国V公交车实际道路排放特性研究*

郭佳栋，葛蕴珊，谭建伟，张学敏，余林啸，付明亮

(1.北京理工大学，汽车动力性与排放测试国家专业实验室，北京 100081； 2.中国农业大学工学院，北京 100193)



2015022

国V公交车实际道路排放特性研究*

郭佳栋1，葛蕴珊1，谭建伟1，张学敏2，余林啸1，付明亮1

(1.北京理工大学，汽车动力性与排放测试国家专业实验室，北京 100081； 2.中国农业大学工学院，北京 100193)

使用车载排放测试系统测试了北京市4种不同技术路线的14辆国V车辆的实际道路排放情况。结果表明，氧化催化器(DOC)能明显降低天然气公交车的CO排放，但其对THC的降排效果有待提高。采用EGR技术的天然气公交车在低速时NOx减排效果较柴油车好，但是高速时没有优势。使用SCR系统的柴油车CO和THC排放较低，但低速时NOx排放较高。而天然气车由于排气温度较高，加装SCR系统后可有效降低NOx排放，效果最理想。天然气公交车的颗粒物质量排放远低于柴油车，但是由于稀释方式的影响，其核模态的颗粒物数量较多。

公交车；柴油机；天然气；实际道路排放；后处理系统

前言

北京市公交车已经在2008年提前于全国实施了《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》(GB17691—2005)中的国IV阶段，并且满足国V要求的公交车在北京市已经占有一定的比例，在新增公交车中比例更大。目前，北京市的国V公交车从燃料上划分主要包括柴油车和天然气车两类。虽然两种内燃机在先进的燃烧方式和控制技术下，都可以通过排放型式认证，达到国V标准，但是由于柴油和天然气在燃料性质、燃料供给、压缩比以及着火和燃烧方式等很多方面存在很多不同之处[1]。使用两种燃料的车辆，后处理系统也不完全相同，因此对于不同的污染物，排放特性可能相差很大。本文中使用车载排放测试系统研究了北京市国V柴油车与天然气车在实际道路下的污染物排放，通过对比不同燃料以及不同后处理装置公交车的排放特性，探讨城市公交车排放存在的问题，并为其改进提出建议。

1 实验方案

1.1 测试车辆与实验路线

针对北京市国V公交车以柴油车和天然气车为主的情况，选择了5条公交线路进行实验，每条线路进行至少两辆车的测试，共计14辆车。每条线路的公交车都满足国V标准，但是在生产厂家、燃料以及后处理系统等方面各不相同。测试车辆的实验路线以及各种主要参数如表1所示，其中所有的车辆均为自动变速。由于相同线路公交车的行驶里程相近，表中列出的是每条线路行驶里程的平均值。

表1 测试车辆主要参数

测试过程中，测试车辆按照日常运行线路行驶，由于实验设备较多，噪声较大，因此没有载客，只进行正常进、出站，每次大约停靠10s左右，比正常的停靠时间稍短，以免影响乘客和其他车辆。每辆车进行2个往返行程的测试。

1.2 实验设备

本研究的实验设备主要包括semtech-DS气态污染物分析仪、电子低压冲击仪(ELPI)、两级稀释器、排气流量计、全球定位系统(GPS)接收器和便携式计算机等。其中semtech-DS用来测试尾气中CO2、CO、THC和NOx等污染物的浓度，排气流量计用来测量排气温度和体积流量，GPS接收器用来测量车辆的行驶速度。semtech的测试数据可以实时显示、记录并传输到便携式计算机上。样气经过两级稀释器后进入ELPI，该仪器可测量微粒的粒径分布和数量浓度。图1为实验设备在测试车辆上的安装图。全部仪器的电能由发电机供给。由于没有乘客，加装了50桶纯净水(约20kg/桶)作为模拟载荷。

2 数据处理

2.1 数据对正

由于整套系统包含semtech-DS和ELPI两个主要测试仪器，并且前者是由若干个模块组成的，因此车速、污染物浓度、排气流量以及颗粒物数量浓度等主要参数的延迟时间各不相同。本文中以排气流量(l/s)为基准，在excel软件中使用offset函数将各个参数进行时间对正，具体过程不再赘述。

2.2 颗粒物质量的计算

本文中使用的电子低压冲击仪根据空气动力学直径的不同将颗粒物分为12级(7nm～10μm)。该仪器通过充电器对排气中的颗粒物充电，然后利用颗粒物惯性的差异对不同粒径的颗粒物进行分级，并通过电流计测量每一级上实时收集的颗粒物的电荷数，从而计算不同粒径的颗粒物数量。

内燃机颗粒物分为核模态(5～50nm)、积聚模态(100～300nm)和粗粒子模态(>1μm)3种类型[2]，其中大部分集中在1μm以下，而大于1μm的粗粒子模态颗粒物主要是由通过热泳等现象附着在气缸壁或者排气管壁上的积聚物在瞬态条件下排出的，数量相对较少并且具有很大的不确定性和随机性[3]。因此本文中主要计算1μm以下的颗粒物质量，也就是对应ELPI的1～8级(7～949nm)。

但是，如果要计算不同粒径颗粒物的质量浓度，除了颗粒物的数量浓度外还须确定其密度。一般来说，颗粒物的粒径越小，其分形维数(fractal dimension)越接近于3[4]，说明其形状越接近于球体，密度也就越大；而粒径越大，分形维数越小，说明其内部的空隙越多，密度也就越小。由于采样方式、稀释空气温度、稀释比等因素的影响，颗粒物的密度很难确定，所以不同的研究者得出了不同的密度分布[5-6]。本文中使用文献[5]的结果，列于表2中。其中DL为每一级的截断直径，DU为下一级的截断直径，两者组成的区间为收集到该级的颗粒物的主要粒径范围，ρ为该级的颗粒物密度。

所以，颗粒物的总质量可以通过如下公式确定：

(1)

式中：m为颗粒物的总质量；Ni、Vi和ρi分别为ELPI第i级的颗粒物数量、体积和密度。而每一级的体积V是利用该级的中位直径DI计算求得，即

(2)

表2 电子低压冲击仪前8级的粒径范围和颗粒物密度

3 实验结果

测试的5条实验线路基本代表4种不同的国V重型车技术路线，如表3所示。虽然线路1和线路2的发动机厂商不一样，但都是加装SCR系统的柴油车，并且车型相同，实验结果表明，这两条线路的实验车辆在CO、THC、NOx等污染物排放方面特征相似，实验结果差距不大，因此两条线路的公交车可以归为一类技术路线。

表3 技术路线分类及代表线路

由于全部测试车辆的整备质量差距很小，并且载质量基本一致，所以主要使用以g/km为单位的排放因子对比各种技术路线的排放情况。通过对实验数据进行统计后发现(如表4所示)，各个公交线路的工况参数不完全相同，特别是在平均车速方面差别较大。为了使数据对比更可信，主要以5km/h为速度区间对实验结果进行平均计算，并在同样的速度区间内对不同技术路线的排放情况进行对比。

表4 各线路主要平均工况参数

3.1 CO

如图2所示，车速较低时，技术路线1和路线3的CO都很高并且相差不大，这是因为此时柴油机虽然空燃比较大，但是排气温度较低，一部分CO不能被彻底氧化[7]；而天然气发动机的空燃比相对较小但是燃烧温度较高，有利于CO的氧化。当车速上升时，天然气发动机的空燃比进一步减小并且接近于1，而柴油机的排气温度升高并且当量比仍然很大，所以此时天然气发动机的CO排放相对较高。

从图2中还可以看出，车速很低时，路线3的CO排放非常高，而带有DOC的路线2和路线4，在低速范围内就能将CO排放降低很多。这除了跟DOC的起燃温度相对SCR较低有关以外，还得益于天然气发动机较高的排气温度。因此城市公交车即使平均车速大都很低，加装DOC后也能使CO排放得到有效控制，对天然气公交车更加明显。

3.2 THC

从图3可以看出，柴油机的THC排放非常低，接近于零，而天然气内燃机的THC排放很高。除了因为天然气发动机的空燃比较小，这还和天然气的自燃温度较高有关系[8]。可以看出，路线2由于加装了DOC，THC排放比路线3降低了很多，但是同样带有DOC的路线4却与路线3相差不大，效果并不理想。这可能是因为天然气内燃机的THC排放主要是CH4，而CH4的着火温度比CO和大分子烃类高很多，因此传统的DOC对CH4的反应活性很低。由于CH4是一种温室效应比CO2高很多的气体，因此其排放需要引起重视，并专门针对CH4开发高活性的DOC催化剂。

3.3 NOx

如图4所示，路线1和路线2的NOx排放很高，而路线3和路线4低于前两者。

以NOx与CO2质量排放的比值NRC(g/kg)作对比可以更直观地看出各种技术路线NOx排放的区别[9]。如图5所示，技术路线1在低速范围内NOx排放很高，在中高速以后才逐渐降低，体现出SCR系统的优势。这主要是由于车速低时排气温度较低，达不到SCR系统喷射尿素的临界温度，即使喷射尿素反应效率也较低[10]。而路线2在整个速度范围内排放因子变化比路线1平缓，低速时NOx排放比路线1低，但是高速以后，NOx排放情况相对较高。路线3和路线4的NOx低排放显示了其SCR系统的高效率，这主要得益于天然气内燃机较高的排气温度。如图6所示，整个速度范围内，路线3和路线4的排气温度要比路线1高50℃左右。因此在车速较低时，天然气公交车的SCR系统就可以有效降低NOx排放，而这特别适合北京市的城市道路。

从图4中可以看出，同样是使用SCR技术，路线1的曲线一直下降并且速度很快，而路线3和路线4的NOx排放变化较慢，并且在25～40km/h之间有一个略微的高值，这可能是因为此时的空燃比和燃烧温度都很适合NOx的生成，因此NOx排放较高。同时该现象也表明，对于SCR系统，天然气的排气温度一直处于合适的范围，因此NOx的转化效率变化不大。而对于柴油机来说，车速增加带来的排气温度上升能大大增加SCR系统的催化效率，因此NOx排放随着车速迅速下降。在实际运行中，车速和排气温度是决定公交车特别是柴油车的SCR系统催化效果和NOx排放的关键因素。

3.4 颗粒物

不同技术路线的颗粒物数量(PN)和质量(PM)的排放因子见表5。可以看出，天然气公交车的颗粒物质量排放比柴油公交车低得多。这主要是因为相对于柴油，天然气为气态燃料且混合均匀，主要成分CH4不含有C-C键，因此积聚模态的微粒少得多。其中由于液化天然气纯度高，杂质少，使得路线4的颗粒物排放最低。路线2的颗粒物质量排放虽然低于柴油机，但是数量排放结果却相反。

表5 不同技术路线的颗粒物质量和数量整体排放因子

从图7中可以看出，造成这种现象的原因是路线2的核模态颗粒特别多。其原因是由于天然气发动机的排气温度比柴油机高，但采样时第一级稀释空气的温度都为190℃，因此将会导致天然气发动机排气在稀释过程中，挥发性有机物和硫酸盐等凝结成大量的核模态颗粒物。对于路线3和路线4，该现象也有所体现。

另外值得注意的是，由于粒径范围的限制，ELPI并未完全描绘出天然气公交车排气中的峰值形状，故该仪器对纳米级颗粒的分析范围有待扩展[11]。

4 结论

(1)通过研究发现，北京市国V公交车几种主要技术路线的污染物排放并不一致，特别是CO、PM和THC排放相差很大，NOx排放也各有特点。

(2)国V柴油车的CO和THC排放很低，但在车速较低时，发动机负荷和排气温度低，无法满足SCR系统工作要求，因此NOx排放很高。车速提高以后，SCR系统效率提高，有效降低了NOx排放。

(3)以天然气为燃料的国V车型，CO和THC排放较高，建议开发适合天然气燃料的DOC。

(4)国V天然气车如果仅仅通过EGR降低NOx，虽然低速时NOx低于加装SCR系统的柴油车，但是高速时NOx偏高。天然气车加装SCR系统后，由于排气温度比柴油机高，工作情况良好，在全速度范围内可以有效保证NOx的低排放。

(5)天然气发动机的微粒质量排放远低于柴油机。但是由于稀释方式的影响，部分天然气车辆出现了较高浓度的核模态微粒排放，使得天然气公交车的微粒数量排放比柴油车并没有明显降低甚至有所增加。

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致谢《汽车工程》杂志稿件评审专家

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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

*国家自然科学基金(51276021)资助。

原稿收到日期为2013年3月21日，修改稿收到日期为2013年6月27日。