等負(fù)荷區(qū)間延伸。

車速低于50 km/h時，CO2排放因子主要受車速影響。低車速時，整個負(fù)荷范圍內(nèi)的CO2排放因子均較高，隨著車速升高CO2排放因子迅速降低。車速高于50 km/h時，CO2排放因子主要受負(fù)荷影響，高負(fù)荷時，CO2排放因子較高，隨著負(fù)荷下降CO2排放因子逐漸降低。

圖7 不同海拔下使用天然氣時CO2排放因子與車速、負(fù)荷的關(guān)系

擋位與車速的關(guān)系見圖8，車速在50 km/h以內(nèi)時，主要使用1擋至4擋行駛。隨著車速升高，擋位自1擋上升，此時傳動比迅速下降，單位發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的行駛里程快速上升，相同行駛里程中的發(fā)動機工作循環(huán)次數(shù)減少，使CO2排放因子隨車速升高迅速降低。

車速高于50 km/h時，主要使用5擋行駛，傳動比不變，發(fā)動機單位時間內(nèi)的工作循環(huán)次數(shù)與汽車行駛里程是確定的線性關(guān)系，因此CO2排放因子隨車速變化的趨勢并不明顯，若遇到爬坡、加速工況使發(fā)動機負(fù)荷增加，則CO2排放因子隨負(fù)荷升高逐漸上升。車速進一步上升到100 km/h以上時，空氣阻力功率上升迅速，發(fā)動機負(fù)荷升高，CO2排放因子上升。

圖8 駕駛擋位與車速分布

不同海拔條件下，使用汽油行駛時的CO2排放因子與車速、負(fù)荷的關(guān)系見圖9。由圖9知，使用汽油時的變化規(guī)律與使用天然氣時相似。高排放區(qū)域集中在低車速范圍，隨著海拔上升，高排放區(qū)域向中等車速區(qū)間延伸。低排放區(qū)域集中在高車速、低負(fù)荷范圍。隨著海拔上升，高車速范圍的低排放區(qū)域向小負(fù)荷范圍收縮，高排放區(qū)域自高負(fù)荷區(qū)間向中等負(fù)荷區(qū)間延伸。

使用汽油時，低車速范圍與高車速、高負(fù)荷范圍中的CO2排放因子均比同海拔使用天然氣行駛時的高。CO2排放因子隨車速、負(fù)荷變化的規(guī)律與使用天然氣時一樣，在車速低于50 km/h時CO2排放因子隨車速上升而迅速下降，車速高于50 km/h時CO2排放因子隨負(fù)荷升高而逐漸上升。

圖9 不同海拔下使用汽油時CO2排放因子與車速、負(fù)荷的關(guān)系

3 結(jié)論

a) 在海拔1 100～2 000 m高原地區(qū)使用天然氣行駛時，CO2排放因子較使用汽油行駛平均降低20.33%，可有效減少高原地區(qū)的溫室氣體排放貢獻量；CO2排放因子隨海拔升高而上升，呈較好的線性關(guān)系，使用天然氣行駛時，海拔每上升100 m，CO2排放因子升高3.38 g/km；

b) 相同車速下，使用天然氣比使用汽油時需要更大的節(jié)氣門開度來滿足汽車行駛的負(fù)荷需求，海拔較低時，發(fā)動機負(fù)荷隨節(jié)氣門打開提升更為迅速；隨著海拔上升，負(fù)荷提升變緩，而達(dá)到同樣負(fù)荷時需要更大的節(jié)氣門開度；

c) CO2排放因子的高排放區(qū)域集中在低車速范圍，隨著海拔上升，低車速范圍的高排放區(qū)域向中等車速區(qū)間延伸，低排放區(qū)域集中在高車速、低負(fù)荷范圍，隨著海拔上升，高車速范圍的低排放區(qū)域向小負(fù)荷范圍收縮，高排放區(qū)域自高負(fù)荷區(qū)間向中等負(fù)荷區(qū)間延伸；

d) 車速低于50 km/h時，CO2排放因子主要隨車速升高迅速降低；車速高于50 km/h時，CO2排放因子主要隨負(fù)荷升高而上升；為減少汽車道路行駛排放，在滿足動力性能要求的前提下，應(yīng)盡量快地將擋位換至高擋；高速時，應(yīng)盡量避免急加速等使發(fā)動機負(fù)荷上升較高的行駛工況。