重型柴油車在高海拔條件下使用生物柴油的整車性能研究

李 博 郭 勇 顏 燕 高忠明 沈穎剛 呂 勃

（1-中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300 2-昆明理工大學(xué)3-云南盈鼎生物能源股份有限公司）

引言

純生物柴油是由動植物油通過酯化反應(yīng)得到的主要由脂肪酸甲酯（FAME）組成的代用燃料，脂肪酸甲酯與石化燃料在一定范圍內(nèi)按照體積比例摻混，在不改變發(fā)動機(jī)原有結(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)石化燃料進(jìn)行燃燒工作[1]。與傳統(tǒng)石化柴油相比，生物柴油屬于可再生能源，目前主要以菜籽油、玉米油、花生油及大豆油等植物油或地溝油作為原材料通過脂交換制備[2]。大量文獻(xiàn)研究表明，生物柴油的含氧特性在控制發(fā)動機(jī)原排污染物方面具有積極作用，尤其對CO 和HC 排放的降低較為明顯。然而基于其分子結(jié)構(gòu)的含氧特性，使用生物柴油的車輛NOx污染物排放或在一定程度有所增加。綜合其可再生能源優(yōu)勢和部分減排特征，再結(jié)合目前國內(nèi)環(huán)保部門的減排政策日趨嚴(yán)格，生物柴油或?qū)⒆鳛閭鹘y(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛的新型替代燃料，從發(fā)動機(jī)機(jī)內(nèi)燃燒控制方面解決重型柴油車輛的污染問題。此外，生物柴油的潤滑性能較傳統(tǒng)柴油將有所改善，使用生物柴油對發(fā)動機(jī)燃油供給系統(tǒng)和燃燒相關(guān)零部件的潤滑具有一定的積極作用。

目前國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和高校針對生物柴油開展的相關(guān)發(fā)動機(jī)臺架性能試驗(yàn)研究較多，然而在高海拔條件的整車性能研究幾乎為零。本文以高海拔環(huán)境為試驗(yàn)背景，針對3 組油品的整車排放性、動力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了重復(fù)性比對測試，得到B0（國六標(biāo)準(zhǔn)柴油）、B5 和B10 生物柴油的整車性能結(jié)果，如結(jié)果顯示生物柴油[3-5]的使用在整車經(jīng)濟(jì)性和動力性表現(xiàn)良好而排放污染物降低，那么生物柴油在高原環(huán)境下的應(yīng)用至少會有兩點(diǎn)益處，一則改變該地區(qū)車用柴油的能源結(jié)構(gòu)比例，減緩石化柴油消耗，二則使地溝油被合理利用，避免地溝油非法流入餐桌。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 油品理化特性

本次試驗(yàn)使用B0（國六標(biāo)準(zhǔn)柴油），B5（國六標(biāo)準(zhǔn)柴油添加5%生物柴油）和B10（國六標(biāo)準(zhǔn)柴油添加10%生物柴油）3 種油品進(jìn)行比對測試，首先對3種油品的理化特性進(jìn)行了測試，油品指標(biāo)特性如表1所示。

表1 油品理化特性

從油品理化特性可以看出，與國六石化柴油相比，B5 和B10 生物柴油的十六烷值相對降低，因生物柴油十六烷值與其脂肪酸甲酯的含量關(guān)系呈正比，并且不同原料成分制備的生物柴油十六烷值差異都有所不同[6-7]，本次使用同一生物柴油分別配比B5 和B10 生物柴油，因此兩者的十六烷值相差不大。此外，從潤滑性能結(jié)果對比來看，B5 和B10 生物柴油的潤滑性能變好，但運(yùn)動粘度有所增加，這也符合一般生物柴油的理化特征。

1.2 試驗(yàn)車輛參數(shù)

本試驗(yàn)采用國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的一輛國五排放標(biāo)準(zhǔn)的倉柵式運(yùn)輸車作為樣本，試驗(yàn)前檢查車輛工作狀態(tài)良好無故障，為對比不同油品燃燒后的發(fā)動機(jī)原排，試驗(yàn)前發(fā)動機(jī)廠家對其SCR 后處理系統(tǒng)禁止噴射，詳細(xì)車輛參數(shù)如表2 所示。

表2 試驗(yàn)車輛參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法依據(jù)和試驗(yàn)設(shè)備

1.3.1 試驗(yàn)方法

本次實(shí)際道路排放和動力經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)方法分別依據(jù)重型車國五車載排放標(biāo)準(zhǔn)HJ857-2017 和營運(yùn)貨車燃油消耗量限值及測量方法JT/T 719-2016，試驗(yàn)車輛狀態(tài)均為滿載。

排放測試在實(shí)際道路上進(jìn)行，分別按照市區(qū)10%、市郊10%和高速80%的時間比例進(jìn)行[8]。每組油品進(jìn)行3 次重復(fù)性試驗(yàn)，每種油品的最終排放結(jié)果取3 次測量結(jié)果算術(shù)平均值，為排除試驗(yàn)路線不同對測量結(jié)果的影響，9 次排放試驗(yàn)均為同一路線。排放試驗(yàn)結(jié)束后，立即進(jìn)行該油品的動力性和經(jīng)濟(jì)性測試，試驗(yàn)選擇在無社會車輛的長度約2 km 的平直道路上進(jìn)行，分別進(jìn)行等速40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h 和80 km/h 測試，速比為1 的擋位下的50 km/h～70 km/h 的加速測試以及怠速測試，每種油品等速點(diǎn)和加速點(diǎn)共往返4 次測試，怠速測試3次，計算得到各速度點(diǎn)的百公里油耗值后，對其進(jìn)行大氣壓力、溫度和濕度修正，最終得到每組油品的等速、加速和怠速工況百公里綜合油耗值[9]。

1.3.2 試驗(yàn)環(huán)境和設(shè)備

試驗(yàn)所在地平均海拔2 000 m 左右，平均環(huán)境溫度16.9℃，平均大氣壓力80.0 kPa，平均濕度36.4%，整個試驗(yàn)過程中天氣晴朗，路面干燥。

試驗(yàn)使用AVL LIST 公司的AVL MOVE 便攜式車載排放測試設(shè)備對車輛污染物CO、CO2、NO2、NOx、THC 和PN 進(jìn)行測試，采用天津艾特公司生產(chǎn)的YT-1500 汽車道路試驗(yàn)系統(tǒng)對車輛的等速和加速時間、距離進(jìn)行測試，等速點(diǎn)和加速點(diǎn)車輛油耗采用碳平衡法進(jìn)行計算[10]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 整車排放特性

針對整體工況（市區(qū)、市郊和高速工況）和低速工況（市區(qū)和市郊工況）的排放污染物分別進(jìn)行了計算。

2.1.1 整體工況

圖1 為整體工況PN 比排放。

圖1 整體工況PN 比排放

對比整個道路工況的PN 比排放發(fā)現(xiàn)，相對B0柴油，B5 和B10 生物柴油的使用車輛整體PN 比排放均有降低，B5 生物柴油的PN 總比排放為3.61E+13#/（kW·h），降幅19.95%。主要因?yàn)樯锊裼秃酰诎l(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒過程中通過其分子結(jié)構(gòu)中的-OH來氧化碳煙或直接氧化芳烴前驅(qū)物從而降低柴油機(jī)的顆粒物數(shù)量，這點(diǎn)對于使用DPF 后處理的國六車輛，可以減緩顆粒捕集器的背壓上升從而增加其再生周期。

圖2 為整體工況NOx比排放，圖3 為全工況NO2比排放。

NOx排放結(jié)果為SCR 后處理禁噴后的發(fā)動機(jī)原排，因此其比排放值較國五法規(guī)限值要高。與B0 柴油相比，B5 生物柴油的NOx總比排放增加0.94%，B10 生物柴油的NOx總比排放反而降低0.20%，但整體而言，采用2 種生物柴油的NOx排放變化不大。而NO2總比排放均呈現(xiàn)下降趨勢，B10 生物柴油的NO2總比排放為0.902 g/（kW·h），比B0 柴油降低了8.21%。

圖2 整體工況NOx比排放

NOx排放變化可以從2 個方面進(jìn)行解釋。首先生物柴油的運(yùn)動粘度較普通柴油增加，那么在相同供油條件下，噴入缸內(nèi)的燃油前期蒸發(fā)量相對較少，從而形成的可燃混合氣偏少，同時生物柴油的燃燒特性導(dǎo)致其滯燃期短，2 種因素共同導(dǎo)致生物柴油的預(yù)混燃燒比例比普通柴油低。從該角度分析本可以降低NOx排放，然而生物柴油的含氧特性決定其高溫燃燒有利于NOx污染物的形成。因此生物柴油的NOx生成最終取決于多種因素的綜合影響，所以2種生物柴油的使用車輛NOx總比排放有增有減。

圖4 為全工況CO 比排放，圖5 為全工況THC比排放。

圖4 全工況CO 比排放

圖5 全工況THC 比排放

從整個工況的CO 和THC 比排放來看，B5 和B10 生物柴油對CO 和THC 的降低效果明顯，針對CO 排放，B5 生物柴油降低23.18%，B10 生物柴油降低25.89%，針對THC 排放，B5 生物柴油降低53.97%，B10 生物柴油降低71.43%。主要因?yàn)樯锊裼秃酰變?nèi)燃燒過程有利于CO 和未燃HC 的進(jìn)一步氧化。

2.1.2 低速工況

圖6 為低速工況PN 比排放。

圖6 低速工況PN 比排放

從低速工況的PN 污染物比對結(jié)果來看，B5 和B10 生物柴油對其降幅更加明顯，從圖6 對比數(shù)據(jù)可見B10 生物柴油總比排放為3.17E+13#/（kW·h）。因市區(qū)和市郊工況發(fā)動機(jī)大多運(yùn)行在中低轉(zhuǎn)速的中小負(fù)荷區(qū)域，缸內(nèi)燃燒不充分，對于B0 柴油PN 排放比全工況整體排放還要高，這點(diǎn)從整體工況和低速工況的B0 柴油PN 比排放比對可以看出，而隨著生物柴油摻混比例在一定范圍內(nèi)的增加，其對柴油機(jī)低速工況顆粒物數(shù)量的改善尤為明顯，B10 生物柴油最大降低了33.88%。

圖7 為低速工況NOx比排放，圖8 為低速工況NO2比排放。

圖7 低速工況NOx比排放

圖8 低速工況NO2比排放

從低速工況的NOx比排放結(jié)果對比來看，B5 和B10 生物柴油的NOx比排放有所增加，與B0 柴油對比分別增加了3.85%和7.75%，因此在低速區(qū)域生物柴油對總的NOx生成較為有利，其含氧特性在低速區(qū)域占主導(dǎo)作用。而NO2均呈降低趨勢，B5 和B10分別降低了6.25%和5.21%。這點(diǎn)與全工況的NOx生成機(jī)理一致，NO2的生成也受幾方面因素的綜合影響。

圖9 為低速工況CO 比排放，圖10 為低速工況THC 比排放。

圖9 低速工況CO 比排放

使用生物柴油，在低速工況條件下B5 和B10 生物柴油的CO 比排放分別降低了35.7%和67.64%，而THC 排放有所增加，可能與低速工況的發(fā)動機(jī)燃燒特性相關(guān)性較大，低速條件下生物柴油的滯燃期略有增加，預(yù)混合氣的形成較多，因此CO 排放明顯降低，而后燃期的減小，使得未燃THC 的氧化不及時，從而造成THC 排放增加。

圖10 低速工況THC 比排放

2.2 整車經(jīng)濟(jì)性和動力性

3 種油品的整車經(jīng)濟(jì)性和動力性試驗(yàn)結(jié)果比對如圖11 所示。

圖11 經(jīng)濟(jì)性和動力性結(jié)果

可以看出，該樣車使用傳統(tǒng)國六柴油的綜合百公里油耗為23.25 L，而使用B5 和B10 生物柴油的百公里綜合油耗分別為23.91 L 和23.37 L，B5 和B10 生物柴油的百公里油耗值比B0 柴油分別增加2.84%和0.50%；動力性測試在直接擋位下50 km/h～70 km/h 加速時間：B0、B5、B10 分別為20.25 s、20.44 s、21.55 s，加速時間比B0 柴油分別增加0.94%和6.36%。從以上比對結(jié)果可以看出，采用生物柴油車輛的綜合燃油經(jīng)濟(jì)性和動力性略有下降，但降幅有限，從絕對值的比對來看，B5 生物柴油百公里油耗僅增加0.66L，B10 的加速時間僅增加1.3 s。

3 結(jié)論

1）生物柴油的含氧特性有利于降低整車PN 排放，全工況條件B5 柴油最多降低了9.95%，低速工況B10 柴油最多降低了33.88%，低速工況的PN 改善作用明顯。

2）生物柴油的含氧特性和運(yùn)動粘度大的特點(diǎn)，對NOx排放污染物的影響屬2 種特性的綜合作用，車輛整體NOx排放變化與摻混比例和生物柴油的分子組成關(guān)系密切。其特性對NO2排放的降低有利，全工況條件B10 柴油最多降低了8.21%，低速工況B5柴油最多降低了6.25%。

3）生物柴油的含氧特性有利于降低整車CO 和THC 排放，針對CO 排放在全工況和低速工況條件下，B10 柴油分別降低了25.89%和67.64%，THC 排放在全工況條件下降低了71.43%。

4）采用B5 和B10 生物柴油后，整車的經(jīng)濟(jì)性和動力性略有下降，但降幅不大，B5 柴油的百公里油耗僅增加0.66 L，50～70 km/h 加速時間B10 柴油僅增加1.3 s，因此B5 和B10 生物柴油應(yīng)用在整車上的動力性和經(jīng)濟(jì)性變化不大。