城市公交车非常规气体排放特性研究

马成功 赵哲 刘庚非 郭勇 黎苏

摘要 为了研究B5生物柴油在实际运行工况下的非常规气体排放特性，基于重型底盘测功机，采用C-WTVC循环，对比研究了满足国Ⅴ排放标准的柴油公交车分别燃用京Ⅵ柴油和B5生物柴油在不同行驶工况下的非常规气体排放。结果表明：与京Ⅵ柴油相比，采用B5生物柴油，NH3排放量平均降低37.84%，其中高速工况下NH3排放量降低最明显，平均降低45.98%;SO2排放量平均降低4.52%，但在高速工况下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%，其中在怠速工况下排放量降低最明显，平均降低19.95%;C7H8排放量平均降低22.57%，其中在中速工况下排放量降低最明显，平均降低24.15%。试验证明国Ⅴ样车在燃用B5生物柴油后的非常规气体排放均降低。

关 键 词 B5生物柴油;非常规气体排放;城市公交车;C-WTVC循环;不同行驶工况

中图分类号 TK412.5     文献标志码 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

柴油公交车作为城市公共交通的主要工具，在为人们提供便利的同时也产生了大量的污染物。随着人们环保意识的提高，世界各个国家和地区都在不断提高机动车排放标准，我国也在2016年开始推行机动车国Ⅴ排放标准，机动车常规污染物排放得到有效控制。虽然我国至今并没有法规对非常规气体排放物进行限制，不过随着法规的日益严格，预计今后也会出台相应的排放标准[1]。

生物柴油是利用动植物油脂与醇经过酯交换反应制得的可再生资源，其主要成分为脂肪酸甲酯。世界各国研究都得出：与普通柴油相比，生物柴油能有效降低发动机污染物排放，是一种良好的替代能源[2，3]。在2017年北京实施的第六阶段车用燃油标准中就增加了B5车用柴油（1%～5%生物柴油与95%～99%石油柴油的调和燃料）的技术要求和试验方法，并在一定范围内适用。使用生物柴油尤其是低掺混比（≤5%）的生物柴油无需对发动机进行较大调整，且生物柴油具有良好的润滑性能，能够降低发动机磨损，相比其他替代能源，生物柴油具有十分广阔的应用前景[4]。

整车底盘测功机测试方法与发动机台架测试方法相比，前者将道路的实际运行条件与公交车的属性充分考虑在内，具有良好的模拟一致性及准确性，能够准确的反应整车在实际运行过程中的排放特性。已有研究多是分析常規污染物的研究，有关燃用生物柴油的非常规气体排放研究较少。因此本文应用重型底盘测功机，对比研究燃用不同柴油的国Ⅴ公交车在城市工况下的非常规气体排放特性[5]。

1 材料与方法

1.1 试验样车及燃料

试验样车为满足国Ⅴ排放标准的3辆北京市日常运营的柴油公交车，试验车的基本参数如表 1所示。

试验燃料为0号京Ⅵ柴油和0号B5生物柴油，其中B5生物柴油为2%～5%（体积分数）生物柴油（BD100）与95%～98%（体积分数）石油柴油的调和燃料，适用于满足国Ⅴ排放标准的柴油公交车发动机，其主要理化指标如表 2所示。

1.2 试验装置及方法

试验装置主要包括MAHA的重型底盘测功机AIP-ECDM 72H/4×4、HORIBA的发动机排放测量全流稀释定容采样系统CVS-7400T与HORIBA的发动机排放污染测试系统MEXA-7200DTR。

实验循环采用GB/T27840-2011推荐的重型商用车C-WTVC循环，此循环是以“世界统一的重型车瞬态循环”（WTVC）为基础，根据我国车辆技术特性和驾驶习惯进行适当的调节形成的新的驾驶循环。为了更真实的模拟城市公交系统的实际运行情况，只选取循环的前900 s市区部分进行试验，试验循环如图 1所示。将C-WTVC市区循环工况划分为怠速工况[0～0.5）km/h、低速工况[0.5～20）km/h、中速工况[20～40）km/h和高速工况[40～70）km/h 4类行驶工况，4种行驶工况在循环内占比如图 2所示。

整车转毂排放试验中，每辆车在转毂上进行两种油品的整车排放试验，先采用京Ⅵ柴油进行试验，再采用B5生物柴油进行试验。为了降低驾驶员驾驶习惯等随机性因素的影响，每辆车实验重复3次，实验结果取平均值。车辆在使用不同目标油品进行试验前，均应采用相应油品对车辆进行油路清洗和预处理工作，具体为，加油20 L，行驶50 km，放尽柴油，共重复3次。

2 测试数据和分析

对每一试验车，燃用不同油品分别进行3次重复性测试，现综合分析3辆车的气态排放结果，采用试验结果的平均值进行分析。

2.1 NH3排放

燃用京Ⅵ柴油，车辆在整个循环运行过程中，NH3排放量在676 s时出现最高值，此时排放量为22.11 g/km;NH3排放量在893 s时出现最低值，此时排放量为2.74 g/km;车速在701 s时最高，最高车速为66.2 km/h，此时排放量为7.52 g/km。燃用生物柴油后，车辆在整个循环运行过程中，NH3排放量在704 s时达到最高值，排放量为10.23 g/km;NH3排放量在616 s时出现最低值，此时排放量为1.19 g/km;车速在701s时最高，最高车速为66.2 km/h，此时排放量为9.42 g/km。与京Ⅵ柴油相比，采用B5生物柴油，NH3排放整体呈降低趋势。在0～81 s内B5生物柴油的NH3排放略高于京Ⅵ柴油的NH3排放， 在82～431 s内京Ⅵ柴油的NH3排放高于生物柴油的NH3排放，在432～572 s内京Ⅵ柴油的NH3排放与B5生物柴油的NH3排放相差不多，在573～698 s内京Ⅵ柴油的NH3排放明显高于B5生物柴油的NH3排放，在699～900 s内京Ⅵ柴油的NH3排放与B5生物柴油的NH3排放相差不多。

燃用不同柴油的NH3排放变化如图 3所示。

燃用京Ⅵ柴油，车辆在整个循环运行过程中，中速工况NH3平均排放量最低，为4.91 g/km。高速工况平均排放量最高，达到8.92 g/km，整个循环平均排放量为5.96 g/km。相比整个循环下NH3平均排放量而言，怠速工况降低10.07%，低速工况排放降低11.73%，中速工况排放降低2.88%，高速工况排放增长30.13%。燃用生物柴油，车辆在整个循环运行过程中，低速工况NH3平均排放量最低，为3.27 g/km。高速工况平均排放量最高，为4.82 g/km，整个循环平均排放量为3.70 g/km。相比整个循环下NH3的平均排放量而言，怠速工况降低11.35%，低速工况排放降低7.86%，中速工况排放量降低17.69%，高速工况平均增长49.73%。

相比京Ⅵ柴油，在采用B5生物柴油后，NH3排放量整体降低37.84%，其中怠速工况排放量降低36.94%，低速工况排放量降低40.46%，中速工况排放量降低26.66%，高速工况排放量降低45.98%，高速工况排放量降低最明显。

不同工况下的NH3的平均排放如图 4所示。

发动机排放物中的NH3主要是由柴油中含氮有机物在燃烧过程中生成的中间产物，在正常条件下这种中间产物会继续氧化生成NOx和水。实验结果表明，对比燃用京Ⅵ柴油和B5生物柴油在不同行驶工况下的平均排放可知，在燃用B5生物柴油后，在各个工况下NH3的平均排放均明显降低，其中在高速工况下的降低程度最明显。燃用京Ⅵ柴油的公交车整个循环过程中在中速工况下NH3的平均排放量最低，在高速工况下NH3的平均排放量最高;燃用B5生物柴油的公交车整个循环过程中在低速工况下NH3的平均排放量最低，在高速工况下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，能够使燃烧过程中燃料的燃烧更加充分，进而促进燃烧过程中生成的中间产物NH3进一步氧化生成NOx，因此燃用B5生物柴油的NH3排放较低。在高速工况下，发动机的循环喷油量增加，气缸内的混合气较浓，燃料燃烧不够充分，导致在高速工况下NH3的排放量增加[6]。

2.2 SO2排放

燃用京Ⅵ柴油，车辆在整个循环运行过程中，SO2排放量在683 s时出现最高值，此时排放量为3.21 g/km;SO2排放量在136 s时出现最低值，此时排放量为0.34 g/km;车速在701 s时最高，最高车速为66.2 km/h，此时排放量为2.43 g/km。燃用生物柴油后，车辆在整个循环运行过程中，SO2排放量在690 s时达到最高值，排放量为3.78 g/km;SO2排放量在292 s时出现最低值，此时排放量为0.09 g/km;车速在701 s时最高，最高车速为66.2 km/h，此时排放量为3.07 g/km。相比京Ⅵ柴油在采用B5柴油后， 在中低车速时SO2排放量相对有所降低，在高车速时，SO2排放量相对京Ⅵ柴油有所增加。

燃用不同柴油的SO2排放变化如图 5所示。

使用燃用京Ⅵ柴油，车辆在整个循環运行过程中，怠速工况SO2平均排放量最低，为0.98 g/km，高速工况平均排放量最高，达到2.11 g/km，整个循环平均排放量为1.57 g/km。相比整个循环下SO2平均排放量而言，怠速工况排放降低37.43%，低速工况排放降低19.31%，中速工况排放增长14.93%，高速工况排放增长34.68%。使用燃用生物柴油，车辆在整个循环运行过程中，怠速工况SO2平均排放量最低，为0.72 g/km，高速工况平均排放量最高，为2.40 g/km，整个循环平均排放量为1.50 g/km。相比整个循环下SO2的平均排放量而言，怠速工况排放降低51.80%，低速工况排放降低24.41%，中速工况排放量增长11.16%，高速工况平均增长60.13%。

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

不同工况下的SO2的平均排放量如图 6所示。

发动机排放物中SO2的排放量主要取决于燃料中硫含量的多少，京Ⅵ柴油中含有少量硫，生物柴油几乎不含硫，添加生物柴油后硫含量会降低，从而导致SO2的排放量降低。实验结果表明在燃用生物柴油后整体上SO2排放量降低，其中在怠速、低速和中速工况下SO2的平局排放量都有不同程度的降低，但在高速工况下，燃用生物柴油后SO2排放量相比京Ⅵ柴油反而有所升高，主要是因为生物柴油热值较低，有研究表明，燃用生物柴油会导致发动机比油耗会上升。在高速工况下，燃用生物柴油时循环喷油量略微增加，导致总体硫含量升高，SO2排放量升高[7-8]。

2.3 甲醛（HCHO）排放

使用燃用京Ⅵ柴油，车辆在整个循环运行过程中，HCHO排放量在354 s时出现最高值，此时排放量为3.76 g/km;HCHO排放量在895 s时出现最低值，此时排放量为1.29 g/km;车速在701 s时最高，最高车速为66.2 km/h，此时排放量为2.78g/km。使用燃用生物柴油后，车辆在整个循环运行过程中，HCHO排放量在694 s时达到最高值，排放量为3.21 g/km;HCHO排放量在635 s时出现最低值，此时排放量为0.93 g/km;车速在701 s时最高，最高车速为66.2 km/h，此时排放量为3.04 g/km。对比燃用京Ⅵ柴油和B5生物柴油后的HCHO排放， 除了在268～287 s和679～695 s内燃用B5生物柴油的HCHO排放高于京Ⅵ柴油，在其余循环时间内燃用B5生物柴油后HCHO排放明显低于京Ⅵ柴油。

燃用不同柴油的HCHO排放变化如图 7所示。

使用燃用京Ⅵ柴油，车辆在整个循环运行过程中，怠速工况HCHO平均排放量最低，为2.26 g/km，高速工况平均排放量最高，达到2.83 g/km，整个循环平均排放量为2.53 g/km。相比整个循环下HCHO平均排放量而言，怠速工况排放降低10.82%，低速工况排放降低6.35%，中速工况排放增长3.87%，高速工况排放增长11.87%。使用燃用生物柴油，车辆在整个循环运行过程中，怠速工况HCHO平均排放量最低，为1.81 g/km，高速工况平均排放量最高，为2.46 g/km，整个循环平均排放量为2.09 g/km。相比整个循环下HCHO的平均排放量而言，怠速工况排放降低13.75%，低速工况排放降低7.18%，中速工况排放量增长2.64%，高速工况平均增长14.91%。

相比京Ⅵ柴油，在采用B5生物柴油后，HCHO排放量整体降低17.24%，其中怠速工况排放量降低19.95%，低速工况排放量降低17.97%，中速工况排放量降低18.22%，高速工况排放量降低13.06%。

不同工况下的HCHO的平均排放量如图 8所示。

试验结果表明，采用燃用生物柴油，在各个工况下HCHO排放量都有不同程度的降低。发动机排放物中的HCHO主要是燃料燃烧的中间产物，它的排放规律与HC的排放规律是相关的。在高负荷和高的燃烧工况下，燃料燃烧比较完全，不利于醛类的生成。相比与京Ⅵ柴油，生物柴油十六烷值含量较高，自燃温度较低，因此燃用生物柴油时着火延迟期缩短，燃烧持续期延长，使得未燃HC减少，同时由于生物柴油含氧量高，能够促进HCHO的氧化，从而进一步降低了HCHO的排放[9]。

2.4 甲苯（C7H8）排放

采用燃用京Ⅵ柴油，车辆在整个循环运行过程中，C7H8排放量在585 s时出现最高值，此时排放量为4.33 g/km;C7H8排放量在443 s时出现最低值，此时排放量为1.28 g/km;车速在701s时最高，最高车速为66.2 km/h，此时排放量为2.97 g/km。采用燃用生物柴油后，车辆在整个循环运行过程中，C7H8排放量在278 s时达到最高值，排放量为4.01g/km;C7H8排放量在259 s时出现最低值，此时排放量为0.42 g/km;車速在701 s时最高，最高车速为66.2 km/h，此时排放量为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内C7H8排放高于京Ⅵ柴油，在其余循环时间内C7H8排放明显降低。对比京Ⅵ柴油和B5生物柴油整个循环时间内的排放趋势，在京Ⅵ柴油C7H8排放出现峰值时，B5生物柴油C7H8排放出现谷值。

燃用不同柴油的C7H8排放变化如图 9所示。

采用燃用京Ⅵ柴油，车辆在整个循环运行过程中，怠速工况C7H8平均排放量最高，为3.08 g/km，高速工况平均排放量最低，为2.75 g/km，整个循环平均排放量为2.96 g/km。相比整个循环下C7H8平均排放量而言，怠速工况排放升高4.25%，低速工况排放升高2.86%，中速工况排放降低0.34%，高速工况排放降低7.14%。采用燃用生物柴油，车辆在整个循环运行过程中，怠速工况C7H8平均排放量最高，为2.44 g/km，高速工况平均排放量最低，为2.20 g/km，整个循环平均排放量为2.29 g/km。相比整个循环下C7H8的平均排放量而言，怠速工况排放升高6.72%，低速工况排放升高1.68%，中速工况排放量降低2.37%，高速工况平均降低4.29%。

相比京Ⅵ柴油，在采用B5生物柴油后，C7H8排放量整体降低22.57%，其中怠速工况排放量降低20.73%，低速工况排放量降低23.46%，中速工况排放量降低24.15%，高速工况排放量降低20.05%。

不同工况下的C7H8的平均排放量如图 10所示。

C7H8排放主要是由于燃料中芳香烃成分不完全燃烧的产物，相关研究表明，苯类排放量与燃料中芳香烃含量线性相关。实验结果表明，添加生物柴油后在各个运行工况下C7H8的排放量均有所降低，且随着行驶工况速度的提升，C7H8的平均排放量逐渐降低，在高速工况下平均排放量最低。这是因为柴油中含有部分单环芳香烃成分，这些成分不完全燃燒会导致排放物中C7H8排放量的升高。生物柴油本身不含芳香烃，添加生物柴油能够降低燃料中芳香烃的含量，同时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烧程度，促进C2H2和C3H3这些MAHs和PAHs前驱物的燃烧，阻碍了苯环的形成，从而降低排放物中C7H8的排放量。 随着行驶工况车速的升高，气缸内的燃烧温度和压力逐渐升高，这就为苯环化学键的断裂提供了更多的能量，使更多的单环芳香烃分子被破坏最后充分燃烧，最终使得C7H8的排放量逐渐降低[10-12]。

3 结论

本文通过实验分析国Ⅴ排放标准的柴油公交车采用燃用京Ⅵ柴油和B5生物柴油在不同行驶工况下的非常规气体排放特性，经过大量试验数据采集与结果分析，得出如下结论：

1）不论是燃用京Ⅵ柴油还是B5生物柴油，在高速工况下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的整体排放量明显降低，平均降低37.84%，其中各个行驶工况下NH3的平均排放量均有不同程度的降低，在高速工况下降低最明显，平均排放量降低45.98%。

2）不论是燃用京Ⅵ柴油还是B5生物柴油，随着行驶工况速度的提升，SO2的平均排放量也逐渐升高。相比京Ⅵ柴油，在燃用B5生物柴油后，SO2的整体排放量降低，平均降低4.52%，在中、低速和怠速工况下SO2的平均排放量均降低，但在高速工况下却有所升高。

3）不论是燃用京Ⅵ柴油还是B5生物柴油，随着行驶工况速度的提升，HCHO的平均排放量也逐渐升高。相比京Ⅵ柴油，在燃用B5生物柴油后，HCHO的整体排放量降低，平均降低17.24%，其中各个行驶工况下HCHO的平均排放量均有不同程度的降低，在怠速工况下降低最多，平均排放量降低19.95%。

4）不论是燃用京Ⅵ柴油还是B5生物柴油，随着行驶工况速度的提升，C7H8的平均排放量逐渐降低，在怠速工况下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的整体排放量降低，平均降低22.57%，其中各个行驶工况下C7H8的平均排放量均有不同程度的降低，在中速工况下降低最多，平均排放量降低24.15%。

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[责任编辑 田 丰]