不同排放階段公交車燃用生物柴油的排放特性

李 勇 李 仲 于全順 凌 建 秦建蕓

（中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300）

引言

大氣污染的防治已經成為當前國內環保治理的最主要任務之一，而移動源排放作為大氣污染大戶越來越受到政府和社會各界的廣泛關注。移動源排放中，重型柴油車的尾氣排放占了很大比例，是主要的NOx和PM污染源。據2014年的統計結果，柴油車數量僅占汽車總量的14.1%，但卻貢獻汽車排放中的69.2%的NOx排放和99%的PM排放。有研究表明，上海市重型車保有量只占機動車總保有量5.5%，但其中NOx和PM的貢獻率高達65%和56%[1-2]。因此控制重型柴油車的尾氣排放成為目前大氣保護的研究重點之一。

目前市場上已經存在多種降低重型柴油車排放的技術，但多數是通過發動機結構優化或增加尾氣處理裝置來完成，通過燃料技術完成的較少。但通過結構更改和增加后處理的方法來減排，前期投入較大，收益周期較長，短時間無法抑制排放污染。

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，動物油脂及廢棄油脂等為原料通過酯交換工藝制成的甲酯或乙酯燃料[3]。與傳統的石化柴油相比，生物柴油具有十六烷值高，芳香烴含量低，揮發性低和燃料分子中含氧原子等特點，是一種理想的柴油替代燃料[4]。本研究采用混合一定比例（5%）的生物柴油的車用京VI柴油作為燃料，研究其對重型柴油車尾氣排放的影響。

1 試驗樣機與試驗燃料

試驗采用2個車型，共6輛柴油公交車，國IV、國V各3輛。試驗車1～3為滿足國IV排放的公交車，試驗車4～6為滿足國V階段排放的公交車。表1為試驗用車主要技術參數。

表1 試驗用車主要技術參數

試驗用燃料共3種分別為：京VI柴油，國V柴油以及在京VI柴油中摻混5%餐飲廢油制成的生物柴油B5燃料。

2 試驗設備與試驗方法

試驗設備包括底盤測功機與全流尾氣排放檢測設備。底盤測功機為德國MAHA公司生產的ECDM-72H型重型轉鼓：軸距調節范圍為3.2～8 m，載荷模擬范圍為3.5～49 t，最大模擬車速為130 km/h。全流尾氣排放設備為HORIBA公司生產的MEXA-7000的定容采樣分析儀。包括用于檢測NOx的化學發光分析儀（CLD）、檢測HC的氫火焰離子分析儀（FID）、檢測CO與CO2的不分光吸收型分析儀（NDIR）以及檢測PM的顆粒取樣設備、微克天平和稱重間，可以滿足重型車國IV、國V及國VI各個階段排放標準的檢測要求。

3 試驗方案

選取6輛裝配有柴油發動機的公交車，國IV和國V階段各3輛進行不同燃料（國V、京VI、B5共3種燃料）的排放對比試驗。測試分3個階段進行：分別在初始狀態、行駛5 000 km后與行駛10 000 km后進行。試驗的測試循環采用C-WTVC測試循環的城市部分。更換燃料試驗前對試驗車輛進行預處理，并讓車輛充分預熱。

由于公交車在城市中行駛隨機性強，道路排放測試的結果難以體現足夠的對比性，因此采用在轉轂臺架使用C-WTVC循環中的城市工況部分模擬實際道路情況進行試驗[5-6]。C-WTVC城市工況循環是模擬重型車在城市路況下運行的工況，運行時間為900 s，全程為5.73 km，平均速度22.92 km/h。最大速度66.2 km/h。C-WTVC城市工況循環中怠速、加速以及勻速所占比例分別在20%～30%，與實際公交行駛時的路況基本一致，可以滿足試驗需求。

為盡量減少因駕駛習慣引起的誤差，每次轉轂試驗均使用同一駕駛員完成。每次試驗跑3次測試循環，取3次測試循環結果的算術平均值作為試驗結果。圖1為C-WTVC測試循環曲線。

圖1 C-WTVC測試循環

4 試驗結果與討論

4.1 NO x排放

圖2為試驗車燃用不同種類燃料的NOx排放結果。從排放結果中可以看出：對于不同階段排放的發動機來說燃用京VI柴油和國V柴油對于NOx的排放并不存在對應關系，且NOx排放因子差異較小，因此可以確定試驗車燃用京VI柴油和國V柴油對于車輛的NOx排放影響不大。

當以B5生物柴油作為燃料時，試驗車均出現NOx排放因子增大的情況。由于車輛運行在城市工況下，出現頻繁啟停及加速情況。車輛起動或加速時，循環供油量快速上升。但由于柴油機增壓系統響應慢于電控燃油供給系統，造成了進氣量延遲的情況，缸內空燃比下降，未達到NOx最易生成的富氧環境。生物柴油作為一種含氧燃料，在缸內燃燒室可以提供一定的氧，間接提高空燃比造成富氧環境。同時，生物柴油的熱值較高，滯燃期較長，有利于提升最高燃燒溫度，有助于NOx的形成[7]。

試驗車運行5 000 km后，NOx排放因子均有所增大。這是由于車輛經過長時間道路行駛，充分的磨合，燃燒更加充分。因此NOx排放相比于初始里程有少量增加。10 000 km后NOx排放因子的增量與5 000 km相比變化較小，車輛運行情況穩定。

圖2 試驗車輛NO x排放因子對比

4.2 CO排放

圖3 為試驗車燃用不同種類燃料的CO排放結果。從排放結果中可以看出：試驗車燃用國V柴油產生的CO多于燃燒京VI柴油產生的CO。京VI柴油中多環烷烴少于國V柴油，使用京VI柴油的車輛缸內燃燒更加充分，因此產生的CO的量要小于使用國V柴油的車輛。

對比B5柴油與京VI柴油對CO排放因子，從結果中可以看出，試驗車燃用B5柴油的CO排放因子較小。CO是燃油不完全燃燒產生的，試驗車在城市工況測試循環中經常出現啟停、加減速工況，瞬間循環油量增大，造成缸內氧含量低，容易產生CO。生物柴油作為含氧燃料，可以在燃油燃燒時提供額外的氧，使燃油燃燒更加完全，從而降低CO的排放。而且氧的增加也減小了CO2被還原成CO的可能性，從而進一步降低CO排放。

圖3 試驗車輛CO排放因子對比

試驗車運行5 000 km后，CO排放因子有所減小。這是由于車輛經過充分的磨合，燃燒更加充分，因此CO排放相比于初始里程有少量減小。10 000 km后CO排放與5 000 km相比并未增加，車輛運行情況穩定。試驗車3的CO因子出現了增大，考慮其在試驗中油耗、煙度同時增加，判斷其油嘴磨損較大，造成油量比初始里程增加從而引起了CO排放因子增大。

4.3 HC排放

圖4為試驗車燃用不同種類燃料的HC排放結果。從排放結果中可以看出：對于不同階段排放的發動機來說燃用京VI柴油和國V柴油對于HC的排放并不存在對應關系，且HC排放因子差異較小，因此可以確定試驗車燃用京VI柴油和國V柴油對于車輛的HC排放影響不大。

對比B5柴油與京VI柴油對HC排放因子的影響，可以發現使用B5柴油的車輛的HC排放因子要比使用京VI柴油車輛的HC排放因子要小。HC是燃油裂解后未完全燃燒產生的，試驗車在測試循環低速情況較多，混合氣較稀薄，缸內溫度較低，容易產生HC。測試循環中頻繁出現的啟停工況，會造成瞬時循環油量的增加，缸內空燃比較低，也容易產生HC。生物柴油作為含氧燃料，可以在燃油燃燒時提供額外的氧，燃燒比較充分，使燃油裂解后的HC鏈燃燒更加完全從而降低HC的排放。

圖4 試驗車輛HC排放因子對比

試驗車運行5000km后，HC排放因子有所減小。這是由于車輛經過充分的磨合，燃燒更加充分，因此HC排放相比于初始里程有少量減小。10 000 km后HC排放與5 000 km相比并未增加，車輛運行情況穩定。

4.4 PM排放

圖5為試驗車燃用不同種類燃料的PM排放結果。從排放結果中可以看出：對于不同階段排放的發動機來說燃用京VI柴油和國V柴油對于PM的排放呈現相反趨勢，考慮到國IV柴油機與國V柴油機存在標定策略差異，因此無法判斷燃料差異是否有關聯。

對比B5柴油與京VI柴油對PM排放因子的影響，可以發現使用B5柴油的車輛的PM排放因子要比使用京VI柴油車輛的PM排放因子要小。PM的主要來源是未燃燒完全的柴油受熱脫氫形成的soot顆粒，在柴油機空燃比較低時容易生成。試驗車輛所用測試循環為城市工況，啟停工況較多，因此缸內循環供油量大，空燃比低，燃燒較為惡劣，十分容易生成PM。生物柴油是含氧燃料，含氧量接近10%。在燃燒時提供額外的氧，提高缸內的空燃比，使燃燒更加充分。而且由于生物柴油在缸內的分布與京VI柴油的分布濃稀趨勢基本相同，可以提升油氣過濃區域的氧含量，改善燃燒。綜上，生物柴油由于含有一定的氧，可以改善缸內燃燒，降低PM的排放。

圖5 試驗車輛PM排放因子對比

5輛試驗車運行5 000 km后，PM排放因子有所減小。這是由于車輛經過充分的磨合，燃燒更加充分，因此PM排放相比于初始里程有少量減小。10 000 km后HC排放與5 000 km相比并未增加，車輛運行情況穩定。試驗車3的PM排放因子出現了增大，考慮其在試驗中CO同時增加，判斷其噴孔可能增大，造成油量比初始里程增加從而引起了PM排放因子增大。

5 結論

1）國IV、國V車輛燃用國V和京VI柴油對于排放沒有明顯的改善。

2）車輛燃用摻混5%生物柴油的NOx排放因子與燃用純京VI柴油相比出現了增大。

3）燃用摻混5%生物柴油的京VI柴油的車輛，PM、HC與CO的排放因子與純京VI柴油相比出現了不同程度的減小。

4）經過10 000 km耐久的燃用生物柴油的車輛，排放性能并未出現較大波動，生物柴油對于車輛燃油系統與后處理系統無不良影響。