國V公交車實際道路排放特性研究*

郭佳棟，葛蘊珊，譚建偉，張學敏，余林嘯，付明亮

(1.北京理工大學，汽車動力性與排放測試國家專業實驗室，北京 100081； 2.中國農業大學工學院，北京 100193)

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2015022

國V公交車實際道路排放特性研究*

郭佳棟1，葛蘊珊1，譚建偉1，張學敏2，余林嘯1，付明亮1

(1.北京理工大學，汽車動力性與排放測試國家專業實驗室，北京 100081； 2.中國農業大學工學院，北京 100193)

使用車載排放測試系統測試了北京市4種不同技術路線的14輛國V車輛的實際道路排放情況。結果表明，氧化催化器(DOC)能明顯降低天然氣公交車的CO排放，但其對THC的降排效果有待提高。采用EGR技術的天然氣公交車在低速時NOx減排效果較柴油車好，但是高速時沒有優勢。使用SCR系統的柴油車CO和THC排放較低，但低速時NOx排放較高。而天然氣車由于排氣溫度較高，加裝SCR系統后可有效降低NOx排放，效果最理想。天然氣公交車的顆粒物質量排放遠低于柴油車，但是由于稀釋方式的影響，其核模態的顆粒物數量較多。

公交車；柴油機；天然氣；實際道路排放；后處理系統

前言

北京市公交車已經在2008年提前于全國實施了《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》(GB17691—2005)中的國IV階段，并且滿足國V要求的公交車在北京市已經占有一定的比例，在新增公交車中比例更大。目前，北京市的國V公交車從燃料上劃分主要包括柴油車和天然氣車兩類。雖然兩種內燃機在先進的燃燒方式和控制技術下，都可以通過排放型式認證，達到國V標準，但是由于柴油和天然氣在燃料性質、燃料供給、壓縮比以及著火和燃燒方式等很多方面存在很多不同之處[1]。使用兩種燃料的車輛，后處理系統也不完全相同，因此對于不同的污染物，排放特性可能相差很大。本文中使用車載排放測試系統研究了北京市國V柴油車與天然氣車在實際道路下的污染物排放，通過對比不同燃料以及不同后處理裝置公交車的排放特性，探討城市公交車排放存在的問題，并為其改進提出建議。

1 實驗方案

1.1 測試車輛與實驗路線

針對北京市國V公交車以柴油車和天然氣車為主的情況，選擇了5條公交線路進行實驗，每條線路進行至少兩輛車的測試，共計14輛車。每條線路的公交車都滿足國V標準，但是在生產廠家、燃料以及后處理系統等方面各不相同。測試車輛的實驗路線以及各種主要參數如表1所示，其中所有的車輛均為自動變速。由于相同線路公交車的行駛里程相近，表中列出的是每條線路行駛里程的平均值。

表1 測試車輛主要參數

測試過程中，測試車輛按照日常運行線路行駛，由于實驗設備較多，噪聲較大，因此沒有載客，只進行正常進、出站，每次大約停靠10s左右，比正常的停靠時間稍短，以免影響乘客和其他車輛。每輛車進行2個往返行程的測試。

1.2 實驗設備

本研究的實驗設備主要包括semtech-DS氣態污染物分析儀、電子低壓沖擊儀(ELPI)、兩級稀釋器、排氣流量計、全球定位系統(GPS)接收器和便攜式計算機等。其中semtech-DS用來測試尾氣中CO2、CO、THC和NOx等污染物的濃度，排氣流量計用來測量排氣溫度和體積流量，GPS接收器用來測量車輛的行駛速度。semtech的測試數據可以實時顯示、記錄并傳輸到便攜式計算機上。樣氣經過兩級稀釋器后進入ELPI，該儀器可測量微粒的粒徑分布和數量濃度。圖1為實驗設備在測試車輛上的安裝圖。全部儀器的電能由發電機供給。由于沒有乘客，加裝了50桶純凈水(約20kg/桶)作為模擬載荷。

2 數據處理

2.1 數據對正

由于整套系統包含semtech-DS和ELPI兩個主要測試儀器，并且前者是由若干個模塊組成的，因此車速、污染物濃度、排氣流量以及顆粒物數量濃度等主要參數的延遲時間各不相同。本文中以排氣流量(l/s)為基準，在excel軟件中使用offset函數將各個參數進行時間對正，具體過程不再贅述。

2.2 顆粒物質量的計算

本文中使用的電子低壓沖擊儀根據空氣動力學直徑的不同將顆粒物分為12級(7nm～10μm)。該儀器通過充電器對排氣中的顆粒物充電，然后利用顆粒物慣性的差異對不同粒徑的顆粒物進行分級，并通過電流計測量每一級上實時收集的顆粒物的電荷數，從而計算不同粒徑的顆粒物數量。

內燃機顆粒物分為核模態(5～50nm)、積聚模態(100～300nm)和粗粒子模態(>1μm)3種類型[2]，其中大部分集中在1μm以下，而大于1μm的粗粒子模態顆粒物主要是由通過熱泳等現象附著在氣缸壁或者排氣管壁上的積聚物在瞬態條件下排出的，數量相對較少并且具有很大的不確定性和隨機性[3]。因此本文中主要計算1μm以下的顆粒物質量，也就是對應ELPI的1～8級(7～949nm)。

但是，如果要計算不同粒徑顆粒物的質量濃度，除了顆粒物的數量濃度外還須確定其密度。一般來說，顆粒物的粒徑越小，其分形維數(fractal dimension)越接近于3[4]，說明其形狀越接近于球體，密度也就越大；而粒徑越大，分形維數越小，說明其內部的空隙越多，密度也就越小。由于采樣方式、稀釋空氣溫度、稀釋比等因素的影響，顆粒物的密度很難確定，所以不同的研究者得出了不同的密度分布[5-6]。本文中使用文獻[5]的結果，列于表2中。其中DL為每一級的截斷直徑，DU為下一級的截斷直徑，兩者組成的區間為收集到該級的顆粒物的主要粒徑范圍，ρ為該級的顆粒物密度。

所以，顆粒物的總質量可以通過如下公式確定：

(1)

式中：m為顆粒物的總質量；Ni、Vi和ρi分別為ELPI第i級的顆粒物數量、體積和密度。而每一級的體積V是利用該級的中位直徑DI計算求得，即

(2)

表2 電子低壓沖擊儀前8級的粒徑范圍和顆粒物密度

3 實驗結果

測試的5條實驗線路基本代表4種不同的國V重型車技術路線，如表3所示。雖然線路1和線路2的發動機廠商不一樣，但都是加裝SCR系統的柴油車，并且車型相同，實驗結果表明，這兩條線路的實驗車輛在CO、THC、NOx等污染物排放方面特征相似，實驗結果差距不大，因此兩條線路的公交車可以歸為一類技術路線。

表3 技術路線分類及代表線路

由于全部測試車輛的整備質量差距很小，并且載質量基本一致，所以主要使用以g/km為單位的排放因子對比各種技術路線的排放情況。通過對實驗數據進行統計后發現(如表4所示)，各個公交線路的工況參數不完全相同，特別是在平均車速方面差別較大。為了使數據對比更可信，主要以5km/h為速度區間對實驗結果進行平均計算，并在同樣的速度區間內對不同技術路線的排放情況進行對比。

表4 各線路主要平均工況參數

3.1 CO

如圖2所示，車速較低時，技術路線1和路線3的CO都很高并且相差不大，這是因為此時柴油機雖然空燃比較大，但是排氣溫度較低，一部分CO不能被徹底氧化[7]；而天然氣發動機的空燃比相對較小但是燃燒溫度較高，有利于CO的氧化。當車速上升時，天然氣發動機的空燃比進一步減小并且接近于1，而柴油機的排氣溫度升高并且當量比仍然很大，所以此時天然氣發動機的CO排放相對較高。

從圖2中還可以看出，車速很低時，路線3的CO排放非常高，而帶有DOC的路線2和路線4，在低速范圍內就能將CO排放降低很多。這除了跟DOC的起燃溫度相對SCR較低有關以外，還得益于天然氣發動機較高的排氣溫度。因此城市公交車即使平均車速大都很低，加裝DOC后也能使CO排放得到有效控制，對天然氣公交車更加明顯。

3.2 THC

從圖3可以看出，柴油機的THC排放非常低，接近于零，而天然氣內燃機的THC排放很高。除了因為天然氣發動機的空燃比較小，這還和天然氣的自燃溫度較高有關系[8]。可以看出，路線2由于加裝了DOC，THC排放比路線3降低了很多，但是同樣帶有DOC的路線4卻與路線3相差不大，效果并不理想。這可能是因為天然氣內燃機的THC排放主要是CH4，而CH4的著火溫度比CO和大分子烴類高很多，因此傳統的DOC對CH4的反應活性很低。由于CH4是一種溫室效應比CO2高很多的氣體，因此其排放需要引起重視，并專門針對CH4開發高活性的DOC催化劑。

3.3 NOx

如圖4所示，路線1和路線2的NOx排放很高，而路線3和路線4低于前兩者。

以NOx與CO2質量排放的比值NRC(g/kg)作對比可以更直觀地看出各種技術路線NOx排放的區別[9]。如圖5所示，技術路線1在低速范圍內NOx排放很高，在中高速以后才逐漸降低，體現出SCR系統的優勢。這主要是由于車速低時排氣溫度較低，達不到SCR系統噴射尿素的臨界溫度，即使噴射尿素反應效率也較低[10]。而路線2在整個速度范圍內排放因子變化比路線1平緩，低速時NOx排放比路線1低，但是高速以后，NOx排放情況相對較高。路線3和路線4的NOx低排放顯示了其SCR系統的高效率，這主要得益于天然氣內燃機較高的排氣溫度。如圖6所示，整個速度范圍內，路線3和路線4的排氣溫度要比路線1高50℃左右。因此在車速較低時，天然氣公交車的SCR系統就可以有效降低NOx排放，而這特別適合北京市的城市道路。

從圖4中可以看出，同樣是使用SCR技術，路線1的曲線一直下降并且速度很快，而路線3和路線4的NOx排放變化較慢，并且在25～40km/h之間有一個略微的高值，這可能是因為此時的空燃比和燃燒溫度都很適合NOx的生成，因此NOx排放較高。同時該現象也表明，對于SCR系統，天然氣的排氣溫度一直處于合適的范圍，因此NOx的轉化效率變化不大。而對于柴油機來說，車速增加帶來的排氣溫度上升能大大增加SCR系統的催化效率，因此NOx排放隨著車速迅速下降。在實際運行中，車速和排氣溫度是決定公交車特別是柴油車的SCR系統催化效果和NOx排放的關鍵因素。

3.4 顆粒物

不同技術路線的顆粒物數量(PN)和質量(PM)的排放因子見表5。可以看出，天然氣公交車的顆粒物質量排放比柴油公交車低得多。這主要是因為相對于柴油，天然氣為氣態燃料且混合均勻，主要成分CH4不含有C-C鍵，因此積聚模態的微粒少得多。其中由于液化天然氣純度高，雜質少，使得路線4的顆粒物排放最低。路線2的顆粒物質量排放雖然低于柴油機，但是數量排放結果卻相反。

表5 不同技術路線的顆粒物質量和數量整體排放因子

從圖7中可以看出，造成這種現象的原因是路線2的核模態顆粒特別多。其原因是由于天然氣發動機的排氣溫度比柴油機高，但采樣時第一級稀釋空氣的溫度都為190℃，因此將會導致天然氣發動機排氣在稀釋過程中，揮發性有機物和硫酸鹽等凝結成大量的核模態顆粒物。對于路線3和路線4，該現象也有所體現。

另外值得注意的是，由于粒徑范圍的限制，ELPI并未完全描繪出天然氣公交車排氣中的峰值形狀，故該儀器對納米級顆粒的分析范圍有待擴展[11]。

4 結論

(1)通過研究發現，北京市國V公交車幾種主要技術路線的污染物排放并不一致，特別是CO、PM和THC排放相差很大，NOx排放也各有特點。

(2)國V柴油車的CO和THC排放很低，但在車速較低時，發動機負荷和排氣溫度低，無法滿足SCR系統工作要求，因此NOx排放很高。車速提高以后，SCR系統效率提高，有效降低了NOx排放。

(3)以天然氣為燃料的國V車型，CO和THC排放較高，建議開發適合天然氣燃料的DOC。

(4)國V天然氣車如果僅僅通過EGR降低NOx，雖然低速時NOx低于加裝SCR系統的柴油車，但是高速時NOx偏高。天然氣車加裝SCR系統后，由于排氣溫度比柴油機高，工作情況良好，在全速度范圍內可以有效保證NOx的低排放。

(5)天然氣發動機的微粒質量排放遠低于柴油機。但是由于稀釋方式的影響，部分天然氣車輛出現了較高濃度的核模態微粒排放，使得天然氣公交車的微粒數量排放比柴油車并沒有明顯降低甚至有所增加。

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致謝《汽車工程》雜志稿件評審專家

《汽車工程》2014年全年出版計劃圓滿完成，這一切離不開稿件評審專家們的鼎力支持。專家們治學嚴謹、公正負責，對保證稿件的質量起到了關鍵的作用。希望專家們繼續關心、支持本刊。值此新春到來之際，《汽車工程》編輯部全體同仁向所有評審專家致以最誠摯的感謝！祝春節快樂！身體健康！萬事如意！

附：2014年評審專家名單(按姓氏筆劃為序)

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雷君相 雷雨龍 裴普成 翟 麗 翟 涌 管迪華 魏學哲 魏道高 魏 巍

A Research on the Real World Emission Characteristics of State-V Buses

Guo Jiadong1, Ge Yunshan1, Tan Jianwei1, Zhang Xuemin2, Yu Linxiao1& Fu Mingliang1

1.BeijingInstituteofTechnology,NationalLaboratoryofAutoPerformanceandEmissionTest,Beijing100081;2.CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193

The real world emissions from 14 State-V buses with four different after-treatment technologies are measured with portable emission measurement system. The results show that diesel oxidation catalyst can apparently reduce the CO emission of CNG-fueled buses, but its effect of reducing THC emission need to be improved. The CNG-fueled buses adopting EGR technology have a better emission reduction effects than diesel buses at low speed but there is no superiority at high speeds. The diesel buses with SCR system have lower CO and THC emissions but their NOxemissions are relatively high at low speeds, while the CNG-fueled buses with SCR system can effectively reduce NOxemission due to higher exhaust temperature, being the most ideal choice. The particulate matter mass emissions of CNG-fueled buses are far lower than diesel buses, but due to the effects of the way of dilution they emit more particles in nucleation mode.

buses; diesel engine; CNG; real-world emissions; after-treatment systems

*國家自然科學基金(51276021)資助。

原稿收到日期為2013年3月21日，修改稿收到日期為2013年6月27日。