柴油出租车燃用不同替代燃料的试验研究

胡志远，岳 晗，谭丕强，楼狄明

（同济大学 汽车学院，上海201804）

随着我国经济的迅猛发展，汽车保有量快速增长.2010年，我国汽车保有量达到7 800万辆，消耗了1.5亿t成品油，折合原油约2.5亿t，占原油总消耗量的57%.同时，汽车产生的CO，HC，NOx和颗粒物（PM）等有害污染物和温室气体CO2排放总量逐年上升，机动车尾气污染已经成为影响中国大气质量的重要源，尤其是在北京、上海、天津等大城市和经济发达的珠江三角洲等地区［1－3］.

我国拥有出租车约100万辆，与其他类型机动车比较，出租车普遍存在行驶里程长且在交通拥堵地区行驶工况比例较大等特点，已成为北京、上海等城市机动车污染物排放的重要来源［4］.随着高压喷射系统、多气门系统、增压中冷、废气再循环、颗粒捕集器、NOx还原催化转化器等机内净化和机外净化新技术措施相继得以采用，柴油机的尾气排放大幅度降低.柴油轿车得到欧盟、韩国、印度等许多国家的高度重视［5］，且在中国具备规模发展的潜力［6］.而且，与同等排量的汽油轿车相比，先进柴油轿车能够节省燃油20%～30%［7］，推广使用先进柴油出租车有利于降低城市出租车的能源消耗及HC，CO，CO2等污染物排放.

先进柴油轿车燃料除传统的石化柴油外，还可以燃用生物柴油［8］、天然气制合成油［9］等柴油替代燃料.本文对柴油出租车燃用柴油（简称为BD0）、混合体积比例为10%（90%为石化柴油，10%为废弃油脂制生物柴油，简称为BD10）的柴油—生物柴油混和燃料，及天然气制合成油（简称为G100）进行10万km的运行试验，验证生物柴油、天然气制合成油在柴油出租车上运行的可靠性、便利性、排放优势和燃油经济性.

1 试验出租车及方案

1.1 试验出租车

采用上海市正常运营的帕萨特TDI 1.9L柴油出租车作为试验出租车，共350辆，323辆燃用BD0，19辆燃用BD10，8辆燃用G100，同时选择10辆桑塔纳汽油出租车作为对比车辆.柴油出租车的发动机为水冷直列式4缸4冲程，电控泵喷嘴高压直喷涡轮增压柴油机，并配备废气再循环系统和尾气催化转换器，主要技术参数见表1.

1.2 试验燃料

试验运行用燃油为BD0，BD10和G100等3种燃料，试验燃油主要理化指标如表2所示.

表1 帕萨特柴油出租车主要技术参数Tab.1 Technical parameter of PASSAT diesel taxi

表2 3种试验用燃油主要理化指标Tab.2 Physical and chemical parameters of test fuel

1.3 试验方案

试验运行期间，分别记录这350辆柴油出租车每天的行驶里程及燃油消耗量，累加得到每辆出租车每月的行驶里程及燃油消耗量，计算得到这350辆车的月平均百公里油耗.在试验运行出租车中，分别选择2辆BD0出租车、2辆BD10出租车、2辆G100出租车作为排放跟踪测试车辆，在试验运行开始、出租车行驶到2万km、4万km、6万km、8万km和10万km时，依据《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）》（GB 18352.3—2005），分别对其进行排放测试.同时选择这6辆排放跟踪测试出租车作为缸内积炭检查车辆，在试验运行开始前及结束后，采用奥林巴斯工业内窥镜对发动机缸内积炭进行检测，检查柴油、生物柴油、天然气制合成油对发动机缸内积炭的影响.

2 试验结果及分析

2.1 燃油经济性

323辆出租车燃用BD0，19辆出租车燃用BD10，8辆出租车燃用G100，10辆桑塔纳汽油出租车试验运行期间的月平均百公里油耗分别取平均值后随试验运行时间的变化情况如图1所示.

图1 试验运行出租车平均百公里油耗Fig.1 Fuel consumption per 100kilometers of tested taxies

由图1可见，12个月试验运行期间，柴油出租车燃用BD0，BD10，G100、汽油出租车的月平均百公里油耗随时间变化趋势一致.受夏季使用空调及其他月份不使用空调的影响，柴油出租车燃用BD0，BD10，G100、汽油出租车不同月份的月平均百公里油耗存在差异.在夏季（6—8月），由于空调的集中使用，发动机功率消耗增加，柴油、汽油出租车的月平均百公里油耗升高.

对323辆出租车燃用BD0，19辆出租车燃用BD10，8辆出租车燃用G100，10辆桑塔纳汽油出租车试验运行期间的月平均百公里油耗进行统计分析，其百公里油耗分布频率如图2所示.

图2 试验运行出租车月平均百公里油耗分布频率Fig.2 Distribution probability of fuel consumption per 100kilometers

由图2a，b，c可见，柴油出租车燃用BD0，BD10，G100的百公里油耗分布范围分别为5.94～9.08L·（102km）－1，6.19～9.09L·（102km）－1和6.16～8.52L·（102km）－1，百公里油耗分布均值分别为7.15L·（102km）－1，7.26L·（102km）－1和7.31L·（102km）－1.由图2d可见，汽油出租车的百公里油耗分布范围为7.25～12.32L·（102km）－1，百 公 里 油 耗 分 布 均 值 为 9.87L· （102km）－1.与BD0比较，柴油出租车燃用BD10和G100的百公里油耗分布均值分别升高1.5%和2.3%.这是因为，与柴油比较，生物柴油和天然气制油的体积热值相对较低，产生相同功率消耗燃料的体积增加，百公里油耗升高.另外，与汽油出租车比较，柴油出租车燃用BD0，BD10，G100的百公里油耗分布均值分别降低27.6%，26.5%和25.9%.这是因为，与汽油机比较，柴油机具有压缩比大，热效率高的特点，百公里较低.因此，柴油出租车可在一定程度上降低出租车的运营成本.

2.2 排放特性

试验运行期间，柴油出租车燃用BD0，BD10和G100的CO，NOx，HC＋ NOx，PM等法规限制污染物排放随行驶里程变化情况如图3所示.

图3 柴油出租车法规限制污染物排放测试结果Fig.3 Ruled emission test results of tested diesel taxies

由图3a可见，柴油出租车燃用BD0，BD10和G100的CO排放低于国IV排放标准限值.与BD0比较，试验柴油出租车燃用BD10和G100的CO排放分别降低17%和75%.CO是碳或烃类燃烧的中间产物和不完全燃烧的产物之一，产生的原因包括可燃混合气温度过低、可燃混合气局部缺氧等.生物柴油是含氧燃料，不但增加了燃烧时氧的供给，而且使CO2被还原为CO的机会降低.天然气制合成油的馏出温度较低，蒸发过程进行较快，产生过浓区可能性较小，产生的CO排放较低.同时，生物柴油及天然气制合成油的十六烷值高，着火性能好，能进一步改善燃烧，能降低CO排放.

由图3b和c可见，柴油出租车燃用BD0，BD10的NOx和HC＋NOx排放低于国III排放标准限值，且接近国IV排放标准限值，燃用G100的NOx和HC＋NOx排放低于国IV排放标准限值.与BD0比较，试验柴油出租车燃用BD10的NOx，HC＋NOx排放分布升高12%和8%；燃用G100的NOx，HC＋NOx排放分别降低9%和10%.NOx生成的主要因素为高温、富氧和高温持续时间.生物柴油富氧，对 NOx形成作用明显，NOx排放升高［10］.预混合燃烧是产生NOx的主要阶段，由于天然气制合成油相对于柴油具有十六烷值高、滞燃期短的特点，燃烧时具有预混合燃烧比例减少，扩散燃烧比例增大的特点，能降低柴油机的NOx排放.HC包括无氧碳氢和有氧碳氢，生成的原因主要有混合气过浓、混合气过稀、燃烧温度过低以及反应时间过短等.一般芳香烃含量越少，滞燃期越短，HC排放越低［11］.同时，十六烷值较高时，燃油着火性能好，滞燃期短，未燃碳氢和裂解碳氢均较少，有利于减少HC排放.与柴油比较，天然气制合成油的馏出温度较低，蒸发过程进行较快，产生过浓区和油束碰壁激冷区的可能性较小，HC排放较低，其HC＋NOx排放降低.生物柴油中芳香烃含量很少，十六烷值较高，HC排放较低，但由于该柴油轿车燃用B10的NOx排放升高，导致其HC＋NOx排放稍有增加.

由图3d可见，柴油出租车燃用BD0，BD10的PM排放低于国II排放标准限值，且接近国III排放标准限值；燃用G100的PM排放接近国IV排放限值.与BD0比较，试验柴油出租车燃用BD10和G100的PM排放分别降低9%和51%.这是因为，低硫含量、低密度、高十六烷值有助于降低燃料的PM排放.天然气制合成油、生物柴油的芳烃含量较低，燃料在燃烧过程中减少了高温裂解组分，能够改善燃料燃烧，从根本上抑制了炭烟的形成，PM排放降低.同时，天然气制合成油、生物柴油的硫含量较低，可减少微粒的产生，PM排放降低.

综合图3a—d可见，随着行驶里程的增加，柴油出租车燃用BD0，BD10和G100的CO及PM排放增加，NOx和HC＋NOx排放在新车磨合期后随行驶里程的增加有所降低，然后保持稳定.2009年11月1日，上海开始执行沪IV柴油标准，柴油的硫质量分数由超过1 000×10－6的国II柴油直接过渡到硫质量分数小于50×10－6的沪IV柴油.帕萨特柴油出租车燃用沪IV柴油及基于沪IV柴油的生物柴油混合燃料后，其CO，NOx，HC＋NOx和PM排放明显降低.其中，NOx和HC＋NOx排放降低到国IV排放标准限值以内，PM排放降低到接近国IV排放标准限值.这是因为，沪IV柴油具有芳香烃含量低、硫含量低、十六烷值高等特点.十六烷值高时，燃料的着火性能好，滞燃期短，CO和HC排放降低；同时，沪IV柴油的硫含量较低，PM排放降低［12］.

2.3 生物柴油对发动机缸内积炭的影响

柴油出租车燃用BD0，BD10和G100试验前、后第一缸喷油器的积炭情况如图4所示.可见，与试验运行开始时比较，柴油出租车燃用BD0，BD10和G100运行约10万km后，其喷油器头部积炭略有增加，但不影响柴油出租车的正常使用.与BD0比较，柴油出租车燃用BD10后喷油器积炭有所增加，燃用G100后喷油器积炭与BD0基本相当.

图4 柴油、生物柴油、天然气制油对发动机喷油器积炭的影响Fig.4 Fuel injector carbon deposit state of BD0，BD10and G100fueled taxies

3 结论

（1）与汽油出租车比较，柴油出租车燃用BD0，BD10，G100的百公里油耗分布均值分别降低27.6%，26.5%和25.9%，柴油出租车的运营成本较低.

（2）柴油出租车燃用BD0，BD10和G100的排放性能稳定，CO排放低于国IV排放标准限值.BD0和BD10的NOx，HC＋NOx排放接近国IV排放标准限值，PM排放接近国III排放标准限值；G100的NOx和HC＋NOx排放低于国IV排放标准限值，PM排放接近国IV排放限值.

（3）与BD0比较，试验柴油出租车燃用BD10的CO和PM排放分别降低17%和9%，NOx和HC＋NOx排放分别升高12%及8%.燃用G100的CO，NOx，HC＋ NOx，PM 排放分别降低75%，9%，10%和51%.BD10和G100可以在一定程度上降低柴油出租车的污染物排放.

（4）柴油出租车燃用BD0，BD10和G100运行约10万km后，其缸内喷油器头部积炭略有增加，但不影响柴油出租车的正常使用.

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