輕型汽油車N2O排放影響因素的研究

秦宏宇

摘 要：以1輛滿足國五排放標準的輕型汽油車為試驗樣車，以三種不同含硫量的汽油為燃料，分別在FTP75和US06測試循環下，使用全流稀釋排放測試系統對車輛N2O排放的影響因素進行了研究。研究結果表明：測試工況會對車輛的N2O排放產生影響，在冷起動工況的開始階段，由于催化劑沒有達到正常的工作溫度，車輛會產生較多的N2O排放；無論何種工況，隨著燃油硫含量的增加，車輛的N2O排放呈現上升的趨勢；隨著車輛里程的不斷增加，車輛的N2O排放存在一定程度的劣化。

關鍵詞：N2O排放；工況；硫含量；里程

中圖分類號：TK417.126 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）04-0021-04

Abstract： A light-duty gasoline vehicle with meeting fifth stage emission standard is used to do a study on the effect factors of N2O emission， using three kinds of gasoline with different sulfur contents. The full flow dilution emission test system is applied under the FTP75 and US06 test cycle. The results show that the test condition has an influence on N2O emission. The vehicle will produce more N2O emission during the cold start phase because the catalyst does not meet the normal operating temperature. For all test cycles， there will be more N2O emission when sulfur content of the fuel increases. Furthermore， with the increasing of vehicle mileage， there is a certain degree of deterioration on the N2O emission.

Key Words： N2O Emission； Condition； Sulfur Content； Mileage

前 言

隨著汽車產業的高速發展，汽車帶來的污染越來越受到人們的重視。溫室氣體是汽車排放污染物的重要組成部分，汽車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會對環境產生較大的影響，是《京都議定書》規定的6種溫室氣體之一。它在大氣中的存留時間長，并可輸送到平流層，導致臭氧層破壞，引起臭氧空洞，加劇全球變暖。與二氧化碳相比，雖然N2O在大氣中的含量很低，屬于痕量氣體（trace gas），但其對全球氣候的增溫效應已經越來越顯著，有數據表明，N2O對于溫室效應的貢獻率甚至超過了CO2[1]。此外，N2O對人體的健康也會產生極大的危害。一氧化二氮俗稱“笑氣”，進入血液后會導致人體缺氧，長期吸食可能引起高血壓、暈厥，甚至心臟病發作。長期接觸此類氣體還可引起貧血及中樞神經系統損害等。如果超量攝入，很可能因為缺氧導致窒息死亡。美國加州環保局空氣資源委員會于2004年9月制訂了《機動車溫室氣體排放標準》并于2006年1月1日生效[2]， 標準中規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，但隨著汽車保有量的不斷增加，汽車排放的N2O所占的比例正在逐漸上升。目前國內對于汽車N2O排放的研究還比較少，而且多集中在排放因子和形成機理等方面，如何立強等[3]對輕型汽油車的N2O排放因子進行了研究，得出了從國Ⅰ～國Ⅳ階段輕型汽油車N2O排放的分擔率隨排放標準的加嚴而不斷降低的結論。劉偉等[4]對通用小型汽油機N2O形成機理和影響因素進行了研究，發現可以通過控制混合氣中還原性物質的含量來控制N2O的生成。本文在1輛符合國五排放標準[5]的的輕型汽油車上進行了N2O排放影響因素的研究，分析研究工況循環、油品硫含量和車輛里程的增加對N2O排放的影響。

1 試驗設備與方法

試驗所用的某公司生產的輕型汽油車滿足中國第五階段排放標準，試驗車輛的主要參數如表1所示。試驗車輛在FTP75和US06工況循環下進行排放測試，采用奧地利AVL公司生產的四輪驅動型底盤測功機進行阻力設定，使用日本HORIBA公司生產的MEXA-1100QL型排放分析系統（采用量子級聯激光器法測量）檢測汽車的N2O排放，試驗中所使用的主要儀器設備見表2。

試驗用油分為兩部分：第一部分燃油為符合輕型車國五標準的硫含量為2.8ppm的95#汽油，油品相關參數見表3。第二部分燃油以硫含量2.8ppm的國五95#汽油為基礎油，分別增加硫含量到50ppm和150ppm。

試驗車輛先以硫含量2.8ppm的95#汽油為燃料進行2次FTP75試驗和2次US06試驗，試驗結束后將車輛的油箱放空，更換為硫含量50ppm和150ppm的燃油，使用每種燃油均進行2次FTP75試驗和2次US06試驗。每次排放試驗過程中的相關參數基本保持一致，包括預處理循環、駕駛員、浸車溫度、浸車時間、輪胎氣壓、試驗前的機油溫度和冷卻液溫度等。然后試驗車輛以硫含量2.8ppm的95#汽油為燃料，按照輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）中的整車耐久試驗循環（AMA）在底盤測功機上進行0-80000km的里程累積，每行駛到一萬公里后進行一次車輛常規保養，并以FTP75為測試循環進行一次排放試驗，每一萬公里的排放試驗由同一車輛駕駛員駕駛。

2 試驗結果分析

2.1 工況循環對N2O排放的影響

圖1為試驗車輛以硫含量2.8ppm的國五95#汽油為燃料時在FTP75和US06工況循環下的N2O排放情況。從圖中可以看出，FTP75循環下的兩次試驗結果和US06循環下的兩次試驗結果均比較一致，但是車輛在FTP75循環下的N2O排放結果遠遠高于US06循環，經過計算，FTP75循環下的N2O排放結果均值為0.011g/km ，US06循環下的N2O排放結果均值為0.003g/km ，前者達到了后者的3倍以上。

圖2和圖3分別為試驗車輛在FTP75測試循環和US06測試循環下的N2O瞬態排放情況。圖4給出了車輛運行FTP75和US06工況時的起動后前100s的N2O瞬態濃度變化情況。從圖中可以發現，對于FTP75工況，車輛在起動的開始階段N2O排放出現較大的濃度峰值，在之后的運行過程中N2O排放雖然仍產生較小峰值，但基本上趨于穩定。對于US06工況來說，在整個運轉循環中雖然N2O排放也有高低起伏，但未產生較大的N2O濃度峰值。這可能是因為FTP75為冷起動工況，在車輛起動后的開始階段，催化劑還未達到穩定的工作溫度，無法對排放的污染物進行高效地處理，而US06為熱起動工況，催化劑已經處于正常的工作溫度，車輛的冷起動是產生較大的N2O濃度峰值的原因[6]。從圖4中可以明顯地看出兩個工況循環在開始階段的N2O排放的巨大差別，FTP75循環下的N2O濃度峰值在5.5ppm左右。

2.2 油品硫含量對N2O排放的影響

圖5給出了車輛以含硫量為2.8ppm、50ppm和150ppm的汽油為燃料，以FTP75和US06為測試循環時的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，FTP75工況下的N2O排放始終高于US06。而且隨著燃油硫含量的增加，車輛的 N2O排放呈現出上升的趨勢，無論是FTP75工況還是US06工況，使用含硫量150ppm燃油時的N2O排放量都是使用含硫量2.8ppm燃油時的3倍以上，并且車輛燃用含硫量150ppm燃油在FTP75工況下的N2O排放量超過了0.035g/km。因此可以推斷出，燃油中的硫含量會對車輛的N2O排放產生較大的影響，使用含硫量較低的燃油是降低車輛N2O排放的重要手段之一。

2.3 車輛里程對N2O排放的影響

試驗車輛按照循環（AMA）在底盤測功機上進行耐久性試驗，從0km開始，每隔10000km（±400km）進行1次FTP75工況排放試驗，以固定的間隔直到80000km。將所有的N2O排放結果（0km的N2O排放結果除外）作為行駛距離的函數進行繪圖，并利用最小二乘法繪制出連接所有數據點的擬合直線，然后采用插值法計算出N2O的劣化系數，計算公式如下：

圖6給出了試驗車輛從0km到80000km過程中N2O排放的劣化情況。從圖中可以看出，隨著車輛里程的增加，車輛的N2O排放出現了一定程度的劣化，經過計算，N2O的乘法劣化系數為1.4448。

3 結 論

1、工況循環對車輛的N2O排放有較大的影響，燃用含硫量2.8ppm的國五95#汽油時，車輛在FTP75循環下的N2O排放結果高于US06循環，前者達到了后者的3倍以上。車輛在FTP75工況的冷起動階段出現了較高的N2O排放峰值，這可能是因為催化劑沒有達到正常的工作溫度而造成的。

2、燃油的硫含量會對車輛的N2O排放產生影響，隨著燃油硫含量的增加，車輛的 N2O排放呈現出上升的趨勢，在FTP75和US06兩種工況下，使用含硫量150ppm燃油時的N2O排放量都是使用含硫量2.8ppm燃油時的3倍以上。

3、車輛在耐久試驗過程中，隨著車輛里程的增加，N2O排放出現了一定程度的劣化，N2O的乘法劣化系數為1.4448。

參考文獻：

[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. 美國溫室氣體排放標準立法評析及經驗借鑒[J]. 環境污染與防治， 2012， 34（8）：99-102.

[3]何立強， 胡京南， 解淑霞等. 2010年中國機動車CH4和N2O排放清單[J]. 環境科學研究， 2014， 27（1）：28-35.

[4]劉偉， 劉勝吉， 王建等. 通用小型汽油機N2O 形成機理及影響因素[J]. 中國農機化學報， 2015， 36（5）：203-206.

[5]環境保護部.GB18352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》[S].北京：中國環境科學出版社， 2013.

[6]武朋輝， 李樹珉， 安相璧等. 輕型汽車N2O排放物試驗研究[J]. 輕型汽車技術， 2006（12）：20-23.