輕型汽油車(chē)N2O排放特性研究

秦宏宇，王玉偉，劉樂(lè)

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心汽車(chē)試驗(yàn)研究所，天津 300300)

輕型汽油車(chē)N2O排放特性研究

秦宏宇，王玉偉，劉樂(lè)

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心汽車(chē)試驗(yàn)研究所，天津 300300)

選擇1輛滿(mǎn)足國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車(chē)作為試驗(yàn)樣車(chē)，應(yīng)用全流稀釋排放測(cè)試系統(tǒng)在FTP75和US06測(cè)試循環(huán)下，對(duì)車(chē)輛在不同測(cè)試工況下的N2O排放水平、車(chē)輛N2O排放的影響因素以及N2O排放隨著車(chē)輛里程增加的劣化情況進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：FTP75循環(huán)下的N2O排放結(jié)果高于US06循環(huán)，前者是后者的4倍左右；在冷起動(dòng)階段，由于催化劑沒(méi)有達(dá)到正常的工作溫度，車(chē)輛會(huì)產(chǎn)生較多的N2O排放，且隨著燃油硫含量的增加，車(chē)輛的N2O排放呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；隨著車(chē)輛里程的不斷增加，車(chē)輛的N2O排放存在一定程度的劣化。

輕型汽車(chē)；氮氧化物；排放測(cè)量

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，汽車(chē)帶來(lái)的污染越來(lái)越受到人們的重視。溫室氣體是汽車(chē)排放污染物的重要組成部分，汽車(chē)排放的溫室氣體中除了人們熟知的CO2外，還包含一種氮氧化物——N2O。N2O 能夠在較大范圍內(nèi)吸收紫外線(xiàn)，對(duì)溫室效應(yīng)和平流層臭氧減少都會(huì)產(chǎn)生影響，有數(shù)據(jù)表明，N2O對(duì)于溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率甚至超過(guò)了CO2[1]。美國(guó)加州環(huán)保局空氣資源委員會(huì)于2004年9月制訂了《機(jī)動(dòng)車(chē)溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)》并于2006年1月1日生效[2]，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的溫室氣體排放要求就包含了N2O。

煤和石油等礦物燃料的燃燒是重要的N2O排放源，隨著汽車(chē)保有量的不斷增加，汽車(chē)排放的N2O所占的比例正在逐漸上升。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于汽車(chē)N2O排放的研究還較少，而且多集中在排放因子和形成機(jī)理等方面。何立強(qiáng)等[3]對(duì)輕型汽油車(chē)的N2O排放因子進(jìn)行了研究，得出了國(guó)Ⅰ至國(guó)Ⅳ階段輕型汽油車(chē)N2O排放的分擔(dān)率隨排放標(biāo)準(zhǔn)的加嚴(yán)而不斷降低的結(jié)論。劉偉等[4]對(duì)通用小型汽油機(jī)N2O形成機(jī)理和影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)控制混合氣中還原性物質(zhì)的含量來(lái)控制N2O的生成。本研究在1輛符合國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)[5]的輕型汽油車(chē)上進(jìn)行了FTP75和US06工況循環(huán)下的N2O排放研究，了解掌握目前輕型汽油車(chē)的N2O排放水平，分析研究工況和油品因素對(duì)N2O排放的影響，并以FTP75為測(cè)試循環(huán)研究N2O排放隨著車(chē)輛里程增加的劣化情況。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)所用的輕型汽油車(chē)滿(mǎn)足中國(guó)第5階段排放標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)車(chē)輛的主要參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)車(chē)輛在FTP75和US06工況循環(huán)下進(jìn)行排放測(cè)試，采用AVL四輪驅(qū)動(dòng)型底盤(pán)測(cè)功機(jī)進(jìn)行阻力設(shè)定，采用HORIBA MEXA-1100QL排放分析系統(tǒng)(采用量子級(jí)聯(lián)激光器法測(cè)量)檢測(cè)汽車(chē)的N2O排放，試驗(yàn)中所使用的儀器還包括HORIBA CVS-7400T全流稀釋系統(tǒng)。

表1 試驗(yàn)車(chē)輛的主要參數(shù)

試驗(yàn)用油分為兩部分：第一部分燃油為符合輕型車(chē)國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的95號(hào)汽油，油品相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。第二部分燃油以國(guó)Ⅴ95號(hào)汽油為基礎(chǔ)油，分別使硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到30×10-6和100×10-6。試驗(yàn)車(chē)輛先以95號(hào)汽油為燃料進(jìn)行2次FTP75試驗(yàn)和2次US06試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后將車(chē)輛的油箱放空，更換為硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)30×10-6和100×10-6的燃油，使用每種燃油均進(jìn)行2次FTP75試驗(yàn)和2次US06試驗(yàn)。排放試驗(yàn)過(guò)程中的參數(shù)基本保持一致，包括預(yù)處理循環(huán)、駕駛員、浸車(chē)溫度、浸車(chē)時(shí)間、輪胎氣壓、試驗(yàn)前的機(jī)油溫度和冷卻液溫度等。然后試驗(yàn)車(chē)輛以95號(hào)汽油為燃料，按照GB 18352.5—2013《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第五階段)》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)(SRC)在耐久試驗(yàn)室的耐久底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行0～16×104km的里程累積，每行駛到10 000 km后以FTP75為測(cè)試循環(huán)進(jìn)行一次排放試驗(yàn)，每次排放試驗(yàn)由同一車(chē)輛駕駛員駕駛。標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)由7個(gè)運(yùn)行循環(huán)組成，每個(gè)循環(huán)的行駛里程為6 km，最高車(chē)速為129 km/h，包含怠速、平穩(wěn)加速、平穩(wěn)減速、等速、急加速和緩慢加速等運(yùn)行工況。該耐久性試驗(yàn)歷時(shí)6個(gè)月完成。

表2 95號(hào)汽油參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 N2O排放情況

圖1示出試驗(yàn)車(chē)輛以國(guó)Ⅴ95號(hào)汽油為燃料時(shí)在FTP75和US06工況循環(huán)下的N2O排放情況。從圖中可以看出，F(xiàn)TP75循環(huán)下和US06循環(huán)下2次試驗(yàn)結(jié)果均比較一致，但是車(chē)輛在FTP75循環(huán)下的N2O排放結(jié)果遠(yuǎn)高于US06循環(huán)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，F(xiàn)TP75循環(huán)下的N2O排放結(jié)果均值為0.008 g/km，US06循環(huán)下的N2O排放結(jié)果均值為0.002 g/km，前者是后者的4倍左右。

圖1 試驗(yàn)車(chē)輛N2O排放水平

2.2 工況循環(huán)對(duì)N2O排放的影響

圖2和圖3分別示出試驗(yàn)車(chē)輛在FTP75測(cè)試循環(huán)和US06測(cè)試循環(huán)下的N2O瞬態(tài)排放情況。圖4給出了車(chē)輛在2種工況下起動(dòng)后前100 s的N2O瞬態(tài)排放對(duì)比。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于FTP75工況，車(chē)輛在起動(dòng)開(kāi)始階段N2O排放出現(xiàn)較大的濃度峰值，在之后的運(yùn)行過(guò)程中N2O排放雖然仍產(chǎn)生較小峰值，但基本上趨于穩(wěn)定，在1 500 s時(shí)產(chǎn)生2倍平均值的峰值。對(duì)于US06工況來(lái)說(shuō)，在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)中雖然N2O排放也有高低起伏，但未產(chǎn)生較大的N2O濃度峰值。這可能是因?yàn)镕TP75為冷起動(dòng)工況，在車(chē)輛起動(dòng)后的開(kāi)始階段，催化劑還未達(dá)到穩(wěn)定的工作溫度，無(wú)法對(duì)排放的污染物進(jìn)行高效處理，而US06為熱起動(dòng)工況，催化劑已經(jīng)處于正常的工作溫度，車(chē)輛的冷起動(dòng)是產(chǎn)生較大的N2O濃度峰值的原因[6]。FTP75工況的第三階段開(kāi)始運(yùn)行前有10 min的停機(jī)，工況1 500 s時(shí)出現(xiàn)的N2O排放峰值可能是因?yàn)檐?chē)輛的再次起動(dòng)產(chǎn)生的。從圖4中可以明顯地看出兩個(gè)工況循環(huán)在開(kāi)始階段的N2O排放的巨大差別，F(xiàn)TP75循環(huán)下的N2O濃度峰值在3.5×10-6左右。

圖2 FTP75循環(huán)下的N2O瞬態(tài)排放

圖3 US06循環(huán)下的N2O瞬態(tài)排放

圖4 2個(gè)循環(huán)前100 s的N2O瞬態(tài)排放對(duì)比

2.3 油品硫含量對(duì)N2O排放的影響

圖5示出了車(chē)輛以含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5×10-6，30×10-6和100×10-6的汽油為燃料，以FTP75和US06為測(cè)試循環(huán)時(shí)的N2O排放情況。從圖中可以看出，不管使用高硫燃油還是低硫燃油，F(xiàn)TP75工況下的N2O排放始終高于US06工況。而且隨著燃油含硫量的增加，車(chē)輛的 N2O排放呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，無(wú)論是FTP75工況還是US06工況，使用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)100×10-6燃油時(shí)的N2O排放量均為使用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)5×10-6燃油時(shí)的2倍以上，并且燃用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)100×10-6燃油在FTP75工況下的N2O排放量超過(guò)了0.020 g/km。這是因?yàn)槿加椭械牧蚪?jīng)燃燒形成硫的氧化物，一方面阻止催化劑表面活性層上的催化反應(yīng)，并且使催化劑中的貴金屬中毒，另一方面能夠影響催化劑活性表面的氧存儲(chǔ)能力，還會(huì)因?yàn)榱蚧锏母采w導(dǎo)致需要處理的污染物無(wú)法到達(dá)催化劑表面。因此，燃油中的硫會(huì)對(duì)車(chē)輛的N2O排放產(chǎn)生較大的影響，使用含硫量較低的燃油是降低車(chē)輛N2O排放的重要手段之一。

圖5 使用不同硫含量燃油時(shí)的N2O排放情況

2.4 N2O排放的劣化情況

試驗(yàn)車(chē)輛按照標(biāo)準(zhǔn)道路循環(huán)(SRC)在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，從0 km開(kāi)始，每隔10 000 km(±400 km)進(jìn)行1次FTP75工況排放試驗(yàn)，直到160 000 km。將所有的N2O排放結(jié)果(0 km的N2O排放結(jié)果除外)作為行駛距離的函數(shù)進(jìn)行繪圖，并利用最小二乘法繪制出連接所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合直線(xiàn)，然后采用插值法計(jì)算出N2O的劣化系數(shù)，計(jì)算公式如下：

DF=M2-M1。

式中：DF為劣化系數(shù)；M2為160 000 km插入的N2O的排放量；M1為6 400 km插入的N2O的排放量。

圖6示出了試驗(yàn)車(chē)輛0～160 000 km過(guò)程中N2O排放的劣化情況。從圖中可以看出，隨著車(chē)輛里程的增加，車(chē)輛的N2O排放出現(xiàn)了一定程度的劣化，經(jīng)過(guò)計(jì)算，N2O的加法劣化系數(shù)為0.005 5。

圖6 車(chē)輛的N2O排放劣化情況

3 結(jié)論

a) 燃用國(guó)Ⅴ95號(hào)汽油時(shí)，車(chē)輛在FTP75循環(huán)下的N2O排放結(jié)果高于US06循環(huán)，前者是后者的4倍左右；

b) 工況循環(huán)對(duì)車(chē)輛的N2O排放有較大的影響，車(chē)輛在FTP75工況的冷起動(dòng)階段出現(xiàn)了較高的N2O排放峰值；

c) 燃油硫含量會(huì)對(duì)車(chē)輛的N2O排放產(chǎn)生影響，隨著燃油硫含量的增加，車(chē)輛的 N2O排放呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在FTP75和US06兩種工況下，燃用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)100×10-6燃油時(shí)的N2O排放量均為使用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)5×10-6燃油時(shí)的2倍以上；

d) 車(chē)輛在耐久試驗(yàn)過(guò)程中，隨著車(chē)輛里程的增加，N2O排放出現(xiàn)了一定程度的劣化，N2O的加法劣化系數(shù)為0.005 5。

[1] Hu Z，Lee J W，Chandran K，et al.Nitrous Oxide(N2O)Emission from Aquaculture： A Review[J].Environmental Science & Technology，2012，46(12)：6470-6480.

[2] 劉明明，徐偉.美國(guó)溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)立法評(píng)析及經(jīng)驗(yàn)借鑒[J].環(huán)境污染與防治，2012，34(8)：99-102.

[3] 何立強(qiáng)，胡京南，解淑霞，等.2010年中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)CH4和N2O排放清單[J].環(huán)境科學(xué)研究，2014，27(1)：28-35.

[4] 劉偉，劉勝吉，王建，等.通用小型汽油機(jī)N2O 形成機(jī)理及影響因素[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36(5)：203-206.

[5] 環(huán)境保護(hù)部.GB 18352.5—2013 輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第五階段)[S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2013.

[6] 武朋輝，李樹(shù)珉，安相璧，等.輕型汽車(chē)N2O排放物試驗(yàn)研究[J].輕型汽車(chē)技術(shù)，2006(12)：20-23.

N2OEmissionCharacteristicsofLight-dutyGasolineVehicle

QIN Hongyu,WANG Yuwei,LIU Le

(Auto Testing Research Institute of China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300300,China)

The N2O emission level, its influencing factors and its deterioration with driving mileage were analyzed by conducting FTP75 and US06 test cycles with full flow dilution system on a light-duty gasoline vehicle meeting China V emission standard. The results show that the N2O emission of FTP75 is about three times higher than that of US06. More N2O emission produces during the cold start phase because the reaction temperature of catalyst cannot be met and become more severe with the increase of sulfur content. Besides, N2O emission may also become worse with the increase of vehicle mileage.

light-duty vehicle;nitrogen oxide;emission measurement

2017-02-16;

2017-05-18

秦宏宇(1985—),男,碩士,主要研究方向?yàn)槠?chē)排放法規(guī)和排放測(cè)試技術(shù)研究；qinhongyu@catarc.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.014

TK411.5

B

1001-2222(2017)06-0071-04

[編輯: 李建新]