國六輕型汽油車溫室氣體排放特征

尹黛霖,艾力力,溫 溢 (中國汽車技術研究中心有限公司,天津 300300)

隨著全球氣候變化問題的日益突出,減少溫室氣體排放已成為環(huán)境保護的重要目標.交通運輸是影響我國碳達峰、優(yōu)化空氣質量的重點領域[1-5].隨著國民經濟穩(wěn)步增長,汽車行業(yè)快速發(fā)展.根據官方統(tǒng)計數(shù)據顯示,到2022 年底我國汽車的保有量已達到3.19 億輛[6].與車輛活動密切相關的溫室氣體有CO2、CH4和N2O[7].全球交通運輸行業(yè)排放的CO2占所有能源相關CO2排放的23%[8].研究表明,機動車排放的N2O 僅占溫室氣體的1%～2%[14],N2O 可能來自NH3與NO 或NO2之間的反應或是在催化器中生成的NH4NO3的分解[10-14].國六法規(guī)GB 18352.6-2016 中要求每臺車輛在常溫下的N2O 排放不得超過20mg/km[15].CH4可以通過汽油燃料的部分氧化形成[16],與CO2和N2O 相比,CH4在大氣中的停留時間較短,約8～9 年[17].

目前,國內外對車輛溫室氣體排放的研究主要是采用臺架試驗,車載測試和模型估算3 種方法.近年來,大量學者針對車輛溫室氣體的排放特征進行了研究:國內何立強等[18],鐘瀚程等[19]對實車在不同工況下進行測試,得到CH4和N2O 的排放因子;唐偉等[20],李光華等[21],Zeng 等[22]利用IVE, MOVES,Gompertz 等計算模型建立了不同基準年的溫室氣體排放清單,Zeng 等[22]還對未來溫室氣體排放量進行了預測;王亞超等[23]利用WLTC 循環(huán)測試了車輛在不同溫度點下的CO2排放特征.國外學者也開展了眾多研究:Clairotte 等[24]監(jiān)測到歐5b 至歐6d 的輕型車輛CH4和N2O 平均排放因子均為7mg/km;Sirithian 等[25]測量了泰國輕型車的CO2和CH4平均排放系數(shù)分別為 232.25g/km 和9.50mg/km; Selleri等[26]利用全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)工況(World Light Vehicle Test Cycle,WLTC)和實際行駛排放(Real Drive Emission,RDE)測試程序,對3 種插電式混合動力汽車進行測試,發(fā)現(xiàn)混合動力汽車的污染物和二氧化碳排放都明顯減少.國內車輛目前在駕駛過程中的溫室氣體產生水平仍有待進一步研究.

為了量化國六車輛溫室氣體排放情況,本文在試驗室工況下對車輛的溫室氣體排放進行研究,選用WLTC 作為測試循環(huán),選用傳統(tǒng)燃油輕型車與混合動力輕型車,分析其溫室氣體排放特性,旨在為下階段制定溫室氣體有關的法規(guī)政策提供參考.

1 試驗設備與方法

1.1 試驗車輛

本文共選擇了33 輛1.5L 排量傳統(tǒng)燃油車(ICE)以及45 輛2.0L 排量的傳統(tǒng)燃油車,其中包括了不同技術路線的車輛,1.5L 排量車輛的整備質量區(qū)間為1000～ 2000kg,2.0L 排量車輛的整備質量區(qū)間為1500～ 2500kg,此外,還選取了6 輛不可插電式混合動力車輛(HEV)進行對比.測試車輛涵蓋市售主流品牌,如表1 所示,為試驗車輛的具體參數(shù),所有車輛均滿足國六排放標準,各車的行駛里程均在2 萬km以內.

表1 試驗車輛參數(shù)Table 1 Parameters of the test vehicle

1.2 試驗設備

CH4分析儀為非甲烷截止器(NMC)+氫火焰離子化(FID)型,NMC 組件包含一個加熱的催化劑,可去除樣氣中除甲烷以外的所有碳氫化合物,再用火焰離子化檢測器來測定甲烷的濃度.N2O 采用量子級聯(lián)激光N2O 分析儀(QCL).表2 中為本研究使用的主要測試設備,所有設備均符合國六標準的測試要求.需在底盤測功機上依照WLTC 曲線駕駛車輛,將車輛尾氣通入稀釋通道,通過排放分析系統(tǒng)測量稀釋后的氣體得到CO2、CH4、N2O 3 種氣體濃度,再根據排氣容積、污染物密度、測試循環(huán)的實際行駛距離等參數(shù)計算出各污染物的排放量(mg/km).

表2 試驗設備Table 2 Equipment

1.3 折算方法

每種溫室氣體都有其引起全球變暖的不同能力,為了更好地衡量各物質產生溫室效應的指數(shù)大小,引入全球變暖潛能值(GWP).因CO2對全球變暖的影響最大,將CO2作為參照氣體,各種溫室氣體的溫室效應對應于相同效應的CO2的質量,全球變暖潛能值表示這些氣體在不同時間內在大氣中保持綜合影響及其吸收外逸熱紅外輻射的相對作用,通常以20 年、100 年、500 年來衡量,如表3 所示.本研究中采用100 年的GWP 值,CH4的GWP 值為25,N2O 的GWP 值為296[27].

表3 全球變暖潛值(GWP)Table 3 Global warming potential (GWP)

2 結果與討論

2.1 試驗車輛排放情況

2.1.1 A 組車輛 如圖1 所示,試驗車輛的CO2、CH4、N2O 3 種溫室氣體分布在1.4×105～1.5×105,2.0～3.0,0.5～1.0mg/km 區(qū)間的數(shù)量最多,分別占總數(shù)量的27.3%、48.5%、39.4%,可以看出,CH4、N2O 兩種氣體的排放值結果相對集中,而 CO2的排放值結果各車輛的差異性較大,因為不同車輛的CO2排放差異主要取決于燃料燃燒效率,而CH4和N2O 的生成受催化器的活性影響較大,本文選用的車輛均為低里程車輛,催化器能力較強,因此CH4和N2O 的差異不顯著.

圖1 A 組各區(qū)間車輛數(shù)量分布Fig.1 Distribution of vehicle quantity in each section of group A

其中CO2排放的最大值為204100.41mg/km,最小值為135911.68mg/km,平均159820.49mg/km;CH4排放的最大值為4.80mg/km,最小值為0.43mg/km,平均2.27mg/km;N2O 排放的最大值為4.18mg/km,最小值為0.37mg/km,平均1.09mg/km.車輛尾氣中的CO2排放仍是溫室氣體的主要來源,CH4和N2O的排放量級相對較小,但其對環(huán)境的影響還將進一步考慮其全球變暖潛能值的影響.

1～27 號車輛均為渦輪增壓車輛,28～33 號車輛均為自然吸氣車輛,自然吸氣進氣方式的車輛的CO2、CH4、N2O 3 種溫室氣體排放均保持在較低水平.

2.1.2 B 組車輛 如圖 2 所示,試驗車輛的CO2、CH4、N2O 3 種溫室氣體排放量分布在1.4×105～1.6×105、2.0～2.5、0.6～0.8mg/km 區(qū)間的數(shù)量最多,分別占總數(shù)量的37.8%、24.4%、24.4%.與圖1 相比,3 種溫室氣體高密度分布區(qū)間大致相同,CH4、N2O 兩種氣體的排放值結果較1.5L 排量車輛相對分散,因大排量車輛通常具有更復雜的發(fā)動機設計,增加了CH4和N2O 的排放不確定性.

圖2 B 組車輛溫室氣體排放分布Fig.2 Distribution of vehicle quantity in each section of group B

其中CO2排放的最大值為252852.89mg/km,最小值為124508.86mg/km,平均值為174674.32mg/km;CH4排放的最大值為5.60mg/km,最小值為0.85mg/km,平均2.14mg/km;N2O 排放的最大值為2.35mg/km,最小值為0.11mg/km,平均0.77mg/km.

與圖1 中1.5L 排量的車輛對比可知,CO2排放基本呈現(xiàn)隨排量增大而上升的趨勢,平均排放增加了9.3%,但CH4和N2O 的規(guī)律不明顯.此外,隨著排量增大,自然吸氣方式的車輛對溫室氣體的減排效果也削減,其中CO2和CH42 種進氣方式差異不大,但自然吸氣車輛的N2O 甚至高于渦輪增壓車輛.

目前國六排放標準中只針對N2O 設置了限值,國六的N2O 排放限值為20mg/km,可以看出本研究所有車輛的N2O 排放遠小于限值,最高的排放值也僅為限值的20.9%,裕度較大.現(xiàn)階段針對溫室氣體并未形成嚴格的法規(guī),為緩解全球變暖的趨勢,后續(xù)有進一步完善和加嚴的必要.

與何立強等[16]的研究結果相比,可以發(fā)現(xiàn)國六車輛的CH4和N2O 排放水平較國四及國四以前車輛下減小了10 倍左右,CO2平均的排放因子也降低約20%.國六標準要求車輛采用更高效的燃燒技術,通過改進尾氣處理系統(tǒng),有效降低了溫室氣體的排放量,但后續(xù)仍要持續(xù)進行監(jiān)管.

2.2 全球變暖潛值折算量

利用全球變暖潛值將CH4、N2O 折算為CO2當量,得到了折算后各試驗車輛的CO2相對增長率,增長率按照式(1)進行計算:

式中:RCO2為相對增長率,Mi為各車CH4或N2O 的排放,MCO2為各車CO2的排放.

從圖3 中可以看出,雖然各車CH4、N2O 兩者的排放相當,但由于N2O 的GWP 值較大,N2O 引起的CO2增長明顯高于CH4,CH4引起的CO2增長率為0.01%～0.06%,N2O 引起的CO2增長率為0.07%～0.64%,總的CO2增長率為0.10%～0.68%.因車輛CO2排放的基數(shù)較大,CH4、N2O 兩者折算后的CO2相對增長率數(shù)值均小于1%,但根據折算值看,N2O 排放最高的18 號車輛CO2折算值也達到了1245.6mg/km,其產生的溫室效應影響也不容小覷.折算后A 組車輛總的CO2排放范圍為136178.7～204770.1mg/km.

圖3 A 組車輛折算后CO2 增長率Fig.3 CO2 growth rate after conversion of group A vehicles

如圖4 所示,CH4引起的CO2增長率為0.01%～0.08%,N2O 引起的CO2增長率為0.02%～0.31%,總的CO2增長率為0.04%～0.34%.整體上看,2.0L 排量車輛的CH4、N2O 折算成后的增長率較1.5L 排量的車輛有所下降.折算后B 組車輛總的CO2排放范圍為124696.9～252957.6mg/km.

圖4 B 組車輛折算后CO2 增長率Fig.4 CO2 growth rate after conversion of groupB vehicles

2.3 溫室氣體排放影響因素分析

2.3.1 單位質量的CO2排放 從車輛的排放數(shù)據來看,隨著整備質量的增大,車輛產生高溫室氣體排放的概率也隨之增大.因為較大的車重導致更大的阻力和能量損失,從而增加了溫室氣體的產生.為研究在單位車重下的溫室氣體排放情況,將CH4和N2O 利用全球變暖潛值折算后的CO2排放總量(g)除以車輛的整備質量(kg),得到了單位質量下的CO2排放系數(shù),如圖5 所示,2 種類型車輛單位質量下的CO2排放的最大值相近,但1.5L 排量車輛的最小值高于2.0L 排量車輛,此外,1.5L 車輛單位質量CO2排放系數(shù)的均值和中位數(shù)也高于2.0L 排量車輛.一般來說,排量越大,發(fā)動機的功率和扭矩也會相應增加,較大的排量車輛發(fā)動機的輸出能力更強,排量較大的車輛往往具有更高的動力性能,因此2.0L 排量車輛單位質量CO2排放系數(shù)略小.

圖5 單位質量的CO2 排放系數(shù)Fig.5 CO2 emission coefficient per unit mass

2.3.2 進氣方式 如圖6 所示,車輛的噴油方式均為缸內直噴,其中21 號和34 號車輛為同一品牌,14號和33 號車輛為同一品牌.可以發(fā)現(xiàn),自然吸氣車輛的溫室氣體排放量較渦輪增壓車輛有明顯的降低,其中第一組車輛降低了39.9%,第二組車輛降低了28.9%.自然吸氣技術是利用大氣壓將空氣壓入燃燒室,而增壓技術是利用廢氣能量驅動渦輪帶動壓氣機工作,提升進氣壓力和充氣量,大幅提升汽油機的動力性[28].渦輪增壓發(fā)動機消耗了更多的燃料,也導致缸內溫度較高,為溫室氣體的生成創(chuàng)造了有利條件.

圖6 不同進氣方式車輛的溫室氣體排放對比Fig.6 Comparison of greenhouse gas emissions with different intake methods

2.3.2 噴油方式 如圖7 所示,車輛的進氣方式均為渦輪增壓,其中22 號和29 號車輛為同一品牌,27號和28 號車輛為同一品牌.GDI 為直接將燃油噴到燃燒缸內,噴油和油氣混合都在缸內進行,使得噴油時間和油量以及油氣混合的控制更加精準,GDI 可以提高發(fā)動機效率并減少燃料消耗,從而減少CO2的排放,因此,GDI 發(fā)動機原則上較PFI 發(fā)動機排放更少的CO2.但從圖7可以看出,兩組車輛的PFI發(fā)動機都比GDI 發(fā)動機產生更少的溫室氣體,其中第一組車輛降低了25.0%,第二組車輛降低了41.4%.雖然同組車輛為相同品牌,但車輛的各項配置差異較大,GDI 的發(fā)動機的優(yōu)勢并不能抵消溫室氣體的增加量,出現(xiàn)了搭載GDI 發(fā)動機的車輛CO2總量更高的現(xiàn)象.未來對溫室氣體的監(jiān)管中,還應多考慮不同車輛技術路線的差異,繼續(xù)深入研究影響溫室氣體的各項因素.

圖7 不同噴油方式車輛的溫室氣體排放對比Fig.7 Comparison of greenhouse gas emissions with different fuel injection methods

2.4 混合動力車輛的減碳效益

混合動力車輛有電量平衡(CS)、電量消耗(CD)、電量增加(CI)3 種模式,CS 模式下的電池電量在某個SOC 平衡點附近波動,從整個測試循環(huán)看,電池的能量基本不參與驅動,因此本研究的混動車輛均在CS 模式下進行測試.選擇與混合動力車輛的各項參數(shù)盡量接近的傳統(tǒng)燃油車進行對比,選擇A 組中的16 號、20 號、23 號車輛與C 組中的1～3 號渦輪增壓直噴車輛對比,選擇A 組中的31 號、32 號、33 號車輛與C 組中的4～6 號自然吸氣進氣道噴射車輛對比,如圖8 所示.

圖8 混動車輛與燃油車溫室氣體排放對比Fig.8 Comparison of greenhouse gas emissions between hybrid vehicles and fuel vehicles

對于相同發(fā)動機排量的車輛,混合動力車輛的整備質量平均重約20%,而溫室氣體排放量則降低約23.4%～27.9%,其中渦輪增壓直噴車輛的CO2降低38.8%,CH4降低107.6%,N2O 降低12.6%,自然吸氣進氣道噴射車輛的CO2降低23.4%,CH4降低37.8%,N2O 降低53.4%.無論何種進氣方式或噴油方式,混合動力車輛的溫室氣體排放均有較大幅度的降低,未來大力發(fā)展新能源汽車有助于實現(xiàn)減碳目標.

3 結論

3.1 CO2排放隨著排量增大而上升,2.0L 排量的平均排放量比1.5L 排量車輛增加了9.3%;但CH4和N2O 的規(guī)律不明顯,因大排量車輛有更復雜的發(fā)動機設計增加了CH4和N2O 的排放不確定性.

3.2 1.5L 排量和2.0L 排量車輛的CH4和N2O 經溫室氣體變暖潛值轉換后引起的CO2增長率都小于1%,CO2排放仍是輕型車溫室氣體的主要來源,CH4和N2O 的占比較小.

3.3 相同發(fā)動機排量的車輛,混合動力車輛的整備質量重約20%,而溫室氣體排放量則降低23.4%～27.9%.

3.4 隨著整備質量的增大,車輛產生高溫室氣體排放的概率也隨之增大.但2.0L 排量車輛單位質量CO2排放系數(shù)略小.

3.5 自然吸氣車輛的溫室氣體排放量較渦輪增壓車輛降低,PFI發(fā)動機與GDI發(fā)動機的減碳效應還應繼續(xù)研究.