采用不同减排方式的LNG公交车整车性能研究

王长园　张立雄（中国汽车技术研究中心　天津　300300）

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采用不同减排方式的LNG公交车整车性能研究

王长园张立雄
（中国汽车技术研究中心天津300300）

基于整车底盘测功机台架和全流定容稀释采样系统，对两台分别装用稀薄燃烧加氧化催化后处理（DOC）技术和燃空当量比燃烧加三元催化器（TWC）技术的国V液化天然气（LNG）公交车燃料消耗量、整车排放和加速性能进行测试对比研究，并与一辆装用常规柴油国V发动机的公交车进行对比。结果表明：采用燃空当量比燃料加三元催化器技术的LNG公交车在污染物排放和加速性能上都要优于采用稀薄燃烧加氧化催化后处理技术的公交车，甚至在污染物排放上要优于柴油公交车。但在燃料消耗量上，采用燃空当量比燃料加三元催化器技术的LNG公交车高于采用稀薄燃烧加氧化催化后处理技术的公交车。

LNG公交车 燃料消耗量 排放污染物 加速性能

引言

公交车作为城市内运行的主要重型车辆，其活动频率及日行驶里程高，主要活动在居民稠密区，因此各大城市对公交车的排放要求非常严格。北京在2008年就要求公交开始实施国IV排放标准，并要求在2013年开始实施国V排放标准。

天然气是世界上继煤和石油之后的第三大天然能源，其主要成分是甲烷，燃烧后生成二氧化碳和水，污染物排放少［1］，其作为代用燃料在我国已经将CNG和LNG普遍应用于公交车上。

目前国家重型车排放标准GB17691-2005要求重型车辆的排放测试基于发动机台架进行排放测试，对天然气发动机规定应采用欧洲瞬态循环（ETC）试验规程测定其气态污染物。当前我国要求天然气发动机必须满足国V排放标准。为满足国V排放标准要求，我国天然气发动机主要采用2种减排技术：稀薄燃烧加氧化催化后处理（DOC）技术和燃空当量比燃烧加三元催化器（TWC）技术。

基于发动机台架测试方法，国内外对采用这两种技术的天然气发动机排放情况做了很多测试和研究［2-3］。对天然气整车的研究则多采用车载测试设备和实际道路工况［4-5］，但天然气发动机实际装在整车上的整车排放情况目前还研究较少。

本文基于整车底盘测功机台架和全流定容稀释采样系统，对两台分别装用稀薄燃烧加氧化催化后处理（DOC）技术和燃空当量比燃烧加三元催化器（TWC）技术的国V液化天然气（LNG）公交车燃料消耗量、整车排放和加速性能进行测试对比研究，并与一辆装用常规柴油国V发动机的公交车进行对比。

1　试验设备及方法

1.1试验设备

本试验在底盘测功机实验室进行，该实验室设备主要包括3个系统：测功系统、转毂试验系统和CVS排放测试系统。图1为试验系统结构示意图。

图1　发动机排放测试系统示意图

本次试验使用的德国MAHA公司生产的重型转鼓。该转鼓为四驱转鼓，滚筒直径约183 cm，前后转鼓轴距可调，调节范围为3.2～8 m，前鼓电机功率为250 kW，后鼓电机功率为540 kW，可模拟的最高车重为35 t，能够满足4×4、6×6、8×8等驱动类型车辆的测试需求。该底盘测功机有非常灵敏的控制系统和电子惯量模拟装置，使得动态测试变得可能，可以模拟2 500到60 000 kg的整车惯量。

法规规定的排放物测量使用符合国标GB17691-2005规定的AMA i60，PSS i60，CVS i60设备。PSSi60主要负责对颗粒物采集系统的控制，使得颗粒的采样条件保证在法规规定的范围内。CVS i60控制着CVS稀释采样系统的温度，稀释通道的采集容量，实现定容采样系统。AMA i60排气测量系统包括用于THC，NO/NOχ，CO，CO2，O2成分的动态量程分析单元。

1.2试验车辆

表1给出了试验用3台公交车基本参数，其中公交车1和公交车2为LNG公交车，公交车3为柴油公交车。3台公交车都为12 m长，最大总质量在18 t左右。发动机额定功率在200 kW左右，变速箱为6挡手动变速，3台公交车都满足国V排放标准，公交车1采用稀薄燃烧加氧化催化后处理（DOC）技术，公交车2采用燃空当量比燃烧加三元催化器（TWC）技术，公交车3采用SCR技术。

表1　公交车参数

1.3试验方法

试验依据GB/T 27840-2011重型商用车燃油消耗量测量方法，引用其中重型车整车转鼓试验的方法。测试由转鼓提供车辆行驶中的阻力负荷，反映测试循环工况中的道路和空气阻力，车辆载荷设定为100%。通过CVS测量排放污染物。测试工况采用中国典型城市公交循环（CCBC），如图2所示。CCBC循环是在北京、上海和广州3个城市公交车运行实际工况数据的基础上开发的，相比于其它的公交循环，CCBC循环更能代表中国现在的交通及道路情况，更符合整车实际的行驶情况，具有很好的代表性［6］。

试验条件：试验室温度控制在25℃（±5℃），大气压力为101.5 kPa，试验室相对湿度35%左右，CVS流量为100 m3/min，采样时间为1 310 s。

图2　中国典型城市公交循环

2　燃料消耗量结果分析

整车测试中，车辆对目标测试循环的复现精度对测量结果影响很大，如果循环的复现度较低，对于测试结果的比较就缺乏说服力。图3为3辆公交车实际车速与CCBC车速的相关性对比结果，由图中结果可以看出，试验车辆的实际车速和测试循环的设定车速呈较高的线性相关，拟合直线的比例系数均大于0.99，与1非常接近，相关系数均在0.99附近，线性相关性显著。能够证明3辆公交车基本复现了CCBC循环。

图3　实际车速与设定车速相关性

柴油和天然气燃料消耗量测量方法分别有推荐性标准GB/T 27840-2011和GB/T 29125-2012，其他GB/T 29125-2012标准内提到，天然气燃料消耗量换算到液体燃料消耗量时，可采用如下公式：

式中：FCNG-1：天然气燃料汽车换算到液体燃料汽车的燃料消耗量（L/100 km）；

FCNG：天然气汽车的燃料消耗量（L3/100 km），（15℃、101.325 kPa）；

Ql：液体燃料低位发热量（MJ/kg），柴油取42.652 MJ/kg；

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

QNG：CNG低位发热量（MJ/m3），取32.74 MJ/m3（15℃、101.325 kPa）。

天然气密度采用G20和G23的平均值，即0.654 kg/m3（15℃、101.325 kPa）。图4给出了3辆公交车的燃料消耗量结果，其中LNG公交车分别给出了LNG消耗量和按公式（1）折算成柴油的消耗量。由图中可以看出，采用燃空当量比燃烧加TWC技术的公交车2天然气消耗量较公交车1高出了16.8%。由于天然气发动机采用稀薄燃烧技术的燃料经济性优于燃空当量比燃烧技术［7］，因此公交车1的燃料经济性较好。

图4　3台公交车燃料消耗量对比结果

天然气折算成柴油消耗量后发现，公交车1和公交车2比常规柴油车多消耗46.1%和70.6%的柴油。这主要是由于天然气发动机采用较低的压缩比，因此燃料经济性较差。

3　气体污染物结果分析

表2给出了3辆公交车气体污染物排放因子（斜线左边）和比排放（斜线右边）的对比结果。由表中可以看出，对CO排放来说，由于天然气发动机采用DOC和TWC后处理，能减少CO排放。而柴油车无后处理减少CO，因此柴油车CO排放最高。对HC排放来说，天然气发动机基本都为CH4排放，其中公交车1的CH4排放非常高，是公交车2的15倍。对NOχ排放来说，公交车1由于没有后处理来降低NOχ，因此排放最高。

表2　气体污染物排放结果对比（g/km和g/（kW·h））

图5为3台公交车试验过程中的平均排气温度，由此可以解释前面的分析，天然气发动机由于预混燃烧方式因此排气温度高，其中燃空当量比的燃烧方式排温最高。排气温度影响后处理的转化效率，对于SCR来说，一般要求200℃以上才能起作用，因此柴油公交车3的NOχ排放较高。而DOC和TWC催化器，一般需要350℃的起燃温度，因此公交车2的后处理工作效果最高，气体污染物排放少。公交车1由于排温没有达到DOC的最佳工作温度，因此CH4排放比公交车2高出了15倍。

图5　3辆公交车平均排温

4　颗粒污染物结果分析

图6为3辆公交车颗粒物质量的排放对比结果，由图中可以看出，以天然气为燃料的公交车颗粒物排放很少，基本可以忽略不计。

图6　3辆公交车颗粒物质量排放对比

5　加速性能结果分析

图7给出了3辆公交车加速时间对比结果，测试方法基于GB/T 18276-2000《汽车动力性台架试验方法和评价指标》中加速性能测试方法，3台公交车以直接挡稳定车速30 km/h后，记录分别加速到40 km/h、50 km/h和60 km/h的时间。从图中可以看出，采用稀薄燃烧加DOC技术的公交车1加速性能最差，而燃控当量比加TWC技术的公交车3基本能够达到柴油公交车的加速水平。

6　结论

1）采用燃空当量比燃烧加TWC技术的LNG公交车燃料消耗量高于稀薄燃烧加DOC技术的LNG公交车。LNG公交车天然气消耗量换算成柴油消耗量要远大于柴油公交车的柴油消耗量。

图7　3辆公交车加速时间对比

2）对于气体污染物排放，由于排气温度的影响，采用稀薄燃烧加DOC技术的公交车CH4和NOχ排放最高，采用燃空当量比燃烧加TWC技术的公交车排放最佳。

3）LNG公交车的颗粒物质量排放很少，基本可以忽略不计。

4）采用稀薄燃烧加DOC技术的公交车加速性能较差，而燃空当量比加TWC技术的公交车基本能够达到柴油公交车的加速性能水平。

1姚宝峰，李国岫.稀燃天然气发动机燃烧循环变动影响因素研究［J］.内燃机工程，2007，28（5）：23-27

2马凡华，汪俊君，程伟，等.增压稀燃天然气发动机排放特性［J］.内燃机工程，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

4L.Pelkmans，D.De Keukeleere，G.Lenaers.Emissions and fuel consumption of natural gas powered city buses versus diesel buses in real-city traffic［C］.Seventh International Conference on Urban Transport and the Environment in the 21st Century，2001

5郭佳栋，葛蕴珊，谭建伟，等.国V公交车实际道路排放特性研究［J］.汽车工程，2015，37（1）：121-124

6国家标准化管理委员会.GB/T 19754-2005重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法［S］.北京：中国标准出版社，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，Fuel consumption，Emission，Acceleration performance

U469.13

A

2095-8234（2016）01-0001-04

王长园（1983-），男，博士研究生，主要研究方向为重型车及发动机排放控制及测试。

2015-12-11）