城市公交車非常規(guī)氣體排放特性研究

馬成功 趙哲 劉庚非 郭勇 黎蘇

摘要 為了研究B5生物柴油在實際運行工況下的非常規(guī)氣體排放特性，基于重型底盤測功機，采用C-WTVC循環(huán)，對比研究了滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油公交車分別燃用京Ⅵ柴油和B5生物柴油在不同行駛工況下的非常規(guī)氣體排放。結(jié)果表明：與京Ⅵ柴油相比，采用B5生物柴油，NH3排放量平均降低37.84%，其中高速工況下NH3排放量降低最明顯，平均降低45.98%;SO2排放量平均降低4.52%，但在高速工況下SO2平均排放量有所升高，平均升高13.52%;HCHO排放量平均降低17.24%，其中在怠速工況下排放量降低最明顯，平均降低19.95%;C7H8排放量平均降低22.57%，其中在中速工況下排放量降低最明顯，平均降低24.15%。試驗證明國Ⅴ樣車在燃用B5生物柴油后的非常規(guī)氣體排放均降低。

關(guān) 鍵 詞 B5生物柴油;非常規(guī)氣體排放;城市公交車;C-WTVC循環(huán);不同行駛工況

中圖分類號 TK412.5? ? ?文獻標(biāo)志碼 A

Abstract Based on a heavy-duty chassis dynamometer， a C-WTVC cycle was used to study the unconventional gas emission characteristics of urban buses that meet the China V emission standards for the use of Beijing VI diesel and B5 biodiesel under various driving conditions. The results show that compared with Beijing VI diesel， the use of B5 biodiesel， the emissions of NH3 decreased by an average of 37.84%， of which the emissions of NH3 under high-speed conditions， the most obvious reduction， an average of 45.98%; the emissions of SO2 decreased by 4.52%， but the average emissions of SO2 under high-speed conditions increased by an average of 13.52%. Emissions of HCHO decreased by an average of 17.24%， in the emissions of HCHO decreased most significantly at idle conditions and decreased by an average of 19.95%. The emission of C7H8 decreased by an average of 22.57%， in which the emissions of C7H8 decreased most significantly in medium-speed conditions and decreased by an average of 24.15%.The experiment proved that the emission of unconventional gas of diesel buses after burning B5 biodiesel is reduced.

Key words B5 biodiesel; unconventional gas emission; urban bus; C-WTVC cycle; different driving conditions

0 引言

柴油公交車作為城市公共交通的主要工具，在為人們提供便利的同時也產(chǎn)生了大量的污染物。隨著人們環(huán)保意識的提高，世界各個國家和地區(qū)都在不斷提高機動車排放標(biāo)準(zhǔn)，我國也在2016年開始推行機動車國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，機動車常規(guī)污染物排放得到有效控制。雖然我國至今并沒有法規(guī)對非常規(guī)氣體排放物進行限制，不過隨著法規(guī)的日益嚴(yán)格，預(yù)計今后也會出臺相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。

生物柴油是利用動植物油脂與醇經(jīng)過酯交換反應(yīng)制得的可再生資源，其主要成分為脂肪酸甲酯。世界各國研究都得出：與普通柴油相比，生物柴油能有效降低發(fā)動機污染物排放，是一種良好的替代能源[2，3]。在2017年北京實施的第六階段車用燃油標(biāo)準(zhǔn)中就增加了B5車用柴油（1%～5%生物柴油與95%～99%石油柴油的調(diào)和燃料）的技術(shù)要求和試驗方法，并在一定范圍內(nèi)適用。使用生物柴油尤其是低摻混比（≤5%）的生物柴油無需對發(fā)動機進行較大調(diào)整，且生物柴油具有良好的潤滑性能，能夠降低發(fā)動機磨損，相比其他替代能源，生物柴油具有十分廣闊的應(yīng)用前景[4]。

整車底盤測功機測試方法與發(fā)動機臺架測試方法相比，前者將道路的實際運行條件與公交車的屬性充分考慮在內(nèi)，具有良好的模擬一致性及準(zhǔn)確性，能夠準(zhǔn)確的反應(yīng)整車在實際運行過程中的排放特性。已有研究多是分析常規(guī)污染物的研究，有關(guān)燃用生物柴油的非常規(guī)氣體排放研究較少。因此本文應(yīng)用重型底盤測功機，對比研究燃用不同柴油的國Ⅴ公交車在城市工況下的非常規(guī)氣體排放特性[5]。

1 材料與方法

1.1 試驗樣車及燃料

試驗樣車為滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的3輛北京市日常運營的柴油公交車，試驗車的基本參數(shù)如表 1所示。

試驗燃料為0號京Ⅵ柴油和0號B5生物柴油，其中B5生物柴油為2%～5%（體積分?jǐn)?shù)）生物柴油（BD100）與95%～98%（體積分?jǐn)?shù)）石油柴油的調(diào)和燃料，適用于滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油公交車發(fā)動機，其主要理化指標(biāo)如表 2所示。

1.2 試驗裝置及方法

試驗裝置主要包括MAHA的重型底盤測功機AIP-ECDM 72H/4×4、HORIBA的發(fā)動機排放測量全流稀釋定容采樣系統(tǒng)CVS-7400T與HORIBA的發(fā)動機排放污染測試系統(tǒng)MEXA-7200DTR。

實驗循環(huán)采用GB/T27840-2011推薦的重型商用車C-WTVC循環(huán)，此循環(huán)是以“世界統(tǒng)一的重型車瞬態(tài)循環(huán)”（WTVC）為基礎(chǔ)，根據(jù)我國車輛技術(shù)特性和駕駛習(xí)慣進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)形成的新的駕駛循環(huán)。為了更真實的模擬城市公交系統(tǒng)的實際運行情況，只選取循環(huán)的前900 s市區(qū)部分進行試驗，試驗循環(huán)如圖 1所示。將C-WTVC市區(qū)循環(huán)工況劃分為怠速工況[0～0.5）km/h、低速工況[0.5～20）km/h、中速工況[20～40）km/h和高速工況[40～70）km/h 4類行駛工況，4種行駛工況在循環(huán)內(nèi)占比如圖 2所示。

整車轉(zhuǎn)轂排放試驗中，每輛車在轉(zhuǎn)轂上進行兩種油品的整車排放試驗，先采用京Ⅵ柴油進行試驗，再采用B5生物柴油進行試驗。為了降低駕駛員駕駛習(xí)慣等隨機性因素的影響，每輛車實驗重復(fù)3次，實驗結(jié)果取平均值。車輛在使用不同目標(biāo)油品進行試驗前，均應(yīng)采用相應(yīng)油品對車輛進行油路清洗和預(yù)處理工作，具體為，加油20 L，行駛50 km，放盡柴油，共重復(fù)3次。

2 測試數(shù)據(jù)和分析

對每一試驗車，燃用不同油品分別進行3次重復(fù)性測試，現(xiàn)綜合分析3輛車的氣態(tài)排放結(jié)果，采用試驗結(jié)果的平均值進行分析。

2.1 NH3排放

燃用京Ⅵ柴油，車輛在整個循環(huán)運行過程中，NH3排放量在676 s時出現(xiàn)最高值，此時排放量為22.11 g/km;NH3排放量在893 s時出現(xiàn)最低值，此時排放量為2.74 g/km;車速在701 s時最高，最高車速為66.2 km/h，此時排放量為7.52 g/km。燃用生物柴油后，車輛在整個循環(huán)運行過程中，NH3排放量在704 s時達到最高值，排放量為10.23 g/km;NH3排放量在616 s時出現(xiàn)最低值，此時排放量為1.19 g/km;車速在701s時最高，最高車速為66.2 km/h，此時排放量為9.42 g/km。與京Ⅵ柴油相比，采用B5生物柴油，NH3排放整體呈降低趨勢。在0～81 s內(nèi)B5生物柴油的NH3排放略高于京Ⅵ柴油的NH3排放， 在82～431 s內(nèi)京Ⅵ柴油的NH3排放高于生物柴油的NH3排放，在432～572 s內(nèi)京Ⅵ柴油的NH3排放與B5生物柴油的NH3排放相差不多，在573～698 s內(nèi)京Ⅵ柴油的NH3排放明顯高于B5生物柴油的NH3排放，在699～900 s內(nèi)京Ⅵ柴油的NH3排放與B5生物柴油的NH3排放相差不多。

燃用不同柴油的NH3排放變化如圖 3所示。

燃用京Ⅵ柴油，車輛在整個循環(huán)運行過程中，中速工況NH3平均排放量最低，為4.91 g/km。高速工況平均排放量最高，達到8.92 g/km，整個循環(huán)平均排放量為5.96 g/km。相比整個循環(huán)下NH3平均排放量而言，怠速工況降低10.07%，低速工況排放降低11.73%，中速工況排放降低2.88%，高速工況排放增長30.13%。燃用生物柴油，車輛在整個循環(huán)運行過程中，低速工況NH3平均排放量最低，為3.27 g/km。高速工況平均排放量最高，為4.82 g/km，整個循環(huán)平均排放量為3.70 g/km。相比整個循環(huán)下NH3的平均排放量而言，怠速工況降低11.35%，低速工況排放降低7.86%，中速工況排放量降低17.69%，高速工況平均增長49.73%。

相比京Ⅵ柴油，在采用B5生物柴油后，NH3排放量整體降低37.84%，其中怠速工況排放量降低36.94%，低速工況排放量降低40.46%，中速工況排放量降低26.66%，高速工況排放量降低45.98%，高速工況排放量降低最明顯。

不同工況下的NH3的平均排放如圖 4所示。

發(fā)動機排放物中的NH3主要是由柴油中含氮有機物在燃燒過程中生成的中間產(chǎn)物，在正常條件下這種中間產(chǎn)物會繼續(xù)氧化生成NOx和水。實驗結(jié)果表明，對比燃用京Ⅵ柴油和B5生物柴油在不同行駛工況下的平均排放可知，在燃用B5生物柴油后，在各個工況下NH3的平均排放均明顯降低，其中在高速工況下的降低程度最明顯。燃用京Ⅵ柴油的公交車整個循環(huán)過程中在中速工況下NH3的平均排放量最低，在高速工況下NH3的平均排放量最高;燃用B5生物柴油的公交車整個循環(huán)過程中在低速工況下NH3的平均排放量最低，在高速工況下NH3的平均排放量最高。究其原因：生物柴油中的氧含量高于石油柴油，能夠使燃燒過程中燃料的燃燒更加充分，進而促進燃燒過程中生成的中間產(chǎn)物NH3進一步氧化生成NOx，因此燃用B5生物柴油的NH3排放較低。在高速工況下，發(fā)動機的循環(huán)噴油量增加，氣缸內(nèi)的混合氣較濃，燃料燃燒不夠充分，導(dǎo)致在高速工況下NH3的排放量增加[6]。

2.2 SO2排放

燃用京Ⅵ柴油，車輛在整個循環(huán)運行過程中，SO2排放量在683 s時出現(xiàn)最高值，此時排放量為3.21 g/km;SO2排放量在136 s時出現(xiàn)最低值，此時排放量為0.34 g/km;車速在701 s時最高，最高車速為66.2 km/h，此時排放量為2.43 g/km。燃用生物柴油后，車輛在整個循環(huán)運行過程中，SO2排放量在690 s時達到最高值，排放量為3.78 g/km;SO2排放量在292 s時出現(xiàn)最低值，此時排放量為0.09 g/km;車速在701 s時最高，最高車速為66.2 km/h，此時排放量為3.07 g/km。相比京Ⅵ柴油在采用B5柴油后， 在中低車速時SO2排放量相對有所降低，在高車速時，SO2排放量相對京Ⅵ柴油有所增加。

燃用不同柴油的SO2排放變化如圖 5所示。

使用燃用京Ⅵ柴油，車輛在整個循環(huán)運行過程中，怠速工況SO2平均排放量最低，為0.98 g/km，高速工況平均排放量最高，達到2.11 g/km，整個循環(huán)平均排放量為1.57 g/km。相比整個循環(huán)下SO2平均排放量而言，怠速工況排放降低37.43%，低速工況排放降低19.31%，中速工況排放增長14.93%，高速工況排放增長34.68%。使用燃用生物柴油，車輛在整個循環(huán)運行過程中，怠速工況SO2平均排放量最低，為0.72 g/km，高速工況平均排放量最高，為2.40 g/km，整個循環(huán)平均排放量為1.50 g/km。相比整個循環(huán)下SO2的平均排放量而言，怠速工況排放降低51.80%，低速工況排放降低24.41%，中速工況排放量增長11.16%，高速工況平均增長60.13%。

相比京Ⅵ柴油在采用B5生物柴油后，SO2排放量整體降低4.52%，其中怠速工況排放量降低26.44%，低速工況排放量降低10.55%，中速工況排放量降低7.65%，高速工況排放量升高13.52%。

不同工況下的SO2的平均排放量如圖 6所示。

發(fā)動機排放物中SO2的排放量主要取決于燃料中硫含量的多少，京Ⅵ柴油中含有少量硫，生物柴油幾乎不含硫，添加生物柴油后硫含量會降低，從而導(dǎo)致SO2的排放量降低。實驗結(jié)果表明在燃用生物柴油后整體上SO2排放量降低，其中在怠速、低速和中速工況下SO2的平局排放量都有不同程度的降低，但在高速工況下，燃用生物柴油后SO2排放量相比京Ⅵ柴油反而有所升高，主要是因為生物柴油熱值較低，有研究表明，燃用生物柴油會導(dǎo)致發(fā)動機比油耗會上升。在高速工況下，燃用生物柴油時循環(huán)噴油量略微增加，導(dǎo)致總體硫含量升高，SO2排放量升高[7-8]。

2.3 甲醛（HCHO）排放

使用燃用京Ⅵ柴油，車輛在整個循環(huán)運行過程中，HCHO排放量在354 s時出現(xiàn)最高值，此時排放量為3.76 g/km;HCHO排放量在895 s時出現(xiàn)最低值，此時排放量為1.29 g/km;車速在701 s時最高，最高車速為66.2 km/h，此時排放量為2.78g/km。使用燃用生物柴油后，車輛在整個循環(huán)運行過程中，HCHO排放量在694 s時達到最高值，排放量為3.21 g/km;HCHO排放量在635 s時出現(xiàn)最低值，此時排放量為0.93 g/km;車速在701 s時最高，最高車速為66.2 km/h，此時排放量為3.04 g/km。對比燃用京Ⅵ柴油和B5生物柴油后的HCHO排放， 除了在268～287 s和679～695 s內(nèi)燃用B5生物柴油的HCHO排放高于京Ⅵ柴油，在其余循環(huán)時間內(nèi)燃用B5生物柴油后HCHO排放明顯低于京Ⅵ柴油。

燃用不同柴油的HCHO排放變化如圖 7所示。

使用燃用京Ⅵ柴油，車輛在整個循環(huán)運行過程中，怠速工況HCHO平均排放量最低，為2.26 g/km，高速工況平均排放量最高，達到2.83 g/km，整個循環(huán)平均排放量為2.53 g/km。相比整個循環(huán)下HCHO平均排放量而言，怠速工況排放降低10.82%，低速工況排放降低6.35%，中速工況排放增長3.87%，高速工況排放增長11.87%。使用燃用生物柴油，車輛在整個循環(huán)運行過程中，怠速工況HCHO平均排放量最低，為1.81 g/km，高速工況平均排放量最高，為2.46 g/km，整個循環(huán)平均排放量為2.09 g/km。相比整個循環(huán)下HCHO的平均排放量而言，怠速工況排放降低13.75%，低速工況排放降低7.18%，中速工況排放量增長2.64%，高速工況平均增長14.91%。

相比京Ⅵ柴油，在采用B5生物柴油后，HCHO排放量整體降低17.24%，其中怠速工況排放量降低19.95%，低速工況排放量降低17.97%，中速工況排放量降低18.22%，高速工況排放量降低13.06%。

不同工況下的HCHO的平均排放量如圖 8所示。

試驗結(jié)果表明，采用燃用生物柴油，在各個工況下HCHO排放量都有不同程度的降低。發(fā)動機排放物中的HCHO主要是燃料燃燒的中間產(chǎn)物，它的排放規(guī)律與HC的排放規(guī)律是相關(guān)的。在高負(fù)荷和高的燃燒工況下，燃料燃燒比較完全，不利于醛類的生成。相比與京Ⅵ柴油，生物柴油十六烷值含量較高，自燃溫度較低，因此燃用生物柴油時著火延遲期縮短，燃燒持續(xù)期延長，使得未燃HC減少，同時由于生物柴油含氧量高，能夠促進HCHO的氧化，從而進一步降低了HCHO的排放[9]。

2.4 甲苯（C7H8）排放

采用燃用京Ⅵ柴油，車輛在整個循環(huán)運行過程中，C7H8排放量在585 s時出現(xiàn)最高值，此時排放量為4.33 g/km;C7H8排放量在443 s時出現(xiàn)最低值，此時排放量為1.28 g/km;車速在701s時最高，最高車速為66.2 km/h，此時排放量為2.97 g/km。采用燃用生物柴油后，車輛在整個循環(huán)運行過程中，C7H8排放量在278 s時達到最高值，排放量為4.01g/km;C7H8排放量在259 s時出現(xiàn)最低值，此時排放量為0.42 g/km;車速在701 s時最高，最高車速為66.2 km/h，此時排放量為1.31 g/km。相比京Ⅵ柴油在采用B5生物柴油后，只有在269～278 s、327～334 s、 365～389 s、506～535 s和872～889s內(nèi)C7H8排放高于京Ⅵ柴油，在其余循環(huán)時間內(nèi)C7H8排放明顯降低。對比京Ⅵ柴油和B5生物柴油整個循環(huán)時間內(nèi)的排放趨勢，在京Ⅵ柴油C7H8排放出現(xiàn)峰值時，B5生物柴油C7H8排放出現(xiàn)谷值。

燃用不同柴油的C7H8排放變化如圖 9所示。

采用燃用京Ⅵ柴油，車輛在整個循環(huán)運行過程中，怠速工況C7H8平均排放量最高，為3.08 g/km，高速工況平均排放量最低，為2.75 g/km，整個循環(huán)平均排放量為2.96 g/km。相比整個循環(huán)下C7H8平均排放量而言，怠速工況排放升高4.25%，低速工況排放升高2.86%，中速工況排放降低0.34%，高速工況排放降低7.14%。采用燃用生物柴油，車輛在整個循環(huán)運行過程中，怠速工況C7H8平均排放量最高，為2.44 g/km，高速工況平均排放量最低，為2.20 g/km，整個循環(huán)平均排放量為2.29 g/km。相比整個循環(huán)下C7H8的平均排放量而言，怠速工況排放升高6.72%，低速工況排放升高1.68%，中速工況排放量降低2.37%，高速工況平均降低4.29%。

相比京Ⅵ柴油，在采用B5生物柴油后，C7H8排放量整體降低22.57%，其中怠速工況排放量降低20.73%，低速工況排放量降低23.46%，中速工況排放量降低24.15%，高速工況排放量降低20.05%。

不同工況下的C7H8的平均排放量如圖 10所示。

C7H8排放主要是由于燃料中芳香烴成分不完全燃燒的產(chǎn)物，相關(guān)研究表明，苯類排放量與燃料中芳香烴含量線性相關(guān)。實驗結(jié)果表明，添加生物柴油后在各個運行工況下C7H8的排放量均有所降低，且隨著行駛工況速度的提升，C7H8的平均排放量逐漸降低，在高速工況下平均排放量最低。這是因為柴油中含有部分單環(huán)芳香烴成分，這些成分不完全燃燒會導(dǎo)致排放物中C7H8排放量的升高。生物柴油本身不含芳香烴，添加生物柴油能夠降低燃料中芳香烴的含量，同時由于生物柴油的含氧特性，添加生物柴油有助于完善燃料的燃燒程度，促進C2H2和C3H3這些MAHs和PAHs前驅(qū)物的燃燒，阻礙了苯環(huán)的形成，從而降低排放物中C7H8的排放量。 隨著行駛工況車速的升高，氣缸內(nèi)的燃燒溫度和壓力逐漸升高，這就為苯環(huán)化學(xué)鍵的斷裂提供了更多的能量，使更多的單環(huán)芳香烴分子被破壞最后充分燃燒，最終使得C7H8的排放量逐漸降低[10-12]。

3 結(jié)論

本文通過實驗分析國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油公交車采用燃用京Ⅵ柴油和B5生物柴油在不同行駛工況下的非常規(guī)氣體排放特性，經(jīng)過大量試驗數(shù)據(jù)采集與結(jié)果分析，得出如下結(jié)論：

1）不論是燃用京Ⅵ柴油還是B5生物柴油，在高速工況下NH3的平均排放量最高。相比京Ⅵ柴油，在采用B5生物柴油后，NH3的整體排放量明顯降低，平均降低37.84%，其中各個行駛工況下NH3的平均排放量均有不同程度的降低，在高速工況下降低最明顯，平均排放量降低45.98%。

2）不論是燃用京Ⅵ柴油還是B5生物柴油，隨著行駛工況速度的提升，SO2的平均排放量也逐漸升高。相比京Ⅵ柴油，在燃用B5生物柴油后，SO2的整體排放量降低，平均降低4.52%，在中、低速和怠速工況下SO2的平均排放量均降低，但在高速工況下卻有所升高。

3）不論是燃用京Ⅵ柴油還是B5生物柴油，隨著行駛工況速度的提升，HCHO的平均排放量也逐漸升高。相比京Ⅵ柴油，在燃用B5生物柴油后，HCHO的整體排放量降低，平均降低17.24%，其中各個行駛工況下HCHO的平均排放量均有不同程度的降低，在怠速工況下降低最多，平均排放量降低19.95%。

4）不論是燃用京Ⅵ柴油還是B5生物柴油，隨著行駛工況速度的提升，C7H8的平均排放量逐漸降低，在怠速工況下C7H8的平均排放量最高。相比京Ⅵ柴油，在燃用B5生物柴油后，C7H8的整體排放量降低，平均降低22.57%，其中各個行駛工況下C7H8的平均排放量均有不同程度的降低，在中速工況下降低最多，平均排放量降低24.15%。

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[責(zé)任編輯 田 豐]