编辑: 笔墨随风 2019-12-14
2009年 (第 31卷 )第 1期汽车工程Automotive Engineering

2009 (Vol .

31) No.

1 2009015 城市客车 GT L燃料的全生命周期分析 原稿收到日期为 2008年 4月 18日 ,修改稿收到日期为 2008年 6月 6日. 张可,王贺武 ,李希浩 ,欧阳明高 (清华大学 ,汽车安全与节能国家重点实验室 ,北京 100084) [摘要 ] 通过发动机台架试验和道路运行 ,比较了城市客车使用天然气合成柴油 ( GTL)和普通柴油的能耗与 排放 ;

结合燃料生产阶段和运输过程的数据 ,分析和比较了两种燃料在城市客车上应用的全生命周期指标.结果表 明 ,与柴油相比 ,在全生命周期内 GTL的总能耗增加 63% ,石油消耗降低 91% ,排放有所恶化 ;

而在车辆应用阶段 , GTL在不同程度上改善了车辆的性能 ,其中以质量计的燃料经济性改善 5% , VOC, NOx , CO, PM 和SOx 等排放均有 大幅度的降低. 关键词 :生命周期分析 ;

天然气合成柴油 ;

城市客车 ;

能耗 ;

排放 Life Cycle Analysis of GTL Fuel for City Bus Zhang Ke, W ang Hewu, L i X ihao &

O uyang M inggao Tsinghua University, S tate Key Laboratory of Autom otive Safety and Energy, B eijing

100084 [ Abstract] The energy consumption and em ission of city bus fueled with gas2to2liquids (GTL) fuel and con2 ventional diesel are compared through engine bench test and road driving . Combined with the data in fuel production and transportation phases, the life cycle indicator of two fuels used in city bus is analyzed and compared. The re2 sults show that, compared with conventional diesel, in the total life cycle, the total energy consumption of GTL in2 creases by 63% , the petrol consumption reduces by 91% , and the em issions have certain deterioration;

while in vehicle operation stage, GTL fuel i mproves all the vehicle performances in different degree. The fuelmass consump2 tion decreases by 5% , and the em issions of VOC, NOx , CO, PM and SOx reduce by a big margin. Keywords: life cycle analysis;

GTL;

city bus;

energy consum ption;

em issions 前言 随着我国汽车保有量的不断增加 ,代用车用能 源得到越来越广泛的关注.天然气作为重要的代用 车用能源 ,其可以加以利用的形式包括 CNG、 LNG、 天然气制甲醇、 天然气制二甲醚、 天然气制氢气和天 然气合成柴油 ( GTL).其中 , GTL 可作为优质柴油 替代燃料 ,无须对车辆及燃料基础设施进行任何改 动 ,这对于在短时间内平衡我国成品油消费结构、 减 少柴油消耗量有着重要的作用.世界炼油业正面临 生产低硫和超低硫汽、 柴油以满足日益苛刻的环境 法规的挑战 ,将天然气转化成合成油的柴油燃料含 硫量小于

1 μg/g,这为生产清洁燃料开辟了一条新 途径. 为了全面考察 GTL对能源消耗及环境的影响 , 文中对其进行全生命周期评价 ,并与柴油进行对比 , 以考察 GTL作为柴油替代燃料的可行性. 目前对商用车乃至城市客车代用能源的生命周 期分析研究的文献比较少 ,主要是在乘用车的基础 上进行研究 ,研究重点偏重于上游燃料生产过程 ,对 下游车辆使用的研究多是基于软件模拟 [

1 -

5 ] ,文献 [

6 ]运用车辆仿真模型对乘用轿车进行生命周期能 效与排放的研究 ,文献 [

7 ]运用车辆仿真对商用货 车进行全生命周期分析 ,文献 [

8 ]中利用全生命周 期分析模型 GREET进行了系列研究. 文中以北京公交客车为研究载体 ,对进口的 GTL进行从燃料生产到车辆应用的生命周期内能 ・

70 ・ 汽车工程2009年 (第 31卷 )第 1期耗、 排放的评价研究 ,除燃料生产阶段使用国际相关 数据外 ,其余采用国内数据构建上游阶段的数据库 ;

对于车辆应用阶段 ,则以发动机台架循环 (欧Ⅲ排放 测试的 13工况 )测试结果为基础 ,结合实车道路运 行的数据 ,构建了其能耗和排放的数据库.

1 生命周期理论及方法 对于替代交通燃料的研究已经扩展到了全生命 周期 [

9 ] ,包括原料的开采、 运输 ,燃料的生产、 运输和 车辆的使用过程. 燃料生命周期的评价目标包括能源效率和排放 密度 ,均以车辆行驶 100km 里程为衡量指标.能源 消耗分为总能耗量 (表征总能源效率 ) 、 化石能源消 耗量 (表征对石油、 天然气、 煤炭等化石燃料的依赖 程度 )和石油消耗量 (表征对常规车辆能源的依赖 程度 ) ,单位为 MJ;

污染物排放包括常规污染物 (包括VOC、 CO、 NOx、PM10 及SOx 等)和温室气体(GHG,包括 CO2 、 CH4 和N2 O) ,单位为 g.这些考察 指标以 i表示. 生命周期计算方法如下. W TW i = REi + FEi +VEi (1) 式中 W TW i 为车辆使用某种燃料时 i指标的量;

REi 为原料开采阶段 i指标的量 ,通过计算获得;

FEi 为 燃料生产阶段 i指标的量 , 通过计算获得;

VEi 为车 辆使用阶段 i指标的量 ,由实验直接获得. R Ei = Fuel * R aw *∑R Pi, j *(1 + R PEi, j ) + R Ti *(1 + R TEi ) (2) 式中 Fuel为车辆行驶单位里程的终端燃料消耗量 , 为 i指标总能耗时 VEi 的值;

Raw 为生产单位终端燃 料需要的原料量;

RPi, j 为开采一单位原料消耗的第 j 种过程燃料产生的 i指标的量;

RPEi, j为对于原料开 采阶段消耗的第 j种过程燃料 , 生产一单位该燃料 产生的 i指标的量;

RTi 为原料运输过程消耗的燃料 产生的 i指标的量;

RTEi 为对于原料运输过程消耗 的燃料 ,生产一单位该燃料产生的 i指标的量. 终端燃料生产阶段 i指标的量为 FEi = Fuel *∑ j FPi, j *(1 + FPEi, j ) + FTi *(1 + FTEi ) (3) 式中 FPi, j 为生产一单位终端燃料消耗的第 j种过程 燃料产生的 i指标的量;

FPEi, j为对于燃料生产阶段 消耗的第 j种过程燃料 ,生产单位该燃料产生的 i指 标的量;

FTi 为燃料运输过程消耗的燃料产生的 i指 标的量;

FTEi 为对于运输过程消耗的燃料 , 生产单 位该燃料所产生的 i指标的量.

2 燃料在城市客车上应用的能耗与排放

211 研究方法 对于车辆在运行过程中的排放 ,评价方法有道 路检测和实验室检测两种方法 [

10 -

11 ] .目前最常用 的方法是在实验室内利用发动机进行严格定义的工 况循环. 发动机实验的循环测试工况建立在对车辆行驶 工况进行了充分的研究和分析基础上 ,提取出最具 代表性的发动机工况 ,法规以该循环的排放结果表 征发动机实际使用的排放.因此 ,法规循环是真实 反应发动机状态的模型 ,可以认为欧 Ⅲ 法规的测试 循环与中国实际道路行驶工况具有一定的对应关 系[12 ] .然而在评估车辆道路运行中排放物数值的 方法上 ,欧Ⅲ法规并没有给出具体的建议.文中提 出利用燃料消耗作为桥梁 ,将发动机测试的排放数 值换算到车辆单位里程排放的评估方法. 在欧 Ⅲ 排放测试中 ,分别对 13个工况点的污染 物排放及其权值处理 ,获得排放的综合数值为 en = ∑

13 m =1 em, n * α m (4) 式中 m = 1, 2, …, 13,分别代表发动机实验中 13工 况循环中的工况点;

n为发动机实验中测得的排放 指标的项目 ,包括 NOx , CO, VOC, PM10 的排放 ;

en 为发动机实验中 , n指标的综合数值;

em, n为发动机 实验中 , m 工况点的 n指标的数值;

α m 为m工况点 所占的权重.PM10的数值在 13工况实验中为直接 测量值 ,在公式中引入各工况的虚拟 PM10值对计 算方法进行一致化处理. 在测试过程中还获得了各工况点的比油耗 ,经 处理获得比油耗的综合数值. b = ∑

13 m =1 bm * α m (5) 式中 b为发动机实验中 ,比油耗的综合数值;

bm 为发 动机实验中 , m 工况点的比油耗. 当认为车辆的实际运行工况接近欧 Ⅲ 排放测试 循环时 ,实际道路运行中 n指标的排放量 En 可以通 过式 (6)进行估算. En = en b * B *

1 000 (6) 式中 B 为车辆的 100km油耗.

2009 (Vol . 31) No.

1 张可 ,等 :城市客车 GTL燃料的全生命周期分析 ・

71 ・

212 研究对象 选择 8辆符合欧 Ⅲ 排放标准的在用公交车及其 相应的发动机作为研究对象 ,车辆基本参数见表 1, 测试车辆具有相似车龄和行驶里程 ,发动机为康明 斯ISBe220欧Ⅲ柴油发动机.车辆使用的燃料分别 为硫含量

50 *

10 -

6 的传统车用柴油和 GTL,两种燃 料的基本特性见表 2.可以看出 , GTL 的质量热值 比柴油高 218% ,而密度比柴油低 517% ,因而体积 热值比柴油低.其十六烷值比柴油高 3919% , GTL 的硫含量、 芳香烃含量远低于柴油 ,几乎为 0. 表1示范车辆的基本参数 客车型号 XMQ6118G 长/mm * 宽/mm * 高/mm

11 480 *

2 490 *

3 220 最大总质量 /kg

16 100 最大乘员数 /人78 发动机型号 Cummins ISBe220 最大功率 /kW (转速 / r・min -

1 )

162 (2 500) 最大转矩 /N・m (转速 / r・min -

1 )

820 (1 500) 排量 /mL

5 883 表2GTL 与传统柴油的基本特性参数对比 项目 GTL 柴油 密度 /g・cm -

3 01777

3 01824

1 硫含量 /mg・kg-

1 <

1 50 十六烷值

7417 5314 低热值 /kJ・kg-

1 43

709 42

500 芳香烃质量分数 /% <

011 1714 冷滤点 /° C -

18 -

13 213 发动机能耗、 排放 鉴于在使用 GTL 和传统柴油时发动机的动力 性变化小于 2% [

13 ] ,因此在 ESC工况点的选择上使 用传统柴油的测试工况点.通过对 3次ESC循环测 试结果平均 ,获得了两种燃料的能耗、 排放对比 ,见表3.可以看出使用 GTL 合成燃料后 ,比油耗有略 微的降低 ,而排放物则得到了不同程度的降低. 表3发动机循环测试下 GTL 和柴油的能耗和排放 g/ ( kW ・h) 比油耗 PM NOx CO HC 柴油

232113 01091

41315 01171

01091 GTL

230144 01061

41091 01138

01073 214 道路运行能耗 车辆道路运行在北京市公交公司

731 线路完 成 ,运行线路从城区的西北角到城区的东南角 ,覆盖 了市内典型的交通状况 ,包括启停频繁的拥堵路段、 交通状况较好的城市边缘路段、 快速主干路线等. 燃用 GTL 和柴油的车辆分别完成了

4 475和4180 km的运行 ,期间各车消耗的 GTL 和柴油燃料以及 燃料经济性如表 4. 表4示范车辆运行状况 燃料种类 车辆编号 累计示范 里程 /km 累计加 注量........

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