大型客车柴油和HCNG燃料的WTW分析*

王爱红，孟文俊，高有山，孙宣德

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

2016013

大型客车柴油和HCNG燃料的WTW分析*

王爱红，孟文俊，高有山，孙宣德

(太原科技大学机械工程学院，太原 030024)

为评价大型客车使用20HCNG燃料的一次能源消耗和环境污染情况，用燃料生命周期评价(WTW)方法与柴油和CNG进行对比。分析20HCNG燃料大型客车在TTW阶段的能量消耗和废气排放时，首先对大型客车用柴油机进行台架试验，采集试验数据，与传动参数进行动力匹配，仿真计算燃料消耗量和排放，并与大型客车道路试验燃料消耗量进行对比；然后以CNG和20HCNG发动机能量消耗和废气排放的台架试验数据与传动参数匹配，仿真计算CNG和20HCNG燃料大型客车能量消耗量和排放。结果表明，在TTW阶段柴油燃料的能量消耗和温室气体排放最高，SO2排放是CNG和20HCNG的52和61倍，但其NOx，CH4和CO排放较CNG和20HCNG低。在WTW阶段柴油的一次能源消耗比CNG和20HCNG高，温室气体，VOC，PM2.5和N2O排放亦高于CNG和20HCNG。但柴油的CO，CH4，NOx，PM10和SO2排放则比CNG和20HCNG低。尤其是CO和CH4，柴油的CO排放分别仅为CNG和20HCNG的23.8%和28.6%，柴油的CH4排放分别仅为CNG和20HCNG的13.7%和13.3%。故应对CNG和20HCNG燃料大型客车进行有针对性的CH4，CO，NOx和PM10排放控制，特别是在WTT阶段的SO2排放控制，才能使其整个WTW周期的能量消耗和排放比柴油客车低。

车用燃料生命周期分析；天然气；掺氢天然气；能量消耗；排放

前言

2010年我国能源消费量占全球的20.3%，比2009年增长11.2%，超过美国成为世界上最大的能源消费国。石油作为重要能源之一，占全球能源消费的33.1%。统计显示全球探明的石油储量从1986年的120Gt增到2010年的188Gt，增长56.6%。我国探明的石油储量由1986年的2.33Gt减为2010年的2Gt，减少了14%。全球石油产量从1996年的3 376.5Mt增到2010年的3 913.7Mt，增长了15.9%；我国石油产量从1996年的158.8Mt增加到2010年的203Mt，增长了27.8%。我国的石油消耗量从1996年173.8Mt增加到2010年的428.6Mt，占全球比例也相应从5.19%增为10.6%，2010年产消差额达225.6Mt，消费总量的52.6%需进口，故我国的石油资源非常紧缺[1]。汽车作为石油消耗的重要主体，开发研究车用替代能源是解决石油能源短缺的主要途径之一。天然气和氢气是较有潜力的发动机替代燃料。2010年我国探明天然气储量为石油的80%、产量为石油的42.9%，消耗量为石油的22.8%，开发利用程度比石油低。天然气中CH4含量为85%～99%，用作发动机燃料其抗爆性好、燃烧噪声小、燃烧温度低、燃烧产物中没有苯、铅等有害物[2]，具有低排放和低价格等优点，在拓展汽车燃料来源、补充石油燃料的短缺方面有较大潜力。氢作为未来主要能源载体，不含碳、燃烧性能好、燃烧产物只有清洁无害的水，是较为理想的燃料之一[3]。氢能可通过多种途径使用多种原料生产，工业上目前主要采用天然气在工厂集中或分散制氢的方式进行生产[4]。氢能的成本较高而体积热值较低，氢内燃机还有一些技术问题未得到解决，单纯以氢作为燃料的条件尚未成熟；应在逐步降低生产氢能成本的同时，采用其他途径发挥氢能的优势[5]。虽然天然气发动机已进入实用阶段，技术也较为成熟，但活化能较高，火焰传播速度慢，燃烧时间长，因此天然气发动机存在燃烧不充分的现象。将氢气与天然气按比例混合形成的气体燃料(HCNG)，利用氢燃烧速率快和CNG体积热值高的优势[6-7]，采用电控燃气喷射、稀燃等技术，可以提高燃烧性能，降低排放[8]，促进能源多样化和应对全球气候变化。HCNG车辆可以使用掺氢0～50%的燃料，其中掺氢20%的燃料(记为20HCNG)发动机综合性能最佳[9]，为了评价我国大型客车使用20HCNG燃料的能量消耗和废气排放，本文中用燃料生命周期分析方法对比柴油、20HCNG燃料大型客车的能量消耗和污染气体排放，为我国大型客车使用20HCNG燃料的能量消耗和气体排放提供依据。

1 分析系统简介

1.1 燃料生命周期评价方法

车用燃料生命周期分析方法，即“油井至车轮”(well-to-wheels, WTW)对燃料在整个寿命期内进行评价，包括燃料开采、运输、加工，即“油井至油箱”(well-to-tank, WTT)和车辆使用，即“油箱至车轮”(tank-to-wheel, TTW)等多个环节燃料的能量消耗和排放。WTT的研究对象是车用燃料的上游，即生产阶段，包括一次能源开采、一次能源运输、燃料生产、燃料运输、储存、分销和燃料加注过程。TTW的研究对象是车用燃料的下游，即使用阶段，包括车辆发动机燃烧燃料时的燃料消耗和气体排放，如图1所示。

图1 燃料的WTW分析流程框图

为便于在一个相对封闭的生命周期中计算车用燃料生命周期的能源消耗和气体排放，对车用燃料的WTW分析不考虑建设厂房、制造设备等其它因素的物质与能源消耗和排放，能量的消耗主要是考虑原油、天然气、煤炭等一次能源。排放主要是CH4，N2O和CO2等温室气体，以及VOC，CO，NOx，PM和SO2。分析时只计入了车用燃料生命周期上游阶段生成的N2O排放，不考虑车辆运行阶段的N2O排放问题。WTT阶段原料生产、处理、运输等环节皆可能有能量消耗和排放产生，故将TTW阶段和WTT阶段各环节的能量消耗和排放都计入到WTW分析结果中。

1.2 大型客车WTW分析车辆及其燃料系统

为对比分析柴油和掺氢天然气燃料生命周期能量消耗和排放，将燃用柴油和HCNH的发动机分别匹配于具有传动系统参数(Ⅰ和Ⅱ)的大型客车底盘上，进行燃料消耗量分析，大型客车参数见表1。柴油发动机与传动参数Ⅰ匹配，HCNG增压中冷电控喷射发动机与传动参数Ⅱ匹配。

表1 车辆主要参数

为对比大型客车柴油和HCNG燃料生命周期能量消耗和气体排放，采用了文献[5]中对HCNG发动机的测试数据，用模拟计算方法模拟大型客车使用HCNG燃料时的燃料消耗[10]。文献[5]中的试验发动机是由EQD210N-20单点电控天然气喷射发动机改造而成，电控系统采用DELIPH ITMS-6F电控单元，进气方式为涡轮增压中冷，其主要性能参数如表2所示。

HCNG燃料WTT阶段的能量消耗和排放本文采用文献[11]～文献[14]中的最优燃料路线，NG为NG开采—管路运输—NG加气站压缩—销售，H2为NG开采—集中制H2—管路运输—气站压缩—销售，NG和H2混合形成HCNG。柴油、NG和H2在WTT阶段的能量消耗和排放[11-14]如表3所示。表中温室气体指联合国气候变化跨国组织IPCC和京都议定书规定的CO2，CH4和N2O，根据其对全球变暖潜力值(global warming potential, GWP)等效为当量的CO2，在100年时间范围内，CH4和N2O的全球变暖潜力值分别为25和198[15]。

表2 EQD210N-20天然气发动机性能参数表

表3 WTT阶段的能量消耗、效率和排放

1.3 大型客车用燃料WTW分析系统参数确定

车用燃料生命周期系统分析参数及其评价指标如图2所示。在燃料生命周期WTT阶段对各个环节的能量消耗和排放分析时，为便于计算，总是以该环节输出燃料产品单位能量来计算消耗的能量和产生的排放，然后再根据各环节能量输入输出的数值关系综合到WTT阶段终端环节输出燃料产品单位能量总的能量消耗和排放。大型客车柴油燃料能量消耗和废气排放用道路试验值。HCNG燃料的能量消耗和废气排放用模拟方法计算。SOx和CO2排放均采用S和C元素平衡法计算。

2 大型客车用燃料TTW分析

大型客车燃料消耗量决定着在TTW阶段的能量消耗和排放，进行柴油及HCNG燃料大型客车WTW分析时，首先对大型客车用柴油机进行台架试验采集测试数据，对与传动参数Ⅰ动力匹配的大型客车进行燃料消耗量仿真计算，并与大型客车道路试验燃料消耗量进行对比，建立大型客车燃料消耗量道路试验值对仿真计算值进行修正的经验关系式，用以提高模拟计算精度。为对比分析大型客车柴油燃料和CNG及HCNG燃料生命周期的能量消耗和排放，使用了清华大学汽车安全与节能国家重点实验室关于CNG及HCNG发动机燃料消耗和废气排放的台架试验数据，然后以发动机的测试数据与传动参数Ⅱ匹配，用上述仿真方法对HCNG大型客车进行燃料消耗量和排放仿真计算。

2.1 大型客车行驶阻力计算

(1)

Fc=18.9824+1.52884v(N)

(2)

Fw=3.1329v2(N)

(3)

式中：α为道路坡度，(°)；m为客车总质量，kg；v为客车行驶速度，m/s。

2.2 大型客车燃油消耗量分析

车辆的燃料消耗量对燃料生命期的能量消耗和排放具有重要影响，其燃料消耗量可基于发动机特性、车辆参数和行驶阻力进行实时模拟计算[17]；先建立发动机转速、转矩(功率)和燃油消耗率的关系，常用发动机台架测试数据拟合的多项式计算发动机各个工况点(发动机转速ne所对应转矩Te)的燃油消耗率be。

2.2.1 怠速消耗的燃油消耗量Bi

(4)

式中:be0为怠速燃油消耗率，kg/h；t为怠速时间，s。

2.2.2 加速过程的燃油消耗量Ba

加速时车速由低升高,发动机的功率和转速随之变化,动态变化的燃油消耗率用稳态的发动机工况来简化计算，在每个区间(vi,vi+1)的耗油量Bai为

(5)

式中：Ba(vi)和Ba(vi+1)分别为vi和vi+1时单位时间的燃油消耗量，kg/h；Δti为速度区间(vi,vi+1)所经历的时间。

整个加速过程的燃油消耗量为

(6)

2.2.3 减速过程的燃油消耗量Bd

假定强制怠速与怠速的循环供油量相同，减速为匀减速过程，车速从v2以加速度a减速到v1时，发动机转速由ne2减速到ne1(ne1≥ne0，否则离合器分离)，发动机处于强制怠速，此后发动机转速达到怠速转速时离合器分离，发动机处于怠速状态，车速由v1到停车，则减速时的燃油消耗量Bd为

(7)

2.2.4 等速过程百公里油耗QF

设以车速v等速行驶的时间为t，车辆的行驶阻力Fr=Ff+Fc+Fw，车辆的百公里油耗QF为

(8)

式中：ρF为燃油密度，kg·L-1，经测定本文中试验用柴油的密度为0.830kg·L-1，以后计算时除特别说明柴油密度皆使用该值；S为车辆燃油消耗量模拟计算的行驶距离，km；ηT为传动系传动效率。

2.3 模拟计算与道路试验对比分析

因模拟计算时采用发动机台架试验的特性参数，模拟值与实际测量值相对误差有时可达10%以上[18]，故欲提高模拟计算的精度须对模拟值进行修正。通过模拟值与道路试验值的对比，用道路试验值来修正相同车辆参数的模拟计算值以提高模拟计算的精度。大型客车道路试验是以Folwtronic210流量计计量汽车燃油消耗试验的燃油消耗量，试验车辆主要参数见表2，车辆的行驶阻力由式(1)～式(3)确定，由于滑行试验时变速器处于空挡位置，即式(2)中考虑了从车轮到变速器之间(不包括变速器)的摩擦阻力，故传动系统传动效率ηT取为0.9。车辆额定功率为198kW电喷柴油发动机与表1所列传动参数Ⅰ匹配，用直接挡以等速40，50，60，70，80，90，100和110km/h进行满载燃料消耗量模拟计算和道路试验。对满载试验和模拟计算百公里燃油消耗量进行线性回归分析(如图3所示)，二者的关系为

QFMT198=0.9855QFMS198+1.3551

(9)

式中QFMT198和QFMS198分别为发动机功率为198kW时满载试验和模拟计算的百公里燃油消耗量，L。

图3 车辆满载(18 000kg)油耗模拟值和试验值的回归分析

满载回归方程的相关系数R=0.9914，用回归方程对251kW模拟值进行修正，结果如表4所示，可知对模拟值经修正后，相对于试验值的最大误差由原来的8.1%减小到4.59%。

表4 251kW满载(18 000kg)超速挡(i0=0.81)试验值、模拟值和修正值

2.4 HCNG大型客车燃料消耗量模拟计算

本文中使用了文献[5]中测试的CNG和20HCNG燃料发动机试验特性及表1的车辆参数模拟计算燃料消耗量。为避免车辆瞬态工况造成的不确定性，使用等速行驶的稳态工况进行CNG及20HCNG燃料与柴油燃料的对比分析。当车辆使用CNG及20HCNG燃料时，其燃料消耗量和废气排放通过模拟计算得到，以式(8)确定等速行驶期间的燃料消耗量，则该车辆的百公里燃料消耗量QFSi为

(10)

式中i为CNG或20HCNG。

如前所述，燃料消耗模拟计算结果用式(9)进行修正，因该式是对柴油燃料的修正公式，于是根据CNG和H2的低热值和密度对上式进行变换，则CNG和20HCNG燃料的修正公式分别为

QFRCNG=0.9855QFSCNG+0.96716

(11)

QFR20HCNG=0.9855QFS20HCNG+0.92334

(12)

式中QFRCNG，QFSCNG，QFR20HCNG和QFS20HCNG分别为CNG和20HCNG百公里燃料消耗量的修正值和模拟值，kg。

对CNG和20HCNG燃料燃烧排放的模拟计算可以采用燃油消耗量的计算方法，用台架测试的转速、转矩及相应的燃烧排放参数计算发动机各个工况点(发动机转速ne所对应转矩Te)的燃烧排放。基于上述分析，可用式(13)计算车辆百公里燃烧排放量Qexhi：

(13)

式中：exhi为CO，NOx或CH4排放，g·(kW·h)-1。

车辆运行阶段单位能量输出的能量消耗ETTW为

(14)

式中：LHV为燃料低热值，MJ·kg-1；Pr为阻力功率，kW。

2.5 大型客车HCNG燃料能量消耗模拟计算

当发动机使用CNG燃料、车辆传动系为表1的参数Ⅱ时，根据CNG发动机的试验参数和车辆参数用式(10)计算满载时4种挡位不同速度点的CNG消耗量，并用式(11)进行修正，模拟计算结果如图4所示。因对比分析柴油、CNG及20HCNG燃料WTW的能量消耗时，在TTW阶段的燃料消耗量是用《JT 711—2008营运客车燃料消耗量限值及测量方法》的规定，对5个速度点的等速燃料消耗量经加权所得，由图4知同一车速时因挡位不同而有多个等速燃油消耗量，按JT 711—2008规定，此时可选取能保证车辆稳定行驶的最低燃料消耗量。例如当车速为80km·h-1时，超速挡i=0.81时百公里燃料消耗量最低为18.38kg，则计算综合燃料消耗量时即用该值，以后计算时皆与此相同。

图4 CNG大型客车满载时百公里CNG消耗量与车速的关系(传动参数Ⅱ)

当发动机使用20HCNG燃料、车辆传动系为表1的参数Ⅱ时，根据20HCNG发动机的试验参数和车辆参数用式(10)计算满载时4种挡位不同速度点的CNG及H2消耗量，并用式(12)进行修正。模拟计算结果如图5和图6所示。由于20HCNG是20%的H2和80%的CNG，所以计算时H2和CNG分别给出，对比时可以根据H2和CNG的热值折算为当量的CNG，本文中选择用H2和CNG的热值之和与柴油和CNG燃料进行对比分析。

图5 20HCNG大型客车满载时百公里H2消耗量与车速的关系(传动参数Ⅱ)

图6 20HCNG大型客车满载时百公里CNG消耗量与车速的关系(传动参数Ⅱ)

2.6 大型客车燃烧排放模拟计算

与燃料消耗量的模拟计算方法相同，通过发动机不同转速和转矩所对应的排放值，可以模拟计算出大型客车在不同工况时的燃烧排放。CO，NOx和CH4排放用式(13)计算；CO2排放用碳平衡法计算。在TTW阶段则车辆运行的CO2排放EMTTW,CO2为

(15)

式中：rc,F为燃料中碳的质量比；wCO和wTHC为车辆运行时生成的CO和HC，g·(kW·h)-1。

同理SO2排放也以元素平衡法计算。因模拟计算所用的CNG和HCNG发动机皆满足排放法规，故进行TTW分析时，以燃料消耗量最低为标准选取大型客车的工况，然后在模拟的燃烧排放中选取对应工况点的值计算加权，计算结果如表5所示，可知当挡位不变时大型客车燃烧排放的CO2与车速有较强的规律性，而车速与CO，NOx和CH4排放的规律性较差。

表5 大型客车百公里燃烧排放模拟值 kg

3 大型客车WTW分析结果

根据GB/T 12545对柴油燃料大型客车进行道路试验，测试其燃油消耗量，然后根据燃油消耗量用式(14)计算柴油燃料TTW阶段的能量消耗。将燃用CNG和HCNG燃料的大型客车传动系统和动力系统进行匹配，用模拟计算方法计算燃料消耗量，然后根据燃料消耗量用式(14)计算对比分析大型客车CNG和HCNG燃料TTW阶段的能量消耗。用式(13)模拟计算大型客车CNG和HCNG燃料TTW阶段的排放。

TTW阶段的能量消耗和排放结果如表6所示，表中20HCNG燃料消耗量按H2和CNG热值折算为当量的CNG能量，即采用H2与CNG的低热值比等效为当量的CNG(H2×120÷50.1+CNG)能量；20HCNG发动机在测试时包含了H2和CNG的排放，因H2的体积比为20%，燃烧产物只有H2O和NOx，故此处用H2燃烧的NOx排放因子56.87g·GJ-1来近似计算HCNG发动机H2燃烧时的NOx排放[19]；然后将测试的20HCNG发动机燃烧排放进行分解，以总的测试排放值减去H2燃烧生成的NOx排放值即为CNG在HCNG发动机中燃烧生成的NOx排放。而其他排放皆为CNG在HCNG发动机中燃烧生成的。由表6可知CNG和20HCNG比柴油在TTW阶段的SO2和温室气体排放低，主要是因燃料中的含C率、含S率不同造成的，如柴油的单位能量的含S率、含C率分别是CNG的47和1.28倍，而H2中不含C和S元素，燃烧时无CO2和SO2排放。

表6 柴油、CNG和20HCNG燃料 TTW阶段能量消耗和排放

根据以上分析及文献数据[11-12]，可得柴油、CNG和20HCNG燃料大型客车在WTW各阶段的能量消耗和排放，如表7所示。分析时N2O均来自于WTT阶段，没有考虑发动机燃烧阶段的N2O；同时发动机燃烧时所有的PM排放都计入到WTW分析清单的PM10中，而PM2.5均来自于WTW过程所使用的工艺燃料排放因子。柴油燃料SO2排放在TTW阶段高于CNG和20HCNG，但在WTW阶段低于CNG和20HCNG，主要是因CNG和20HCNG在WWT阶段较高的SO2排放造成的。CNG和20HCNG在WTW阶段CH4是柴油的7.3和7.5倍，CO是柴油的4.2和3.5倍，主要是因在WWT阶段CNG开采和运输中的燃烧排放、逸散和通风排放较大造成的。

表7 柴油、CNG和20HCNG燃料大型客车WTW能量消耗和气体排放

4 结论

(1) 大型客车使用柴油、CNG和20HCNG燃料在TTW阶段，能量消耗分别为12.98，11.84和12MJ·(kW·h)-1，温室气体排放分别为980.95，667.3和648.7g·(kW·h)-1，可知柴油燃料的能量消耗和温室气体排放最高，20HCNG燃料能量消耗比CNG高1.3%，但温室气体排放比CNG低2.8%。柴油燃料NOx，CH4和CO排放较CNG和20HCNG低，但SO2排放是CNG和20HCNG的52和61倍。

(2) 大型客车使用柴油、CNG和20HCNG燃料在WTW阶段，一次能源消耗分别为4.698 4，4.15和4.43GJ·GJ-1，故用CNG和20HCNG比柴油在整个生命周期更节能。柴油的温室气体、VOC，PM2.5和N2O排放高于CNG和20HCNG，特别是PM2.5排放是CNG和20HCNG的5.1和4.4倍。

(3) 柴油燃料SO2排放在TTW阶段高于CNG和20HCNG，但在WTW阶段低于CNG和20HCNG。

(4) 使用CNG和20HCNG替代柴油可以降低一次能源消耗和温室气体排放，但比柴油的CO，NOx，PM10，SO2和CH4排放在整个生命周期中要多。

(5) 应对CNG和20HCNG燃料大型客车进行有针对性的CH4，CO，NOx和PM10排放控制，特别是在WTT阶段的SO2排放控制，才能在整个WTW周期比柴油具有低的能量消耗和排放。

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A WTW Analysis of Diesel and HCNG Fuel for Large Bus

Wang Aihong, Meng Wenjun, Gao Youshan & Sun Xuande

CollegeofMechanicalEngineering,TaiyuanUniversityofScienceandTechnology,Taiyuan030024

To evaluate the primary energy consumption and environmental pollution of large bus fueled with 20HCNG, they are compared with that of diesel fuel and CNG by using the method of fuel lifecycle evaluation (WTW). For analyzing the energy consumption and exhaust emissions of large bus fueled with 20HCNG in TTW stage, firstly bench tests on diesel engine for large bus are conducted with test data collected, the power matched with transmission parameters, the fuel consumption and emissions simulated, and compared with road test. Then with the bench test data of energy consumption and exhaust emission of CNG and 20HCNG engines matched with transmission parameters, the energy consumption and emission of large bus fueled with CNG and 20HCNG are simulated. The results show that in TTW stage, diesel fuel has the highest energy consumption and greenhouse gas emissions, its SO2emission is 52 and 61 times as high as that of CNG and 20HCNG respectively, but its NOx, CH4and CO emissions are lower than those of CNG and 20HCNG; While in WTW stage, the primary energy consumption and the emissions of greenhouse gases, VOC, PM2.5 and N2O of diesel fuel are higher than those of CNG and 20HCNG, but its CO, CH4, NOx, PM10 and SO2emissions are lower than those of CNG and 20HCNG, in particular CO and CH4, the CO emission of diesel fuel is only 23.8% and 28.6% of those of CNG and 20HCNG, and the CH4emission of diesel fuel is only 13.7% and 13.3% of those of CNG and 20HCNG respectively. So a targeted control on the emissions of CH4, CO, NOxand PM10, in particular the control of SO2emission in WTT stage, for large bus fueled with CNG and 20HCNG is essential for achieving that their energy consumption and emission are lower than those of large diesel bus in the whole WTW cycle.

well-to-wheels analysis; CNG; hydrogen-added CNG; energy consumption; emissions

*山西省自然科学基金(2015011059)、校博士后基金(20142016)和校博士启动基金(20132006)资助。

原稿收到日期为2015年5月14日，修改稿收到日期为2015年7月6日。