傅夢(mèng)琪，劉娟*，李進(jìn) ，張凡，李雪瑤，楊正軍，李彭輝，金陶勝*

1.天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384；2.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/天津市城市交通污染防治研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家環(huán)境保護(hù)城市大氣顆粒物污染防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350；3.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，北京 100176；4.吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)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(shì)在必行。使用可再生燃料是一項(xiàng)解決能源危機(jī)和排放等問題的重要手段?？稍偕剂蠈?duì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源經(jīng)濟(jì)和減少化石燃料利用有著積極的影響。

生物柴油是以動(dòng)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(diǎn)（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(diào)改柴油機(jī)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(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性與石化柴油相差不大，且試驗(yàn)結(jié)果表明生物柴油與石化柴油在相同扭矩點(diǎn)效率較低，廢氣排放測(cè)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(duì)柴油機(jī)廢氣排放實(shí)行了越來越嚴(yán)格的規(guī)定。廢氣排放程度受燃料、發(fā)動(dòng)機(jī)類型、排放控制技術(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)的使用時(shí)間、保養(yǎng)環(huán)境因素和許多控制技術(shù)的影響。目前，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者研究了不同油品對(duì)柴油車排放影響。Mwangi et al.（2015）、Liu et al.（2018）和Saravanan et al.（2020）對(duì)生物柴油燃燒對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放的影響進(jìn)行了全面分析。胡志遠(yuǎn)等（2016）和樓狄明等（2017）基于重型底盤測(cè)功機(jī)，對(duì)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(guó)部分城市公交車循環(huán)下的顆粒物排放特性。葛蘊(yùn)珊等（2005）研究了生物柴油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放特性的影響，表明發(fā)動(dòng)機(jī)燃用低比例的生物柴油摻混燃料，可以在動(dòng)力性和排放等方面取得令人滿意的綜合結(jié)果。譚丕強(qiáng)等（2013）采用車載排放檢測(cè)系統(tǒng)，分析了柴油公交車燃用不同燃料實(shí)際道路工況的氣態(tài)排放特性。蔡皓等（2010）建立機(jī)動(dòng)車污染物排放因子模型計(jì)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(cè)功機(jī)，對(duì)比研究了國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ柴油公交車分別燃用京Ⅵ柴油和 B5生物柴油時(shí)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(guó)Ⅲ—Ⅴ輕型汽油車和重型柴油車?yán)脤?shí)驗(yàn)室底盤測(cè)功機(jī)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(duì)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(guān)因素的研究中，對(duì)于油品的關(guān)注是一個(gè)熱點(diǎn)，并且對(duì)于排放階段和油品的綜合影響，目前的相關(guān)文獻(xiàn)較少。本文利用重型底盤測(cè)功機(jī)，以北京市柴油公交車為對(duì)象，對(duì)比研究了國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ柴油公交車，分別燃用國(guó)Ⅴ柴油、京Ⅵ柴油和 B5生物柴油混合燃料在中國(guó)典型城市公交車循環(huán)下的含碳?xì)鈶B(tài)污染物和顆粒物的排放特性?；谀壳皩?duì)碳排放的研究熱點(diǎn)，本研究分析含碳法規(guī)污染物的排放特性，對(duì)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(jià)值。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)樣車

試驗(yàn)樣車分別為國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的6輛日常運(yùn)營(yíng)的柴油公交車，國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ柴油車各3輛并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，1—3為國(guó)Ⅳ車，4—6為國(guó)Ⅴ車，具體參數(shù)見下表1所示。

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

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)燃料為京Ⅵ柴油和國(guó)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(cè)試設(shè)備與試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)在重型底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行，根據(jù)車輛裝載質(zhì)量的 75%進(jìn)行阻力加載。試驗(yàn)設(shè)備包括日本HORIBA公司的全流稀釋定容取樣系統(tǒng)對(duì)公交車排放尾氣進(jìn)行稀釋，以滿足測(cè)試儀器的分析范圍，固態(tài)顆粒物采樣器、美國(guó)TSI公司的EEPS（Engine Exhaust Particle Sizer）3090顆粒數(shù)量及粒徑分析儀，其檢測(cè)范圍是5.6—560 nm，能在每秒鐘內(nèi)提供10個(gè)完整的顆粒物粒徑分布，可瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣排放的顆粒物排放的動(dòng)力學(xué)行為。根據(jù)GB/T 17691—2018要求對(duì)顆粒物數(shù)濃度測(cè)量粒徑下限為23 nm。柴油車排放顆粒物中，粗顆粒物質(zhì)量占5%—20%；細(xì)顆粒物（PM2.5）質(zhì)量占80%—90%（朱春等，2010）。本研究選擇測(cè)量車輛排放尾氣中20 nm—3 μm粒徑范圍內(nèi)的顆粒數(shù)量。監(jiān)測(cè)排放的主要儀器是由日本 HORIBA公司生產(chǎn)的OBS-2200，OBS-2200監(jiān)測(cè)器可準(zhǔn)確檢測(cè)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?jǐn)?shù) 0—0.0001。該設(shè)備包括防震排放測(cè)量單元、主控制計(jì)算機(jī)及其相關(guān)軟件、傳感器和帶有皮特流量計(jì)的采樣連接器，根據(jù)氣體物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)和由 PITOT流量計(jì)測(cè)量的流量來計(jì)算每種氣體物質(zhì)的每秒排放因子。

根據(jù)油耗與 CO2排放量的轉(zhuǎn)化公式（1）可以計(jì)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(shè)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(yàn)循環(huán)采用 GB/T 19754—2005推薦的中國(guó)典型城市公交車循環(huán)（CCBC），循環(huán)運(yùn)行時(shí)間為1314 s，行駛里程5.89 km，平均車速為16.16 km·h-1。試驗(yàn)過程中為消除駕駛員操作隨機(jī)性和減少試驗(yàn)誤差，每輛車循環(huán)重復(fù)進(jìn)行4次，試驗(yàn)結(jié)果取4次循環(huán)平均值。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 排放標(biāo)準(zhǔn)和油品對(duì)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(guān)系，對(duì)不同排放標(biāo)準(zhǔn)的公交車燃用不同種類的柴油進(jìn)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(guó)Ⅴ車相對(duì)國(guó)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(guó)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(hào)2、3的國(guó)Ⅳ車輛其CO排放量遠(yuǎn)高于其他車輛，不同排放標(biāo)準(zhǔn)的公交車CO的排放量差距明顯。京Ⅵ柴油比國(guó)Ⅴ柴油標(biāo)準(zhǔn)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(guó)Ⅴ柴油和 B5生物柴油。燃用京Ⅵ柴油、國(guó)Ⅴ柴油和B5生物柴油，國(guó)Ⅴ車 CO的排放量與國(guó)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(duì)國(guó)Ⅴ和國(guó)Ⅳ車循環(huán)運(yùn)行工況平均百公里油耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，國(guó)Ⅴ和國(guó)Ⅳ車燃燒京Ⅵ、國(guó)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(guó)Ⅴ車與國(guó)Ⅳ車相比分別減少19.4%、16.2%、18.9%。然而在各個(gè)排放階段上油品對(duì)百公里油耗消耗量相當(dāng)，這可能是因?yàn)?，生物柴油是含氧燃料，相同工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用生物柴油后，缸內(nèi)最高燃燒壓力升高，且缸內(nèi)最大壓力對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也提前，發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率有所提高。由油耗算出國(guó)Ⅴ和國(guó)Ⅳ車燃用京Ⅵ、國(guó)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(guó)Ⅴ柴油和B5生物柴油，國(guó)Ⅴ車CO2的排放量與國(guó)Ⅳ車相比分別下降 19.0%、15.8%、18.5%。國(guó)Ⅴ和國(guó)Ⅳ公交車燃用京Ⅵ、國(guó)Ⅴ、B5柴油的總CO排放量和總CO2排放量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，在油耗幾乎相同的情況下（燃用京Ⅵ、國(guó)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(guān)燃料性能和排放的實(shí)驗(yàn)研究表明，在石油柴油中添加生物柴油后會(huì)導(dǎo)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(guó)Ⅴ和國(guó)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(guó)Ⅴ和國(guó)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(biāo)準(zhǔn)和油品對(duì)顆粒物排放的影響

圖3和圖4所示分別為在不同排放標(biāo)準(zhǔn)的公交車燃用京Ⅵ柴油、國(guó)Ⅴ柴油和B5生物柴油3種柴油油耗與顆粒物排放對(duì)比情況。由圖3可知，國(guó)Ⅴ車相對(duì)國(guó)Ⅳ車顆粒數(shù)量排放大幅下降，燃用京Ⅵ、國(guó)Ⅴ和B5生物柴油時(shí)，國(guó)Ⅴ車與國(guó)Ⅳ車相比分別減少46.2%、62.9%、57.4%。而在各個(gè)排放階段上顆粒排放數(shù)量有所不同，在國(guó)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(guó)Ⅴ排放階段上燃用國(guó)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(guó)Ⅴ車相對(duì)國(guó)Ⅳ車顆粒排放呈明顯的下降趨勢(shì)，國(guó)Ⅴ車相對(duì)國(guó)Ⅳ車分別減少 57.1%、41.7%、50.0%。在國(guó)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(zhì)量濃度最低，而在國(guó)Ⅴ排放階段上燃用京Ⅵ柴油顆粒物平均排放質(zhì)量濃度最低。整體上對(duì)國(guó)Ⅴ和國(guó)Ⅳ排放階段的顆粒物排放數(shù)量和排放質(zhì)量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)顆粒物排放數(shù)量相對(duì)多時(shí)其排放質(zhì)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(zhì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者分別對(duì)摻混不同比例的生物柴油和燃燒純柴油排放污染物進(jìn)行了相關(guān)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(duì) 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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，柴油車的排放標(biāo)準(zhǔn)不同也會(huì)影響污染物的排放的多少，提高柴油公交車的排放標(biāo)準(zhǔn)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(guó)Ⅴ與國(guó)Ⅳ車在燃燒相同油品的條件下顆粒物數(shù)量的變化，國(guó)Ⅴ車與國(guó)Ⅳ車相比分別減少約46.2%、62.9%、57.4%。這一結(jié)果與樓狄明等（2017）的研究結(jié)果相反，這可能是由于試驗(yàn)車輛的后處理裝置不同所造成的差異，其研究發(fā)現(xiàn)國(guó)Ⅴ車相對(duì)國(guó)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(zhì)量上研究結(jié)果相一致，分別有著不同程度的下降。

王瑞寧等（2020）對(duì)國(guó)Ⅳ與國(guó)Ⅴ重型柴油車顆粒物數(shù)量進(jìn)行了計(jì)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(duì)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(zhì)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(duì)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(duì)海南省的重型柴油客車的污染物排放量進(jìn)行預(yù)測(cè)，其測(cè)試結(jié)果和本研究利用臺(tái)架測(cè)試燃燒3種柴油測(cè)試的結(jié)果亦在圖5所示。由圖可知，利用COPERT模擬測(cè)試的CO排放量是臺(tái)架測(cè)試的25.1%，利用PEMS模擬測(cè)試的CO排放量是臺(tái)架測(cè)試的40.6%。造成測(cè)試結(jié)果不同的原因可能是由于使用模型軟件忽略了現(xiàn)實(shí)環(huán)境溫度和油品的使用不同。

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

通過與其他文獻(xiàn)的對(duì)比可以得出，生物柴油的增加對(duì)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(huì)使CO2的排放量更多。結(jié)合油耗可以發(fā)現(xiàn)，生物柴油的利用率會(huì)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(cè)試柴油的種類和車輛類型的差異。生物柴油的添加對(duì)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(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，對(duì)于PM排放的差異考慮后處理裝置的差異。針對(duì)不同模型所得出的結(jié)果差異主要考慮軟件模擬過程忽視現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的差異等。

4 結(jié)論

（1）燃用京Ⅵ柴油、國(guó)Ⅴ柴油和B5生物柴油，國(guó)Ⅴ車CO的排放量與國(guó)Ⅳ車相比分別下降70.7%、67.9%、67.1%，國(guó)Ⅴ車CO2的排放量與國(guó)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(guó)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(guó)Ⅴ和國(guó)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(fù)相關(guān)關(guān)系，國(guó)Ⅴ和國(guó)Ⅳ公交車燃用B5生物柴油更充分，利用率更高。

（2）國(guó)Ⅴ車相對(duì)國(guó)Ⅳ車，顆粒數(shù)量排放大幅下降，國(guó)Ⅴ車與國(guó)Ⅳ車相比在燃燒京Ⅵ、國(guó)Ⅴ、B5柴油上分別減少46.2%、62.9%、57.4%。國(guó)Ⅴ車相對(duì)國(guó)Ⅳ車，顆粒質(zhì)量排放有著明顯的下降，國(guó)Ⅴ和國(guó)Ⅳ車相比燃用京Ⅵ、國(guó)Ⅴ和B5生物柴油分別減少57.1%、41.7%、50.0%。在國(guó)Ⅳ車上燃用京Ⅵ柴油顆粒數(shù)量濃度最低，而在國(guó)Ⅴ車上燃用國(guó)Ⅴ柴油顆粒數(shù)量濃度最低。在國(guó)Ⅳ車上燃用B5生物柴油顆粒物排放質(zhì)量濃度最低，而在國(guó)Ⅴ車上燃用京Ⅵ柴油顆粒物排放質(zhì)量濃度最低。生物柴油的添加對(duì) 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(yàn)車輛的排放體現(xiàn)出一定規(guī)律性，但開展試驗(yàn)的車輛數(shù)較少，后續(xù)還需更多的數(shù)據(jù)積累。