汽油-天然气双燃料汽车高原道路CO2排放特性研究

马志磊，何超，刘明，邹浪，张荣柱

(西南林业大学汽车与交通学院，云南 昆明 650224)

中国于2016年9月批准了“巴黎气候协议”，承诺到2030年使CO2排放达到峰值。中国在2016年1月实施的第四阶段乘用车燃料消耗量标准提出，到2020年，乘用车100 km油耗平均目标为5.0 L[1]，并计划在2025年和2030年，乘用车100 km油耗平均值分别达到4.0 L与3.2 L的标准，减排幅度很大。国外也进一步加严对燃油经济性与温室气体排放的要求，欧洲计划在2021年将基于NEDC工况下的温室气体CO2排放控制在95 g/km以内，美国计划在2025年将基于U.S.综合工况下的CO2排放控制在88.9 g/km以内[2]。目前，除交通部门外，工业、建筑、电力等部门均对中国提前达到CO2排放峰值且达到峰值后使排放量下降做出了贡献[3]。使用天然气作为发动机燃料，不仅成本低廉，还能够有效降低温室气体排放，减少石油消耗[4-6]，因此，天然气作为发动机替代燃料，已在国内很多城市推广使用[7]。

目前，天然气汽车的道路排放试验多在平原地区进行，针对天然气公交车的排放试验表明，CO2排放与行驶工况有很大关系，低速、加速行驶时的CO2排放因子比高速、匀速行驶时高[8]。对天然气发动机工作过程[9]、天然气汽车台架试验[10]、天然气汽车道路试验[11-12]颗粒物排放与气态污染物研究也多在平原地区进行。或者虽在高原地区进行汽车道路排放试验，但仅把CO2排放量作为使用移动平均窗口法处理污染物的窗口累计数据，未对不同海拔条件下的CO2排放特性进行研究[13-14]。中国海拔高于1 000 m的高原地区占到了国内陆地面积的60%，随着天然气汽车的推广，对天然气汽车在高原地区的温室气体排放特性进行研究很有必要。本研究使用PEMS设备进行汽油-天然气双燃料汽车高原实际道路行驶排放测试，研究不同海拔条件下汽车燃用天然气和汽油时的CO2排放特性。

1 试验方法

1.1 试验设备

试验车辆为一辆原装汽油-天然气双燃料汽车，使用的燃料分别为92号汽油与压缩天然气，汽车主要技术参数见表1。

表1 试验车辆参数

试验使用Sensors SEMTECH作为便携式排放测试系统(PEMS)，试验设备连接方法见图1。PEMS设备中主要使用的是燃油经济性分析模块(FEM)与电源分配模块(PDM)，FEM使用不分光红外分析法测试经流量计采样的CO2和CO含量，PDM连接独立于汽车配置的12 V铅酸蓄电池为各设备供电。流量计连接排气管，测试排气流量，并对尾气进行采样送至PEMS。车顶设置的GPS、气象站连接至PEMS，采集地理信息与环境参数。将发动机通过车载诊断接口向外发送的数据接入PEMS，采集发动机运行参数。PEMS连接一台试验用电脑，实时观测数据并进行保存。

图1 试验设备安装示意

1.2 试验道路

分别使用天然气与汽油作为汽车燃料，在云南省选择了开远、弥勒、昆明3个城市进行试验，3个城市的试验道路平均海拔分别为1 110 m，1 330 m，1 960 m。参考《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》[15]中对实际行驶路线的要求，规划试验道路。

试验道路分为市区、市郊、高速3种工况，每种工况下的最小行驶里程为16 km，各工况行驶里程应占总行驶里程的34%，33%，33%，各行驶里程占比误差应控制在±10%以内，其中市区工况占比不得低于29%。市区工况车速控制在60 km/h以内，平均车速在15～40 km/h；市郊工况车速控制在60～90 km/h之间；高速工况车速大于90 km/h，并覆盖90～110 km/h的车速范围，其中车速高于100 km/h的时间应超过5 min，正常情况下车速不应高于120 km/h[15]。

试验地点与线路见图2，道路基本情况见表2。各城市的行驶里程、里程占比与平均车速符合试验线路要求。

图2 不同海拔地区试验线路

表2道路试验基本情况

地区工况里程/km里程占比/%用时/s平均车速/km·h-1开远市区21.98 30.26 3 60121.98市郊25.57 35.20 1 17978.08 高速25.09 34.53 91698.60弥勒市区17.6532.723 23119.66市郊18.7734.8087777.04高速17.5232.48610103.39昆明市区21.46 33.36 3 76320.53市郊24.97 38.81 1 20574.61高速17.91 27.83 68993.56

2 试验结果与分析

2.1 海拔对CO2排放因子的影响

参考《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》中的移动平均窗口法，计算各试验中满足窗口条件的CO2排放因子与平均车速，使用移动平均窗口法处理后，将平均车速小于45 km/h的窗口定义为市区路段，平均车速大于等于45 km/h且小于80 km/h的窗口定义为市郊路段，平均车速大于80 km/h的窗口定义为高速路段[15]。不同海拔城市的窗口CO2排放因子与窗口内平均车速的关系见图3。由图3可看出，燃用天然气时，各车速段的CO2排放因子比燃用汽油时低，天然气是以甲烷为主要成分的碳氢化合物，甲烷分子式CH4，汽油分子式CnH1.87n，在相同空燃比的条件下，天然气燃料中所含的碳原子数较少，使燃用天然气行驶时的CO2排放降低。昆明试验中车速在70～80 km/h范围附近的CO2排放因子是燃用天然气时高，主要原因是昆明天然气道路试验时，市郊道路车流量稍大，为保证市郊路段的车速满足测试要求，加速较为频繁，市郊路段行驶时的发动机平均功率增加，比汽油道路试验时高28.0%(见图4)，CO2排放因子因而升高。

图3 各城市CO2排放因子

表3列出不同海拔条件下各道路工况的窗口CO2排放因子平均值。参考移动平均窗口法，总行程CO2排放因子按式(1)计算：

(1)

式中：MCO2为总行程CO2排放因子；fu，fr，fm为市区、市郊、高速道路的份额加权系数，分别为0.34，0.33，0.33；MCO2,u，MCO2,r，MCO2,m为市区、市郊、高速路段的平均CO2排放因子。

图4 各道路工况发动机平均功率对比

表3各路段窗口CO2排放因子

试验地点_燃料类型窗口CO2排放因子/g·km-1市区市郊高速总行程开远_CNG99.23 83.86 70.86 84.80弥勒_CNG116.33 84.07 95.70 98.88昆明_CNG128.32 94.50 122.78 115.33开远_汽油120.10 98.32 90.41 103.12弥勒_汽油152.34 100.57 151.54 134.99昆明_汽油189.78 86.37 136.52 138.08

使用天然气行驶时，市区、市郊、高速、总行程的CO2排放因子均随着海拔上升而升高。由于空气密度随海拔上升而减小，进入气缸的氧气量减少，导致发动机燃烧性能下降。为克服相同行驶工况下的运行阻力，发动机负荷增大，混合气加浓，使燃烧产生的CO2排放有随海拔上升而升高的趋势。使用汽油行驶时，总行程的CO2排放因子也随着海拔上升而升高，但变化不如使用天然气时明显。

用线性回归方法对使用天然气时总行程的CO2排放因子与海拔的关系进行拟合，相关系数R为0.97，相关关系见式(2)。

MCO2=0.033 8×H+50.166。

(2)

式中：H为海拔。在1 100～2 000 m的海拔区间，海拔每上升100 m，CO2排放因子升高3.38 g/km。在昆明、弥勒、开远3个地区使用天然气行驶时，较使用汽油时CO2排放因子分别降低16.47%，26.75%，17.77%， CO2排放因子平均降低20.33%。

将120 km/h以内的车速分为6个区间，分别计算各车速区间内的节气门开度平均值和发动机负荷平均值，并计算怠速工况下的节气门开度平均值和发动机负荷平均值，节气门开度与发动机负荷参数通过基于SAE J1979协议的车载诊断接口进行采集。节气门开度参数标识(PID)为11(Hex)，发动机负荷PID为04(Hex)。其中负荷定义为当前进气流量与当前转速下节气门全开时的最大进气流量之比，并根据海拔与环境温度修正进气流量，用于指示发动机在用性能的百分比，点燃式或压燃式发动机均可用扭矩替代进气流量进行计算[16]。节气门开度平均值与发动机负荷平均值的关系见图5，左下角为怠速工况下的节气门开度平均值与发动机负荷平均值，右上角为车速在100～120 km/h的节气门开度平均值与发动机负荷平均值。由图5可看出，随着海拔升高，最高车速区间的节气门开度逐渐增大，其余各车速区间的节气门开度也有向右移动变大的趋势。这可看做随着海拔上升，发动机动力下降，在相同车速下需要更大的节气门开度来满足汽车行驶的负荷需求。

图5 节气门开度与发动机负荷的关系

使用天然气在各海拔地区行驶时，最高车速区间的节气门开度均比使用汽油时大，说明使用天然气行驶时，动力比使用汽油时下降，在相同车速下需要更大的节气门开度来满足汽车行驶负荷需求。

使用对数回归拟合图5中的节气门开度平均值与发动机负荷平均值的关系，得到拟合函数y=aln(x)+b，拟合函数的系数与确定系数R2见表4。除了开远天然气试验的R2为0.76，其余试验拟合的R2均高于0.8，拟合程度较好。拟合结果见图6。由图6可看出，在节气门开度相同的条件下，随着海拔上升，负荷下降。在负荷相同的条件下，随着海拔上升，节气门开度增大。海拔较低时，发动机负荷随节气门打开提升更为迅速；随着海拔上升，负荷提升变缓。

表4 拟合函数系数

图6 气门开度与发动机负荷对数拟合曲线

2.2 海拔对CO2高排放区域的影响

不同海拔条件下，使用天然气行驶时的CO2排放因子与车速、负荷的关系见图7。高排放区域集中在低车速范围，随着海拔上升，低车速范围的高排放区域向中等车速区间延伸。低排放区域集中在高车速、低负荷范围，随着海拔上升，高车速范围的低排放区域向小负荷范围收缩，高排放区域自高负荷区间向中等负荷区间延伸。

车速低于50 km/h时，CO2排放因子主要受车速影响。低车速时，整个负荷范围内的CO2排放因子均较高，随着车速升高CO2排放因子迅速降低。车速高于50 km/h时，CO2排放因子主要受负荷影响，高负荷时，CO2排放因子较高，随着负荷下降CO2排放因子逐渐降低。

图7 不同海拔下使用天然气时CO2排放因子与车速、负荷的关系

挡位与车速的关系见图8，车速在50 km/h以内时，主要使用1挡至4挡行驶。随着车速升高，挡位自1挡上升，此时传动比迅速下降，单位发动机转速下的行驶里程快速上升，相同行驶里程中的发动机工作循环次数减少，使CO2排放因子随车速升高迅速降低。

车速高于50 km/h时，主要使用5挡行驶，传动比不变，发动机单位时间内的工作循环次数与汽车行驶里程是确定的线性关系，因此CO2排放因子随车速变化的趋势并不明显，若遇到爬坡、加速工况使发动机负荷增加，则CO2排放因子随负荷升高逐渐上升。车速进一步上升到100 km/h以上时，空气阻力功率上升迅速，发动机负荷升高，CO2排放因子上升。

图8 驾驶挡位与车速分布

不同海拔条件下，使用汽油行驶时的CO2排放因子与车速、负荷的关系见图9。由图9知，使用汽油时的变化规律与使用天然气时相似。高排放区域集中在低车速范围，随着海拔上升，高排放区域向中等车速区间延伸。低排放区域集中在高车速、低负荷范围。随着海拔上升，高车速范围的低排放区域向小负荷范围收缩，高排放区域自高负荷区间向中等负荷区间延伸。

使用汽油时，低车速范围与高车速、高负荷范围中的CO2排放因子均比同海拔使用天然气行驶时的高。CO2排放因子随车速、负荷变化的规律与使用天然气时一样，在车速低于50 km/h时CO2排放因子随车速上升而迅速下降，车速高于50 km/h时CO2排放因子随负荷升高而逐渐上升。

图9 不同海拔下使用汽油时CO2排放因子与车速、负荷的关系

3 结论

a) 在海拔1 100～2 000 m高原地区使用天然气行驶时，CO2排放因子较使用汽油行驶平均降低20.33%，可有效减少高原地区的温室气体排放贡献量；CO2排放因子随海拔升高而上升，呈较好的线性关系，使用天然气行驶时，海拔每上升100 m，CO2排放因子升高3.38 g/km；

b) 相同车速下，使用天然气比使用汽油时需要更大的节气门开度来满足汽车行驶的负荷需求，海拔较低时，发动机负荷随节气门打开提升更为迅速；随着海拔上升，负荷提升变缓，而达到同样负荷时需要更大的节气门开度；

c) CO2排放因子的高排放区域集中在低车速范围，随着海拔上升，低车速范围的高排放区域向中等车速区间延伸，低排放区域集中在高车速、低负荷范围，随着海拔上升，高车速范围的低排放区域向小负荷范围收缩，高排放区域自高负荷区间向中等负荷区间延伸；

d) 车速低于50 km/h时，CO2排放因子主要随车速升高迅速降低；车速高于50 km/h时，CO2排放因子主要随负荷升高而上升；为减少汽车道路行驶排放，在满足动力性能要求的前提下，应尽量快地将挡位换至高挡；高速时，应尽量避免急加速等使发动机负荷上升较高的行驶工况。