环境科学  2017, Vol. 38 Issue (6): 2301-2307   PDF    
引用本文
楼狄明, 赵成志, 徐宁, 谭丕强, 胡志远. 不同排放标准公交车燃用生物柴油颗粒物排放特性[J]. 环境科学, 2017, 38(6): 2301-2307.
LOU Di-ming, ZHAO Cheng-zhi, XU Ning, TAN Pi-qiang, HU Zhi-yuan. Emission Characteristics of Particulate Matter from Diesel Buses Meeting Different China Emission Standards Fueled with Biodiesel[J]. Environmental Science, 2017, 38(6): 2301-2307.
不同排放标准公交车燃用生物柴油颗粒物排放特性
楼狄明 , 赵成志 , 徐宁 , 谭丕强 , 胡志远     
同济大学汽车学院, 上海 201804
收稿日期: 2016-12-05; 修订日期: 2016-12-27
基金项目: 上海市科委攻关计划项目（13DZ1205602）
作者简介: 楼狄明(1963~), 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为汽车发动机现代设计技术、发动机代用燃料与排放控制技术、柴油混合动力技术等, E-mail:loudiming@tongji.edu.cn
通讯作者: 赵成志, E-mail:zhaochengzhi777@163.com
摘要: 基于重型底盘测功机，对比研究了满足国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的柴油公交车分别燃用生物柴油与柴油混合燃料B0/B5/B10在中国典型城市公交车循环下的颗粒物排放特性.结果表明燃用B0/B5/B10时，国Ⅴ车相对国Ⅲ车总颗粒数量和质量排放分别降低约68.1%、56.2%、57.5%和52.7%、64.8%、88.5%，相对国Ⅳ车，总颗粒质量排放分别降低了约43.0%、47.3%和42.1%，但数量排放分别上升了约4.0%、7.6%和14.7%.国Ⅲ车核态颗粒排放主要来自高速行驶工况，而国Ⅳ、国Ⅴ车主要来自中低速行驶工况；国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ车聚集态颗粒排放主要都来自中低速行驶工况.其中在车速较低时，国Ⅴ、国Ⅳ车相对国Ⅲ车核态颗粒数量和质量排放明显降低，聚积态颗粒也有降低，但国Ⅴ车相对国Ⅳ车改善不明显，核态颗粒数量和质量排放反而增加，且随着生物柴油掺混比例的上升，增幅越明显.在高速时，国Ⅲ车核态颗粒数量和质量排放急剧增加，国Ⅴ、国Ⅳ车略有增加，且国Ⅳ车聚集态颗粒数量和质量排放明显大于国Ⅴ车和国Ⅲ车.燃用生物柴油掺混比例较大的B10时，国Ⅲ车较大粒径颗粒排放急剧恶化，聚集态颗粒数量和质量排放大幅增加，不适合推广应用较大生物柴油掺混比燃油.
关键词: 柴油公交车      生物柴油      颗粒排放      排放标准      中国典型城市公交循环     
Emission Characteristics of Particulate Matter from Diesel Buses Meeting Different China Emission Standards Fueled with Biodiesel
LOU Di-ming , ZHAO Cheng-zhi , XU Ning , TAN Pi-qiang , HU Zhi-yuan     
School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China
Abstract: Based on heavy chassis dynamometer, an experimental study was conducted in diesel buses compliant with China Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ emissions standards respectively, fueled with three different blends of petroleum diesel/biodiesel (0%, 5%and 10%, V/V biodiesel blends), which investigated the characteristics of particulate matter (PM) emission under CCBC driving cycle. Results of study showed that the total PM number and mass emission from China Ⅴ bus respectively decreased by 68.1%, 56.2%, 57.5% and 52.7%, 64.8%, 88.5% compared to China Ⅲ bus. When compared to China Ⅳ bus, the PM mass emission decreased by 43.0%, 47.3% and 42.1%, while the number increased by 4.0%, 7.6% and 14.7%. The nucleation mode PM emission of China Ⅲ bus was mainly from high-speed driving condition, while China Ⅳ and Ⅴ buses were from middle-low speed. The accumulation mode PM emissions of China Ⅲ, Ⅳ and V buses were all mainly from middle-low speed driving conditions. In relatively lower speed conditions, compared to China Ⅲ bus, the nucleation mode PM emissions of China Ⅳ and Ⅴ buses obviously decreased, so was accumulation mode PM. Compared to China Ⅳ bus, emission of China Ⅴ bus did not improve obviously and the nucleation mode PM emission even increased. In high-speed driving condition, the nucleation mode PM emission from China Ⅲ bus increased dramatically, while those from China Ⅴ and Ⅳ buses slightly increased. Meanwhile, the accumulation PM number and mass emission of China Ⅳ bus was obviously higher than those of China Ⅴ and Ⅲ buses. When fueled with B10, the relatively bigger sizes PM emission of China Ⅲ bus deteriorated rapidly, indicating that China Ⅲ bus was not suitable for fuel with high blending ratio of biodiesel.
Key words: diesel bus      biodiesel      particulate emission      emission standard      China city bus driving cycle (CCBC)     

我国自2016年4月1日起开始分区域实施机动车国Ⅴ排放标准, 满足国Ⅴ排放标准的柴油公交车开始得到推广使用, 但其主要运营在北京、上海和深圳等东部大城市, 大量中西部二三线城市仍然以国Ⅳ、国Ⅲ排放标准柴油公交车为主.柴油公交车作为城市主要的公共交通工具, 在提供便利的同时产生大量污染物排放, 尤其是颗粒物排放, 研究表明它可以通过呼吸直达并沉淀在肺部, 对人体健康产生巨大危害[1~4].柴油机排气颗粒按尺寸分布可分为聚集态颗粒和核态颗粒：聚集态颗粒(30 nm＜粒径＜1 000 nm)粒径较大, 主要成分为聚集形态的碳烟(soot)及其吸附物质; 核态颗粒(5 nm＜粒径＜30 nm)粒径较小, 主要与可溶有机组分SOF和硫酸盐等有关[5~7].

生物柴油是可再生的油脂资源(如动植物油脂、微生物油脂以及餐饮废油等)经过酯化或酯交换工艺制得的主要成分为长链脂肪酸甲酯的液体燃料, 具有润滑性好、含氧量高、十六烷值高等优点[8~10], 是一种理想的柴油替代燃料.低掺混比的生物柴油与柴油混合燃料可在柴油机上直接使用, 无需调整和改动发动机, 且发动机性能基本保持不变[11~17].

底盘测功机测试方法相对发动机台架测试, 将道路的实际运行条件及重型车属性充分考虑在内, 具有良好的模拟一致性及准确性, 成为国外学者研究重型车排放和油耗性能的重要手段. Na等[18]利用底盘测功机, 研究了在城市驾驶循环(urban dynamometer driving schedule, UDDS)及加州重型卡车驾驶循环(California heavy heavy-duty Truck driving schedule, HHDDT)巡航部分下燃用生物柴油和再生柴油对重型柴油卡车常规污染物和温室气体排放的影响. Sandhu等[19]在底盘测功机上研究了在用重型垃圾卡车在纽约垃圾卡车循环(New York garbagetruck cycle, NYGT)下的动力性、油耗及排放特性.李腾腾等[20]在重型底盘测功机上, 对比分析了混合动力公交车在不同测试循环下的排放特性.但已有的研究[18~23]基本都是基于同一排放标准的柴油机, 而有关燃用生物柴油的不同排放标准柴油公交车的相关研究相对较少.

因此, 本文借助重型底盘测功机, 对比研究了满足国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的柴油公交车燃用低掺混比生物柴油与柴油混合燃料在中国典型城市公交车循环下的颗粒物排放特性.

1 材料与方法 1.1 试验样车及燃料

试验样车为分别满足国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的3辆上海市日常运营的柴油公交车, 简称国Ⅲ车、国Ⅳ车和国Ⅴ车, 记为G3、G4和G5, 都匹配有六缸增压中冷柴油机, 基本参数如表 1.

表 1 试验样车的基本参数 Table 1 Specifications of test buses

试验燃料为市售国Ⅴ 0号纯柴油和废弃油脂制生物柴油按一定体积分数(0%、5%、10%)掺混得到的燃料, 简称B0、B5、B10, 主要理化指标如表 2所示.

表 2 试验燃料的主要理化特性 Table 2 Basic physical and chemical properties of test fuels

1.2 试验装置及循环

试验在MAHA-AIP重型底盘测功机上开展, 采用美国TSI公司的379020型旋转盘稀释器和EEPS-3090发动机排气颗粒数量及粒径分析仪组成的系统快速测取颗粒物数量和粒径分布, 测量粒径范围为5.6~560 nm, 包含粒径在30 nm以下的核态颗粒区域和粒径30 nm以上的聚集态颗粒, 在0.1 s内可测取一个完整的颗粒粒径分布图谱, 并同步输出32个粒径通道的颗粒数量和粒径分布数据.试验装置如图 1所示.

图 1 试验装置示意 Fig. 1 Schematic diagram of PEMS

试验循环采用GB/T 19754-2005推荐的中国典型城市公交车循环(CCBC).循环运行时间为1 314 s, 平均车速为16.16 km·h-1, 行驶里程5.89 km.试验时将试验车辆固定在重型底盘测功机上, 按车辆装载质量的65%进行加载.为消除驾驶员操作随机性因素, 每辆车循环重复进行3次, 试验结果取循环平均值.

2 结果与讨论 2.1 循环总颗粒数量和质量排放

图 2所示为不同排放标准公交车燃用不同燃料时瞬时总颗粒数量排放速率, 图 3所示为试验公交车在CCBC下的循环总颗粒数量和质量排放因子, 其中均标明最大的标准误差线.从中可以看出, 国Ⅴ、国Ⅳ车相对国Ⅲ车, 总颗粒数量和质量排放均大幅下降, 燃用B0/B5/B10时, 国Ⅴ车总颗粒数量和质量排放因子分别为3.30×1013、3.28×1013、3.39×1013个·km-1和9.39×10-3、8.34×10-3、8.28×10-3g·km-1, 相对国Ⅲ车分别降低约68.1%、56.2%、57.5%和52.7%、64.8%、88.5%;国Ⅳ车总颗粒数量和质量排放因子分别3.18×1013、3.04×1013、2.95×1013个·km-1和1.65×10-2、1.58×10-2、1.43×10-2 g·km-1, 相对国Ⅲ车分别降低约69.4%、59.3%、62.9%和17.0%、33.3%、80.1%.而国Ⅴ车相对国Ⅳ车总颗粒质量排放明显下降但数量排放略有上升, 燃用B0/B5/B10时, 国Ⅴ车相对国Ⅳ车质量排放分别降低约43.0%、47.3%和42.1%;数量排放则分别上升约4.0%、7.6%和14.7%.

图 2 试验公交车CCBC循环的总颗粒排放速率 Fig. 2 Total particulate number emission rate of buses under CCBC cycle

图 3 试验公交车CCBC循环总颗粒数量和质量排放因子 Fig. 3 Total particulate number and mass emission factors of buses under CCBC cycle

随着生物柴油掺混比例的增加, 国Ⅲ车质量排放增加, 而国Ⅳ、国Ⅴ车质量排放则减少, 燃用B5/B10时, 国Ⅲ车质量排放相对燃用B0分别增加约19.4%和262.7%;而国Ⅳ、国Ⅴ车则分别减少约4.0%、13. 2%和11.2%、11.8%.

从图 2中还可以看出, 瞬时总颗粒数量排放与车速跟随性较好, 为了对循环中公交车的行驶工况进行分析, 将CCBC循环划分为怠速工况[0, 0.5]km·h-1、低速工况(0.5, 20]km·h-1、中速工况(20, 40]km·h-1和高速工况(40, 60]km·h-1四类行驶工况, 所占比例分别为29.0%、34.1%、30.7%、6.2%.

2.2 不同行驶工况下的颗粒物数量排放特性

图 4和图 5分别为不同排放标准公交车在不同行驶工况下的核态颗粒和聚集态颗粒数量排放, 并各自标注不同行驶工况产生的排放对其CCBC循环整体排放的贡献率.

图 4 不同排放标准公交车不同行驶工况下核态颗粒数量排放 Fig. 4 Nucleation mode particulate number emission of buses with different emission standards under different driving conditions

图 5 不同排放标准公交车不同行驶工况下聚集态颗粒数量排放 Fig. 5 Accumulation mode particulate number emission of buses with different emission standards under different driving conditions

由图 4可见, 国Ⅴ、国Ⅳ车相对国Ⅲ车, 核态颗粒数量排放大幅下降, 且高速时更加明显, 燃用B0/B5/B10, 国Ⅴ、国Ⅳ车高速时核态颗粒数量分别为1.09×1011、9.93×1010、1.06×1011个·s-1和1.28×1011、1.09×1011、1.00×1011个·s-1, 相对国Ⅲ车分别减少约96.4%、95.5%、95.0%和95.8%、95.0%、95.3%.而国Ⅴ与国Ⅳ车相比, 其核态颗粒数量排放变化不大, 在怠速及中低速工况, 国Ⅴ车核态颗粒数量排放甚至大于国Ⅳ车, 且基本随着生物柴油掺混比例的增加, 增幅更加明显, 在怠速/低速/中速工况下国Ⅴ车核态颗粒数量相对国Ⅳ车分别增加约123.9%(B0)、94.5%(B5)、179. 2%(B10), 40.0%(B0)、45.1%(B5)、164.6%(B10) 和46.4%(B0)、61.9%(B5)、103.9%(B10), 这可能是因为, 国Ⅴ车的发动机相对国Ⅳ车, 在标定时为了达到排放标准会牺牲部分动力性, 如表 1所示, 导致在相同车速下的相同驱动功率需求时, 其转速相对国Ⅳ车有变高的趋势, 因此发动机循环燃烧时间变短, 燃烧恶化, 未燃碳氢增加, 以可溶有机组分SOF为主要成分的核态颗粒数量增加.而生物柴油挥发性低、黏度高, 使燃油雾化变差, 燃烧恶化, 也会导致缸内未燃或者未完全燃烧的燃油即未燃碳氢增加, 核态颗粒数量上升, 所以随着生物柴油掺混比例的增加, 核态颗粒数量会显著增加[24].此外, 由图 4可见, 国Ⅴ、国Ⅳ车核态颗粒数量排放主要来自约占CCBC循环核态颗粒数量总排放70%的中低速行驶工况, 而国Ⅲ车核态颗粒数量排放主要来自于高速行驶工况, 其约占循环总排放多达50%~60%.

由图 5可见, 在中低速工况下, 国Ⅴ、国Ⅳ车相对国Ⅲ车, 聚集态颗粒数量排放下降, 燃用B0/B5/B10时, 国Ⅴ、国Ⅳ车低速时聚集态颗粒数量分别为7.08×1010、6.69×1010、6.74×1010个·s-1和5.17×1010、6.23×1010、6.11×1010个·s-1, 相对国Ⅲ车分别减少约22.5%、31.7%、40.8%和43.4%、36.5%、46.3%.在高速工况, 国Ⅳ车聚集态颗粒数量排放明显大于国Ⅴ、国Ⅲ车, 燃用B0/B5/B10时, 国Ⅳ车聚集态颗粒数量相对国Ⅴ、国Ⅲ车分别增加约95.6%、25.4%、60. 1%和43.2%、48.2%和9. 4%, 这是因为试验所用国Ⅲ、国Ⅳ车柴油机的喷油系统采用的是电控单体泵, 单体泵喷油量一致性在高转速时较差, 而中等转速较好[25], 随着排放标准的提高, 发动机喷油压力增大, 喷油一致性在高速下更是难以保证, 导致油气混合均匀性变差, 局部缺氧现象严重, 碳烟大量生成, 进而导致聚集态颗粒大量产生.而试验所用国Ⅴ车柴油机的喷油系统采用的是高压共轨, 喷油压力与转速无关, 从而可以避免这种情况的发生.此外, 由图 5可见国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ车聚集态颗粒数量排放主要都来自中低速行驶工况, 占CCBC循环总排放约65%.

2.3 不同行驶工况下的颗粒物质量排放特性

图 6和图 7为不同排放标准公交车在不同行驶工况下的核态颗粒和聚集态颗粒质量排放.

图 6 不同排放标准公交车不同行驶工况下核态颗粒质量排放 Fig. 6 Nucleation mode particulate mass emission of buses with different emission standards under different driving conditions

图 7 不同排放标准公交车不同行驶工况下聚集态颗粒质量排放 Fig. 7 Accumulation mode particulate mass emission of buses with different emission standards under different driving conditions

由图 6可见, 国Ⅴ、国Ⅳ车相对国Ⅲ车, 核态颗粒质量排放大幅下降, 且高速时更加明显, 燃用B0/B5/B10时, 国Ⅴ、国Ⅳ车高速时核态颗粒质量分别为5.01×10-1、4.57×10-1、4.44×10-1 μg·s-1和6.92×10-1、5.90×10-1、5.34×10-1 μg·s-1, 相对国Ⅲ车分别减少约93.7%、90.6%、90.8%和91.3%、87.9%、89.0%.此外, 由图 6可见, 国Ⅲ车高速时排放的核态颗粒质量较多, 占CCBC循环核态颗粒质量总排放约55%~60%, 而国Ⅳ、国Ⅴ车核态颗粒质量排放主要来自中低速行驶工况, 占循环总排放约60%~70%.

由图 7可见, 在怠速和中低速工况下, 国Ⅴ、国Ⅳ车相对国Ⅲ车, 聚集态颗粒质量排放大幅下降, 且基本随着生物柴油掺混比例的增加, 降幅增大, 燃用B0/B5/B10时, 国Ⅴ、国Ⅳ车怠速时的聚集态颗粒质量浓度分别为2.16×101、2.39×101、2.22×101 μg·s-1和2.57×101、2.55×101、2.51×101μg·s-1, 相对国Ⅲ车分别减少约37.2%、44.1%、89.9%和25.3%、40.4%、88.5%.国Ⅲ车燃用B5时, 怠速/低速/中速/高速工况下聚集态颗粒质量分别为4.27×101、9.86×101、1.64×102和1.92×102 μg·s-1, 而燃用B10时急剧增加到2. 19×102、3.27×102、5.56×102和7.83×102 μg·s-1, 大幅增加约412.9%、232.0%、239. 5%和307. 6%.这表明国Ⅲ排放水平的公交车对生物柴油添加比例的适应性差, 生物柴油添加比例的增加会急剧恶化其较大径粒颗粒排放, 因而不适合推广应用较大生物柴油掺混比燃油.此外, 由图 7可见, 国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ车聚集态颗粒质量排放主要都来自中低速工况, 占循环总排放约55%~77%;而在高速工况下, 国Ⅳ车聚集态颗粒质量排放占循环总排放比例相对国Ⅲ、国Ⅴ车较高.

2.4 不同行驶工况下的颗粒物粒径分布特性

图 8~10为燃用B0/B5/B10时, 不同排放标准公交车在不同行驶工况下的的颗粒物数量排放粒径分布特性.

图 8 燃用B0时不同排放标准公交车不同行驶工况下颗粒物数量排放粒径分布特性 Fig. 8 Particulate distribution characteristics of buses with different emission standards burning fuel B0 under different driving conditions

图 9 燃用B5时不同排放标准公交车不同行驶工况下颗粒物数量排放粒径分布特性 Fig. 9 Particulate distribution characteristics of buses with different emission standards burning fuel B5 under different driving conditions

图 10 燃用B10时不同排放标准公交车不同行驶工况下颗粒物数量排放粒径分布特性 Fig. 10 Particulate distribution characteristics of buses with different emission standards burning fuel B0 under different driving conditions

由图 8~10可见, 各公交车排气颗粒数量粒径分布大体上都呈明显的核态颗粒和聚积态颗粒的双峰对数分布, 且在中低速及怠速时更为明显.国Ⅴ、国Ⅳ车核态颗粒数量排放率峰值相对国Ⅲ车明显降低, 而聚集态数量峰值降幅不明显.高速时, 国Ⅴ、国Ⅳ车的聚积态峰值较明显, 峰值对应排放率高于国Ⅲ车, 而国Ⅲ车的核态颗粒数量排放率高, 核态峰值非常明显.

国Ⅴ车相对国Ⅳ车的聚集态颗粒数量排放率峰值变化不大, 仅在高速时明显减少; 而相对国Ⅳ车的核态颗粒数量排放率峰值则明显增大, 且大体呈现车速越低增幅越大, 燃用B10, 在高速/中速/低速/怠速时, 国Ⅴ车的核态颗粒峰值为1.11×1010、1.33×1010、1.25×1010和5.36×109个·s-1, 相对国Ⅳ车分别增加约45.7%、181.2%、210.8%和293.1%.

此外, 国Ⅲ车燃用低生物柴油掺混比燃油B5时, 颗粒数量浓度粒径分布变化不大, 但当生物柴油掺混比例增至10%, 即燃用B10时, 国Ⅲ车较大粒径颗粒排放急剧恶化, 颗粒数量排放率在各车速下都明显增加, 并出现新的峰值, 从而呈现不规则的三峰对数分布.可见, 国Ⅲ排放水平的公交车对生物柴油添加比例的适应性差, 不适合推广应用较大生物柴油掺混比燃油.

3 结论

(1) 国Ⅴ、国Ⅳ车相对国Ⅲ车, 总颗粒数量和质量排放均大幅下降, 而国Ⅴ车相对国Ⅳ车总颗粒质量排放明显下降但数量略有上升.随生物柴油掺混比例增加, 国Ⅲ车颗粒质量排放增加, 而国Ⅳ和国Ⅴ车则减少.

(2) 国Ⅴ车相对国Ⅲ车, 核态颗粒数量大幅下降, 但相对国Ⅳ车, 变化不大, 在怠速及中低速工况, 甚至高于国Ⅳ车, 且随生物柴油掺混比例的增加更加明显.在中低速工况, 国Ⅴ、国Ⅳ车聚集态颗粒数量相对国Ⅲ车下降, 而在高速工况, 国Ⅳ车明显高于国Ⅴ、国Ⅲ车.

(3) 国Ⅴ、国Ⅳ车相对国Ⅲ车, 核态和聚集态颗粒质量均下降, 且聚集态颗粒质量下降幅度随生物柴油掺混比例的增加更加明显.相比燃用B5, 国Ⅲ车燃用B10时聚集态颗粒质量急剧增加.

(4) 国Ⅲ车核态颗粒排放主要来自高速工况, 而国Ⅳ、国Ⅴ车则主要来自中低速工况; 国Ⅲ、国Ⅳ、国Ⅴ车聚集态颗粒排放主要都来自中低速工况.

(5) 低车速时, 公交车排气颗粒数量的粒径分布大都呈双峰对数分布.高速时, 国Ⅲ车的核态峰值凸显, 而国Ⅴ和国Ⅳ车聚积态峰值略明显, 甚至略高于国Ⅲ车.燃用B10时, 国Ⅲ车的大粒径聚积态颗粒明显增加, 形成新的峰值, 粒径分布总体近似呈三峰对数分布.

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