煤制油整车实际道路行驶排放的研究

2023-08-27高章赵凯孙城黄金秋

农业装备与车辆工程 2023年8期

高章，赵凯，孙城，黄金秋

（213000 江苏省常州市中汽研汽车检验中心(常州)有限公司）

0 引言

近几年，随着我国政府对大气污染、雾霾等问题的重视，汽车尾气排放标准不断更新，且要求越来越严格。相较于国Ⅴ法规，国Ⅵ法规新增了实际道路行驶排放（RDE）试验[1-2]。国Ⅵ排放法规的更新促进了油品品质的提升、发动机技术的升级以及后处理技术的改进。

国内外诸多科研团队对国标的更新及油品研发进行了研究。李永伦等[3]在带有DOC+POC+SCR后处理发动机上测试3 种煤制油和2 种国标柴油的排放特性，试验表明煤制柴油的排放性能较好；强艳飞等[4]借助仿真软件模拟、分析、对比了煤制油和石化柴油的燃烧与排放特性，对比结果表明：在低转速工况下，煤制油的功率降幅较小。燃烧煤制油的缸内压力低于石化柴油，但放热峰值高于石化柴油。煤制油各污染物的排放量均低于石化柴油；Singh 等[5]以生物柴油为研究对象，从十六烷值、含氧量、燃料密度以及发动机的运行状况（转速和负荷）等方面分析了对NOX排放的影响；唐为义等[6]在4 种不同海拔的环境下进行RDE 试验，分析对比了不同海拔下PN 的排放特性。研究发现，PN 的排放随发动机负荷的减小、海拔的增高而减小；马志磊等[7]以传动比为研究变量，分析其对动力学特性和排放的影响，并得出结论，调节传动比能够有效减少实际行驶污染物的排放；Kinga 等[8]以混合动力汽车为试验对象进行了RDE 试验，并根据试验结果对法规提出了修改意见，测试时间缩短到60～90 min，且各阶段路程保持在16 km 左右，能够减少冷启动阶段对城市工况排放的影响；石则强等[9]通过实验室间的RDE 试验比对研究发现，影响试验结果的主要因素为分析仪的精度、环境扩展条件以及数据对齐等；邓蛟等[10]研究了环境温度对RDE 试验结果的影响，发现随着环境温度的升高，各污染物冷启动排放占比随之减少。

纵观国内外研究现状，发现当前对煤制油应用于轻型车实际道路行驶排放试验的研究相对较少，因此本研究以国Ⅵ柴油和煤制柴油为试验用油进行RDE 试验，通过比对试验结果，分析油品对实际道路排放结果的影响，为降低实际道路行驶污染物排放提供理论依据。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

本次试验选取长安凯程F70 为试验样车，相关参数如表1 所示，试验车如图1 所示。试验测试所用设备为HORIBA-OBS-ONE 型号的PEMS 设备。PEMS 设备的技术参数如表2 所示，PEMS 设备如图2 所示。

图1 试验样车Fig.1 Test prototype

图2 HORIBA-OBS-ONE PEMS 设备Fig.2 HORIBA-OBS-ONE PEMS equipment

表1 试验样车发动机参数Tab.1 Test prototype engine parameters

表2 HORIBA-OBS-ONE PEMS 技术参数Tab.2 HORIBA-OBS-ONE PEMS technical parameters

1.2 试验油品

本次试验采样2 种油品，分别为国Ⅵ柴油和煤制柴油，相关油品信息如表3、表4 所示。

表3 试验油品信息Tab.3 Test oil information

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

1.3 试验方法

依据国标GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》测试细则进行RDE 试验。试验开始前，确定试验样车Ⅰ型试验的CO2排放量以及各速度段的CO2的排放量。把各测试模块安装在试验样车上，通电进行热机处理，热机完毕后，对设备进行泄露检查、PN 零点检查以及分析仪零点标定，待准备工作完成后开始试验。为保证试验路线市区、市郊、高速的里程占比，选择图3 所示的试验路线，同时为确保试验的合理、准确性，每种油品做2 次试验。

图3 试验路线Fig.3 Test route

2 试验结果与分析

2.1 试验合理性分析

根据法规要求，PEMS 验证的试验结果应满足表5 所示的允许误差。国Ⅵ柴油和煤制柴油2 种油品，每种油品各做2 次试验，试验结果如表6 所示。由表6 可知，国Ⅵ柴油2 次结果的行驶里程、CO、NOX、PN 排放的误差分别为1.4 km、10.2 mg/km、10.3 mg/km、1.74×1010个/km，各参数误差均满足法规允许误差，因此国Ⅵ柴油2 组试验准确合理，符合要求。煤制柴油2 次结果的误差分别为0 km、-9.3 mg/km、7.9 mg/km、0.63×1010个/km，各参数误差均满足法规允许误差，因此煤制柴油的2 组试验准确合理，符合要求。综上所述，国Ⅵ柴油、煤制柴油2 组试验结果均符合允许误差要求，试验合理有效。

表5 允许误差Tab.5 Allowable errors

表6 各油品总排放结果Tab.6 Total emissions by oil product

2.2 NOX 排放对比分析

法规要求市区、总行程的排放应小于Ⅰ型限值与符合性因子的乘积。G6、D1 这2 种油品的NOX排放结果如图4 所示。结果显示，G6-1、G6-2、D1-1、D1-2 试验的NOX排放结果均低于国标限值73.5 mg/km，4 次试验排放均符合法规要求。G6-1、G6-2 的2 次试验市区、总行程的排放均值结果为35.8、28.3 mg/km；D1-1、D1-2 的2 次试验市区、总行程的排放均值结果为27.8、24.7 mg/km。相较于G6 柴油，煤制油D1 的市区、总行程的排放结果下降了22.3%、12.7%，影响NOX排放增加的油品的理化特性有多环芳烃、密度、T90/T95 温度[11]，而G6 柴油这些理化特性均高于煤制油D1，有导致NOX排放增加的趋势。

图4 G6-D1 NOX 排放因子对比图Fig.4 Comparison chart of G6-D1 NOX emission factors

2.3 CO 排放对比分析

2 种油品G6、D1 的CO 排放结果如图5 所示，可知4 次试验结果均低于法规限值500 mg/km。从各阶段排放结果看，市区、高速阶段的CO 排放较高于市郊的排放。实际驾驶过程中CO 产生于高速大负荷工况以及烃类成分燃烧时的中间产物[12]，这与4 次试验各阶段排放趋势保持一致。

图5 G6-D1 CO 排放因子对比图Fig.5 Comparison of G6-D1 CO emission factors

2 次G6 柴油市区、总行程CO 排放结果均优异于2 次煤制油D1 的市区、总行程的CO 排放；2 次G6 试验市区、总行程的排放均值为154.7、137.5 mg/km；煤制油D1 的2 次试验市区、总行程的排放均值为170.6、150.3 mg/km。相较于G6 柴油，煤制油D1 的市区、总行程的排放结果上升了10.3%、9.3%。

理化特性方面，十六烷值的增加会导致CO 排放的下降，G6 柴油、煤制油D1 的十六烷值分别为59.9、53.7，因此G6 柴油的CO 排放较好于煤制油D1。试验驾驶工况方面，4 次试验各阶段加速度a>0.1 m/s2次数如图6 所示。其关系为：D1-2（1475）>G6-2（1408）>G6-1(1372)>D1-1（1326），市区阶段加速度次数过多，导致燃料燃烧不充分，从而导致CO 排放量增加。

图6 各阶段加速度a>0.1 m/s2 次数Fig.6 Times of acceleration a>0.1 m/s2 of each stage

2.4 PN 排放对比分析

G6 柴油、煤制油D1 这2 种油品的PN 排放结果如图7 所示。PN 产生于冷启动阶段和高速大负荷工况下，4 次试验中市区、高速段的PN 排放均高于市郊阶段，且试验结果均符合法规要求。

图7 G6-D1 PN 排放因子对比图Fig.7 Comparison chart of G6-D1 PN emission factors

2 次G6 试验市区、总行程PN 的排放均值结果为1.34×1010、9.79×109个/km；2 次煤制油D1 试验市区、总行程PN 的排放均值结果为1.59×1010、1.43×1010mg/km。较低的十六烷值能够促使PN 的生成，而煤制油D1 的十六烷值相对较小，故煤制油D1 的PN 排放相对较高。