評價汽油車溫室氣體排放的試驗方法

【日】 山本敏朗

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評價汽油車溫室氣體排放的試驗方法

【日】 山本敏朗

溫室氣體包括CO2、N2O及CH4。由于N2O和CH4的排放特性受催化劑溫度的影響較為顯著，因此，著眼于道路坡度及冷機時間(從發動機停機到再次起動的時間)對催化劑溫度的影響進行研究，以尋找評價汽油車溫室氣體排放的試驗方法。由試驗結果發現，在短時間冷機之后發動機重新起動時，道路坡度的影響較小，且N2O排放呈增加趨勢。并且，由于汽油車在實際使用中經常會出現短時間停車的情況，因此認為，在評價汽油車溫室氣體排放的過程中，短時間冷機條件下的試驗是必不可少的。

汽油車 溫室氣體 催化劑 道路坡度 冷機時間 評價試驗

0 前言

自2012年起，美國環境保護署(EPA)在空氣凈化法規中，將小型車排放廢氣中的溫室氣體列為空氣污染物質，并規定了排放限值。在此，溫室氣體是指CO2、N2O及CH43種成分。如將CO2的溫室效應系數設為1，則N2O的溫室效應達310倍，CH4的溫室效應達21倍[1]。尤其是N2O排放，在間歇性起動-停止發動機的汽油混合動力車，以及配裝NH3凈化氮氧化物(NOx)的尿素選擇性催化還原(SCR)系統的柴油車上較為明顯，因此，不僅要掌握CO2的實際排放情況，而且還必須對N2O及CH4的實際排放情況有明確的了解。另一方面，在日本，雖基于燃油耗標準，汽車制造商已普遍采取降低CO2排放的技術對策，但對于從汽車尾氣管中排放的N2O及CH4，則尚未采取相關的技術措施。今后，將著眼于混合動力車及配裝尿素SCR系統的柴油車等車型的排放性能，就溫室氣體排放法規及排放性能的評價試驗方法進行詳細的探討。

首先，為了了解使用三效催化轉化器作為排氣凈化裝置的汽油車(含汽油混合動力車)的溫室氣體排放情況，在底盤測功器試驗臺上，依次采用多輛試驗車，進行工況運轉試驗，并利用傅里葉變換紅外(FTIR)分析儀，對排放的溫室氣體進行連續分析。由于N2O和CH4的排放特性受催化劑溫度的影響較為顯著，因此，為了把握車輛在道路上行駛時2種成分的排放情況，必須對道路坡度及發動機冷機時間(從發動機停機到再次起動的時間)對催化劑溫度造成的影響進行分析和調查。為此，本次研究中，根據車輛的實際使用狀況，在改變道路坡度及冷機時間等運行條件的情況下進行試驗。然后，以試驗結果為基礎，分析道路坡度及冷機時間對溫室氣體排放造成的影響，同時，就汽油車在市區道路行駛時的溫室氣體排放評價試驗方法進行考察。

1 試驗方法

本次試驗是在底盤測功器試驗臺上設置試驗車輛，按日本JC08工況進行運轉試驗，并連續分析車輛的排氣成分。試驗車輛大致可分為3類：(1) 能滿足日本新長期排放法規要求的混合動力乘用車，即A車和B車；(2) 能滿足新長期排放法規要求的普通車輛(C車)、小型車(D車)，以及日本獨有的發動機排量為660mL的“K-car”車型(E車)；(3) 能滿足日本新短期排放法規要求的F車。表1列出各試驗車輛的主要技術規格。采用新開發的車載式FTIR分析儀，按0.2s的采樣間隔，對N2O、CH4及CO2等排氣成分進行連續分析。另外，還采用定容稀釋采樣法(CVS)，獲得排氣質量換算所必需的瞬態排氣流量。利用底盤測功器試驗臺控制，在行駛阻力的滾動阻力基礎上增加或減去道路坡度的阻力，以設定道路坡度條件(坡度+2%或坡度-2%)。熱起動試驗是在恒定車速60km/h的條件下，經20min的暖機運轉后實施試驗。此外，冷起動試驗是在JC08工況運轉之后，分別經發動機冷機2h和16h后進行試驗，對于C車和F車，則分別增加1h和4h的冷機時間。在此，設定道路坡度±2%的條件是因為在日本東京都交通圈干道上坡度超過2%的道路區間約占10%的緣故[2]。另外，冷機時間2h是以家用汽油乘用車，以及商業用途的汽油乘用車在1天中的冷機時間與起動次數等數據為依據決定的[3]。

表1 試驗車輛的主要技術規格

2 試驗結果及考察

2.1 道路坡度及冷機時間對溫室氣體排放的影響

通常情況下，汽車的行駛路徑是從出發地出發，經由各種坡度的道路到達目的地后，再由原路返回出發地點。為此，假定車輛出發地到目的地之間具有平均坡度(海拔高度差/水平距離)的道路上行駛，將在該道路上經上坡及下坡行駛后返回出發點的排放量，與假定車輛行駛在平坦道路上的排放量進行比較，從而宏觀地評價道路坡度對溫室氣體排放的影響。本次研究中，為評價道路坡度的影響，是假定在以JC08工況為代表的市區道路上行駛，在東京主干道中出現頻率較高的2%坡道上進行上坡及下坡行駛試驗，并將此時的溫室氣體平均排放量與在平坦道路(坡度0%)上按JC08工況行駛的溫室氣體排放量進行比較。此外，為了調查在目的地短時間停車導致的冷卻水溫及催化劑溫度降低等因素對之后車輛起步時排放性能的影響，在JC08工況運轉后增加了短時間冷機的冷起動條件，冷機時間分別為1h、2h和4h。

圖1、圖2和圖3分別示出了A車、B車和C車在改變發動機起動條件和道路坡度條件的情況下，按JC08工況運轉時的CO2、N2O及CH4排放量。另外，在圖1～3中，還假設JC08工況熱起動時的排放指數為100，標出了在各種試驗條件下的相對排放，以及在上坡與下坡行駛時的平均排放量。由圖1～3中的結果可知，N2O的排放雖受道路坡度的一定影響，但其排放量也隨車輛的不同而有所差異。CH4排放在道路坡度的影響下，在混合動力車中呈減少趨勢，在汽油車中呈增加趨勢。另一方面，在JC08工況下，所有車輛在坡度+2%及坡度-2%時的CO2排放平均值均比坡度0%時的值要大。

其次，調查了冷機時間對CH4、N2O及CO2排放的影響。由圖3～6的結果可知，汽油車的CH4排放在很大程度上取決于催化轉化器的氧化分辨率，而與發動機冷機時間之間并不存在相關性。此外，試驗所用汽油車的N2O排放量雖有一定差異，但在所有車輛上，相比冷起動條件(16h冷機)，2h冷機條件下的N2O排放均更高。同時，比較全部試驗車輛的CO2排放后可知，相比冷起動條件(16h冷機)，2h冷機條件下的CO2排放量更少。這是因為2h冷機后的發動機冷卻水溫度并不像16h冷機之后的那么低[4]，因而，燃油耗也沒有16h冷機條件下的那么高。

2.2 發動機起動時的N2O排放機理

由圖2～圖6的結果可知，在B車、C車、D車、E車及F車上，相比冷起動條件(16h冷機)，2h冷機條件下的N2O排放量均更高。根據發動機起動時的N2O及NH3排放動態分析其原因。圖7為使用C車進行試驗的分析結果。在16h及2h冷機條件下，至發動機起動后60s的時間內，NH3排放極少，但此時可觀測到N2O排放出現峰值。汽油車行駛時所排放的N2O可解釋為是空燃比向濃混合比變動時，在催化劑層生成了NH3，而在催化劑溫度低于400 ℃的低溫區域，NH3被空燃比向稀混合比變動時引入的O2及NOx所氧化，最后生成了N2O[5-6]。發動機起動后的60s期間，在16h冷機條件下，催化劑溫度低于400 ℃，而在2h冷機條件下，催化劑溫度將低于200 ℃，2h冷機條件下的催化劑溫度更低，所以在催化劑層中將難以生成NH3。圖8為驗證上述現象的結果。在圖8中，同樣示出了2h冷機條件下，發動機起動時催化劑前后的N2O及NH3排放動態對比結果。起動之后的N2O大部分不是由發動機排放的。另外，在發動機起動后約50s期間，催化轉化器中不生成NH3。基于上述試驗結果可知，圖7及圖8中冷機之后出現N2O排放峰值的原因如下：(1) 發動機停止運轉時滯留在催化轉化器及排氣管中的NH3在催化劑層中轉換為被吸附的N2O，并在冷機后的發動機起動時被排出；(2) 發動機停止運轉時滯留在催化轉化器及排氣管中的NH3作為NH3及氫氧化銨(冷機過程中因催化劑的冷卻所生成)等被吸附在催化劑層上，并且在冷機過程中，以及在冷機后的發動機起動時被氧化生成N2O，進而被排出。

為驗證上述假設，使用F車，調查冷機時間從1h增加至16h時發動機起動后60s期間的N2O排放動態。圖9為試驗結果，由圖9可知，隨著冷機時間的增加，N2O排放峰值隨之降低。這里，假設NH3是作為氫氧化銨吸附在催化劑層上，由于氫氧化銨的沸點為24.7 ℃(濃度32%時)，所以，盡管催化劑的溫度隨著冷機時間的延長而降低，但在25 ℃室內環境下實施冷機試驗的情況下，隨著冷機時間的增加，氫氧化銨蒸發，催化劑層上的NH3吸附量減少，這被認為是形成上述N2O排放特性的原因。此外，在假定催化劑層上吸附N2O的情況也是如此，隨著冷機時間的延長，N2O逐漸脫離或擴散，并從排氣管中排出，同樣形成了上述N2O排放特性。

2.3 N2O及CH4在溫室氣體排放中的份額

采用A車、B車及C車，在不同的發動機起動條件及道路坡度條件下，按JC08工況實施運轉試驗時CO2、N2O及CH4在溫室氣體排放中所占的份額(按CO2換算的質量分數)。在此，將CO2、N2O及CH4的溫室效應系數分別設為1、310和21，用式(1)計算溫室氣體排放量：

溫室氣體排放量=CO2排放量+

N2O排放量×310+CH4排放量×21

(1)

另外，根據圖10所示結果，還可得出以下結論。在所有試驗條件下，A車、B車及C車在冷起動時的N2O排放在溫室氣體中所占的份額都要比熱起動時的高。尤其是在車輛起步時發動機起動的情況下，B車及C車經2h冷機后的N2O排放比率分別增加0.7%和1.5%。此外，A車在坡度-2%的條件及冷起動條件(包括2h冷機后)下，在催化劑溫度降低的行駛條件下，其CH4排放在溫室氣體排放中所占份額也有所增加。

2.4 用于評價溫室氣體排放量的試驗方法

由于汽油車所排放的N2O及CH4在較大程度上依賴于催化劑的溫度，因此，本次研究中，著眼于實際行駛時的道路坡度及冷機時間對催化劑溫度的影響進行探討。

道路坡度雖然會對N2O及CH4排放產生一定影響，但N2O和CH4這兩種成分在溫室氣體排放中所占份額極小，總共不到0.4%。另外，由于道路坡度的影響，CO2排放會有幾個百分點的增加。由于坡度超過2%的道路區間約占試驗區域道路的10%，因此可以推測，在整個試驗區域，由于道路坡度的影響，溫室氣體排放量的增加不會超過1%。為此，在東京交通圈主干道上進行試驗時，可以將道路坡度條件的試驗排除在外。

在實際試驗中，驗證得知，發動機冷機時間會對N2O排放產生較大的影響。為此，在評價溫室氣體排放時，這將作為重要的試驗條件。圖11示出了日本的商業用途汽油車在1天中不同冷機時間的起動次數比率。這是按1998年3月日本石油行業活性化中心所提出的“汽車使用實態調查報告書”中的數據繪制的[3]。由圖11可知，冷機時間不滿2h的起動次數占比達40%以上，說明以往的冷起動試驗(冷機時間6～36h)是不符合商業用途車輛的實際使用狀況的。因此，在溫室氣體排放量的評價中，必須開展短時間冷機條件下的試驗驗證[7-8]。

3 今后的課題

基于本次研究的結果，了解到汽油車在發動機起動時的N2O排放會受到冷機時間的影響。但是，關于其詳細機理，尚處于假設階段，因此，必須采用各種手段和方法予以實際的驗證。今后，有必要在了解上述機理的基礎上，提出具體的評價方案。

4 結語

由于汽油車的N2O及CH4排放受催化劑溫度的影響，因此，著眼于實際行駛中道路坡度條件及發動機冷機時間對催化劑溫度的影響，討論了評價汽油車溫室氣體排放的試驗方法，其結論如下：

(1) 在日本東京交通圈主干道上，坡度超過2%的道路區間約占10%，由此推測整個道路區間的溫室氣體排放增加不會超過1%。因此認為，在上述道路條件下，可以不考慮道路坡度這一影響因素。

(2) 由于短時間冷機條件下N2O排放呈增大趨勢，并且在實際使用情況下，冷機時間不滿2h的起

動次數超過40%(商業用途汽油車)，因此，在溫室氣體排放的評價中，短時間冷機條件下的試驗是必不可少的。

[1] 溫室効果ガス排出量算定/報告/公表制度,算定/報告/公表制度における算定方法/排出係數一覧[OL].http：∥ghg-santeikohyo,env.go.jp/calc.

[2] 山本敏朗,ほか.車載計測システムを用いた実路走行時の環境負荷量の計測及び増大要因の解析(第2報):排出ガス有害成分の増大要因となるエンジン制御狀態に関する考察[G].自動車技術會論文集,2007,38(6):229-234.

[3] PRTR屆出外排出量の推計方法等に係わる資料,補足資料3:自動車に関する補足資料[OL].http：∥www.meti.go.jp/pllicy/chemical_management/law/prtr/h14kohyo/todokedegais-anshutudata.htm.

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[7] 山本敏朗,ほか.ガソリン車から排出される溫室効果ガス(GHG)の評価試験方法に関する考察[C].平成23年度交通安全環境研究所フォーラム2011講演概要,2011:77-80.

[8] 山本敏朗,ほか.始動時にガソリン車から排出されるN2OのFTIR分析:ソーク條件の影響[G].自動車技術會論文集,2013,44(1):157-163.

彭惠民 譯自 自動車技術，2014，68(7)

朱曉蓉 校

朱曉蓉 編輯

2014-12-26)