不同油品對國Ⅳ、國Ⅴ柴油公交車的碳排放影響研究

傅夢琪，劉娟*，李進 ，張凡，李雪瑤，楊正軍，李彭輝，金陶勝*

1.天津理工大學環(huán)境科學與安全工程學院，天津 300384；2.南開大學環(huán)境科學與工程學院/天津市城市交通污染防治研究重點實驗室/國家環(huán)境保護城市大氣顆粒物污染防治重點實驗室，天津 300350；3.中國汽車技術研究中心有限公司，北京 100176；4.吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院，吉林 長春 130118

由于車輛的廣泛使用，氣態(tài)污染物排放水平正在顯著增加，這些污染物直接影響到生物和環(huán)境，因此節(jié)能減排勢在必行。使用可再生燃料是一項解決能源危機和排放等問題的重要手段。可再生燃料對實現(xiàn)可持續(xù)能源經濟和減少化石燃料利用有著積極的影響。

生物柴油是以動植物油脂為原料，具有十六烷值高、氧含量高、清潔、可再生等優(yōu)點（Liew et al.，2014；Tamilselvana et al.，2017；樓狄明等，2016）。柴油與生物柴油摻混的混合燃料無需調改柴油機可直接使用，且性能基本不變（Jaat et al.，2014；仇世侃等，2016）。燃用生物柴油的發(fā)動機經濟性與石化柴油相差不大，且試驗結果表明生物柴油與石化柴油在相同扭矩點效率較低，廢氣排放測試表明生物柴油的使用CO排放值降低（Tüccar et al.，2014；Zener et al.，2014；劉玉梅等，2014）。

由于環(huán)境和健康問題對柴油機廢氣排放實行了越來越嚴格的規(guī)定。廢氣排放程度受燃料、發(fā)動機類型、排放控制技術、發(fā)動機的使用時間、保養(yǎng)環(huán)境因素和許多控制技術的影響。目前，國內外諸多學者研究了不同油品對柴油車排放影響。Mwangi et al.（2015）、Liu et al.（2018）和Saravanan et al.（2020）對生物柴油燃燒對柴油發(fā)動機污染物排放的影響進行了全面分析。胡志遠等（2016）和樓狄明等（2017）基于重型底盤測功機，對比研究了柴油公交車分別燃用生物柴油與柴油混合燃料在中國部分城市公交車循環(huán)下的顆粒物排放特性。葛蘊珊等（2005）研究了生物柴油對發(fā)動機性能和排放特性的影響，表明發(fā)動機燃用低比例的生物柴油摻混燃料，可以在動力性和排放等方面取得令人滿意的綜合結果。譚丕強等（2013）采用車載排放檢測系統(tǒng)，分析了柴油公交車燃用不同燃料實際道路工況的氣態(tài)排放特性。蔡皓等（2010）建立機動車污染物排放因子模型計算各類車輛在不同排放階段上污染物的排放量。趙哲等（2018）基于重型底盤測功機，對比研究了國Ⅳ、國Ⅴ柴油公交車分別燃用京Ⅵ柴油和 B5生物柴油時的非常規(guī)污染物（C6H6、SO2、HCHO等）排放特性。王瑞寧等（2020）分別選取國Ⅲ—Ⅴ輕型汽油車和重型柴油車利用實驗室底盤測功機和全流稀釋定容采樣系統(tǒng)分析并比較了行駛工況和排放控制水平對汽柴油車尾氣顆粒物排放因子和粒徑分布的影響。

綜上所述，在柴油車排放相關因素的研究中，對于油品的關注是一個熱點，并且對于排放階段和油品的綜合影響，目前的相關文獻較少。本文利用重型底盤測功機，以北京市柴油公交車為對象，對比研究了國Ⅳ、國Ⅴ柴油公交車，分別燃用國Ⅴ柴油、京Ⅵ柴油和 B5生物柴油混合燃料在中國典型城市公交車循環(huán)下的含碳氣態(tài)污染物和顆粒物的排放特性。基于目前對碳排放的研究熱點，本研究分析含碳法規(guī)污染物的排放特性，對于研究柴油車的法規(guī)含碳污染物排放具有一定的參考價值。

1 材料和方法

1.1 試驗樣車

試驗樣車分別為國Ⅳ、國Ⅴ排放標準的6輛日常運營的柴油公交車，國Ⅳ、國Ⅴ柴油車各3輛并對其進行編號，1—3為國Ⅳ車，4—6為國Ⅴ車，具體參數(shù)見下表1所示。

表1 試驗樣車的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of the test vehicles

1.2 試驗燃料

試驗燃料為京Ⅵ柴油和國Ⅴ柴油以及生物柴油混合燃料（B5），具體參數(shù)見下表2所示。

1.3 測試設備與試驗方案

本實驗在重型底盤測功機上進行，根據(jù)車輛裝載質量的 75%進行阻力加載。試驗設備包括日本HORIBA公司的全流稀釋定容取樣系統(tǒng)對公交車排放尾氣進行稀釋，以滿足測試儀器的分析范圍，固態(tài)顆粒物采樣器、美國TSI公司的EEPS（Engine Exhaust Particle Sizer）3090顆粒數(shù)量及粒徑分析儀，其檢測范圍是5.6—560 nm，能在每秒鐘內提供10個完整的顆粒物粒徑分布，可瞬態(tài)測試循環(huán)中發(fā)動機廢氣排放的顆粒物排放的動力學行為。根據(jù)GB/T 17691—2018要求對顆粒物數(shù)濃度測量粒徑下限為23 nm。柴油車排放顆粒物中，粗顆粒物質量占5%—20%；細顆粒物（PM2.5）質量占80%—90%（朱春等，2010）。本研究選擇測量車輛排放尾氣中20 nm—3 μm粒徑范圍內的顆粒數(shù)量。監(jiān)測排放的主要儀器是由日本 HORIBA公司生產的OBS-2200，OBS-2200監(jiān)測器可準確檢測車輛尾氣排放的氣體排放量，CO量程為0—0.5%VOL；HC量程為體積分數(shù) 0—0.0001。該設備包括防震排放測量單元、主控制計算機及其相關軟件、傳感器和帶有皮特流量計的采樣連接器，根據(jù)氣體物質體積分數(shù)和由 PITOT流量計測量的流量來計算每種氣體物質的每秒排放因子。

根據(jù)油耗與 CO2排放量的轉化公式（1）可以計算出CO2的排放量（Hu et al.，2012）。

Cd——柴油消耗量，L·(100 km)-1；

Dd——柴油密度，設置為0.85 kg·L-1；

EHC、ECO和ECO2——HC、CO和 CO2的排放因子，g·km-1。

試驗循環(huán)采用 GB/T 19754—2005推薦的中國典型城市公交車循環(huán)（CCBC），循環(huán)運行時間為1314 s，行駛里程5.89 km，平均車速為16.16 km·h-1。試驗過程中為消除駕駛員操作隨機性和減少試驗誤差，每輛車循環(huán)重復進行4次，試驗結果取4次循環(huán)平均值。

2 測試結果與分析

2.1 排放標準和油品對氣態(tài)污染物的影響

為直觀分析油品與各種污染物排放的關系，對不同排放標準的公交車燃用不同種類的柴油進行氣態(tài)排放研究。圖1所示為污染物HC排放量數(shù)據(jù)圖，國Ⅴ車相對國Ⅳ車HC排放量整體上相差不大，總體上柴油車燃用B5生物柴油和京Ⅵ、國Ⅴ柴油相比HC平均排放分別下降1.6%和4.2%。圖2所示為污染物CO排放量數(shù)據(jù)圖，由圖可知編號2、3的國Ⅳ車輛其CO排放量遠高于其他車輛，不同排放標準的公交車CO的排放量差距明顯。京Ⅵ柴油比國Ⅴ柴油標準更高，除了第3、4輛車燃用京Ⅵ柴油比B5生物柴油的CO排放量高以外，其余車輛燃用京Ⅵ柴油的 CO排放量都低于國Ⅴ柴油和 B5生物柴油。燃用京Ⅵ柴油、國Ⅴ柴油和B5生物柴油，國Ⅴ車 CO的排放量與國Ⅳ車相比分別下降70.7%、67.9%、67.1%。

圖1 HC排放因子Figure 1 HC emission factors

圖2 CO排放因子Figure 2 CO emission factors

對國Ⅴ和國Ⅳ車循環(huán)運行工況平均百公里油耗進行統(tǒng)計分析，國Ⅴ和國Ⅳ車燃燒京Ⅵ、國Ⅴ和B5柴油行駛百公里平均油耗分別為33.1、33.7、33.3[L·(100 km)-1]和 41.0、40.2、41.0 [L·(100 km)-1]，國Ⅴ車與國Ⅳ車相比分別減少19.4%、16.2%、18.9%。然而在各個排放階段上油品對百公里油耗消耗量相當，這可能是因為，生物柴油是含氧燃料，相同工況下，發(fā)動機燃用生物柴油后，缸內最高燃燒壓力升高，且缸內最大壓力對應的曲軸轉角也提前，發(fā)動機熱效率有所提高。由油耗算出國Ⅴ和國Ⅳ車燃用京Ⅵ、國Ⅴ、B5柴油的 CO2平均排放量分別為 888、904、893 g·km-1和 110、107、110 g·km-1。燃用京Ⅵ柴油、國Ⅴ柴油和B5生物柴油，國Ⅴ車CO2的排放量與國Ⅳ車相比分別下降 19.0%、15.8%、18.5%。國Ⅴ和國Ⅳ公交車燃用京Ⅵ、國Ⅴ、B5柴油的總CO排放量和總CO2排放量呈現(xiàn)負相關關系，在油耗幾乎相同的情況下（燃用京Ⅵ、國Ⅴ、B5柴油的平均油耗為37.0、36.9、36.9 [L·(100 km)-1]燃用B5柴油的CO2排放量高，而CO2的排放恰恰是判斷燃油燃燒是否充分的依據(jù)之一。大量有關燃料性能和排放的實驗研究表明，在石油柴油中添加生物柴油后會導致油耗的升高，CO排放濃度和煙度降低（Rakopoulos et al.，2010；宋天一等，2012）。通過國Ⅴ和國Ⅳ公交車燃用 B5生物柴油的總的CO2排放量相比于其它油品較高可知，國Ⅴ和國Ⅳ公交車燃用B5生物柴油燃燒更充分，利用率更高。

2.2 排放標準和油品對顆粒物排放的影響

圖3和圖4所示分別為在不同排放標準的公交車燃用京Ⅵ柴油、國Ⅴ柴油和B5生物柴油3種柴油油耗與顆粒物排放對比情況。由圖3可知，國Ⅴ車相對國Ⅳ車顆粒數(shù)量排放大幅下降，燃用京Ⅵ、國Ⅴ和B5生物柴油時，國Ⅴ車與國Ⅳ車相比分別減少46.2%、62.9%、57.4%。而在各個排放階段上顆粒排放數(shù)量有所不同，在國Ⅳ排放階段上燃用京Ⅵ柴油顆粒數(shù)量濃度最小，其數(shù)量濃度為12.0×1013/km。而在國Ⅴ排放階段上燃用國Ⅴ柴油顆粒數(shù)量濃度最小，其數(shù)量濃度為 5.10×1013/km。由圖4可知，國Ⅴ車相對國Ⅳ車顆粒排放呈明顯的下降趨勢，國Ⅴ車相對國Ⅳ車分別減少 57.1%、41.7%、50.0%。在國Ⅳ排放階段上可以發(fā)現(xiàn)車輛燃用B5生物柴油顆粒物平均排放質量濃度最低，而在國Ⅴ排放階段上燃用京Ⅵ柴油顆粒物平均排放質量濃度最低。整體上對國Ⅴ和國Ⅳ排放階段的顆粒物排放數(shù)量和排放質量進行分析發(fā)現(xiàn)當顆粒物排放數(shù)量相對多時其排放質量則較小，反之亦然。

圖3 顆粒物數(shù)量排放Figure 3 PN emissions concentration

圖4 顆粒物質量排放Figure 4 PM emissions concentration

3 討論

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，添加 5%體積比例的生物柴油可以有效降低氣態(tài)污染物CO和HC的排放。國內外學者分別對摻混不同比例的生物柴油和燃燒純柴油排放污染物進行了相關研究，其排放變化如表 3所示。在 Demirbas（2007）和 Wang et al.（2012）的研究中生物柴油的添加對 PM 排放降低的影響十分明顯，Lin et al.（2009）研究表明較低的生物柴油比例可以降低PM的排放，但是高比例的生物柴油反而增加PM的排放。

表3 使用生物柴油混合物相對于標準柴油燃料的排放平均變化Table 3 Average of changes in emissions using biodiesel relative to standard diesel fuel %

本文分析發(fā)現(xiàn)油品種類相同時，柴油車的排放標準不同也會影響污染物的排放的多少，提高柴油公交車的排放標準可以有效減少CO的排放量，然而HC的排放量沒有明顯的變化。本研究還綜合比較了國Ⅴ與國Ⅳ車在燃燒相同油品的條件下顆粒物數(shù)量的變化，國Ⅴ車與國Ⅳ車相比分別減少約46.2%、62.9%、57.4%。這一結果與樓狄明等（2017）的研究結果相反，這可能是由于試驗車輛的后處理裝置不同所造成的差異，其研究發(fā)現(xiàn)國Ⅴ車相對國Ⅳ車，數(shù)量排放分別上升了約4.0%、7.6%和14.7%，然而在顆粒質量上研究結果相一致，分別有著不同程度的下降。

王瑞寧等（2020）對國Ⅳ與國Ⅴ重型柴油車顆粒物數(shù)量進行了計算分別為 2.0×1015cm3·km-1和7.1×1014cm3·km-1。Huang et al.（2013）通過 PEMS模型對柴油車輛在各種道路類型上獲得了基于駕駛的氣體污染物排放因子、顆粒質量和數(shù)量。柴油客車平均粒子數(shù)量排放因子為7.06×1014cm3·km-1。與本研究對比可以發(fā)現(xiàn)排放因子顆粒數(shù)量差距較大（圖5）。Li et al.（2019）利用COPERT和PEMS模型軟件對海南省的重型柴油客車的污染物排放量進行預測，其測試結果和本研究利用臺架測試燃燒3種柴油測試的結果亦在圖5所示。由圖可知，利用COPERT模擬測試的CO排放量是臺架測試的25.1%，利用PEMS模擬測試的CO排放量是臺架測試的40.6%。造成測試結果不同的原因可能是由于使用模型軟件忽略了現(xiàn)實環(huán)境溫度和油品的使用不同。

圖5 不同測試下的污染物排放量Figure 5 Pollutant emissions under different tests

通過與其他文獻的對比可以得出，生物柴油的增加對氣態(tài)污染物CO和HC的減排效果明顯，且隨著生物柴油比例的增加，氣態(tài)污染物CO和HC的減排效果更加明顯，但是會使CO2的排放量更多。結合油耗可以發(fā)現(xiàn)，生物柴油的利用率會更高，燃燒更充分。使用同一生物柴油比例的排放降低情況存在有所不同，可能來自于不同研究測試柴油的種類和車輛類型的差異。生物柴油的添加對顆粒物PM 排放的影響則存在一定的不確定性。在油品影響柴油車污染物排放的研究中，車輛的類型也會對試驗結果產生影響，對于PM排放的差異考慮后處理裝置的差異。針對不同模型所得出的結果差異主要考慮軟件模擬過程忽視現(xiàn)實環(huán)境中的差異等。

4 結論

（1）燃用京Ⅵ柴油、國Ⅴ柴油和B5生物柴油，國Ⅴ車CO的排放量與國Ⅳ車相比分別下降70.7%、67.9%、67.1%，國Ⅴ車CO2的排放量與國Ⅳ車相比分別下降19.0%、15.8%、18.5%；燃用的B5生物柴油和京Ⅵ柴油、國Ⅴ柴油相比HC平均排放量分別下降1.6%和4.2%，CO平均排放量下降2.1%和8.3%，CO2平均排放量上升0.04%和0.58%。國Ⅴ和國Ⅳ公交車燃用不同油品的總 CO排放量和總CO2排放量呈現(xiàn)負相關關系，國Ⅴ和國Ⅳ公交車燃用B5生物柴油更充分，利用率更高。

（2）國Ⅴ車相對國Ⅳ車，顆粒數(shù)量排放大幅下降，國Ⅴ車與國Ⅳ車相比在燃燒京Ⅵ、國Ⅴ、B5柴油上分別減少46.2%、62.9%、57.4%。國Ⅴ車相對國Ⅳ車，顆粒質量排放有著明顯的下降，國Ⅴ和國Ⅳ車相比燃用京Ⅵ、國Ⅴ和B5生物柴油分別減少57.1%、41.7%、50.0%。在國Ⅳ車上燃用京Ⅵ柴油顆粒數(shù)量濃度最低，而在國Ⅴ車上燃用國Ⅴ柴油顆粒數(shù)量濃度最低。在國Ⅳ車上燃用B5生物柴油顆粒物排放質量濃度最低，而在國Ⅴ車上燃用京Ⅵ柴油顆粒物排放質量濃度最低。生物柴油的添加對 PM排放的影響存在著一定的不確定性，需要綜合考慮后處理裝置等的影響。

（3）本研究試驗車輛的排放體現(xiàn)出一定規(guī)律性，但開展試驗的車輛數(shù)較少，后續(xù)還需更多的數(shù)據(jù)積累。