郭勇^1,2, 于全顺², 王运静³, 王长园², 李轶³
1. 天津大学机械工程学院, 天津 300072;
2. 中国汽车技术研究中心有限公司, 天津 300300;
3. 中国环境科学研究院, 北京 100012
收稿日期: 2018-05-14; 修回日期: 2018-08-24; 录用日期: 2018-08-24
基金项目: 移动源污染排放控制技术国家工程实验室开放基金（No.NELMS2017A15）
作者简介: 郭勇(1981-), 男, E-mail:guoyong@catarc.ac.cn
通讯作者（责任作者）: 于全顺, E-mail:yuquanshun@catarc.ac.cn

摘要: 使用便携式车载排放测试系统测试了2辆国Ⅵ公交车和2辆国Ⅲ公交车燃用不同燃料的实际道路排放特性和经济性.结果表明，相比于燃用京Ⅵ车用柴油，国Ⅵ公交车燃用B5生物柴油（柴油中掺混5%生物柴油）的CO比排放降低了33.1%，NO_x比排放增加了15.6%，颗粒物数量（PN）比排放降低了13.1%.4辆公交车燃用B5生物柴油的CO排放因子较京Ⅵ车用柴油平均降低了29.5%，NO_x排放因子增加了12.7%，PN排放因子降低了9.1%.通过对CO₂的分析发现，燃用B5生物柴油的排放因子较燃用京Ⅵ车用柴油增加了11.3%，运用碳平衡计算方法计算油耗，并考虑燃油密度的影响，结果发现，燃用B5生物柴油的百公里油耗较燃用京Ⅵ车用柴油增加了11.51%，相差较大，后续需深入研究油品热值等其他理化指标对燃油经济性的影响.
关键词:公交车实际道路排放生物柴油京Ⅵ柴油
Real-road emissions and economy of different fuels for buses
GUO Yong^1,2, YU Quanshun² , WANG Yunjing³, WANG Changyuan², LI Yi³
1. School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072;
2. China Automotive Technology & Research Center Co., Ltd, Tianjin 300300;
3. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012
Received 14 May 2018; received in revised from 24 August 2018; accepted 24 August 2018
Supported by the National Engineering Laboratory Open Fund for Mobile Source Pollution Emission Control Technology (No.NELMS2017A15)
Biography: GUO Yong(1981—), male, E-mail: guoyong@catarc.ac.cn
^*Corresponding author: YU Quanshun, E-mail:yuquanshun@catarc.ac.cn
Abstract: The portable measurement emissions system was used to test the real road emission characteristics and economics of using different fuels for two China Ⅵ buses and two China Ⅲ buses. Based on the vehicle studied in this paper the results show that compared with the use of Beijing Ⅵ diesel, the CO emissions from the use of B5 biodiesel by the China Ⅵ bus decreased by 33.1%, the NO_x increased by 15.6%, and the PN decreased by 13.1%. The CO emission factor of B5 biodiesel for four buses was 29.5% lower than that of Beijing Ⅵ diesel, the NO_x emission factor was increased by 12.7%, and the PN emission factor was reduced by 9.1%. Through the analysis of CO₂, the CO₂ emission factor of B5 biodiesel increased by 11.3% compared with Beijing Ⅵ diesel, and the fuel consumption was calculated by using the carbon balance calculation method. The fuel density were comprehensively considered, and the results showed that the fuel consumption of B5 compared to Beijing Ⅵ was increased by 11.51% over a hundred kilometers, and the overall difference was significant. Subsequent research is needed to study the impact of other physical and chemical indicators such as oil calorific value on fuel economy.
Keywords: busesreal-world emissionsbiodieselBeijing Ⅵ diesel
1 引言(Introduction)随着我国经济的迅速发展, 国内对石油产品的需求量越来越高, 石油进口量也越来越大, 2016年, 我国石油的对外依存度超过65%(赵雪, 2016；吴子龙, 2017).柴油是石油产品中消耗量最大的部分, 目前, 柴油市场的供求矛盾日益突出, 而生物柴油作为一种清洁的可再生资源, 可直接替代或与柴油掺和使用(Agarwal, 2007；葛蕴珊等, 2004；袁银南等, 2003).
国内外许多专家****通过转鼓试验和台架试验对生物柴油的排放特性和经济性进行了研究(Li et al., 2017；覃军等, 2007；Mahmudul et al., 2017).在排放特性方面：生物柴油的使用会使得柴油发动机尾气颗粒物、CO和THC等污染物降低, 而NO_x和CO₂会有不同程度的升高；在经济性方面：生物柴油的使用会使得车辆燃油消耗量不同程度的升高.
现有对机动车燃用生物柴油的排放特性的研究多基于转鼓和台架, 而对于实际道路的排放特性研究较少.因此, 本文从实际道路出发, 对4辆运营公交车选用京Ⅵ车用柴油和B5生物柴油进行PEMS(Portable Emission Measurement System)试验, 对样车排放特性和油耗特性进行系统分析, 以期为生物柴油的推广提供参考.
2 研究方案(Test plan)2.1 试验设备、测试车辆与燃料试验用PEMS设备为美国Sensor公司的Semtech-ECOSTAR重型车便携式车载排放分析仪, 主要由气体和颗粒物分析系统、采样控制系统、排气流量计、全球定位系统(GPS)和气象站组成.设备采用不分光紫外法(NDUV)测量NO和NO₂, 采用不分光红外法(NDIR)测量CO和CO₂, 凝结核粒子计数器法(CPC)测量颗粒物数量, 由于THC的测量需要使用氢离子火焰检测器(FID), 测试期间正值北京召开十九大, 出于安全考虑, 本研究未对THC进行测量.测试车辆选用正常营运的城市公交车, 共计4辆, 车辆参数如表 1所示.试验燃料分别选用京Ⅵ车用柴油和生物柴油混合燃料B5(表 2)两种.
表 1(Table 1)

表 1 车辆参数 Table 1 Vehicle parameters

表 1 车辆参数 Table 1 Vehicle parameters 车辆编号 行驶里程/km 发动机排量/L 发动机最大功率/kW 整备质量/kg 有效载荷/kg 排放水平 后处理技术 1 193794 8.424 243 18000 3500 国Ⅵ DOC+DPF+SCR 2 193681 8.424 243 18000 3500 国Ⅵ DOC+DPF+SCR 3 492200 8.400 228 17500 3500 国Ⅲ 无 4 492054 8.400 228 17500 3500 国Ⅲ 无

表 2(Table 2)

表 2 试验燃料的主要理化指标 Table 2 Physical and chemical indicators

表 2 试验燃料的主要理化指标 Table 2 Physical and chemical indicators 燃油类型 密度/(kg·m-3) 十六烷值 硫含量/(mg·kg-1) 运动粘度/(mm2·s-1) 90%馏出温度/℃ 京Ⅵ车用柴油 828.6 56.5 6.1 4.665 316.1 B5生物柴油 827.3 52.2 7.5 4.644 347.8

2.2 试验路线及方案试验选择在工作日进行, 车辆从河北省三河市燕郊冶金一局站出发, 沿811路公交路线模拟车辆进出站开至北京市八王坟西站, 然后原路返回.每辆车进行两种油品的整车实际道路排放实验, 首先使用京Ⅵ车用柴油进行试验, 实验结束后, 放空油箱, 更换B5生物柴油, 对试验车清洗油路(更换试验用油20 L, 行驶50 km, 重复2次, 直至发动机适应燃油特性), 重新加入B5生物柴油进行整车实际道路排放试验.具体流程如图 1所示.
图 1(Fig. 1)

图 1 试验流程图 Fig. 1Experimental flow chart

3 结果与分析(Results and analysis)3.1 PEMS结果与法规限制比较车辆1和车辆2实验数据均通过了实验的完整性和有效性验证, 因此, 可以将PEMS实验计算结果与《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》规定的限值(图中虚线位置)进行比较.
从图 2a可以看出, 无论是燃用京Ⅵ车用柴油还是B5生物柴油, 车辆的CO比排放均远远小于法规限值6 g·kWh^-1；但对于同一辆车, 燃用B5生物柴油的CO比排放要明显低于燃用京Ⅵ车用柴油, 其中, 车辆1的CO比排放降低28.5%, 车辆2降低37.7%.对于NO_x(图 2b), 车辆1无论燃用何种燃料都不能满足法规要求, NO_x比排放均高于0.69 g·kWh^-1, 但燃用B5生物柴油的NO_x比排放较燃用京Ⅵ车用柴油高14.8%；车辆2燃用京Ⅵ车用柴油的NO_x比排放可满足法规要求, 换用B5生物柴油后, 比排放升高, 且超过限值, 较燃用京Ⅵ车用柴油的比排放高16.4%.对于PN(图 2c), 无论是何种燃油其比排放都低于法规限值, 燃用B5生物柴油的比排放要低于燃用京Ⅵ车用柴油, 其中, 车辆1的PN比排放降低了13.8%, 车辆2降低了12.3%.
图 2(Fig. 2)

图 2 测试车辆污染物比排放(a.CO, b.NOx, c.PN) Fig. 2Test vehicle pollutants comparison

3.2 排放因子分析由于全部车辆的整备质量基本一致, 且加载相同, 所以使用以基于里程的排放因子(g·km^-1)对比分析车辆的排放情况, 计算公式见式(1)；同时, 为了使得对比的可信度更高, 以10 km·h^-1为速递区间对实验结果进行平均计算, 在相同的速度区间对4辆车进行对比.

(1)

式中, F为排放因子(g·km^-1)；M为污染物累计排放量(g)；L为车辆累计行驶里程(km).
表 3(Table 3)

表 3 各车辆行驶工况 Table 3 Driving conditions of different test vehicle

表 3 各车辆行驶工况 Table 3 Driving conditions of different test vehicle 车辆编号 燃料类型 里程/km 平均速度/(km·h-1) 怠速时间比例 非怠速匀速时间比例 加速时间比例 减速时间比例 平均加速度/(m·s-2) 平均减速度/(m·s-2) 1 京Ⅵ 79.5 30.74 18.6% 19.8% 29.7% 31.9% 1.15 -0.91 B5 79.1 28.82 23.4% 16.3% 28.7% 31.6% 1.11 -0.87 2 京Ⅵ 79.1 31.24 17.7% 21.0% 28.9% 32.5% 1.26 -1.00 B5 78.8 25.8 23.4% 9.8% 33.5% 33.3% 1.15 -1.01 3 京Ⅵ 79.4 27.77 23.2% 13.7% 28.2% 34.9% 1.24 -0.90 B5 79.1 30.44 21.6% 21.9% 24.6% 31.9% 1.21 -0.85 4 京Ⅵ 73.8 28.74 19.3% 22.3% 28.5% 29.9% 1.04 -0.84 B5 74.1 26.02 23.6% 14.1% 32.4% 1.04 -0.85

3.2.1 CO的排放由图 3a可以看出, 4辆公交车在燃用B5生物柴油时的CO排放因子均小于燃用京Ⅵ车用柴油时的排放因子, 平均排放因子降低了29.5%, 其中, 辆车1~4分别降低了26.1%、36.4%、28.9%和26.4%.这主要是因为生物柴油含有分子内氧, 有助于其充分燃烧, 可使CO充分氧化.
图 3(Fig. 3)

图 3 不同车辆燃用不同油品的整体CO(a)、NOx (b)、PN (c)排放因子 Fig. 3The overall CO(a), NOx (b) and PN (c) emission factor of different fuels used in different vehicles CO analysis

由图 4a可以看出, 同一辆车在整个运行工况下, 燃用生物柴油的CO排放因子曲线大部分位于燃用京Ⅵ车用柴油的CO排放因子曲线下方, 且整个过程的排放因子均有不同程度的降低.在速度较低时, 车辆1和车辆2的CO排放因子远低于车辆3和车辆4, 随着车速的增加, 两种排放标准的车辆的CO排放因子差距越来越小.原因在于：车辆3和车辆4属于国Ⅲ排放水平, 没有装备任何后处理系统, 而车辆1和车辆2属于国Ⅵ排放水平, 后处理系统中装备DOC, 在低速时便能将CO控制在较低的排放水平.从图中还可以看出, 在低速段车辆3和车辆4燃用B5生物柴油时的CO排放因子与车辆1和车辆2燃用京Ⅵ车用柴油时大致处于同一水平, 同时考虑到城市公交车运行速度多处于低速阶段, 因此, B5生物柴油的使用能有效控制CO排放.
图 4(Fig. 4)

图 4 不同车辆的CO(a)、NOx (b)、PN (c)排放因子随车速变化关系 Fig. 4The relationship between CO(a), NOx (b) and PN (c) emission factors of different vehicles and vehicle speed

3.2.2 NO_x的排放从图 3b可以看出, 4辆公交车在燃用B5生物柴油时的NO_x排放因子均高于燃用京Ⅵ车用柴油时, 平均排放因子提高了12.7%, 其中, 车辆1~4分别增加了17.9%、20.6%、4.6%和7.7%.这主要是因为生物柴油内含氧分子高, 有助于其燃烧, 同时增加缸内温度, 可增加NO_x的排放.
从图 4b可以看出, 同一辆车在整个运行工况下, 燃用B5生物柴油的NO_x排放因子曲线大部分位于燃用京Ⅵ车用柴油的NO_x排放因子曲线上方, 且整个过程的排放因子均有不同程度的增加.4辆车整体的NO_x排放因子变化趋势一致, 在测试开始处于较高点, 随后又都在40 km·h^-1处达到一个峰值, 因为此时的空燃比和燃烧温度都适合NO_x的生成, 因而排放较高, 这些峰值点需要在做标定工作时予以重视.
3.2.3 PN的排放从图 3c可以看出, 4辆公交车在燃用B5生物柴油时的PN排放因子均低于燃用京Ⅵ车用柴油时的排放因子, 平均排放因子降低了9.1%, 其中, 车辆1~4分别降低了7.5%、12.3%、6.1%和10.6%.这主要是因为生物柴油中的氧原子起到了助燃的作用, 通过生物柴油的掺混, 使燃料中含氧, 减少了燃料的缺氧燃烧, 促使燃烧更加充分, 降低了颗粒物的排放.从图 4c可以看出, 同一辆车在整个运行工况下, 燃用生物柴油的PN排放因子曲线大部分位于燃用京Ⅵ车用柴油的PN排放因子曲线下方, 且整个过程的排放因子均有不同程度的减少, 说明生物柴油的使用有利于控制颗粒污染物的排放.
3.3 燃油经济性分析3.3.1 CO₂的排放结合图 5和图 6可以看出, 无论是整体工况还是速度划分工况, 4辆车在燃用B5生物柴油下的CO₂排放因子均不同程度的高于燃用京Ⅵ车用柴油下的CO₂排放因子, 平均排放因子提高了11.3%, 其中, 车辆1~4分别高出13.6%、9.5%、13.6%和8.7%.
图 5(Fig. 5)

图 5 不同车辆燃用不同油品的整体CO2排放因子 Fig. 5The overall CO2 emission factor of different fuels used in different vehicles

图 6(Fig. 6)

图 6 不同车辆CO2排放因子随车速变化关系 Fig. 6The relationship between CO2 emission factors of different vehicles and vehicle speed

3.3.2 车辆油耗对比为了准确地考量经济性, 本文根据表 2中两种油品的理化指标, 并考虑到两种油品的密度等变量, 精确地换算成百公里油耗, 计算公式见式(2), 结果如图 7所示.

(2)

图 7(Fig. 7)

图 7 不同车辆两种油品下的经济性比对 Fig. 7Economic comparison between two fuels in different test vehicle

式中, Q为燃料消耗量(L/100km), P_HC为测得的HC排放量(g·km^-1), P_CO为测得的CO排放量(g·km^-1), P_CO2为测得的CO₂排放量(g·km^-1), ρ为燃料密度(g·cm^-3)
两种燃料的成分差别主要体现在燃料密度方面, 因CO和HC的排放因子较小, 计算过程中可忽略不计.结合图 5和图 7可以看出, 相比于两种燃料下的CO₂排放因子的偏差, 油耗的偏差显然要小一些, 燃用B5生物燃料下的百公里油耗相对于燃用京Ⅵ车用柴油平均增加了11.51%, 其中, 车辆1~4分别增加了13.8%、9.69%、13.7%和8.84%.这主要是由于B5生物柴油的密度小于京Ⅵ车用柴油, 且热值较低, 即产生相同的热量需要消耗更多的生物柴油.总体来讲, 京Ⅵ车用柴油的燃油经济性要优于B5生物柴油, 但由于在转换过程中没能考虑到十六烷值及油品热值等的影响, 以及生物柴油是可再生燃料, 生物柴油燃烧得到的CO₂排放可再生循环, 因此, 碳平衡法并不能精确地反映燃油经济性, 仅能说明其趋势, 同时, 也不能确定5%是否是最佳掺混比例.因此, 后续可深入研究掺混比例对燃油经济性的影响.
4 结论(Conclusions)1) 从比排放角度来看, 国Ⅵ公交车燃用B5生物柴油的CO比排放较燃用京Ⅵ车用柴油下降33.1%, 燃用B5生物柴油的NO_x比排放较京Ⅵ车用柴油增加15.6%, 燃用B5生物柴油的PN比排放较京Ⅵ车用柴油下降13.1%.
2) 从排放因子角度来看, 4辆公交车燃用B5生物柴油的CO排放因子较燃用京Ⅵ车用柴油平均下降29.5%, 燃用B5生物柴油的NO_x比排放较京Ⅵ车用柴油平均增加12.7%, 燃用B5生物柴油的PN比排放较京Ⅵ车用柴油平均下降9.1%.
3) 从经济性角度来看, 4辆公交车在燃用B5生物柴油情况下的百公里油耗高于燃用京Ⅵ车用柴油, 增加了11.51%, 两者相差较大.

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