煤制油整車實際道路行駛排放的研究

高章，趙凱，孫城，黃金秋

（213000 江蘇省 常州市 中汽研汽車檢驗中心(常州)有限公司）

0 引言

近幾年，隨著我國政府對大氣污染、霧霾等問題的重視，汽車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)不斷更新，且要求越來越嚴(yán)格。相較于國Ⅴ法規(guī)，國Ⅵ法規(guī)新增了實際道路行駛排放（RDE）試驗[1-2]。國Ⅵ排放法規(guī)的更新促進(jìn)了油品品質(zhì)的提升、發(fā)動機(jī)技術(shù)的升級以及后處理技術(shù)的改進(jìn)。

國內(nèi)外諸多科研團(tuán)隊對國標(biāo)的更新及油品研發(fā)進(jìn)行了研究。李永倫等[3]在帶有DOC+POC+SCR后處理發(fā)動機(jī)上測試3 種煤制油和2 種國標(biāo)柴油的排放特性，試驗表明煤制柴油的排放性能較好；強(qiáng)艷飛等[4]借助仿真軟件模擬、分析、對比了煤制油和石化柴油的燃燒與排放特性，對比結(jié)果表明：在低轉(zhuǎn)速工況下，煤制油的功率降幅較小。燃燒煤制油的缸內(nèi)壓力低于石化柴油，但放熱峰值高于石化柴油。煤制油各污染物的排放量均低于石化柴油；Singh 等[5]以生物柴油為研究對象，從十六烷值、含氧量、燃料密度以及發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀況（轉(zhuǎn)速和負(fù)荷）等方面分析了對NOX排放的影響；唐為義等[6]在4 種不同海拔的環(huán)境下進(jìn)行RDE 試驗，分析對比了不同海拔下PN 的排放特性。研究發(fā)現(xiàn)，PN 的排放隨發(fā)動機(jī)負(fù)荷的減小、海拔的增高而減小；馬志磊等[7]以傳動比為研究變量，分析其對動力學(xué)特性和排放的影響，并得出結(jié)論，調(diào)節(jié)傳動比能夠有效減少實際行駛污染物的排放；Kinga 等[8]以混合動力汽車為試驗對象進(jìn)行了RDE 試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果對法規(guī)提出了修改意見，測試時間縮短到60～90 min，且各階段路程保持在16 km 左右，能夠減少冷啟動階段對城市工況排放的影響；石則強(qiáng)等[9]通過實驗室間的RDE 試驗比對研究發(fā)現(xiàn)，影響試驗結(jié)果的主要因素為分析儀的精度、環(huán)境擴(kuò)展條件以及數(shù)據(jù)對齊等；鄧蛟等[10]研究了環(huán)境溫度對RDE 試驗結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度的升高，各污染物冷啟動排放占比隨之減少。

縱觀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前對煤制油應(yīng)用于輕型車實際道路行駛排放試驗的研究相對較少，因此本研究以國Ⅵ柴油和煤制柴油為試驗用油進(jìn)行RDE 試驗，通過比對試驗結(jié)果，分析油品對實際道路排放結(jié)果的影響，為降低實際道路行駛污染物排放提供理論依據(jù)。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試驗設(shè)備

本次試驗選取長安凱程F70 為試驗樣車，相關(guān)參數(shù)如表1 所示，試驗車如圖1 所示。試驗測試所用設(shè)備為HORIBA-OBS-ONE 型號的PEMS 設(shè)備。PEMS 設(shè)備的技術(shù)參數(shù)如表2 所示，PEMS 設(shè)備如圖2 所示。

圖1 試驗樣車Fig.1 Test prototype

圖2 HORIBA-OBS-ONE PEMS 設(shè)備Fig.2 HORIBA-OBS-ONE PEMS equipment

表1 試驗樣車發(fā)動機(jī)參數(shù)Tab.1 Test prototype engine parameters

表2 HORIBA-OBS-ONE PEMS 技術(shù)參數(shù)Tab.2 HORIBA-OBS-ONE PEMS technical parameters

1.2 試驗油品

本次試驗采樣2 種油品，分別為國Ⅵ柴油和煤制柴油，相關(guān)油品信息如表3、表4 所示。

表3 試驗油品信息Tab.3 Test oil information

表4 油品的理化特性Tab.4 Physical and chemical characteristics of oils

1.3 試驗方法

依據(jù)國標(biāo)GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》測試細(xì)則進(jìn)行RDE 試驗。試驗開始前，確定試驗樣車Ⅰ型試驗的CO2排放量以及各速度段的CO2的排放量。把各測試模塊安裝在試驗樣車上，通電進(jìn)行熱機(jī)處理，熱機(jī)完畢后，對設(shè)備進(jìn)行泄露檢查、PN 零點檢查以及分析儀零點標(biāo)定，待準(zhǔn)備工作完成后開始試驗。為保證試驗路線市區(qū)、市郊、高速的里程占比，選擇圖3 所示的試驗路線，同時為確保試驗的合理、準(zhǔn)確性，每種油品做2 次試驗。

圖3 試驗路線Fig.3 Test route

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗合理性分析

根據(jù)法規(guī)要求，PEMS 驗證的試驗結(jié)果應(yīng)滿足表5 所示的允許誤差。國Ⅵ柴油和煤制柴油2 種油品，每種油品各做2 次試驗，試驗結(jié)果如表6 所示。由表6 可知，國Ⅵ柴油2 次結(jié)果的行駛里程、CO、NOX、PN 排放的誤差分別為1.4 km、10.2 mg/km、10.3 mg/km、1.74×1010個/km，各參數(shù)誤差均滿足法規(guī)允許誤差，因此國Ⅵ柴油2 組試驗準(zhǔn)確合理，符合要求。煤制柴油2 次結(jié)果的誤差分別為0 km、-9.3 mg/km、7.9 mg/km、0.63×1010個/km，各參數(shù)誤差均滿足法規(guī)允許誤差，因此煤制柴油的2 組試驗準(zhǔn)確合理，符合要求。綜上所述，國Ⅵ柴油、煤制柴油2 組試驗結(jié)果均符合允許誤差要求，試驗合理有效。

表5 允許誤差Tab.5 Allowable errors

表6 各油品總排放結(jié)果Tab.6 Total emissions by oil product

2.2 NOX 排放對比分析

法規(guī)要求市區(qū)、總行程的排放應(yīng)小于Ⅰ型限值與符合性因子的乘積。G6、D1 這2 種油品的NOX排放結(jié)果如圖4 所示。結(jié)果顯示，G6-1、G6-2、D1-1、D1-2 試驗的NOX排放結(jié)果均低于國標(biāo)限值73.5 mg/km，4 次試驗排放均符合法規(guī)要求。G6-1、G6-2 的2 次試驗市區(qū)、總行程的排放均值結(jié)果為35.8、28.3 mg/km；D1-1、D1-2 的2 次試驗市區(qū)、總行程的排放均值結(jié)果為27.8、24.7 mg/km。相較于G6 柴油，煤制油D1 的市區(qū)、總行程的排放結(jié)果下降了22.3%、12.7%，影響NOX排放增加的油品的理化特性有多環(huán)芳烴、密度、T90/T95 溫度[11]，而G6 柴油這些理化特性均高于煤制油D1，有導(dǎo)致NOX排放增加的趨勢。

圖4 G6-D1 NOX 排放因子對比圖Fig.4 Comparison chart of G6-D1 NOX emission factors

2.3 CO 排放對比分析

2 種油品G6、D1 的CO 排放結(jié)果如圖5 所示，可知4 次試驗結(jié)果均低于法規(guī)限值500 mg/km。從各階段排放結(jié)果看，市區(qū)、高速階段的CO 排放較高于市郊的排放。實際駕駛過程中CO 產(chǎn)生于高速大負(fù)荷工況以及烴類成分燃燒時的中間產(chǎn)物[12]，這與4 次試驗各階段排放趨勢保持一致。

圖5 G6-D1 CO 排放因子對比圖Fig.5 Comparison of G6-D1 CO emission factors

2 次G6 柴油市區(qū)、總行程CO 排放結(jié)果均優(yōu)異于2 次煤制油D1 的市區(qū)、總行程的CO 排放；2 次G6 試驗市區(qū)、總行程的排放均值為154.7、137.5 mg/km；煤制油D1 的2 次試驗市區(qū)、總行程的排放均值為170.6、150.3 mg/km。相較于G6 柴油，煤制油D1 的市區(qū)、總行程的排放結(jié)果上升了10.3%、9.3%。

理化特性方面，十六烷值的增加會導(dǎo)致CO 排放的下降，G6 柴油、煤制油D1 的十六烷值分別為59.9、53.7，因此G6 柴油的CO 排放較好于煤制油D1。試驗駕駛工況方面，4 次試驗各階段加速度a>0.1 m/s2次數(shù)如圖6 所示。其關(guān)系為：D1-2（1475）>G6-2（1408）>G6-1(1372)>D1-1（1326），市區(qū)階段加速度次數(shù)過多，導(dǎo)致燃料燃燒不充分，從而導(dǎo)致CO 排放量增加。

圖6 各階段加速度a>0.1 m/s2 次數(shù)Fig.6 Times of acceleration a>0.1 m/s2 of each stage

2.4 PN 排放對比分析

G6 柴油、煤制油D1 這2 種油品的PN 排放結(jié)果如圖7 所示。PN 產(chǎn)生于冷啟動階段和高速大負(fù)荷工況下，4 次試驗中市區(qū)、高速段的PN 排放均高于市郊階段，且試驗結(jié)果均符合法規(guī)要求。

圖7 G6-D1 PN 排放因子對比圖Fig.7 Comparison chart of G6-D1 PN emission factors

2 次G6 試驗市區(qū)、總行程PN 的排放均值結(jié)果為1.34×1010、9.79×109個/km；2 次煤制油D1 試驗市區(qū)、總行程PN 的排放均值結(jié)果為1.59×1010、1.43×1010mg/km。較低的十六烷值能夠促使PN 的生成，而煤制油D1 的十六烷值相對較小，故煤制油D1 的PN 排放相對較高。

3 結(jié)論

煤制油D1 的NOX排放相較對于國Ⅵ柴油具有一定的優(yōu)勢，市區(qū)、總行程排放下降22.3%、12.7%。煤制油D1 的CO 排放相較于G6 柴油較高，且市區(qū)、總行程的排放結(jié)果比G6 柴油上升了10.3%、9.3%；PN 排放同樣較高于G6 柴油。