王長(zhǎng)園　張立雄（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心　天津　300300）

·研究·開發(fā)·

采用不同減排方式的LNG公交車整車性能研究

王長(zhǎng)園張立雄
（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心天津300300）

基于整車底盤測(cè)功機(jī)臺(tái)架和全流定容稀釋采樣系統(tǒng)，對(duì)兩臺(tái)分別裝用稀薄燃燒加氧化催化后處理（DOC）技術(shù)和燃空當(dāng)量比燃燒加三元催化器（TWC）技術(shù)的國(guó)V液化天然氣（LNG）公交車燃料消耗量、整車排放和加速性能進(jìn)行測(cè)試對(duì)比研究，并與一輛裝用常規(guī)柴油國(guó)V發(fā)動(dòng)機(jī)的公交車進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：采用燃空當(dāng)量比燃料加三元催化器技術(shù)的LNG公交車在污染物排放和加速性能上都要優(yōu)于采用稀薄燃燒加氧化催化后處理技術(shù)的公交車，甚至在污染物排放上要優(yōu)于柴油公交車。但在燃料消耗量上，采用燃空當(dāng)量比燃料加三元催化器技術(shù)的LNG公交車高于采用稀薄燃燒加氧化催化后處理技術(shù)的公交車。

LNG公交車 燃料消耗量 排放污染物 加速性能

引言

公交車作為城市內(nèi)運(yùn)行的主要重型車輛，其活動(dòng)頻率及日行駛里程高，主要活動(dòng)在居民稠密區(qū)，因此各大城市對(duì)公交車的排放要求非常嚴(yán)格。北京在2008年就要求公交開始實(shí)施國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)，并要求在2013年開始實(shí)施國(guó)V排放標(biāo)準(zhǔn)。

天然氣是世界上繼煤和石油之后的第三大天然能源，其主要成分是甲烷，燃燒后生成二氧化碳和水，污染物排放少［1］，其作為代用燃料在我國(guó)已經(jīng)將CNG和LNG普遍應(yīng)用于公交車上。

目前國(guó)家重型車排放標(biāo)準(zhǔn)GB17691-2005要求重型車輛的排放測(cè)試基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行排放測(cè)試，對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)定應(yīng)采用歐洲瞬態(tài)循環(huán)（ETC）試驗(yàn)規(guī)程測(cè)定其氣態(tài)污染物。當(dāng)前我國(guó)要求天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)必須滿足國(guó)V排放標(biāo)準(zhǔn)。為滿足國(guó)V排放標(biāo)準(zhǔn)要求，我國(guó)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要采用2種減排技術(shù)：稀薄燃燒加氧化催化后處理（DOC）技術(shù)和燃空當(dāng)量比燃燒加三元催化器（TWC）技術(shù)。

基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試方法，國(guó)內(nèi)外對(duì)采用這兩種技術(shù)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放情況做了很多測(cè)試和研究［2-3］。對(duì)天然氣整車的研究則多采用車載測(cè)試設(shè)備和實(shí)際道路工況［4-5］，但天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際裝在整車上的整車排放情況目前還研究較少。

本文基于整車底盤測(cè)功機(jī)臺(tái)架和全流定容稀釋采樣系統(tǒng)，對(duì)兩臺(tái)分別裝用稀薄燃燒加氧化催化后處理（DOC）技術(shù)和燃空當(dāng)量比燃燒加三元催化器（TWC）技術(shù)的國(guó)V液化天然氣（LNG）公交車燃料消耗量、整車排放和加速性能進(jìn)行測(cè)試對(duì)比研究，并與一輛裝用常規(guī)柴油國(guó)V發(fā)動(dòng)機(jī)的公交車進(jìn)行對(duì)比。

1　試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)在底盤測(cè)功機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室設(shè)備主要包括3個(gè)系統(tǒng)：測(cè)功系統(tǒng)、轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)系統(tǒng)和CVS排放測(cè)試系統(tǒng)。圖1為試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試系統(tǒng)示意圖

本次試驗(yàn)使用的德國(guó)MAHA公司生產(chǎn)的重型轉(zhuǎn)鼓。該轉(zhuǎn)鼓為四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓，滾筒直徑約183 cm，前后轉(zhuǎn)鼓軸距可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為3.2～8 m，前鼓電機(jī)功率為250 kW，后鼓電機(jī)功率為540 kW，可模擬的最高車重為35 t，能夠滿足4×4、6×6、8×8等驅(qū)動(dòng)類型車輛的測(cè)試需求。該底盤測(cè)功機(jī)有非常靈敏的控制系統(tǒng)和電子慣量模擬裝置，使得動(dòng)態(tài)測(cè)試變得可能，可以模擬2 500到60 000 kg的整車慣量。

法規(guī)規(guī)定的排放物測(cè)量使用符合國(guó)標(biāo)GB17691-2005規(guī)定的AMA i60，PSS i60，CVS i60設(shè)備。PSSi60主要負(fù)責(zé)對(duì)顆粒物采集系統(tǒng)的控制，使得顆粒的采樣條件保證在法規(guī)規(guī)定的范圍內(nèi)。CVS i60控制著CVS稀釋采樣系統(tǒng)的溫度，稀釋通道的采集容量，實(shí)現(xiàn)定容采樣系統(tǒng)。AMA i60排氣測(cè)量系統(tǒng)包括用于THC，NO/NOχ，CO，CO2，O2成分的動(dòng)態(tài)量程分析單元。

1.2試驗(yàn)車輛

表1給出了試驗(yàn)用3臺(tái)公交車基本參數(shù)，其中公交車1和公交車2為L(zhǎng)NG公交車，公交車3為柴油公交車。3臺(tái)公交車都為12 m長(zhǎng)，最大總質(zhì)量在18 t左右。發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率在200 kW左右，變速箱為6擋手動(dòng)變速，3臺(tái)公交車都滿足國(guó)V排放標(biāo)準(zhǔn)，公交車1采用稀薄燃燒加氧化催化后處理（DOC）技術(shù)，公交車2采用燃空當(dāng)量比燃燒加三元催化器（TWC）技術(shù)，公交車3采用SCR技術(shù)。

表1　公交車參數(shù)

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)依據(jù)GB/T 27840-2011重型商用車燃油消耗量測(cè)量方法，引用其中重型車整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)的方法。測(cè)試由轉(zhuǎn)鼓提供車輛行駛中的阻力負(fù)荷，反映測(cè)試循環(huán)工況中的道路和空氣阻力，車輛載荷設(shè)定為100%。通過CVS測(cè)量排放污染物。測(cè)試工況采用中國(guó)典型城市公交循環(huán)（CCBC），如圖2所示。CCBC循環(huán)是在北京、上海和廣州3個(gè)城市公交車運(yùn)行實(shí)際工況數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的，相比于其它的公交循環(huán)，CCBC循環(huán)更能代表中國(guó)現(xiàn)在的交通及道路情況，更符合整車實(shí)際的行駛情況，具有很好的代表性［6］。

試驗(yàn)條件：試驗(yàn)室溫度控制在25℃（±5℃），大氣壓力為101.5 kPa，試驗(yàn)室相對(duì)濕度35%左右，CVS流量為100 m3/min，采樣時(shí)間為1 310 s。

圖2　中國(guó)典型城市公交循環(huán)

2　燃料消耗量結(jié)果分析

整車測(cè)試中，車輛對(duì)目標(biāo)測(cè)試循環(huán)的復(fù)現(xiàn)精度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大，如果循環(huán)的復(fù)現(xiàn)度較低，對(duì)于測(cè)試結(jié)果的比較就缺乏說(shuō)服力。圖3為3輛公交車實(shí)際車速與CCBC車速的相關(guān)性對(duì)比結(jié)果，由圖中結(jié)果可以看出，試驗(yàn)車輛的實(shí)際車速和測(cè)試循環(huán)的設(shè)定車速呈較高的線性相關(guān)，擬合直線的比例系數(shù)均大于0.99，與1非常接近，相關(guān)系數(shù)均在0.99附近，線性相關(guān)性顯著。能夠證明3輛公交車基本復(fù)現(xiàn)了CCBC循環(huán)。

圖3　實(shí)際車速與設(shè)定車速相關(guān)性

柴油和天然氣燃料消耗量測(cè)量方法分別有推薦性標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27840-2011和GB/T 29125-2012，其他GB/T 29125-2012標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)提到，天然氣燃料消耗量換算到液體燃料消耗量時(shí)，可采用如下公式：

式中：FCNG-1：天然氣燃料汽車換算到液體燃料汽車的燃料消耗量（L/100 km）；

FCNG：天然氣汽車的燃料消耗量（L3/100 km），（15℃、101.325 kPa）；

Ql：液體燃料低位發(fā)熱量（MJ/kg），柴油取42.652 MJ/kg；

dl：液體燃料密度（kg/L），（15℃、101.325 kPa），柴油取0.83 kg/L；

QNG：CNG低位發(fā)熱量（MJ/m3），取32.74 MJ/m3（15℃、101.325 kPa）。

天然氣密度采用G20和G23的平均值，即0.654 kg/m3（15℃、101.325 kPa）。圖4給出了3輛公交車的燃料消耗量結(jié)果，其中LNG公交車分別給出了LNG消耗量和按公式（1）折算成柴油的消耗量。由圖中可以看出，采用燃空當(dāng)量比燃燒加TWC技術(shù)的公交車2天然氣消耗量較公交車1高出了16.8%。由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用稀薄燃燒技術(shù)的燃料經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于燃空當(dāng)量比燃燒技術(shù)［7］，因此公交車1的燃料經(jīng)濟(jì)性較好。

圖4　3臺(tái)公交車燃料消耗量對(duì)比結(jié)果

天然氣折算成柴油消耗量后發(fā)現(xiàn)，公交車1和公交車2比常規(guī)柴油車多消耗46.1%和70.6%的柴油。這主要是由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用較低的壓縮比，因此燃料經(jīng)濟(jì)性較差。

3　氣體污染物結(jié)果分析

表2給出了3輛公交車氣體污染物排放因子（斜線左邊）和比排放（斜線右邊）的對(duì)比結(jié)果。由表中可以看出，對(duì)CO排放來(lái)說(shuō)，由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用DOC和TWC后處理，能減少CO排放。而柴油車無(wú)后處理減少CO，因此柴油車CO排放最高。對(duì)HC排放來(lái)說(shuō)，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)基本都為CH4排放，其中公交車1的CH4排放非常高，是公交車2的15倍。對(duì)NOχ排放來(lái)說(shuō)，公交車1由于沒有后處理來(lái)降低NOχ，因此排放最高。

表2　氣體污染物排放結(jié)果對(duì)比（g/km和g/（kW·h））

圖5為3臺(tái)公交車試驗(yàn)過程中的平均排氣溫度，由此可以解釋前面的分析，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)由于預(yù)混燃燒方式因此排氣溫度高，其中燃空當(dāng)量比的燃燒方式排溫最高。排氣溫度影響后處理的轉(zhuǎn)化效率，對(duì)于SCR來(lái)說(shuō)，一般要求200℃以上才能起作用，因此柴油公交車3的NOχ排放較高。而DOC和TWC催化器，一般需要350℃的起燃溫度，因此公交車2的后處理工作效果最高，氣體污染物排放少。公交車1由于排溫沒有達(dá)到DOC的最佳工作溫度，因此CH4排放比公交車2高出了15倍。

圖5　3輛公交車平均排溫

4　顆粒污染物結(jié)果分析

圖6為3輛公交車顆粒物質(zhì)量的排放對(duì)比結(jié)果，由圖中可以看出，以天然氣為燃料的公交車顆粒物排放很少，基本可以忽略不計(jì)。

圖6　3輛公交車顆粒物質(zhì)量排放對(duì)比

5　加速性能結(jié)果分析

圖7給出了3輛公交車加速時(shí)間對(duì)比結(jié)果，測(cè)試方法基于GB/T 18276-2000《汽車動(dòng)力性臺(tái)架試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)》中加速性能測(cè)試方法，3臺(tái)公交車以直接擋穩(wěn)定車速30 km/h后，記錄分別加速到40 km/h、50 km/h和60 km/h的時(shí)間。從圖中可以看出，采用稀薄燃燒加DOC技術(shù)的公交車1加速性能最差，而燃控當(dāng)量比加TWC技術(shù)的公交車3基本能夠達(dá)到柴油公交車的加速水平。

6　結(jié)論

1）采用燃空當(dāng)量比燃燒加TWC技術(shù)的LNG公交車燃料消耗量高于稀薄燃燒加DOC技術(shù)的LNG公交車。LNG公交車天然氣消耗量換算成柴油消耗量要遠(yuǎn)大于柴油公交車的柴油消耗量。

圖7　3輛公交車加速時(shí)間對(duì)比

2）對(duì)于氣體污染物排放，由于排氣溫度的影響，采用稀薄燃燒加DOC技術(shù)的公交車CH4和NOχ排放最高，采用燃空當(dāng)量比燃燒加TWC技術(shù)的公交車排放最佳。

3）LNG公交車的顆粒物質(zhì)量排放很少，基本可以忽略不計(jì)。

4）采用稀薄燃燒加DOC技術(shù)的公交車加速性能較差，而燃空當(dāng)量比加TWC技術(shù)的公交車基本能夠達(dá)到柴油公交車的加速性能水平。

1姚寶峰，李國(guó)岫.稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒循環(huán)變動(dòng)影響因素研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2007，28（5）：23-27

2馬凡華，汪俊君，程偉，等.增壓稀燃天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放特性［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2008，29（2）：10-14

3Einewall P，Tunestal P，Johansson B.Lean burn natural gas operation vs.Stoichiometric operation with EGR and a three way catalyst［C］.SAE Paper 2005-01-0250

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6國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 19754-2005重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005

7Masaki Okada.Development of CNG direct injection dieselcycle engine［EB/OL］.http：//www.gmcworkshop.com/new.lpg/ CNG diesel.pdf

Research on Performance of LNG Bus with the Different Emission Reduction Technologies

Wang Changyuan，Zhang Lixiong
China Automotive Technology and Research Center（Tianjin，300300，China）

In this paper，the fuel consumption，vehicle emission and acceleration performance of two LNG bus were tested and compared by the heavy-duty chassis dynamometer and CVS emission test system.The emission reduction techniques of two LNG buses respectively are the lean-burn with oxidation catalytic after-treatment（DOC）technology and the equivalence ratio combustion with three way catalysts（TWC）technology.The results show that the emission and acceleration performance of the LNG bus using the equivalence ratio combustion with three way catalysts（TWC）technology was better than the LNG bus using the lean-burn with oxidation catalytic after-treatment（DOC）technology.However，the fuel consumption of the LNG bus using equivalence ratio combustion with three way catalysts（TWC）technology was higher than the LNG bus using the lean-burn with oxidation catalytic after-treatment（DOC）technology.

LNG bus，F(xiàn)uel consumption，Emission，Acceleration performance

U469.13

A

2095-8234（2016）01-0001-04

王長(zhǎng)園（1983-），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)橹匦蛙嚰鞍l(fā)動(dòng)機(jī)排放控制及測(cè)試。

2015-12-11）