公交车燃用生物柴油的排放性、经济性与可靠性

张允华,楼狄明,谭丕强,胡志远 (同济大学汽车学院,上海 201804)

环境影响评价与管理

公交车燃用生物柴油的排放性、经济性与可靠性

张允华,楼狄明*,谭丕强,胡志远 (同济大学汽车学院,上海 201804)

基于国Ⅴ柴油公交车,试验研究并分析了燃用5%体积分数的餐厨废弃油脂制生物柴油混合燃料B5的实际道路排放性,燃油经济性及可靠性.结果表明:所跟踪进行的11万km道路排放检测过程中,相较于国Ⅴ纯柴油(D100),B5的CO排放因子平均下降13.28%,THC排放因子平均下降7.86%,CO2和NOx排放因子平均上升11.50%和11.84%,颗粒数量PN排放因子平均上升13.15%,颗粒质量PM排放因子平均下降14.74%;油耗的跟踪监测结果显示:B5的燃油经济性与D100相当,按热值换算后,B5的年平均百km油耗较D100小幅上升约1.54%;内窥镜跟踪检查结果显示:燃用B5后,在活塞顶面,燃烧室顶面,气门与气门座间隙以及喷油嘴等发动机的关键部位均无明显的积碳产生,燃用B5的可靠性较好.

柴油公交车；生物柴油；排放性；经济性；可靠性

餐厨废弃油脂是重要污染源,不仅直接危害环境,更有可能回流餐桌带来严重的食品安全隐患[1].将餐厨废弃油脂通过酯交换工艺炼制成生物柴油,可在不改变柴油机结构参数的前提下直接应用于公交车,可以有效解决餐厨废弃油脂带来的食品安全问题[2].而且生物柴油作为一种可再生的清洁燃料,具有理化特性好,十六烷值高的特点,并且含有分子内氧,燃烧性能较好,芳香烃含量和挥发性有机成份(VOC)均较低,环保性能好,将其用作公交车燃料可以带来一定的经济效益和环境效益[3-4].

国内外学者对生物柴油的应用开展了广泛的研究,研究方法主要集中在台架及转毂实验法,使用的生物柴油掺混比例从 5%～100%不等,研究内容主要包括生物柴油的动力性,排放性和经济性.动力性方面,生物柴油的使用会造成柴油机的动力性略微下降[5-7].排放性方面,生物柴油使用后,柴油机的CO,THC以及颗粒排放下降,CO2和NOx排放升高,并且变化幅度随生物柴油掺混比例的增大而增大[8-11],此外,生物柴油会改变颗粒排放的粒径分布,降低聚集态颗粒占比,造成几何平均粒径变小[12-15].经济性方面,生物柴油使用后会带来油耗不同程度的升高[16-17].

现有研究对公交车燃用生物柴油的道路排放特性关注较少,而关于道路燃油经济性和可靠性的研究更是未见报道.因此,本文从道路排放特性,燃油经济性及耐久可靠性角度出发,系统分析公交车燃用生物柴油混合燃料的综合性能,为生物柴油公交车的推广应用提供有效借鉴.

1 研究方案

1.1 试验车辆

试验车辆为正常运营的国Ⅴ柴油公交车,共计投入 15辆,均选自相同运行线路.分批燃用纯生物柴油体积占比5%的B5生物柴油混合燃料,首批2辆燃用B5,13辆燃用国Ⅴ纯柴油D100,逐渐过渡到10辆燃用B5,5辆燃用D100.试验车辆基本技术参数如表1所示.

表1 试验车辆技术参数Table 1 Specifications of the test bus

1.2 试验燃料

试验燃料分别为国Ⅴ纯柴油D100以及生物柴油混合燃料B5,其主要理化指标如表2所示.

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

1.3 跟踪检测方案

试验中跟踪检测生物柴油公交车的排放性,燃油经济性及可靠性.试验间隔分别为车辆燃用B5初始阶段,行驶1万km,2万km,4万km,7万km及11万km.选取试验车辆中重点车辆进行周期性排放检测,排放检测内容包括气态物及颗粒物,其中,气态物检测采用日本 Horiba公司的OBS-2200车载排放检测系统,颗粒物检测采用芬兰Dekati公司的电子低压冲击仪ELPI,同时配合使用DI-2000射流稀释器,公交车行驶工况由GPS实时记录;经济性方面对该线路15辆试验公交车进行油耗跟踪分析;采用内窥镜对跟踪车辆燃用生物柴油混合燃料B5的重要零部件积碳情况进行检测,以考察其可靠性.

2 结果与分析

2.1 实际道路排放特性

对重点试验跟踪车辆进行了一定里程间隔的排放跟踪,得到CO排放因子如图1所示,可以看出,B5的CO排放因子随使用里程的增加有所波动,但始终低于D100,累计使用11万km间的CO平均排放因子较D100低13.28%,其主要原因是生物柴油含有分子内氧,有助于其充分燃烧,使CO充分氧化[18].

图1 CO排放因子Fig.1 CO emission factor

THC排放因子如图2所示.相较于纯柴油,B5的THC排放因子略低,累计使用11万km间B5的THC平均排放因子较D100下降7.86%,同样是因为生物柴油含有分子内氧,有利于燃料的充分燃烧,从而使未燃 THC排放减少,同时生物柴油芳香烃含量和挥发性有机成份含量较少,也是造成B5的THC排放较低的原因[19].

图2 THC排放因子Fig.2 THC emission factor

CO2排放因子如图3所示,可知B5的CO2排放因子随使用里程的增加始终高于纯柴油,累计使用11万km间的CO2平均排放因子较D100高 11.50%,这主要是因为生物柴油密度大,热值低,输出相同的功率需要消耗更多燃料所致[20].

图3 CO2排放因子Fig.3 CO2emission factor

NOx排放因子如图 4所示,可以看出整个跟踪测试期间,B5的NOx排放因子始终高于D100,累计使用11万km间B5的NOx平均排放因子较D100高11.84%,主要是因为生物柴油的含氧特性有利于改善燃烧状况,提高缸内温度,从而带来NOx排放量的增加[21].

图4 NOx排放因子Fig.4 NOxemission factor

颗粒物数量PN排放因子如图5所示,可知B5的PN排放因子随使用里程的增加始终高于D100,累计使用11万km间B5的PN平均排放因子较D100高13.15%,这主要是因为生物柴油理化特性有利于燃料的充分燃烧,排放的核态颗粒较多而聚集态颗粒相对较少,总体上平均粒径向细颗粒方向移动,造成颗粒数量增多[22].

图5 PN稳态排放因子Fig.5 PN emission factor

颗粒物质量PM排放因子如图6所示,可以看出,B5的PM排放因子随使用里程的增加始终低于D100,整个11万km使用期间B5的PM平均排放因子较D100低14.74%,这主要是因为生物柴油排放中聚集态颗粒物降幅明显,大颗粒数量的减少使得质量排放下降[23].

2.2 燃油经济性

在整个试验运行期间,该线路15辆同型公交车分批投入使用B5生物柴油混合燃料, 对整个车队进行了为期12个月的行驶里程和燃油消耗监控.

行驶里程及燃油消耗数据来自公交公司数据库.对于跟踪车辆,分别累加单月行驶里程和油耗,得到燃用B5生物柴油混合燃料及D100公交车的总里程和总油耗,进而计算当月百km油耗.为了科学比较两种燃料实际应用中的热效率和消耗情况,将 B5按照其热值计算出当量油耗,再进行比较.在运行试验中,燃用D100和B5车辆的每月平均油耗及变化比较如表3所示.

图6 PM排放因子Fig.6 PM emission factor

表3 燃油经济性统计表Table 3 Statistics of fuel consumption

图7 单月油耗变化Fig.7 Fuel consumption of every month

由表3可知,D100公交车单月运行里程逐步减少并最终稳定.而B5公交车的单月运行里程则逐步增多并最终稳定,主要是因为投入运行的D100公交车逐步减少而B5公交车逐步增加的缘故.D100公交车单月百km油耗浮动在28.51～34.92L之间,所跟踪的12个月的公交车燃用D100的平均百km油耗为31.19L;燃用B5生物柴油混合燃料公交车的12个月百 km油耗在 29.07～35.52L之间,平均值为31.67L.除11月较D100下降0.6%外,B5的单月平均油耗总体上高于 D100,增幅范围为 0.15%～2.98%,平均增幅为 1.54%.这主要是因为生物柴油的密度大于纯柴油,且其低热值较小,即产生相同的能量需要消耗更多的生物柴油.

B5及D100的单月油耗变化趋势如图7所示.可以看出,B5和D100的变化趋势一致,均呈现先下降后升高再下降的态势.1～4月期间油耗逐渐降低可能与环境温度逐渐升高有关.从5月起,随着高温天气数量的增加,公交车开启空调的天数增加,可能导致油耗逐步升高.其中7月油耗最高,与平均值和最低值相比,D100的 7月油耗分别高出 11.97%和 22.48%,而 B5则分别高出12.15%和22.20%.在8～12月,空调开启天数减少,油耗逐步下降,并最终与1月油耗值趋于一致,体现出规律性的周期变化特点.

2.2 可靠性

积碳会影响甚至损害发动机的性能和寿命,是衡量燃料对发动机可靠性影响的重要因素.活塞顶部积碳会形成许多炽热面,引起早然,爆燃,爆震和敲击,使活塞产生异常磨损,缩短发动机的使用寿命.燃烧室顶部积碳,将降低发动机的冷却效果,直接影响动力性和经济性.气门与气门座间隙处积碳,会引发气门关闭不严进而漏气,这会直接导致发动机难起动,转速快慢不均,动力性减弱和气门易烧蚀等故障.柴油机的喷油嘴处极易形成积碳并堵塞,这将使燃油雾化不良,燃烧恶化.此外,燃烧室和进气系统中的积碳还会影响进气,而过量空气系数的改变会使排放恶化.

生物柴油的理化特性指标与传统石化柴油有一定的不同,存在产生积碳的风险.生物柴油的运动粘度大于纯柴油,且低温流动性也较差,这均会导致喷射雾化效果变差,燃烧恶化,产生胶质残留物并最终形成积碳.此外,不饱和脂肪酸和游离脂肪酸会使机油提前变质和聚合,而其窜入燃烧室也会促使积碳形成.

图8 内窥镜跟踪检测Fig.8 Tracking detection of the engine par

使用内窥镜检测公交车燃用生物柴油后发 动机重要零部件的积碳情况,包括活塞顶面,燃烧室顶面(主要为气门底部表面),气门与气门座间隙和喷油嘴处.对同一辆重点跟踪车辆进行了共4次检测,每次间隔约为3个月.检测结果如图8所示.可见活塞顶部凹坑和气门底部表面的纹理清晰可见,气门与气门座间隙和喷油嘴处均没有明显的积碳痕迹,且喷油嘴孔基本干净畅通.可知公交车在发动机未作专门匹配的情况下,燃用生物柴油后,并无明显的积碳产生.这可能因为对纯生物柴油B100和混合燃料B5都进行了生产工艺优化,提升了生物柴油的燃油品质.

3 结论

3.1 从排放角度来看,B5的CO排放因子较D100下降 13.28%,THC 排放因子较 D100下降7.86%,CO2排放因子较D100上升11.50%,NOx排放因子较D100上升11.84%,PN排放因子较D100上升13.15%,PM排放因子较D100下降14.74%.

3.2 生物柴油混合燃料 B5的燃油经济性与纯柴油相当.所跟踪的一年中,生物柴油混合燃料B5和纯柴油D100的当量油耗变化趋势基本一致,但前者略高于后者,增幅范围在0.15%～2.98%之间,平均增幅约为1.54%.

3.3 生物柴油混合燃料 B5对发动机工作的可靠性基本没有影响.公交车在发动机未作专门匹配的情况下,燃用 B5生物柴油混合燃料后,在活塞顶面,燃烧室顶面,气门与气门座间隙和喷油嘴等关键部位均无明显的积碳产生,可靠性较好.

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Study on the emission performance, fuel economy and reliability of a bus fuelled with biodiesel blends.

ZHANG Yun-hua, LOU Di-ming*, TAN Pi-qiang, HU Zhi-yuan (School of automobile studies, Tongji University, Shanghai 201804, China). China Environmental Science, 2017,37(7)：2773～2778

A long-term experimental study on the characteristics of on-road emissions, fuel economy and reliability for a bus at emission standard Stage V was carried out through the emission test for 110,000kilometers. The bus was fueled with biodiesel blends B5 (5% biodiesel made with used cooking oil and 95% pure China-V diesel in volume). The experimental results show that the average CO emission factor of B5 is about 13.28% lower than that of D100, the average THC emission factor of B5 is about 7.86% lower than that of D100, and the average CO2and NOxemission factors of B5 are higher than those of D100 by 11.50% and 11.84% respectively. Compared with D100, the average PN emission factor of B5 increases by 13.15% while the average PM emission factor decreases by 14.74%. The recorded data of fuel consumption shows that the fuel economy of B5 is equivalent to that of D100, but the annual average fuel consumption of B5 per hundred kilometers is 1.54% higher than that of D100 based on heating value. The diesel engine endoscope test shows that there is no obvious carbon deposition on the key components of the engine, such as the piston head, the combustion chamber, the fuel injector, and the site between valve and valve seat, which indicates the reliability of the engine.

diesel bus；biodiesel；emission performance；fuel economy；reliability

X73,TK464

A

1000-6923(2017)07-2773-06

张允华(1989-),男,江苏徐州人,博士研究生,主要从事发动机替代燃料及排放控制技术研究.

2016-11-24

上海市科学技术委员会科研计划项目(16DZ1203001)

* 责任作者, 教授, loudiming@tongji.edu.cn