輕型汽油車(chē)N2O排放影響因素的研究

秦宏宇

摘 要：以1輛滿足國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車(chē)為試驗(yàn)樣車(chē)，以三種不同含硫量的汽油為燃料，分別在FTP75和US06測(cè)試循環(huán)下，使用全流稀釋排放測(cè)試系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛N2O排放的影響因素進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明：測(cè)試工況會(huì)對(duì)車(chē)輛的N2O排放產(chǎn)生影響，在冷起動(dòng)工況的開(kāi)始階段，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；無(wú)論何種工況，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。

關(guān)鍵詞：N2O排放；工況；硫含量；里程

中圖分類(lèi)號(hào)：TK417.126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(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會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，是《京都議定書(shū)》規(guī)定的6種溫室氣體之一。它在大氣中的存留時(shí)間長(zhǎng)，并可輸送到平流層，導(dǎo)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(duì)全球氣候的增溫效應(yīng)已經(jīng)越來(lái)越顯著，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]。此外，N2O對(duì)人體的健康也會(huì)產(chǎn)生極大的危害。一氧化二氮俗稱“笑氣”，進(jìn)入血液后會(huì)導(dǎo)致人體缺氧，長(zhǎng)期吸食可能引起高血壓、暈厥，甚至心臟病發(fā)作。長(zhǎng)期接觸此類(lèi)氣體還可引起貧血及中樞神經(jīng)系統(tǒng)損害等。如果超量攝入，很可能因?yàn)槿毖鯇?dǎo)致窒息死亡。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，但隨著汽車(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排放的研究還比較少，而且多集中在排放因子和形成機(jī)理等方面，如何立強(qiáng)等[3]對(duì)輕型汽油車(chē)的N2O排放因子進(jìn)行了研究，得出了從國(guó)Ⅰ～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。本文在1輛符合國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)[5]的的輕型汽油車(chē)上進(jìn)行了N2O排放影響因素的研究，分析研究工況循環(huán)、油品硫含量和車(chē)輛里程的增加對(duì)N2O排放的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)所用的某公司生產(chǎn)的輕型汽油車(chē)滿足中國(guó)第五階段排放標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)車(chē)輛的主要參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)車(chē)輛在FTP75和US06工況循環(huán)下進(jìn)行排放測(cè)試，采用奧地利AVL公司生產(chǎn)的四輪驅(qū)動(dòng)型底盤(pán)測(cè)功機(jī)進(jìn)行阻力設(shè)定，使用日本HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA-1100QL型排放分析系統(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)中所使用的主要儀器設(shè)備見(jiàn)表2。

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)五標(biāo)準(zhǔn)的硫含量為2.8ppm的95#汽油，油品相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3。第二部分燃油以硫含量2.8ppm的國(guó)五95#汽油為基礎(chǔ)油，分別增加硫含量到50ppm和150ppm。

試驗(yàn)車(chē)輛先以硫含量2.8ppm的95#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，更換為硫含量50ppm和150ppm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)。每次排放試驗(yàn)過(guò)程中的相關(guān)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)輛以硫含量2.8ppm的95#汽油為燃料，按照輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）中的整車(chē)耐久試驗(yàn)循環(huán)（AMA）在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行0-80000km的里程累積，每行駛到一萬(wàn)公里后進(jìn)行一次車(chē)輛常規(guī)保養(yǎng)，并以FTP75為測(cè)試循環(huán)進(jìn)行一次排放試驗(yàn)，每一萬(wàn)公里的排放試驗(yàn)由同一車(chē)輛駕駛員駕駛。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 工況循環(huán)對(duì)N2O排放的影響

圖1為試驗(yàn)車(chē)輛以硫含量2.8ppm的國(guó)五95#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)下的兩次試驗(yàn)結(jié)果和US06循環(huán)下的兩次試驗(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)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0.011g/km ，US06循環(huán)下的N2O排放結(jié)果均值為0.003g/km ，前者達(dá)到了后者的3倍以上。

圖2和圖3分別為試驗(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)輛運(yùn)行FTP75和US06工況時(shí)的起動(dòng)后前100s的N2O瞬態(tài)濃度變化情況。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于FTP75工況，車(chē)輛在起動(dòng)的開(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。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)行高效地處理，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]。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5.5ppm左右。

2.2 油品硫含量對(duì)N2O排放的影響

圖5給出了車(chē)輛以含硫量為2.8ppm、50ppm和150ppm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。而且隨著燃油硫含量的增加，車(chē)輛的 N2O排放呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，無(wú)論是FTP75工況還是US06工況，使用含硫量150ppm燃油時(shí)的N2O排放量都是使用含硫量2.8ppm燃油時(shí)的3倍以上，并且車(chē)輛燃用含硫量150ppm燃油在FTP75工況下的N2O排放量超過(guò)了0.035g/km。因此可以推斷出，燃油中的硫含量會(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。

2.3 車(chē)輛里程對(duì)N2O排放的影響

試驗(yàn)車(chē)輛按照循環(huán)（AMA）在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，從0km開(kāi)始，每隔10000km（±400km）進(jìn)行1次FTP75工況排放試驗(yàn)，以固定的間隔直到80000km。將所有的N2O排放結(jié)果（0km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，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：

圖6給出了試驗(yàn)車(chē)輛從0km到80000km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的乘法劣化系數(shù)為1.4448。

3 結(jié) 論

1、工況循環(huán)對(duì)車(chē)輛的N2O排放有較大的影響，燃用含硫量2.8ppm的國(guó)五95#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)，前者達(dá)到了后者的3倍以上。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，這可能是因?yàn)榇呋瘎](méi)有達(dá)到正常的工作溫度而造成的。

2、燃油的硫含量會(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)出上升的趨勢(shì)，在FTP75和US06兩種工況下，使用含硫量150ppm燃油時(shí)的N2O排放量都是使用含硫量2.8ppm燃油時(shí)的3倍以上。

3、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的乘法劣化系數(shù)為1.4448。

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