在用国Ⅳ公交车燃用B5生物柴油的排放特性

胡志远， 谢亚飞， 谭丕强， 楼狄明

(同济大学 汽车学院，上海 201804)



在用国Ⅳ公交车燃用B5生物柴油的排放特性

胡志远， 谢亚飞， 谭丕强， 楼狄明

(同济大学 汽车学院，上海 201804)

摘要：以一辆满足国Ⅳ排放的柴油公交车为试验样车，在重型底盘测功机上分别进行燃用柴油和B5生物柴油的中国典型城市公交车循环(CCBC)排放特性试验，分析了该车燃用B5生物柴油CCBC循环的气态物和颗粒物排放特性.结果表明：CCBC循环的发动机工况主要集中在900～1 100 r·min-1和200～500 N·m，呈明显的低速、中低负荷特征；该车燃用柴油和B5低速行驶的总碳氢(THC)和NOX、颗粒质量(PM)和颗粒数量(PN)单位里程排放因子较高，高速行驶的CO单位里程排放因子较高.与柴油比较，该车燃用B5的THC和NOX排放增加，CO和PM排放降低，PN排放基本相当.其中，车辆怠速、中低速加速行驶的THC排放率较高，中低速加速行驶的NOX排放率相对较高，中高速加速、高速匀速行驶的PN较多是导致该车燃用B5的THC，NOX和PN增加的主要原因.除低、中速加速CO排放较高，低速加速/减速/匀速PM排放率较高之外，其他工况的CO和PM排放降低是导致该车燃用B5的CO和PM降低的主要原因.

关键词：在用国Ⅳ公交车； B5生物柴油； 中国典型城市公交车循环； 排放

2015年1月1日起，我国全面实施国Ⅳ柴油标准，满足国Ⅳ标准的柴油公交车被广泛用于上海等大城市.由于运行环境的特殊性，公交车处于频繁起动、制动、怠速和低速行驶工况，其实际运行工况与ETC工况存在较明显的差异[1].另一方面，柴油公交车作为城市重要的公共交通工具需要消耗巨大的能源，同时又产生大量的污染物排放，例如：上海中心城区公交车氮氧化物(NOX)、颗粒物排放分担率分别为37.6%和45%[2].采取措施，实现在用公交车的节能减排是目前的研究热点.

生物柴油是以油料作物、废弃油脂等为原料通过酯交换工艺制成的液体燃料，具有十六烷值高、润滑性好、可再生性等优点[3-4]，无需改动柴油机可直接使用[5].发动机台架试验研究表明：柴油机燃用生物柴油后的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、颗粒物(PM)等排放降低，多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbon, PAHs)降低且等效毒性下降[6-7].由于公交车实际道路行驶时发动机的负荷和转速集中区域与现阶段发动机台架试验欧洲瞬态工况(European Transient Cycle, ETC)循环工作区域不完全相同[8-9]，发动机台架试验结果不能完全代表车辆的实际道路排放特性，如何客观评价在用国Ⅳ柴油公交车使用B5的排放特点是亟待解决的问题.

采用便携式排放测试系统(Portable Emission Measurment System, PEMS)，测量车辆的实际道路排放是目前国内外学者评价车辆实际道路排放的主要研究手段之一.Shauna Hallmark[10]等采用PEMS对公交车进行实际道路CO，HC，CO2和NOX排放测试，胡志远[11]等对上海市国Ⅳ公交车的实际道路NOX和颗粒排放特性进行了研究，谭丕强[12]等对公交车燃用生物柴油后主干道、次干道路等不同道路类型的CO，THC，NOX等排放特性进行了研究，楼狄明等[13]对国Ⅳ公交车燃用生物柴油的实际道路颗粒数量排放特性进行了研究.但是，受试验环境、路线、驾驶行为的影响，公交车实际道路排放测量具有随机性强的特点，须进行大样本试验才能部分表征车辆的实际道路排放特点.

重型车底盘测功机试验可以根据特定的驾驶循环，在特定的环境下对公交车进行排放性能试验，具有试验结果稳定性、一致性和代表性好的特点，可同时避免发动机台架试验和车辆实际道路试验结果代表不强的缺点，成为国外学者研究重型车排放和油耗性能的主要手段.Jonathan Burton[14]等利用重型转毂比较纽约循环(NY Comp)、重型车驾驶循环(Heavy Heavy-Duty Diesel Truck Drive Cycles, HHDDTT)下重型卡车的排放和经济性.Muralidharan M[15]等采用ELPI(Electrical Low Pressure Impactor)和烟度计，在重型车转毂上研究生物柴油公交车燃用B5新德里公交驾驶循环(Delhi Bus Driving Cycle, DBDC)的烟度和颗粒数量排放特性.Nigel Clark[16]等比较了公交车燃用生物柴油橘郡循环(the Orange County Transit Authority Driving Schedule, OCTA)和城市驾驶循环(the Urban Dynamometer Driving Schedule, UDDS)的经济性及排放特性.国内学者亦开始利用重型车转毂研究其经济性、排放性的相关研究，例如：王燕军[17]等研究了重型柴油车在重型车实际道路行驶工况(VECC)循环和重型商用车瞬态车辆循环(China World Transie Vehicle Cycle，C-WTVC)的CO，HC，NOX和CO2排放特性，李腾腾[18]等研究了混合动力客车运行中国典型城市公交循环(China City Bus Cycle, CCBC)循环和C-WTVC排放及油耗.但有关公交车燃用生物柴油的相关研究仍为空白.

本文以满足国Ⅳ排放的柴油公交车为试验样车，在重型底盘测功机上研究该车燃用柴油、柴油-生物柴油混合燃料B5在CCBC循环的CO，THC，NOX，CO2，PN和PM的排放特性，为客观评价在用国Ⅳ柴油公交车使用B5的排放特点提供参考依据.

1试验方案

1.1试验样车及燃料

试验样车为一辆满足国Ⅳ排放的柴油公交车，安装高压共轨六缸增压中冷柴油机，其主要技术参数如表1.

试验燃料为柴油、柴油与废弃油脂制生物柴油按5%体积比混合的柴油-生物柴油混合燃料(B5)，柴油及B5的主要理化指标如表2所示.

表2　柴油与B5理化指标

1.2试验装置及循环

试验装置包括MAHA-AIP重型底盘测功机，日本HORIBA公司OBS-2200气态排放测试仪，芬兰Dekati公司的静电低压冲击仪ELPI，及FPS-4000稀释通道等辅助设备.试验装置如图1所示.HORIBA公司OBS-2200包括CO分析计、CO2分析计、THC分析计和NOX分析计，量程(体积分数)分别为0～10%，0～20%，0～10 000×10-6和0～3 000×10-6，其误差为±2.5%.Dekati公司的ELPI分辩率为1 Hz，量程为7 nm～10 μm，包括12个通道.Pitot管式流量计量程为0～20 m3·min-1，流量精度±1.5%.

试验循环采用GB/T19754-2005推荐的中国典型城市公交车循环(CCBC)，如图2所示.为消除驾驶员操作随机性因素，试验时循环重复进行5次.

图1　试验装置示意图

图2　中国典型城市公交车循环

CCBC循环是在北京、上海和广州3个城市公交运行工况数据基础上开发的测试循环由怠速、低速、匀速、中速和高速等14个工况构成，运行时间为1 314 s，平均车速为16.16 km·h-1，行驶里程5.89 km.杜爱民[19]等根据上海市公交车实际道路行驶数据，构建了上海市公交驾驶循环，平均速度15.68 km·h-1，最高车速69.41 km·h-1，最大加速度和减速度为0.5 m·s-2和-0.58 m·s-2，怠速、加速、减速及匀速所占比例分别在20%～30%，行驶里程5.67 km.循环的工况特征与CCBC循环基本一致，因此，CCBC循环可较好反映上海市综合交通路况.

为更好地对循环中的公交车行驶工况进行分析，将CCBC循环划分为低速、中速和高速行驶三类工况，其中:I类行驶工况表示公交车在城市道路上低速行驶路况，工况时长222 s，行驶距离0.36 km，平均车速5.85 km·h-1，最高车速21.10 km·h-1；II类代表公交车在城市道路上中速行驶路况，工况时长708 s，行驶距离3.05 km，平均车速15.48 km·h-1，最高车速51.70 km·h-1，III类代表公交车在城市道路上高速行驶路况，工况时长384 s，行驶距离2.49 km，平均车速为23.35 km·h-1，最高车速为60 km·h-1.

2试验结果及分析

2.1发动机工况

图3所示为国Ⅳ公交车用柴油机CCBC循环的工况分布.可见，CCBC循环的发动机工况主要集中在900～1 100 r·min-1，200～500 N·m范围内(怠速工况转矩为0，为显示方便划分I，II，III类时将其排除)，呈明显的低速、中低负荷特征，与ETC工况的高转速大扭矩特征存在明显的差异.代表城市低速路况的I类工况点占总循环的16.90%，分布在600～1 100 r·min-1，80～400 N·m范围内，为低速、低转矩工况；代表城市中速路况的II类工况点占总循环53.88%，分布在850～1 150 r·min-1，40～550 N·m范围内，亦为低速、低转矩工况，但发动机的起始转速、最高转矩等升高；代表城市高速路况的III类工况点占总循环29.22%，分布在950～1 200 r·min-1和150～1 000 N·m范围内，其转矩较I类、II类工况的转矩明显增大.

图3　CCBC循环发动机工况特征

2.2污染物排放因子

车辆的单位里程污染物排放因子(g·km-1)表征车辆某个行驶片段(从怠速到下一个怠速的行驶过程)以里程计算的平均污染物排放.表3所示为CCBC循环下公交车燃用柴油和B5的污染物排放因子.

表3　柴油和B5生物柴油CCBC循环污染物排放因子

由表3可见，与燃用柴油比较，该公交车燃用B5的CO排放降低2.78%，PM降低5.5%，THC和NOX排放分别升高18.0%和7.9%，PN略有增加.这是因为一方面，B5生物柴油含氧，在燃烧过程中增加了氧的供给，促进燃烧，CO，PM降低，NOX排放增加[20].另一方面，本次试验用生物柴油为餐厨废弃油脂制取，B5生物柴油的密度和运动粘度相对较高，燃料的雾化相对较差，同时抗氧化剂的加入也是导致其HC排放增加的可能原因[21].

为进一步分析CCBC循环低速、中速、高速行驶时公交车燃用柴油和B5生物柴油的污染物排放差异，图4为国Ⅳ公交车燃用柴油与B5生物柴油CCBC循环低速(I类)、中速(II类)和高速(III类)行驶时产生的THC，CO，NOX和颗粒物质量(PM)和颗粒物数量(PN)排放因子.

由图4a可知，与中高速行驶比较，该公交车燃用柴油和B5时，低速行驶时单位里程排放的THC较高.与柴油比较，该公交车燃用B5生物柴油之后，低速行驶工况的THC排放因子升高30.73%，而中速、高速行驶工况的THC排放因子分别升高21.65%和8.92%.这是因为，CCBC循环中，公交车低速行驶时，发动机的怠速比例约占60%，发动机的负荷相对较低，B5生物柴油密度和动力粘度较大，雾化不良导致其THC排放增加.中速、高速行驶时，发动机的怠速较比例较低(分别为25%和23%)，负荷相对较高，燃料的雾化相对较差，对THC的影响变弱，生物柴油含氧对THC降低作用增强，THC排放升高幅度变小.

a THC排放

b CO排放

c NOX排放

d 颗粒数量排放

e 颗粒质量排放

由图4b可知，公交车燃用柴油和B5时，高速行驶时单位里程排放的CO较高.与柴油比较，该公交车燃用B5生物柴油之后，由于B5生物柴油含氧，CO排放因子降低.由图4c可知，公交车燃用柴油和B5时，低速行驶时单位里程排放的NOX较高.与柴油比较，由于B5生物柴油含氧，该公交车燃用B5生物柴油的NOX排放因子增大.

研究表明，柴油机排气中存在的微粒粒径分布范围几乎全都在10 μm以下[22].将柴油车排放的颗粒物进一步分为PM0.1，PM0.1-0.5，PM0.5-2.5和PM2.5-10四类.由图4d可知，公交车燃用柴油和B5的颗粒物数量排放主要为粒径小于0.1 μm的超细颗粒，其比例占所有颗粒数量排放的90%以上，与柴油比较，该公交车燃用B5生物柴油的PM0.1数量排放增加，PM0.1-0.5，PM0.5-2.5，PM2.5-10数量排放降低.由图4e可知，公交车燃用柴油和B5的颗粒物质量排放主要为粒径2.5～10 μm的大颗粒，其比例占所有颗粒质量排放的77%以上.与柴油比较，该公交车燃用B5生物柴油的PM2.5-10质量排放相对较低，PM0.5-2.5，PM0.1-0.5，PM0.1质量排放略有增加.综合图4d和4e可见，由于公交车的最高车速不超过60 km·h-1，公交车燃用柴油和B5低速行驶的单位里程排放的颗粒数量和质量相对较高，中速行驶排放的颗粒数量、质量排放因子较低.这是因为，与气态排放物类似，当车辆低速、中速、高速行驶时，燃料的雾化效果与含氧因素交互作用，当雾化不良占主导因素时，车辆的超细颗粒PM0.1数量升高及大颗粒PM2.5-10质量降低效果不明显；当燃料含氧，促进燃烧占主导因素时，车辆 的超细颗粒PM0.1数量增加，大颗粒PM2.5-10质量排放降低.

2.3污染物排放率

车辆的单位里程排放因子表征车辆某个行驶片段以里程计算的平均污染物排放.为进一步分析公交车燃用柴油和B5生物柴油在车辆怠速、匀速、加速、减速等行驶工况的污染物排放特性，根据公交车的行驶状态将CCBC循环划分为怠速、加速、匀速、减速等行驶工况区间，详细分析公交车燃用B5生物柴油不同行驶工况的污染排放特性.划分的行驶区间如表4所示，a表示加速度，v表示速度.

图5为公交车燃用柴油和B5生物柴油时怠速，20 km·h-1以下低速加速、减速、匀速行驶，20 km·h-1～40 km·h-1中速加速、减速、匀速行驶，40 km·h-1以上高速加速、减速、匀速行驶时，不同行驶工况产生的污染物排放对CCBC循环整体排放的贡献率.

表4　CCBC循环工况区间划分

图5　公交车燃用柴油和B5不同工况行驶的污染物排放特性

由图5可见，该公交车燃用柴油和B5生物柴油怠速、低速加速、中速加速行驶时排放的THC较多，占CCBC 循环THC总排放量约60%；中速加速、高速加速行驶时排放的CO较多，占CCBC 循环CO总排放量约80%；低、中、高速加速行驶时排放的NOX较多，占CCBC 循环NOX排放量约66%；高速加速、匀速、减速行驶时排放的PN较多，占CCBC 循环PN排放量约50%；中速加速、高速加速、高速匀速行驶时排放的PM较多，占CCBC 循环PM排放量约66%.与柴油比较，该公交车燃用B5生物柴油后怠速、低速、中速加速、高速匀速行驶时THC排放率相对较高，低、中速加速行驶时CO排放率相对较高，怠速、低速加速、中速匀速、高速匀速行驶的NOX排放率相对较高，低速加速、中速加速、高速加速行驶的产生的PN排放率较高，低速加速、减速、匀速行驶的产生的PM排放率较高.其他工况的THC，CO，NOX，PN和PM排放率与柴油基本相当或相对降低.

3结论

(1) CCBC循环发动机工况集中在900～1 100 r·min-1，200～500 N·m范围内，呈明显的低速、中低负荷特征，与ETC发动机工况存在明显的差异.

(2) 该车燃用柴油和B5生物柴油低速行驶工况的THC单位里程排放因子较高，怠速、低速加速、中速加速行驶时排放的THC较多.与柴油比较，该公交车燃用B5的THC排放升高18.0%，生物柴油B5低速行驶工况中怠速、中低速加速行驶的THC排放率较高是导致该车燃用B5生物柴油THC增加的主要原因.

(3) 该车燃用柴油和B5生物柴油高速行驶工况的CO单位里程排放因子较高，中速加速、高速加速行驶时排放的CO较多.与柴油比较，该公交车燃用B5的CO排放降低2.78%，除低、中速加速行驶时的CO排放率相对较高外，其他工况的CO排放降低.

(4) 该车燃用柴油和B5生物柴油低速行驶工况的NOX单位里程排放因子较高，怠速、加速、匀速、减速四个行驶工况中低、中、高速加速行驶时排放的NOX较多.与柴油比较，该公交车燃用B5的NOX排放升高7.9%，怠速、低速加速、中速匀速、高速匀速行驶的NOX排放率相对较高是导致该车燃用B5生物柴油NOX增加的主要原因.

(5) 该车燃用柴油和B5生物柴油颗粒物数量排放主要为PM0.1，颗粒物质量排放主要为PM2.5-10.低速行驶工况的PM，PN单位里程排放因子均较高，中高速加速、匀速、减速行驶时排放的PN较多，中速加速、高速加速、高速匀速行驶时排放的PM较多.与柴油比较，该公交车燃用B5的PN排放与柴油基本相当，PM排放降低5.5%，低速加速、中速加速、高速加速行驶产生的PN排放率较高，除低速加速、减速、匀速行驶工况外，其他工况产生的PM排放率较低.

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Emission Characteristics of an In-use China Four Diesel Bus Fueled with B5

HU Zhiyuan, XIE Yafei, TAN Piqiang, LOU Diming

(College of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract：The characteristics of particulate matter and gaseous emission from a China-IV diesel bus burning diesel and biodiesel with 5% blend ratio were tested on heavy chassis dynamometer under China City Bus Driving Cycle (CCBC). The results indicated that the bus working condition under CCBC is mainly during 900～1 100 r·min-1and 200～500 N·m, which shows the characteristics of low speed and middle-low load. The total hydrocarbon(THC), NOX, particulate matter(PM) and particulate number(PN) emission factor of diesel and biodiesel is higher at low speed, while the CO emission factor is higher at high speed. Compared with diesel, the THC and NOX emission of biodiesel is increasing, while the CO and PM emission is decreasing, and the PN emission of B5 is almost the same with diesel. On the working conditions of idle and middle-low speed acceleration the THC emission rate becomes higher, while the NOX emission rate is higher on the working conditions of middle-low speed acceleration. PN emission rate is much higher on the working conditions of middle-high speed acceleration and high uniform speed. That’s the reason why THC, NOX, PN emission rates of B5 increase. Except for the higher CO emission rate during middle-low speed acceleration and higher PM emission during low-speed acceleration, deceleration and uniform speed, CO and PM emission on the other working conditions is lower. That’s the main reason why CO and PM emission of B5 decreases under CCBC.

Key words：in-use China four diesel bus; biodiesel B5; China City Bus Driving Cycle(CCBC); emission

文献标志码：A

中图分类号：U467.1+1

基金项目：上海市科委攻关计划(13DZ1205602)

收稿日期：2015—05—09

第一作者： 胡志远(1970—)，男，副教授，博士后，主要研究方向为汽车清洁替代燃料.E-mail: huzhiyuan@tongji.edu.cn