大型客車柴油和HCNG燃料的WTW分析*

王愛紅，孟文俊，高有山，孫宣德

(太原科技大學機械工程學院，太原 030024)

2016013

大型客車柴油和HCNG燃料的WTW分析*

王愛紅，孟文俊，高有山，孫宣德

(太原科技大學機械工程學院，太原 030024)

為評價大型客車使用20HCNG燃料的一次能源消耗和環境污染情況，用燃料生命周期評價(WTW)方法與柴油和CNG進行對比。分析20HCNG燃料大型客車在TTW階段的能量消耗和廢氣排放時，首先對大型客車用柴油機進行臺架試驗，采集試驗數據，與傳動參數進行動力匹配，仿真計算燃料消耗量和排放，并與大型客車道路試驗燃料消耗量進行對比；然后以CNG和20HCNG發動機能量消耗和廢氣排放的臺架試驗數據與傳動參數匹配，仿真計算CNG和20HCNG燃料大型客車能量消耗量和排放。結果表明，在TTW階段柴油燃料的能量消耗和溫室氣體排放最高，SO2排放是CNG和20HCNG的52和61倍，但其NOx，CH4和CO排放較CNG和20HCNG低。在WTW階段柴油的一次能源消耗比CNG和20HCNG高，溫室氣體，VOC，PM2.5和N2O排放亦高于CNG和20HCNG。但柴油的CO，CH4，NOx，PM10和SO2排放則比CNG和20HCNG低。尤其是CO和CH4，柴油的CO排放分別僅為CNG和20HCNG的23.8%和28.6%，柴油的CH4排放分別僅為CNG和20HCNG的13.7%和13.3%。故應對CNG和20HCNG燃料大型客車進行有針對性的CH4，CO，NOx和PM10排放控制，特別是在WTT階段的SO2排放控制，才能使其整個WTW周期的能量消耗和排放比柴油客車低。

車用燃料生命周期分析；天然氣；摻氫天然氣；能量消耗；排放

前言

2010年我國能源消費量占全球的20.3%，比2009年增長11.2%，超過美國成為世界上最大的能源消費國。石油作為重要能源之一，占全球能源消費的33.1%。統計顯示全球探明的石油儲量從1986年的120Gt增到2010年的188Gt，增長56.6%。我國探明的石油儲量由1986年的2.33Gt減為2010年的2Gt，減少了14%。全球石油產量從1996年的3 376.5Mt增到2010年的3 913.7Mt，增長了15.9%；我國石油產量從1996年的158.8Mt增加到2010年的203Mt，增長了27.8%。我國的石油消耗量從1996年173.8Mt增加到2010年的428.6Mt，占全球比例也相應從5.19%增為10.6%，2010年產消差額達225.6Mt，消費總量的52.6%需進口，故我國的石油資源非常緊缺[1]。汽車作為石油消耗的重要主體，開發研究車用替代能源是解決石油能源短缺的主要途徑之一。天然氣和氫氣是較有潛力的發動機替代燃料。2010年我國探明天然氣儲量為石油的80%、產量為石油的42.9%，消耗量為石油的22.8%，開發利用程度比石油低。天然氣中CH4含量為85%～99%，用作發動機燃料其抗爆性好、燃燒噪聲小、燃燒溫度低、燃燒產物中沒有苯、鉛等有害物[2]，具有低排放和低價格等優點，在拓展汽車燃料來源、補充石油燃料的短缺方面有較大潛力。氫作為未來主要能源載體，不含碳、燃燒性能好、燃燒產物只有清潔無害的水，是較為理想的燃料之一[3]。氫能可通過多種途徑使用多種原料生產，工業上目前主要采用天然氣在工廠集中或分散制氫的方式進行生產[4]。氫能的成本較高而體積熱值較低，氫內燃機還有一些技術問題未得到解決，單純以氫作為燃料的條件尚未成熟；應在逐步降低生產氫能成本的同時，采用其他途徑發揮氫能的優勢[5]。雖然天然氣發動機已進入實用階段，技術也較為成熟，但活化能較高，火焰傳播速度慢，燃燒時間長，因此天然氣發動機存在燃燒不充分的現象。將氫氣與天然氣按比例混合形成的氣體燃料(HCNG)，利用氫燃燒速率快和CNG體積熱值高的優勢[6-7]，采用電控燃氣噴射、稀燃等技術，可以提高燃燒性能，降低排放[8]，促進能源多樣化和應對全球氣候變化。HCNG車輛可以使用摻氫0～50%的燃料，其中摻氫20%的燃料(記為20HCNG)發動機綜合性能最佳[9]，為了評價我國大型客車使用20HCNG燃料的能量消耗和廢氣排放，本文中用燃料生命周期分析方法對比柴油、20HCNG燃料大型客車的能量消耗和污染氣體排放，為我國大型客車使用20HCNG燃料的能量消耗和氣體排放提供依據。

1 分析系統簡介

1.1 燃料生命周期評價方法

車用燃料生命周期分析方法，即“油井至車輪”(well-to-wheels, WTW)對燃料在整個壽命期內進行評價，包括燃料開采、運輸、加工，即“油井至油箱”(well-to-tank, WTT)和車輛使用，即“油箱至車輪”(tank-to-wheel, TTW)等多個環節燃料的能量消耗和排放。WTT的研究對象是車用燃料的上游，即生產階段，包括一次能源開采、一次能源運輸、燃料生產、燃料運輸、儲存、分銷和燃料加注過程。TTW的研究對象是車用燃料的下游，即使用階段，包括車輛發動機燃燒燃料時的燃料消耗和氣體排放，如圖1所示。

圖1 燃料的WTW分析流程框圖

為便于在一個相對封閉的生命周期中計算車用燃料生命周期的能源消耗和氣體排放，對車用燃料的WTW分析不考慮建設廠房、制造設備等其它因素的物質與能源消耗和排放，能量的消耗主要是考慮原油、天然氣、煤炭等一次能源。排放主要是CH4，N2O和CO2等溫室氣體，以及VOC，CO，NOx，PM和SO2。分析時只計入了車用燃料生命周期上游階段生成的N2O排放，不考慮車輛運行階段的N2O排放問題。WTT階段原料生產、處理、運輸等環節皆可能有能量消耗和排放產生，故將TTW階段和WTT階段各環節的能量消耗和排放都計入到WTW分析結果中。

1.2 大型客車WTW分析車輛及其燃料系統

為對比分析柴油和摻氫天然氣燃料生命周期能量消耗和排放，將燃用柴油和HCNH的發動機分別匹配于具有傳動系統參數(Ⅰ和Ⅱ)的大型客車底盤上，進行燃料消耗量分析，大型客車參數見表1。柴油發動機與傳動參數Ⅰ匹配，HCNG增壓中冷電控噴射發動機與傳動參數Ⅱ匹配。

表1 車輛主要參數

為對比大型客車柴油和HCNG燃料生命周期能量消耗和氣體排放，采用了文獻[5]中對HCNG發動機的測試數據，用模擬計算方法模擬大型客車使用HCNG燃料時的燃料消耗[10]。文獻[5]中的試驗發動機是由EQD210N-20單點電控天然氣噴射發動機改造而成，電控系統采用DELIPH ITMS-6F電控單元，進氣方式為渦輪增壓中冷，其主要性能參數如表2所示。

HCNG燃料WTT階段的能量消耗和排放本文采用文獻[11]～文獻[14]中的最優燃料路線，NG為NG開采—管路運輸—NG加氣站壓縮—銷售，H2為NG開采—集中制H2—管路運輸—氣站壓縮—銷售，NG和H2混合形成HCNG。柴油、NG和H2在WTT階段的能量消耗和排放[11-14]如表3所示。表中溫室氣體指聯合國氣候變化跨國組織IPCC和京都議定書規定的CO2，CH4和N2O，根據其對全球變暖潛力值(global warming potential, GWP)等效為當量的CO2，在100年時間范圍內，CH4和N2O的全球變暖潛力值分別為25和198[15]。

表2 EQD210N-20天然氣發動機性能參數表

表3 WTT階段的能量消耗、效率和排放

1.3 大型客車用燃料WTW分析系統參數確定

車用燃料生命周期系統分析參數及其評價指標如圖2所示。在燃料生命周期WTT階段對各個環節的能量消耗和排放分析時，為便于計算，總是以該環節輸出燃料產品單位能量來計算消耗的能量和產生的排放，然后再根據各環節能量輸入輸出的數值關系綜合到WTT階段終端環節輸出燃料產品單位能量總的能量消耗和排放。大型客車柴油燃料能量消耗和廢氣排放用道路試驗值。HCNG燃料的能量消耗和廢氣排放用模擬方法計算。SOx和CO2排放均采用S和C元素平衡法計算。

2 大型客車用燃料TTW分析

大型客車燃料消耗量決定著在TTW階段的能量消耗和排放，進行柴油及HCNG燃料大型客車WTW分析時，首先對大型客車用柴油機進行臺架試驗采集測試數據，對與傳動參數Ⅰ動力匹配的大型客車進行燃料消耗量仿真計算，并與大型客車道路試驗燃料消耗量進行對比，建立大型客車燃料消耗量道路試驗值對仿真計算值進行修正的經驗關系式，用以提高模擬計算精度。為對比分析大型客車柴油燃料和CNG及HCNG燃料生命周期的能量消耗和排放，使用了清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室關于CNG及HCNG發動機燃料消耗和廢氣排放的臺架試驗數據，然后以發動機的測試數據與傳動參數Ⅱ匹配，用上述仿真方法對HCNG大型客車進行燃料消耗量和排放仿真計算。

2.1 大型客車行駛阻力計算

(1)

Fc=18.9824+1.52884v(N)

(2)

Fw=3.1329v2(N)

(3)

式中：α為道路坡度，(°)；m為客車總質量，kg；v為客車行駛速度，m/s。

2.2 大型客車燃油消耗量分析

車輛的燃料消耗量對燃料生命期的能量消耗和排放具有重要影響，其燃料消耗量可基于發動機特性、車輛參數和行駛阻力進行實時模擬計算[17]；先建立發動機轉速、轉矩(功率)和燃油消耗率的關系，常用發動機臺架測試數據擬合的多項式計算發動機各個工況點(發動機轉速ne所對應轉矩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為怠速燃油消耗率，kg/h；t為怠速時間，s。

2.2.2 加速過程的燃油消耗量Ba

加速時車速由低升高,發動機的功率和轉速隨之變化,動態變化的燃油消耗率用穩態的發動機工況來簡化計算，在每個區間(vi,vi+1)的耗油量Bai為

(5)

式中：Ba(vi)和Ba(vi+1)分別為vi和vi+1時單位時間的燃油消耗量，kg/h；Δti為速度區間(vi,vi+1)所經歷的時間。

整個加速過程的燃油消耗量為

(6)

2.2.3 減速過程的燃油消耗量Bd

假定強制怠速與怠速的循環供油量相同，減速為勻減速過程，車速從v2以加速度a減速到v1時，發動機轉速由ne2減速到ne1(ne1≥ne0，否則離合器分離)，發動機處于強制怠速，此后發動機轉速達到怠速轉速時離合器分離，發動機處于怠速狀態，車速由v1到停車，則減速時的燃油消耗量Bd為

(7)

2.2.4 等速過程百公里油耗QF

設以車速v等速行駛的時間為t，車輛的行駛阻力Fr=Ff+Fc+Fw，車輛的百公里油耗QF為

(8)

式中：ρF為燃油密度，kg·L-1，經測定本文中試驗用柴油的密度為0.830kg·L-1，以后計算時除特別說明柴油密度皆使用該值；S為車輛燃油消耗量模擬計算的行駛距離，km；ηT為傳動系傳動效率。

2.3 模擬計算與道路試驗對比分析

因模擬計算時采用發動機臺架試驗的特性參數，模擬值與實際測量值相對誤差有時可達10%以上[18]，故欲提高模擬計算的精度須對模擬值進行修正。通過模擬值與道路試驗值的對比，用道路試驗值來修正相同車輛參數的模擬計算值以提高模擬計算的精度。大型客車道路試驗是以Folwtronic210流量計計量汽車燃油消耗試驗的燃油消耗量，試驗車輛主要參數見表2，車輛的行駛阻力由式(1)～式(3)確定，由于滑行試驗時變速器處于空擋位置，即式(2)中考慮了從車輪到變速器之間(不包括變速器)的摩擦阻力，故傳動系統傳動效率ηT取為0.9。車輛額定功率為198kW電噴柴油發動機與表1所列傳動參數Ⅰ匹配，用直接擋以等速40，50，60，70，80，90，100和110km/h進行滿載燃料消耗量模擬計算和道路試驗。對滿載試驗和模擬計算百公里燃油消耗量進行線性回歸分析(如圖3所示)，二者的關系為

QFMT198=0.9855QFMS198+1.3551

(9)

式中QFMT198和QFMS198分別為發動機功率為198kW時滿載試驗和模擬計算的百公里燃油消耗量，L。

圖3 車輛滿載(18 000kg)油耗模擬值和試驗值的回歸分析

滿載回歸方程的相關系數R=0.9914，用回歸方程對251kW模擬值進行修正，結果如表4所示，可知對模擬值經修正后，相對于試驗值的最大誤差由原來的8.1%減小到4.59%。

表4 251kW滿載(18 000kg)超速擋(i0=0.81)試驗值、模擬值和修正值

2.4 HCNG大型客車燃料消耗量模擬計算

本文中使用了文獻[5]中測試的CNG和20HCNG燃料發動機試驗特性及表1的車輛參數模擬計算燃料消耗量。為避免車輛瞬態工況造成的不確定性，使用等速行駛的穩態工況進行CNG及20HCNG燃料與柴油燃料的對比分析。當車輛使用CNG及20HCNG燃料時，其燃料消耗量和廢氣排放通過模擬計算得到，以式(8)確定等速行駛期間的燃料消耗量，則該車輛的百公里燃料消耗量QFSi為

(10)

式中i為CNG或20HCNG。

如前所述，燃料消耗模擬計算結果用式(9)進行修正，因該式是對柴油燃料的修正公式，于是根據CNG和H2的低熱值和密度對上式進行變換，則CNG和20HCNG燃料的修正公式分別為

QFRCNG=0.9855QFSCNG+0.96716

(11)

QFR20HCNG=0.9855QFS20HCNG+0.92334

(12)

式中QFRCNG，QFSCNG，QFR20HCNG和QFS20HCNG分別為CNG和20HCNG百公里燃料消耗量的修正值和模擬值，kg。

對CNG和20HCNG燃料燃燒排放的模擬計算可以采用燃油消耗量的計算方法，用臺架測試的轉速、轉矩及相應的燃燒排放參數計算發動機各個工況點(發動機轉速ne所對應轉矩Te)的燃燒排放。基于上述分析，可用式(13)計算車輛百公里燃燒排放量Qexhi：

(13)

式中：exhi為CO，NOx或CH4排放，g·(kW·h)-1。

車輛運行階段單位能量輸出的能量消耗ETTW為

(14)

式中：LHV為燃料低熱值，MJ·kg-1；Pr為阻力功率，kW。

2.5 大型客車HCNG燃料能量消耗模擬計算

當發動機使用CNG燃料、車輛傳動系為表1的參數Ⅱ時，根據CNG發動機的試驗參數和車輛參數用式(10)計算滿載時4種擋位不同速度點的CNG消耗量，并用式(11)進行修正，模擬計算結果如圖4所示。因對比分析柴油、CNG及20HCNG燃料WTW的能量消耗時，在TTW階段的燃料消耗量是用《JT 711—2008營運客車燃料消耗量限值及測量方法》的規定，對5個速度點的等速燃料消耗量經加權所得，由圖4知同一車速時因擋位不同而有多個等速燃油消耗量，按JT 711—2008規定，此時可選取能保證車輛穩定行駛的最低燃料消耗量。例如當車速為80km·h-1時，超速擋i=0.81時百公里燃料消耗量最低為18.38kg，則計算綜合燃料消耗量時即用該值，以后計算時皆與此相同。

圖4 CNG大型客車滿載時百公里CNG消耗量與車速的關系(傳動參數Ⅱ)

當發動機使用20HCNG燃料、車輛傳動系為表1的參數Ⅱ時，根據20HCNG發動機的試驗參數和車輛參數用式(10)計算滿載時4種擋位不同速度點的CNG及H2消耗量，并用式(12)進行修正。模擬計算結果如圖5和圖6所示。由于20HCNG是20%的H2和80%的CNG，所以計算時H2和CNG分別給出，對比時可以根據H2和CNG的熱值折算為當量的CNG，本文中選擇用H2和CNG的熱值之和與柴油和CNG燃料進行對比分析。

圖5 20HCNG大型客車滿載時百公里H2消耗量與車速的關系(傳動參數Ⅱ)

圖6 20HCNG大型客車滿載時百公里CNG消耗量與車速的關系(傳動參數Ⅱ)

2.6 大型客車燃燒排放模擬計算

與燃料消耗量的模擬計算方法相同，通過發動機不同轉速和轉矩所對應的排放值，可以模擬計算出大型客車在不同工況時的燃燒排放。CO，NOx和CH4排放用式(13)計算；CO2排放用碳平衡法計算。在TTW階段則車輛運行的CO2排放EMTTW,CO2為

(15)

式中：rc,F為燃料中碳的質量比；wCO和wTHC為車輛運行時生成的CO和HC，g·(kW·h)-1。

同理SO2排放也以元素平衡法計算。因模擬計算所用的CNG和HCNG發動機皆滿足排放法規，故進行TTW分析時，以燃料消耗量最低為標準選取大型客車的工況，然后在模擬的燃燒排放中選取對應工況點的值計算加權，計算結果如表5所示，可知當擋位不變時大型客車燃燒排放的CO2與車速有較強的規律性，而車速與CO，NOx和CH4排放的規律性較差。

表5 大型客車百公里燃燒排放模擬值 kg

3 大型客車WTW分析結果

根據GB/T 12545對柴油燃料大型客車進行道路試驗，測試其燃油消耗量，然后根據燃油消耗量用式(14)計算柴油燃料TTW階段的能量消耗。將燃用CNG和HCNG燃料的大型客車傳動系統和動力系統進行匹配，用模擬計算方法計算燃料消耗量，然后根據燃料消耗量用式(14)計算對比分析大型客車CNG和HCNG燃料TTW階段的能量消耗。用式(13)模擬計算大型客車CNG和HCNG燃料TTW階段的排放。

TTW階段的能量消耗和排放結果如表6所示，表中20HCNG燃料消耗量按H2和CNG熱值折算為當量的CNG能量，即采用H2與CNG的低熱值比等效為當量的CNG(H2×120÷50.1+CNG)能量；20HCNG發動機在測試時包含了H2和CNG的排放，因H2的體積比為20%，燃燒產物只有H2O和NOx，故此處用H2燃燒的NOx排放因子56.87g·GJ-1來近似計算HCNG發動機H2燃燒時的NOx排放[19]；然后將測試的20HCNG發動機燃燒排放進行分解，以總的測試排放值減去H2燃燒生成的NOx排放值即為CNG在HCNG發動機中燃燒生成的NOx排放。而其他排放皆為CNG在HCNG發動機中燃燒生成的。由表6可知CNG和20HCNG比柴油在TTW階段的SO2和溫室氣體排放低，主要是因燃料中的含C率、含S率不同造成的，如柴油的單位能量的含S率、含C率分別是CNG的47和1.28倍，而H2中不含C和S元素，燃燒時無CO2和SO2排放。

表6 柴油、CNG和20HCNG燃料 TTW階段能量消耗和排放

根據以上分析及文獻數據[11-12]，可得柴油、CNG和20HCNG燃料大型客車在WTW各階段的能量消耗和排放，如表7所示。分析時N2O均來自于WTT階段，沒有考慮發動機燃燒階段的N2O；同時發動機燃燒時所有的PM排放都計入到WTW分析清單的PM10中，而PM2.5均來自于WTW過程所使用的工藝燃料排放因子。柴油燃料SO2排放在TTW階段高于CNG和20HCNG，但在WTW階段低于CNG和20HCNG，主要是因CNG和20HCNG在WWT階段較高的SO2排放造成的。CNG和20HCNG在WTW階段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階段CNG開采和運輸中的燃燒排放、逸散和通風排放較大造成的。

表7 柴油、CNG和20HCNG燃料大型客車WTW能量消耗和氣體排放

4 結論

(1) 大型客車使用柴油、CNG和20HCNG燃料在TTW階段，能量消耗分別為12.98，11.84和12MJ·(kW·h)-1，溫室氣體排放分別為980.95，667.3和648.7g·(kW·h)-1，可知柴油燃料的能量消耗和溫室氣體排放最高，20HCNG燃料能量消耗比CNG高1.3%，但溫室氣體排放比CNG低2.8%。柴油燃料NOx，CH4和CO排放較CNG和20HCNG低，但SO2排放是CNG和20HCNG的52和61倍。

(2) 大型客車使用柴油、CNG和20HCNG燃料在WTW階段，一次能源消耗分別為4.698 4，4.15和4.43GJ·GJ-1，故用CNG和20HCNG比柴油在整個生命周期更節能。柴油的溫室氣體、VOC，PM2.5和N2O排放高于CNG和20HCNG，特別是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階段高于CNG和20HCNG，但在WTW階段低于CNG和20HCNG。

(4) 使用CNG和20HCNG替代柴油可以降低一次能源消耗和溫室氣體排放，但比柴油的CO，NOx，PM10，SO2和CH4排放在整個生命周期中要多。

(5) 應對CNG和20HCNG燃料大型客車進行有針對性的CH4，CO，NOx和PM10排放控制，特別是在WTT階段的SO2排放控制，才能在整個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

*山西省自然科學基金(2015011059)、校博士后基金(20142016)和校博士啟動基金(20132006)資助。

原稿收到日期為2015年5月14日，修改稿收到日期為2015年7月6日。