重型柴油车在高海拔条件下使用生物柴油的整车性能研究

李 博 郭 勇 颜 燕 高忠明 沈颖刚 吕 勃

（1-中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300 2-昆明理工大学3-云南盈鼎生物能源股份有限公司）

引言

纯生物柴油是由动植物油通过酯化反应得到的主要由脂肪酸甲酯（FAME）组成的代用燃料，脂肪酸甲酯与石化燃料在一定范围内按照体积比例掺混，在不改变发动机原有结构参数的条件下，可代替传统石化燃料进行燃烧工作[1]。与传统石化柴油相比，生物柴油属于可再生能源，目前主要以菜籽油、玉米油、花生油及大豆油等植物油或地沟油作为原材料通过脂交换制备[2]。大量文献研究表明，生物柴油的含氧特性在控制发动机原排污染物方面具有积极作用，尤其对CO 和HC 排放的降低较为明显。然而基于其分子结构的含氧特性，使用生物柴油的车辆NOx污染物排放或在一定程度有所增加。综合其可再生能源优势和部分减排特征，再结合目前国内环保部门的减排政策日趋严格，生物柴油或将作为传统内燃机车辆的新型替代燃料，从发动机机内燃烧控制方面解决重型柴油车辆的污染问题。此外，生物柴油的润滑性能较传统柴油将有所改善，使用生物柴油对发动机燃油供给系统和燃烧相关零部件的润滑具有一定的积极作用。

目前国内外科研机构和高校针对生物柴油开展的相关发动机台架性能试验研究较多，然而在高海拔条件的整车性能研究几乎为零。本文以高海拔环境为试验背景，针对3 组油品的整车排放性、动力性和经济性进行了重复性比对测试，得到B0（国六标准柴油）、B5 和B10 生物柴油的整车性能结果，如结果显示生物柴油[3-5]的使用在整车经济性和动力性表现良好而排放污染物降低，那么生物柴油在高原环境下的应用至少会有两点益处，一则改变该地区车用柴油的能源结构比例，减缓石化柴油消耗，二则使地沟油被合理利用，避免地沟油非法流入餐桌。

1 试验介绍

1.1 油品理化特性

本次试验使用B0（国六标准柴油），B5（国六标准柴油添加5%生物柴油）和B10（国六标准柴油添加10%生物柴油）3 种油品进行比对测试，首先对3种油品的理化特性进行了测试，油品指标特性如表1所示。

表1 油品理化特性

从油品理化特性可以看出，与国六石化柴油相比，B5 和B10 生物柴油的十六烷值相对降低，因生物柴油十六烷值与其脂肪酸甲酯的含量关系呈正比，并且不同原料成分制备的生物柴油十六烷值差异都有所不同[6-7]，本次使用同一生物柴油分别配比B5 和B10 生物柴油，因此两者的十六烷值相差不大。此外，从润滑性能结果对比来看，B5 和B10 生物柴油的润滑性能变好，但运动粘度有所增加，这也符合一般生物柴油的理化特征。

1.2 试验车辆参数

本试验采用国内某厂家生产的一辆国五排放标准的仓栅式运输车作为样本，试验前检查车辆工作状态良好无故障，为对比不同油品燃烧后的发动机原排，试验前发动机厂家对其SCR 后处理系统禁止喷射，详细车辆参数如表2 所示。

表2 试验车辆参数

1.3 试验方法依据和试验设备

1.3.1 试验方法

本次实际道路排放和动力经济性试验方法分别依据重型车国五车载排放标准HJ857-2017 和营运货车燃油消耗量限值及测量方法JT/T 719-2016，试验车辆状态均为满载。

排放测试在实际道路上进行，分别按照市区10%、市郊10%和高速80%的时间比例进行[8]。每组油品进行3 次重复性试验，每种油品的最终排放结果取3 次测量结果算术平均值，为排除试验路线不同对测量结果的影响，9 次排放试验均为同一路线。排放试验结束后，立即进行该油品的动力性和经济性测试，试验选择在无社会车辆的长度约2 km 的平直道路上进行，分别进行等速40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h 和80 km/h 测试，速比为1 的挡位下的50 km/h～70 km/h 的加速测试以及怠速测试，每种油品等速点和加速点共往返4 次测试，怠速测试3次，计算得到各速度点的百公里油耗值后，对其进行大气压力、温度和湿度修正，最终得到每组油品的等速、加速和怠速工况百公里综合油耗值[9]。

1.3.2 试验环境和设备

试验所在地平均海拔2 000 m 左右，平均环境温度16.9℃，平均大气压力80.0 kPa，平均湿度36.4%，整个试验过程中天气晴朗，路面干燥。

试验使用AVL LIST 公司的AVL MOVE 便携式车载排放测试设备对车辆污染物CO、CO2、NO2、NOx、THC 和PN 进行测试，采用天津艾特公司生产的YT-1500 汽车道路试验系统对车辆的等速和加速时间、距离进行测试，等速点和加速点车辆油耗采用碳平衡法进行计算[10]。

2 试验结果与分析

2.1 整车排放特性

针对整体工况（市区、市郊和高速工况）和低速工况（市区和市郊工况）的排放污染物分别进行了计算。

2.1.1 整体工况

图1 为整体工况PN 比排放。

图1 整体工况PN 比排放

对比整个道路工况的PN 比排放发现，相对B0柴油，B5 和B10 生物柴油的使用车辆整体PN 比排放均有降低，B5 生物柴油的PN 总比排放为3.61E+13#/（kW·h），降幅19.95%。主要因为生物柴油含氧，在发动机缸内燃烧过程中通过其分子结构中的-OH来氧化碳烟或直接氧化芳烃前驱物从而降低柴油机的颗粒物数量，这点对于使用DPF 后处理的国六车辆，可以减缓颗粒捕集器的背压上升从而增加其再生周期。

图2 为整体工况NOx比排放，图3 为全工况NO2比排放。

NOx排放结果为SCR 后处理禁喷后的发动机原排，因此其比排放值较国五法规限值要高。与B0 柴油相比，B5 生物柴油的NOx总比排放增加0.94%，B10 生物柴油的NOx总比排放反而降低0.20%，但整体而言，采用2 种生物柴油的NOx排放变化不大。而NO2总比排放均呈现下降趋势，B10 生物柴油的NO2总比排放为0.902 g/（kW·h），比B0 柴油降低了8.21%。

图2 整体工况NOx比排放

NOx排放变化可以从2 个方面进行解释。首先生物柴油的运动粘度较普通柴油增加，那么在相同供油条件下，喷入缸内的燃油前期蒸发量相对较少，从而形成的可燃混合气偏少，同时生物柴油的燃烧特性导致其滞燃期短，2 种因素共同导致生物柴油的预混燃烧比例比普通柴油低。从该角度分析本可以降低NOx排放，然而生物柴油的含氧特性决定其高温燃烧有利于NOx污染物的形成。因此生物柴油的NOx生成最终取决于多种因素的综合影响，所以2种生物柴油的使用车辆NOx总比排放有增有减。

图4 为全工况CO 比排放，图5 为全工况THC比排放。

图4 全工况CO 比排放

图5 全工况THC 比排放

从整个工况的CO 和THC 比排放来看，B5 和B10 生物柴油对CO 和THC 的降低效果明显，针对CO 排放，B5 生物柴油降低23.18%，B10 生物柴油降低25.89%，针对THC 排放，B5 生物柴油降低53.97%，B10 生物柴油降低71.43%。主要因为生物柴油含氧，缸内燃烧过程有利于CO 和未燃HC 的进一步氧化。

2.1.2 低速工况

图6 为低速工况PN 比排放。

图6 低速工况PN 比排放

从低速工况的PN 污染物比对结果来看，B5 和B10 生物柴油对其降幅更加明显，从图6 对比数据可见B10 生物柴油总比排放为3.17E+13#/（kW·h）。因市区和市郊工况发动机大多运行在中低转速的中小负荷区域，缸内燃烧不充分，对于B0 柴油PN 排放比全工况整体排放还要高，这点从整体工况和低速工况的B0 柴油PN 比排放比对可以看出，而随着生物柴油掺混比例在一定范围内的增加，其对柴油机低速工况颗粒物数量的改善尤为明显，B10 生物柴油最大降低了33.88%。

图7 为低速工况NOx比排放，图8 为低速工况NO2比排放。

图7 低速工况NOx比排放

图8 低速工况NO2比排放

从低速工况的NOx比排放结果对比来看，B5 和B10 生物柴油的NOx比排放有所增加，与B0 柴油对比分别增加了3.85%和7.75%，因此在低速区域生物柴油对总的NOx生成较为有利，其含氧特性在低速区域占主导作用。而NO2均呈降低趋势，B5 和B10分别降低了6.25%和5.21%。这点与全工况的NOx生成机理一致，NO2的生成也受几方面因素的综合影响。

图9 为低速工况CO 比排放，图10 为低速工况THC 比排放。

图9 低速工况CO 比排放

使用生物柴油，在低速工况条件下B5 和B10 生物柴油的CO 比排放分别降低了35.7%和67.64%，而THC 排放有所增加，可能与低速工况的发动机燃烧特性相关性较大，低速条件下生物柴油的滞燃期略有增加，预混合气的形成较多，因此CO 排放明显降低，而后燃期的减小，使得未燃THC 的氧化不及时，从而造成THC 排放增加。

图10 低速工况THC 比排放

2.2 整车经济性和动力性

3 种油品的整车经济性和动力性试验结果比对如图11 所示。

图11 经济性和动力性结果

可以看出，该样车使用传统国六柴油的综合百公里油耗为23.25 L，而使用B5 和B10 生物柴油的百公里综合油耗分别为23.91 L 和23.37 L，B5 和B10 生物柴油的百公里油耗值比B0 柴油分别增加2.84%和0.50%；动力性测试在直接挡位下50 km/h～70 km/h 加速时间：B0、B5、B10 分别为20.25 s、20.44 s、21.55 s，加速时间比B0 柴油分别增加0.94%和6.36%。从以上比对结果可以看出，采用生物柴油车辆的综合燃油经济性和动力性略有下降，但降幅有限，从绝对值的比对来看，B5 生物柴油百公里油耗仅增加0.66L，B10 的加速时间仅增加1.3 s。

3 结论

1）生物柴油的含氧特性有利于降低整车PN 排放，全工况条件B5 柴油最多降低了9.95%，低速工况B10 柴油最多降低了33.88%，低速工况的PN 改善作用明显。

2）生物柴油的含氧特性和运动粘度大的特点，对NOx排放污染物的影响属2 种特性的综合作用，车辆整体NOx排放变化与掺混比例和生物柴油的分子组成关系密切。其特性对NO2排放的降低有利，全工况条件B10 柴油最多降低了8.21%，低速工况B5柴油最多降低了6.25%。

3）生物柴油的含氧特性有利于降低整车CO 和THC 排放，针对CO 排放在全工况和低速工况条件下，B10 柴油分别降低了25.89%和67.64%，THC 排放在全工况条件下降低了71.43%。

4）采用B5 和B10 生物柴油后，整车的经济性和动力性略有下降，但降幅不大，B5 柴油的百公里油耗仅增加0.66 L，50～70 km/h 加速时间B10 柴油仅增加1.3 s，因此B5 和B10 生物柴油应用在整车上的动力性和经济性变化不大。