不同油品对国Ⅳ、国Ⅴ柴油公交车的碳排放影响研究

傅梦琪，刘娟*，李进 ，张凡，李雪瑶，杨正军，李彭辉，金陶胜*

1.天津理工大学环境科学与安全工程学院，天津 300384；2.南开大学环境科学与工程学院/天津市城市交通污染防治研究重点实验室/国家环境保护城市大气颗粒物污染防治重点实验室，天津 300350；3.中国汽车技术研究中心有限公司，北京 100176；4.吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林 长春 130118

由于车辆的广泛使用，气态污染物排放水平正在显著增加，这些污染物直接影响到生物和环境，因此节能减排势在必行。使用可再生燃料是一项解决能源危机和排放等问题的重要手段。可再生燃料对实现可持续能源经济和减少化石燃料利用有着积极的影响。

生物柴油是以动植物油脂为原料，具有十六烷值高、氧含量高、清洁、可再生等优点（Liew et al.，2014；Tamilselvana et al.，2017；楼狄明等，2016）。柴油与生物柴油掺混的混合燃料无需调改柴油机可直接使用，且性能基本不变（Jaat et al.，2014；仇世侃等，2016）。燃用生物柴油的发动机经济性与石化柴油相差不大，且试验结果表明生物柴油与石化柴油在相同扭矩点效率较低，废气排放测试表明生物柴油的使用CO排放值降低（Tüccar et al.，2014；Zener et al.，2014；刘玉梅等，2014）。

由于环境和健康问题对柴油机废气排放实行了越来越严格的规定。废气排放程度受燃料、发动机类型、排放控制技术、发动机的使用时间、保养环境因素和许多控制技术的影响。目前，国内外诸多学者研究了不同油品对柴油车排放影响。Mwangi et al.（2015）、Liu et al.（2018）和Saravanan et al.（2020）对生物柴油燃烧对柴油发动机污染物排放的影响进行了全面分析。胡志远等（2016）和楼狄明等（2017）基于重型底盘测功机，对比研究了柴油公交车分别燃用生物柴油与柴油混合燃料在中国部分城市公交车循环下的颗粒物排放特性。葛蕴珊等（2005）研究了生物柴油对发动机性能和排放特性的影响，表明发动机燃用低比例的生物柴油掺混燃料，可以在动力性和排放等方面取得令人满意的综合结果。谭丕强等（2013）采用车载排放检测系统，分析了柴油公交车燃用不同燃料实际道路工况的气态排放特性。蔡皓等（2010）建立机动车污染物排放因子模型计算各类车辆在不同排放阶段上污染物的排放量。赵哲等（2018）基于重型底盘测功机，对比研究了国Ⅳ、国Ⅴ柴油公交车分别燃用京Ⅵ柴油和 B5生物柴油时的非常规污染物（C6H6、SO2、HCHO等）排放特性。王瑞宁等（2020）分别选取国Ⅲ—Ⅴ轻型汽油车和重型柴油车利用实验室底盘测功机和全流稀释定容采样系统分析并比较了行驶工况和排放控制水平对汽柴油车尾气颗粒物排放因子和粒径分布的影响。

综上所述，在柴油车排放相关因素的研究中，对于油品的关注是一个热点，并且对于排放阶段和油品的综合影响，目前的相关文献较少。本文利用重型底盘测功机，以北京市柴油公交车为对象，对比研究了国Ⅳ、国Ⅴ柴油公交车，分别燃用国Ⅴ柴油、京Ⅵ柴油和 B5生物柴油混合燃料在中国典型城市公交车循环下的含碳气态污染物和颗粒物的排放特性。基于目前对碳排放的研究热点，本研究分析含碳法规污染物的排放特性，对于研究柴油车的法规含碳污染物排放具有一定的参考价值。

1 材料和方法

1.1 试验样车

试验样车分别为国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的6辆日常运营的柴油公交车，国Ⅳ、国Ⅴ柴油车各3辆并对其进行编号，1—3为国Ⅳ车，4—6为国Ⅴ车，具体参数见下表1所示。

表1 试验样车的基本参数Table 1 Basic parameters of the test vehicles

1.2 试验燃料

试验燃料为京Ⅵ柴油和国Ⅴ柴油以及生物柴油混合燃料（B5），具体参数见下表2所示。

1.3 测试设备与试验方案

本实验在重型底盘测功机上进行，根据车辆装载质量的 75%进行阻力加载。试验设备包括日本HORIBA公司的全流稀释定容取样系统对公交车排放尾气进行稀释，以满足测试仪器的分析范围，固态颗粒物采样器、美国TSI公司的EEPS（Engine Exhaust Particle Sizer）3090颗粒数量及粒径分析仪，其检测范围是5.6—560 nm，能在每秒钟内提供10个完整的颗粒物粒径分布，可瞬态测试循环中发动机废气排放的颗粒物排放的动力学行为。根据GB/T 17691—2018要求对颗粒物数浓度测量粒径下限为23 nm。柴油车排放颗粒物中，粗颗粒物质量占5%—20%；细颗粒物（PM2.5）质量占80%—90%（朱春等，2010）。本研究选择测量车辆排放尾气中20 nm—3 μm粒径范围内的颗粒数量。监测排放的主要仪器是由日本 HORIBA公司生产的OBS-2200，OBS-2200监测器可准确检测车辆尾气排放的气体排放量，CO量程为0—0.5%VOL；HC量程为体积分数 0—0.0001。该设备包括防震排放测量单元、主控制计算机及其相关软件、传感器和带有皮特流量计的采样连接器，根据气体物质体积分数和由 PITOT流量计测量的流量来计算每种气体物质的每秒排放因子。

根据油耗与 CO2排放量的转化公式（1）可以计算出CO2的排放量（Hu et al.，2012）。

Cd——柴油消耗量，L·(100 km)-1；

Dd——柴油密度，设置为0.85 kg·L-1；

EHC、ECO和ECO2——HC、CO和 CO2的排放因子，g·km-1。

试验循环采用 GB/T 19754—2005推荐的中国典型城市公交车循环（CCBC），循环运行时间为1314 s，行驶里程5.89 km，平均车速为16.16 km·h-1。试验过程中为消除驾驶员操作随机性和减少试验误差，每辆车循环重复进行4次，试验结果取4次循环平均值。

2 测试结果与分析

2.1 排放标准和油品对气态污染物的影响

为直观分析油品与各种污染物排放的关系，对不同排放标准的公交车燃用不同种类的柴油进行气态排放研究。图1所示为污染物HC排放量数据图，国Ⅴ车相对国Ⅳ车HC排放量整体上相差不大，总体上柴油车燃用B5生物柴油和京Ⅵ、国Ⅴ柴油相比HC平均排放分别下降1.6%和4.2%。图2所示为污染物CO排放量数据图，由图可知编号2、3的国Ⅳ车辆其CO排放量远高于其他车辆，不同排放标准的公交车CO的排放量差距明显。京Ⅵ柴油比国Ⅴ柴油标准更高，除了第3、4辆车燃用京Ⅵ柴油比B5生物柴油的CO排放量高以外，其余车辆燃用京Ⅵ柴油的 CO排放量都低于国Ⅴ柴油和 B5生物柴油。燃用京Ⅵ柴油、国Ⅴ柴油和B5生物柴油，国Ⅴ车 CO的排放量与国Ⅳ车相比分别下降70.7%、67.9%、67.1%。

图1 HC排放因子Figure 1 HC emission factors

图2 CO排放因子Figure 2 CO emission factors

对国Ⅴ和国Ⅳ车循环运行工况平均百公里油耗进行统计分析，国Ⅴ和国Ⅳ车燃烧京Ⅵ、国Ⅴ和B5柴油行驶百公里平均油耗分别为33.1、33.7、33.3[L·(100 km)-1]和 41.0、40.2、41.0 [L·(100 km)-1]，国Ⅴ车与国Ⅳ车相比分别减少19.4%、16.2%、18.9%。然而在各个排放阶段上油品对百公里油耗消耗量相当，这可能是因为，生物柴油是含氧燃料，相同工况下，发动机燃用生物柴油后，缸内最高燃烧压力升高，且缸内最大压力对应的曲轴转角也提前，发动机热效率有所提高。由油耗算出国Ⅴ和国Ⅳ车燃用京Ⅵ、国Ⅴ、B5柴油的 CO2平均排放量分别为 888、904、893 g·km-1和 110、107、110 g·km-1。燃用京Ⅵ柴油、国Ⅴ柴油和B5生物柴油，国Ⅴ车CO2的排放量与国Ⅳ车相比分别下降 19.0%、15.8%、18.5%。国Ⅴ和国Ⅳ公交车燃用京Ⅵ、国Ⅴ、B5柴油的总CO排放量和总CO2排放量呈现负相关关系，在油耗几乎相同的情况下（燃用京Ⅵ、国Ⅴ、B5柴油的平均油耗为37.0、36.9、36.9 [L·(100 km)-1]燃用B5柴油的CO2排放量高，而CO2的排放恰恰是判断燃油燃烧是否充分的依据之一。大量有关燃料性能和排放的实验研究表明，在石油柴油中添加生物柴油后会导致油耗的升高，CO排放浓度和烟度降低（Rakopoulos et al.，2010；宋天一等，2012）。通过国Ⅴ和国Ⅳ公交车燃用 B5生物柴油的总的CO2排放量相比于其它油品较高可知，国Ⅴ和国Ⅳ公交车燃用B5生物柴油燃烧更充分，利用率更高。

2.2 排放标准和油品对颗粒物排放的影响

图3和图4所示分别为在不同排放标准的公交车燃用京Ⅵ柴油、国Ⅴ柴油和B5生物柴油3种柴油油耗与颗粒物排放对比情况。由图3可知，国Ⅴ车相对国Ⅳ车颗粒数量排放大幅下降，燃用京Ⅵ、国Ⅴ和B5生物柴油时，国Ⅴ车与国Ⅳ车相比分别减少46.2%、62.9%、57.4%。而在各个排放阶段上颗粒排放数量有所不同，在国Ⅳ排放阶段上燃用京Ⅵ柴油颗粒数量浓度最小，其数量浓度为12.0×1013/km。而在国Ⅴ排放阶段上燃用国Ⅴ柴油颗粒数量浓度最小，其数量浓度为 5.10×1013/km。由图4可知，国Ⅴ车相对国Ⅳ车颗粒排放呈明显的下降趋势，国Ⅴ车相对国Ⅳ车分别减少 57.1%、41.7%、50.0%。在国Ⅳ排放阶段上可以发现车辆燃用B5生物柴油颗粒物平均排放质量浓度最低，而在国Ⅴ排放阶段上燃用京Ⅵ柴油颗粒物平均排放质量浓度最低。整体上对国Ⅴ和国Ⅳ排放阶段的颗粒物排放数量和排放质量进行分析发现当颗粒物排放数量相对多时其排放质量则较小，反之亦然。

图3 颗粒物数量排放Figure 3 PN emissions concentration

图4 颗粒物质量排放Figure 4 PM emissions concentration

3 讨论

通过上述分析发现，添加 5%体积比例的生物柴油可以有效降低气态污染物CO和HC的排放。国内外学者分别对掺混不同比例的生物柴油和燃烧纯柴油排放污染物进行了相关研究，其排放变化如表 3所示。在 Demirbas（2007）和 Wang et al.（2012）的研究中生物柴油的添加对 PM 排放降低的影响十分明显，Lin et al.（2009）研究表明较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对于标准柴油燃料的排放平均变化Table 3 Average of changes in emissions using biodiesel relative to standard diesel fuel %

本文分析发现油品种类相同时，柴油车的排放标准不同也会影响污染物的排放的多少，提高柴油公交车的排放标准可以有效减少CO的排放量，然而HC的排放量没有明显的变化。本研究还综合比较了国Ⅴ与国Ⅳ车在燃烧相同油品的条件下颗粒物数量的变化，国Ⅴ车与国Ⅳ车相比分别减少约46.2%、62.9%、57.4%。这一结果与楼狄明等（2017）的研究结果相反，这可能是由于试验车辆的后处理装置不同所造成的差异，其研究发现国Ⅴ车相对国Ⅳ车，数量排放分别上升了约4.0%、7.6%和14.7%，然而在颗粒质量上研究结果相一致，分别有着不同程度的下降。

王瑞宁等（2020）对国Ⅳ与国Ⅴ重型柴油车颗粒物数量进行了计算分别为 2.0×1015cm3·km-1和7.1×1014cm3·km-1。Huang et al.（2013）通过 PEMS模型对柴油车辆在各种道路类型上获得了基于驾驶的气体污染物排放因子、颗粒质量和数量。柴油客车平均粒子数量排放因子为7.06×1014cm3·km-1。与本研究对比可以发现排放因子颗粒数量差距较大（图5）。Li et al.（2019）利用COPERT和PEMS模型软件对海南省的重型柴油客车的污染物排放量进行预测，其测试结果和本研究利用台架测试燃烧3种柴油测试的结果亦在图5所示。由图可知，利用COPERT模拟测试的CO排放量是台架测试的25.1%，利用PEMS模拟测试的CO排放量是台架测试的40.6%。造成测试结果不同的原因可能是由于使用模型软件忽略了现实环境温度和油品的使用不同。

图5 不同测试下的污染物排放量Figure 5 Pollutant emissions under different tests

通过与其他文献的对比可以得出，生物柴油的增加对气态污染物CO和HC的减排效果明显，且随着生物柴油比例的增加，气态污染物CO和HC的减排效果更加明显，但是会使CO2的排放量更多。结合油耗可以发现，生物柴油的利用率会更高，燃烧更充分。使用同一生物柴油比例的排放降低情况存在有所不同，可能来自于不同研究测试柴油的种类和车辆类型的差异。生物柴油的添加对颗粒物PM 排放的影响则存在一定的不确定性。在油品影响柴油车污染物排放的研究中，车辆的类型也会对试验结果产生影响，对于PM排放的差异考虑后处理装置的差异。针对不同模型所得出的结果差异主要考虑软件模拟过程忽视现实环境中的差异等。

4 结论

（1）燃用京Ⅵ柴油、国Ⅴ柴油和B5生物柴油，国Ⅴ车CO的排放量与国Ⅳ车相比分别下降70.7%、67.9%、67.1%，国Ⅴ车CO2的排放量与国Ⅳ车相比分别下降19.0%、15.8%、18.5%；燃用的B5生物柴油和京Ⅵ柴油、国Ⅴ柴油相比HC平均排放量分别下降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%。国Ⅴ和国Ⅳ公交车燃用不同油品的总 CO排放量和总CO2排放量呈现负相关关系，国Ⅴ和国Ⅳ公交车燃用B5生物柴油更充分，利用率更高。

（2）国Ⅴ车相对国Ⅳ车，颗粒数量排放大幅下降，国Ⅴ车与国Ⅳ车相比在燃烧京Ⅵ、国Ⅴ、B5柴油上分别减少46.2%、62.9%、57.4%。国Ⅴ车相对国Ⅳ车，颗粒质量排放有着明显的下降，国Ⅴ和国Ⅳ车相比燃用京Ⅵ、国Ⅴ和B5生物柴油分别减少57.1%、41.7%、50.0%。在国Ⅳ车上燃用京Ⅵ柴油颗粒数量浓度最低，而在国Ⅴ车上燃用国Ⅴ柴油颗粒数量浓度最低。在国Ⅳ车上燃用B5生物柴油颗粒物排放质量浓度最低，而在国Ⅴ车上燃用京Ⅵ柴油颗粒物排放质量浓度最低。生物柴油的添加对 PM排放的影响存在着一定的不确定性，需要综合考虑后处理装置等的影响。

（3）本研究试验车辆的排放体现出一定规律性，但开展试验的车辆数较少，后续还需更多的数据积累。