張允華,樓狄明,譚丕強,胡志遠 (同濟大學汽車學院,上海 201804)

環(huán)境影響評價與管理

公交車燃用生物柴油的排放性、經(jīng)濟性與可靠性

張允華,樓狄明*,譚丕強,胡志遠 (同濟大學汽車學院,上海 201804)

基于國Ⅴ柴油公交車,試驗研究并分析了燃用5%體積分數(shù)的餐廚廢棄油脂制生物柴油混合燃料B5的實際道路排放性,燃油經(jīng)濟性及可靠性.結果表明:所跟蹤進行的11萬km道路排放檢測過程中,相較于國Ⅴ純柴油(D100),B5的CO排放因子平均下降13.28%,THC排放因子平均下降7.86%,CO2和NOx排放因子平均上升11.50%和11.84%,顆粒數(shù)量PN排放因子平均上升13.15%,顆粒質(zhì)量PM排放因子平均下降14.74%;油耗的跟蹤監(jiān)測結果顯示:B5的燃油經(jīng)濟性與D100相當,按熱值換算后,B5的年平均百km油耗較D100小幅上升約1.54%;內(nèi)窺鏡跟蹤檢查結果顯示:燃用B5后,在活塞頂面,燃燒室頂面,氣門與氣門座間隙以及噴油嘴等發(fā)動機的關鍵部位均無明顯的積碳產(chǎn)生,燃用B5的可靠性較好.

柴油公交車；生物柴油；排放性；經(jīng)濟性；可靠性

餐廚廢棄油脂是重要污染源,不僅直接危害環(huán)境,更有可能回流餐桌帶來嚴重的食品安全隱患[1].將餐廚廢棄油脂通過酯交換工藝煉制成生物柴油,可在不改變柴油機結構參數(shù)的前提下直接應用于公交車,可以有效解決餐廚廢棄油脂帶來的食品安全問題[2].而且生物柴油作為一種可再生的清潔燃料,具有理化特性好,十六烷值高的特點,并且含有分子內(nèi)氧,燃燒性能較好,芳香烴含量和揮發(fā)性有機成份(VOC)均較低,環(huán)保性能好,將其用作公交車燃料可以帶來一定的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益[3-4].

國內(nèi)外學者對生物柴油的應用開展了廣泛的研究,研究方法主要集中在臺架及轉轂實驗法,使用的生物柴油摻混比例從 5%～100%不等,研究內(nèi)容主要包括生物柴油的動力性,排放性和經(jīng)濟性.動力性方面,生物柴油的使用會造成柴油機的動力性略微下降[5-7].排放性方面,生物柴油使用后,柴油機的CO,THC以及顆粒排放下降,CO2和NOx排放升高,并且變化幅度隨生物柴油摻混比例的增大而增大[8-11],此外,生物柴油會改變顆粒排放的粒徑分布,降低聚集態(tài)顆粒占比,造成幾何平均粒徑變小[12-15].經(jīng)濟性方面,生物柴油使用后會帶來油耗不同程度的升高[16-17].

現(xiàn)有研究對公交車燃用生物柴油的道路排放特性關注較少,而關于道路燃油經(jīng)濟性和可靠性的研究更是未見報道.因此,本文從道路排放特性,燃油經(jīng)濟性及耐久可靠性角度出發(fā),系統(tǒng)分析公交車燃用生物柴油混合燃料的綜合性能,為生物柴油公交車的推廣應用提供有效借鑒.

1 研究方案

1.1 試驗車輛

試驗車輛為正常運營的國Ⅴ柴油公交車,共計投入 15輛,均選自相同運行線路.分批燃用純生物柴油體積占比5%的B5生物柴油混合燃料,首批2輛燃用B5,13輛燃用國Ⅴ純柴油D100,逐漸過渡到10輛燃用B5,5輛燃用D100.試驗車輛基本技術參數(shù)如表1所示.

表1 試驗車輛技術參數(shù)Table 1 Specifications of the test bus

1.2 試驗燃料

試驗燃料分別為國Ⅴ純柴油D100以及生物柴油混合燃料B5,其主要理化指標如表2所示.

表2 試驗燃料的主要理化指標Table 2 Physical and chemical characteristics of fuels

1.3 跟蹤檢測方案

試驗中跟蹤檢測生物柴油公交車的排放性,燃油經(jīng)濟性及可靠性.試驗間隔分別為車輛燃用B5初始階段,行駛1萬km,2萬km,4萬km,7萬km及11萬km.選取試驗車輛中重點車輛進行周期性排放檢測,排放檢測內(nèi)容包括氣態(tài)物及顆粒物,其中,氣態(tài)物檢測采用日本 Horiba公司的OBS-2200車載排放檢測系統(tǒng),顆粒物檢測采用芬蘭Dekati公司的電子低壓沖擊儀ELPI,同時配合使用DI-2000射流稀釋器,公交車行駛工況由GPS實時記錄;經(jīng)濟性方面對該線路15輛試驗公交車進行油耗跟蹤分析;采用內(nèi)窺鏡對跟蹤車輛燃用生物柴油混合燃料B5的重要零部件積碳情況進行檢測,以考察其可靠性.

2 結果與分析

2.1 實際道路排放特性

對重點試驗跟蹤車輛進行了一定里程間隔的排放跟蹤,得到CO排放因子如圖1所示,可以看出,B5的CO排放因子隨使用里程的增加有所波動,但始終低于D100,累計使用11萬km間的CO平均排放因子較D100低13.28%,其主要原因是生物柴油含有分子內(nèi)氧,有助于其充分燃燒,使CO充分氧化[18].

圖1 CO排放因子Fig.1 CO emission factor

THC排放因子如圖2所示.相較于純柴油,B5的THC排放因子略低,累計使用11萬km間B5的THC平均排放因子較D100下降7.86%,同樣是因為生物柴油含有分子內(nèi)氧,有利于燃料的充分燃燒,從而使未燃 THC排放減少,同時生物柴油芳香烴含量和揮發(fā)性有機成份含量較少,也是造成B5的THC排放較低的原因[19].

圖2 THC排放因子Fig.2 THC emission factor

CO2排放因子如圖3所示,可知B5的CO2排放因子隨使用里程的增加始終高于純柴油,累計使用11萬km間的CO2平均排放因子較D100高 11.50%,這主要是因為生物柴油密度大,熱值低,輸出相同的功率需要消耗更多燃料所致[20].

圖3 CO2排放因子Fig.3 CO2emission factor

NOx排放因子如圖 4所示,可以看出整個跟蹤測試期間,B5的NOx排放因子始終高于D100,累計使用11萬km間B5的NOx平均排放因子較D100高11.84%,主要是因為生物柴油的含氧特性有利于改善燃燒狀況,提高缸內(nèi)溫度,從而帶來NOx排放量的增加[21].

圖4 NOx排放因子Fig.4 NOxemission factor

顆粒物數(shù)量PN排放因子如圖5所示,可知B5的PN排放因子隨使用里程的增加始終高于D100,累計使用11萬km間B5的PN平均排放因子較D100高13.15%,這主要是因為生物柴油理化特性有利于燃料的充分燃燒,排放的核態(tài)顆粒較多而聚集態(tài)顆粒相對較少,總體上平均粒徑向細顆粒方向移動,造成顆粒數(shù)量增多[22].

圖5 PN穩(wěn)態(tài)排放因子Fig.5 PN emission factor

顆粒物質(zhì)量PM排放因子如圖6所示,可以看出,B5的PM排放因子隨使用里程的增加始終低于D100,整個11萬km使用期間B5的PM平均排放因子較D100低14.74%,這主要是因為生物柴油排放中聚集態(tài)顆粒物降幅明顯,大顆粒數(shù)量的減少使得質(zhì)量排放下降[23].

2.2 燃油經(jīng)濟性

在整個試驗運行期間,該線路15輛同型公交車分批投入使用B5生物柴油混合燃料, 對整個車隊進行了為期12個月的行駛里程和燃油消耗監(jiān)控.

行駛里程及燃油消耗數(shù)據(jù)來自公交公司數(shù)據(jù)庫.對于跟蹤車輛,分別累加單月行駛里程和油耗,得到燃用B5生物柴油混合燃料及D100公交車的總里程和總油耗,進而計算當月百km油耗.為了科學比較兩種燃料實際應用中的熱效率和消耗情況,將 B5按照其熱值計算出當量油耗,再進行比較.在運行試驗中,燃用D100和B5車輛的每月平均油耗及變化比較如表3所示.

圖6 PM排放因子Fig.6 PM emission factor

表3 燃油經(jīng)濟性統(tǒng)計表Table 3 Statistics of fuel consumption

圖7 單月油耗變化Fig.7 Fuel consumption of every month

由表3可知,D100公交車單月運行里程逐步減少并最終穩(wěn)定.而B5公交車的單月運行里程則逐步增多并最終穩(wěn)定,主要是因為投入運行的D100公交車逐步減少而B5公交車逐步增加的緣故.D100公交車單月百km油耗浮動在28.51～34.92L之間,所跟蹤的12個月的公交車燃用D100的平均百km油耗為31.19L;燃用B5生物柴油混合燃料公交車的12個月百 km油耗在 29.07～35.52L之間,平均值為31.67L.除11月較D100下降0.6%外,B5的單月平均油耗總體上高于 D100,增幅范圍為 0.15%～2.98%,平均增幅為 1.54%.這主要是因為生物柴油的密度大于純柴油,且其低熱值較小,即產(chǎn)生相同的能量需要消耗更多的生物柴油.

B5及D100的單月油耗變化趨勢如圖7所示.可以看出,B5和D100的變化趨勢一致,均呈現(xiàn)先下降后升高再下降的態(tài)勢.1～4月期間油耗逐漸降低可能與環(huán)境溫度逐漸升高有關.從5月起,隨著高溫天氣數(shù)量的增加,公交車開啟空調(diào)的天數(shù)增加,可能導致油耗逐步升高.其中7月油耗最高,與平均值和最低值相比,D100的 7月油耗分別高出 11.97%和 22.48%,而 B5則分別高出12.15%和22.20%.在8～12月,空調(diào)開啟天數(shù)減少,油耗逐步下降,并最終與1月油耗值趨于一致,體現(xiàn)出規(guī)律性的周期變化特點.

2.2 可靠性

積碳會影響甚至損害發(fā)動機的性能和壽命,是衡量燃料對發(fā)動機可靠性影響的重要因素.活塞頂部積碳會形成許多熾熱面,引起早然,爆燃,爆震和敲擊,使活塞產(chǎn)生異常磨損,縮短發(fā)動機的使用壽命.燃燒室頂部積碳,將降低發(fā)動機的冷卻效果,直接影響動力性和經(jīng)濟性.氣門與氣門座間隙處積碳,會引發(fā)氣門關閉不嚴進而漏氣,這會直接導致發(fā)動機難起動,轉速快慢不均,動力性減弱和氣門易燒蝕等故障.柴油機的噴油嘴處極易形成積碳并堵塞,這將使燃油霧化不良,燃燒惡化.此外,燃燒室和進氣系統(tǒng)中的積碳還會影響進氣,而過量空氣系數(shù)的改變會使排放惡化.

生物柴油的理化特性指標與傳統(tǒng)石化柴油有一定的不同,存在產(chǎn)生積碳的風險.生物柴油的運動粘度大于純柴油,且低溫流動性也較差,這均會導致噴射霧化效果變差,燃燒惡化,產(chǎn)生膠質(zhì)殘留物并最終形成積碳.此外,不飽和脂肪酸和游離脂肪酸會使機油提前變質(zhì)和聚合,而其竄入燃燒室也會促使積碳形成.

圖8 內(nèi)窺鏡跟蹤檢測Fig.8 Tracking detection of the engine par

使用內(nèi)窺鏡檢測公交車燃用生物柴油后發(fā) 動機重要零部件的積碳情況,包括活塞頂面,燃燒室頂面(主要為氣門底部表面),氣門與氣門座間隙和噴油嘴處.對同一輛重點跟蹤車輛進行了共4次檢測,每次間隔約為3個月.檢測結果如圖8所示.可見活塞頂部凹坑和氣門底部表面的紋理清晰可見,氣門與氣門座間隙和噴油嘴處均沒有明顯的積碳痕跡,且噴油嘴孔基本干凈暢通.可知公交車在發(fā)動機未作專門匹配的情況下,燃用生物柴油后,并無明顯的積碳產(chǎn)生.這可能因為對純生物柴油B100和混合燃料B5都進行了生產(chǎn)工藝優(yōu)化,提升了生物柴油的燃油品質(zhì).

3 結論

3.1 從排放角度來看,B5的CO排放因子較D100下降 13.28%,THC 排放因子較 D100下降7.86%,CO2排放因子較D100上升11.50%,NOx排放因子較D100上升11.84%,PN排放因子較D100上升13.15%,PM排放因子較D100下降14.74%.

3.2 生物柴油混合燃料 B5的燃油經(jīng)濟性與純柴油相當.所跟蹤的一年中,生物柴油混合燃料B5和純柴油D100的當量油耗變化趨勢基本一致,但前者略高于后者,增幅范圍在0.15%～2.98%之間,平均增幅約為1.54%.

3.3 生物柴油混合燃料 B5對發(fā)動機工作的可靠性基本沒有影響.公交車在發(fā)動機未作專門匹配的情況下,燃用 B5生物柴油混合燃料后,在活塞頂面,燃燒室頂面,氣門與氣門座間隙和噴油嘴等關鍵部位均無明顯的積碳產(chǎn)生,可靠性較好.

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Study on the emission performance, fuel economy and reliability of a bus fuelled with biodiesel blends.

ZHANG Yun-hua, LOU Di-ming*, TAN Pi-qiang, HU Zhi-yuan (School of automobile studies, Tongji University, Shanghai 201804, China). China Environmental Science, 2017,37(7)：2773～2778

A long-term experimental study on the characteristics of on-road emissions, fuel economy and reliability for a bus at emission standard Stage V was carried out through the emission test for 110,000kilometers. The bus was fueled with biodiesel blends B5 (5% biodiesel made with used cooking oil and 95% pure China-V diesel in volume). The experimental results show that the average CO emission factor of B5 is about 13.28% lower than that of D100, the average THC emission factor of B5 is about 7.86% lower than that of D100, and the average CO2and NOxemission factors of B5 are higher than those of D100 by 11.50% and 11.84% respectively. Compared with D100, the average PN emission factor of B5 increases by 13.15% while the average PM emission factor decreases by 14.74%. The recorded data of fuel consumption shows that the fuel economy of B5 is equivalent to that of D100, but the annual average fuel consumption of B5 per hundred kilometers is 1.54% higher than that of D100 based on heating value. The diesel engine endoscope test shows that there is no obvious carbon deposition on the key components of the engine, such as the piston head, the combustion chamber, the fuel injector, and the site between valve and valve seat, which indicates the reliability of the engine.

diesel bus；biodiesel；emission performance；fuel economy；reliability

X73,TK464

A

1000-6923(2017)07-2773-06

張允華(1989-),男,江蘇徐州人,博士研究生,主要從事發(fā)動機替代燃料及排放控制技術研究.

2016-11-24

上海市科學技術委員會科研計劃項目(16DZ1203001)

* 責任作者, 教授, loudiming@#edu.cn