不同排放阶段公交车燃用生物柴油的排放特性

2019-09-12于全顺秦建芸

小型内燃机与车辆技术 2019年4期

李勇李仲于全顺凌建秦建芸

（中国汽车技术研究中心有限公司天津 300300）

引言

大气污染的防治已经成为当前国内环保治理的最主要任务之一，而移动源排放作为大气污染大户越来越受到政府和社会各界的广泛关注。移动源排放中，重型柴油车的尾气排放占了很大比例，是主要的NOx和PM污染源。据2014年的统计结果，柴油车数量仅占汽车总量的14.1%，但却贡献汽车排放中的69.2%的NOx排放和99%的PM排放。有研究表明，上海市重型车保有量只占机动车总保有量5.5%，但其中NOx和PM的贡献率高达65%和56%[1-2]。因此控制重型柴油车的尾气排放成为目前大气保护的研究重点之一。

目前市场上已经存在多种降低重型柴油车排放的技术，但多数是通过发动机结构优化或增加尾气处理装置来完成，通过燃料技术完成的较少。但通过结构更改和增加后处理的方法来减排，前期投入较大，收益周期较长，短时间无法抑制排放污染。

生物柴油是以油料作物、野生油料植物和工程微藻等水生植物油脂，动物油脂及废弃油脂等为原料通过酯交换工艺制成的甲酯或乙酯燃料[3]。与传统的石化柴油相比，生物柴油具有十六烷值高，芳香烃含量低，挥发性低和燃料分子中含氧原子等特点，是一种理想的柴油替代燃料[4]。本研究采用混合一定比例（5%）的生物柴油的车用京VI柴油作为燃料，研究其对重型柴油车尾气排放的影响。

1 试验样机与试验燃料

试验采用2个车型，共6辆柴油公交车，国IV、国V各3辆。试验车1～3为满足国IV排放的公交车，试验车4～6为满足国V阶段排放的公交车。表1为试验用车主要技术参数。

表1 试验用车主要技术参数

试验用燃料共3种分别为：京VI柴油，国V柴油以及在京VI柴油中掺混5%餐饮废油制成的生物柴油B5燃料。

2 试验设备与试验方法

试验设备包括底盘测功机与全流尾气排放检测设备。底盘测功机为德国MAHA公司生产的ECDM-72H型重型转鼓：轴距调节范围为3.2～8 m，载荷模拟范围为3.5～49 t，最大模拟车速为130 km/h。全流尾气排放设备为HORIBA公司生产的MEXA-7000的定容采样分析仪。包括用于检测NOx的化学发光分析仪（CLD）、检测HC的氢火焰离子分析仪（FID）、检测CO与CO2的不分光吸收型分析仪（NDIR）以及检测PM的颗粒取样设备、微克天平和称重间，可以满足重型车国IV、国V及国VI各个阶段排放标准的检测要求。

3 试验方案

选取6辆装配有柴油发动机的公交车，国IV和国V阶段各3辆进行不同燃料（国V、京VI、B5共3种燃料）的排放对比试验。测试分3个阶段进行：分别在初始状态、行驶5 000 km后与行驶10 000 km后进行。试验的测试循环采用C-WTVC测试循环的城市部分。更换燃料试验前对试验车辆进行预处理，并让车辆充分预热。

由于公交车在城市中行驶随机性强，道路排放测试的结果难以体现足够的对比性，因此采用在转毂台架使用C-WTVC循环中的城市工况部分模拟实际道路情况进行试验[5-6]。C-WTVC城市工况循环是模拟重型车在城市路况下运行的工况，运行时间为900 s，全程为5.73 km，平均速度22.92 km/h。最大速度66.2 km/h。C-WTVC城市工况循环中怠速、加速以及匀速所占比例分别在20%～30%，与实际公交行驶时的路况基本一致，可以满足试验需求。

为尽量减少因驾驶习惯引起的误差，每次转毂试验均使用同一驾驶员完成。每次试验跑3次测试循环，取3次测试循环结果的算术平均值作为试验结果。图1为C-WTVC测试循环曲线。

图1 C-WTVC测试循环

4 试验结果与讨论

4.1 NO x排放

图2为试验车燃用不同种类燃料的NOx排放结果。从排放结果中可以看出：对于不同阶段排放的发动机来说燃用京VI柴油和国V柴油对于NOx的排放并不存在对应关系，且NOx排放因子差异较小，因此可以确定试验车燃用京VI柴油和国V柴油对于车辆的NOx排放影响不大。

当以B5生物柴油作为燃料时，试验车均出现NOx排放因子增大的情况。由于车辆运行在城市工况下，出现频繁启停及加速情况。车辆起动或加速时，循环供油量快速上升。但由于柴油机增压系统响应慢于电控燃油供给系统，造成了进气量延迟的情况，缸内空燃比下降，未达到NOx最易生成的富氧环境。生物柴油作为一种含氧燃料，在缸内燃烧室可以提供一定的氧，间接提高空燃比造成富氧环境。同时，生物柴油的热值较高，滞燃期较长，有利于提升最高燃烧温度，有助于NOx的形成[7]。

试验车运行5 000 km后，NOx排放因子均有所增大。这是由于车辆经过长时间道路行驶，充分的磨合，燃烧更加充分。因此NOx排放相比于初始里程有少量增加。10 000 km后NOx排放因子的增量与5 000 km相比变化较小，车辆运行情况稳定。

图2 试验车辆NO x排放因子对比

4.2 CO排放

图3 为试验车燃用不同种类燃料的CO排放结果。从排放结果中可以看出：试验车燃用国V柴油产生的CO多于燃烧京VI柴油产生的CO。京VI柴油中多环烷烃少于国V柴油，使用京VI柴油的车辆缸内燃烧更加充分，因此产生的CO的量要小于使用国V柴油的车辆。

对比B5柴油与京VI柴油对CO排放因子，从结果中可以看出，试验车燃用B5柴油的CO排放因子较小。CO是燃油不完全燃烧产生的，试验车在城市工况测试循环中经常出现启停、加减速工况，瞬间循环油量增大，造成缸内氧含量低，容易产生CO。生物柴油作为含氧燃料，可以在燃油燃烧时提供额外的氧，使燃油燃烧更加完全，从而降低CO的排放。而且氧的增加也减小了CO2被还原成CO的可能性，从而进一步降低CO排放。

图3 试验车辆CO排放因子对比

试验车运行5 000 km后，CO排放因子有所减小。这是由于车辆经过充分的磨合，燃烧更加充分，因此CO排放相比于初始里程有少量减小。10 000 km后CO排放与5 000 km相比并未增加，车辆运行情况稳定。试验车3的CO因子出现了增大，考虑其在试验中油耗、烟度同时增加，判断其油嘴磨损较大，造成油量比初始里程增加从而引起了CO排放因子增大。

4.3 HC排放

图4为试验车燃用不同种类燃料的HC排放结果。从排放结果中可以看出：对于不同阶段排放的发动机来说燃用京VI柴油和国V柴油对于HC的排放并不存在对应关系，且HC排放因子差异较小，因此可以确定试验车燃用京VI柴油和国V柴油对于车辆的HC排放影响不大。

对比B5柴油与京VI柴油对HC排放因子的影响，可以发现使用B5柴油的车辆的HC排放因子要比使用京VI柴油车辆的HC排放因子要小。HC是燃油裂解后未完全燃烧产生的，试验车在测试循环低速情况较多，混合气较稀薄，缸内温度较低，容易产生HC。测试循环中频繁出现的启停工况，会造成瞬时循环油量的增加，缸内空燃比较低，也容易产生HC。生物柴油作为含氧燃料，可以在燃油燃烧时提供额外的氧，燃烧比较充分，使燃油裂解后的HC链燃烧更加完全从而降低HC的排放。

图4 试验车辆HC排放因子对比

试验车运行5000km后，HC排放因子有所减小。这是由于车辆经过充分的磨合，燃烧更加充分，因此HC排放相比于初始里程有少量减小。10 000 km后HC排放与5 000 km相比并未增加，车辆运行情况稳定。

4.4 PM排放

图5为试验车燃用不同种类燃料的PM排放结果。从排放结果中可以看出：对于不同阶段排放的发动机来说燃用京VI柴油和国V柴油对于PM的排放呈现相反趋势，考虑到国IV柴油机与国V柴油机存在标定策略差异，因此无法判断燃料差异是否有关联。

对比B5柴油与京VI柴油对PM排放因子的影响，可以发现使用B5柴油的车辆的PM排放因子要比使用京VI柴油车辆的PM排放因子要小。PM的主要来源是未燃烧完全的柴油受热脱氢形成的soot颗粒，在柴油机空燃比较低时容易生成。试验车辆所用测试循环为城市工况，启停工况较多，因此缸内循环供油量大，空燃比低，燃烧较为恶劣，十分容易生成PM。生物柴油是含氧燃料，含氧量接近10%。在燃烧时提供额外的氧，提高缸内的空燃比，使燃烧更加充分。而且由于生物柴油在缸内的分布与京VI柴油的分布浓稀趋势基本相同，可以提升油气过浓区域的氧含量，改善燃烧。综上，生物柴油由于含有一定的氧，可以改善缸内燃烧，降低PM的排放。

图5 试验车辆PM排放因子对比

5辆试验车运行5 000 km后，PM排放因子有所减小。这是由于车辆经过充分的磨合，燃烧更加充分，因此PM排放相比于初始里程有少量减小。10 000 km后HC排放与5 000 km相比并未增加，车辆运行情况稳定。试验车3的PM排放因子出现了增大，考虑其在试验中CO同时增加，判断其喷孔可能增大，造成油量比初始里程增加从而引起了PM排放因子增大。