評(píng)價(jià)汽油車(chē)溫室氣體排放的試驗(yàn)方法

【日】 山本敏朗

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評(píng)價(jià)汽油車(chē)溫室氣體排放的試驗(yàn)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(jī)時(shí)間(從發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)到再次起動(dòng)的時(shí)間)對(duì)催化劑溫度的影響進(jìn)行研究，以尋找評(píng)價(jià)汽油車(chē)溫室氣體排放的試驗(yàn)方法。由試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在短時(shí)間冷機(jī)之后發(fā)動(dòng)機(jī)重新起動(dòng)時(shí)，道路坡度的影響較小，且N2O排放呈增加趨勢(shì)。并且，由于汽油車(chē)在實(shí)際使用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間停車(chē)的情況，因此認(rèn)為，在評(píng)價(jià)汽油車(chē)溫室氣體排放的過(guò)程中，短時(shí)間冷機(jī)條件下的試驗(yàn)是必不可少的。

汽油車(chē) 溫室氣體 催化劑 道路坡度 冷機(jī)時(shí)間 評(píng)價(jià)試驗(yàn)

0 前言

自2012年起，美國(guó)環(huán)境保護(hù)署(EPA)在空氣凈化法規(guī)中，將小型車(chē)排放廢氣中的溫室氣體列為空氣污染物質(zhì)，并規(guī)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(yīng)系數(shù)設(shè)為1，則N2O的溫室效應(yīng)達(dá)310倍，CH4的溫室效應(yīng)達(dá)21倍[1]。尤其是N2O排放，在間歇性起動(dòng)-停止發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油混合動(dòng)力車(chē)，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(tǒng)的柴油車(chē)上較為明顯，因此，不僅要掌握CO2的實(shí)際排放情況，而且還必須對(duì)N2O及CH4的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)，汽車(chē)制造商已普遍采取降低CO2排放的技術(shù)對(duì)策，但對(duì)于從汽車(chē)尾氣管中排放的N2O及CH4，則尚未采取相關(guān)的技術(shù)措施。今后，將著眼于混合動(dòng)力車(chē)及配裝尿素SCR系統(tǒng)的柴油車(chē)等車(chē)型的排放性能，就溫室氣體排放法規(guī)及排放性能的評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法進(jìn)行詳細(xì)的探討。

首先，為了了解使用三效催化轉(zhuǎn)化器作為排氣凈化裝置的汽油車(chē)(含汽油混合動(dòng)力車(chē))的溫室氣體排放情況，在底盤(pán)測(cè)功器試驗(yàn)臺(tái)上，依次采用多輛試驗(yàn)車(chē)，進(jìn)行工況運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，并利用傅里葉變換紅外(FTIR)分析儀，對(duì)排放的溫室氣體進(jìn)行連續(xù)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(chē)輛在道路上行駛時(shí)2種成分的排放情況，必須對(duì)道路坡度及發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)時(shí)間(從發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)到再次起動(dòng)的時(shí)間)對(duì)催化劑溫度造成的影響進(jìn)行分析和調(diào)查。為此，本次研究中，根據(jù)車(chē)輛的實(shí)際使用狀況，在改變道路坡度及冷機(jī)時(shí)間等運(yùn)行條件的情況下進(jìn)行試驗(yàn)。然后，以試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，分析道路坡度及冷機(jī)時(shí)間對(duì)溫室氣體排放造成的影響，同時(shí)，就汽油車(chē)在市區(qū)道路行駛時(shí)的溫室氣體排放評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法進(jìn)行考察。

1 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)是在底盤(pán)測(cè)功器試驗(yàn)臺(tái)上設(shè)置試驗(yàn)車(chē)輛，按日本JC08工況進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，并連續(xù)分析車(chē)輛的排氣成分。試驗(yàn)車(chē)輛大致可分為3類(lèi)：(1) 能滿足日本新長(zhǎng)期排放法規(guī)要求的混合動(dòng)力乘用車(chē)，即A車(chē)和B車(chē)；(2) 能滿足新長(zhǎng)期排放法規(guī)要求的普通車(chē)輛(C車(chē))、小型車(chē)(D車(chē))，以及日本獨(dú)有的發(fā)動(dòng)機(jī)排量為660mL的“K-car”車(chē)型(E車(chē))；(3) 能滿足日本新短期排放法規(guī)要求的F車(chē)。表1列出各試驗(yàn)車(chē)輛的主要技術(shù)規(guī)格。采用新開(kāi)發(fā)的車(chē)載式FTIR分析儀，按0.2s的采樣間隔，對(duì)N2O、CH4及CO2等排氣成分進(jìn)行連續(xù)分析。另外，還采用定容稀釋采樣法(CVS)，獲得排氣質(zhì)量換算所必需的瞬態(tài)排氣流量。利用底盤(pán)測(cè)功器試驗(yàn)臺(tái)控制，在行駛阻力的滾動(dòng)阻力基礎(chǔ)上增加或減去道路坡度的阻力，以設(shè)定道路坡度條件(坡度+2%或坡度-2%)。熱起動(dòng)試驗(yàn)是在恒定車(chē)速60km/h的條件下，經(jīng)20min的暖機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后實(shí)施試驗(yàn)。此外，冷起動(dòng)試驗(yàn)是在JC08工況運(yùn)轉(zhuǎn)之后，分別經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)2h和16h后進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)于C車(chē)和F車(chē)，則分別增加1h和4h的冷機(jī)時(shí)間。在此，設(shè)定道路坡度±2%的條件是因?yàn)樵谌毡緰|京都交通圈干道上坡度超過(guò)2%的道路區(qū)間約占10%的緣故[2]。另外，冷機(jī)時(shí)間2h是以家用汽油乘用車(chē)，以及商業(yè)用途的汽油乘用車(chē)在1天中的冷機(jī)時(shí)間與起動(dòng)次數(shù)等數(shù)據(jù)為依據(jù)決定的[3]。

表1 試驗(yàn)車(chē)輛的主要技術(shù)規(guī)格

2 試驗(yàn)結(jié)果及考察

2.1 道路坡度及冷機(jī)時(shí)間對(duì)溫室氣體排放的影響

通常情況下，汽車(chē)的行駛路徑是從出發(fā)地出發(fā)，經(jīng)由各種坡度的道路到達(dá)目的地后，再由原路返回出發(fā)地點(diǎn)。為此，假定車(chē)輛出發(fā)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(jīng)上坡及下坡行駛后返回出發(fā)點(diǎn)的排放量，與假定車(chē)輛行駛在平坦道路上的排放量進(jìn)行比較，從而宏觀地評(píng)價(jià)道路坡度對(duì)溫室氣體排放的影響。本次研究中，為評(píng)價(jià)道路坡度的影響，是假定在以JC08工況為代表的市區(qū)道路上行駛，在東京主干道中出現(xiàn)頻率較高的2%坡道上進(jìn)行上坡及下坡行駛試驗(yàn)，并將此時(shí)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(jìn)行比較。此外，為了調(diào)查在目的地短時(shí)間停車(chē)導(dǎo)致的冷卻水溫及催化劑溫度降低等因素對(duì)之后車(chē)輛起步時(shí)排放性能的影響，在JC08工況運(yùn)轉(zhuǎn)后增加了短時(shí)間冷機(jī)的冷起動(dòng)條件，冷機(jī)時(shí)間分別為1h、2h和4h。

圖1、圖2和圖3分別示出了A車(chē)、B車(chē)和C車(chē)在改變發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)條件和道路坡度條件的情況下，按JC08工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的CO2、N2O及CH4排放量。另外，在圖1～3中，還假設(shè)JC08工況熱起動(dòng)時(shí)的排放指數(shù)為100，標(biāo)出了在各種試驗(yàn)條件下的相對(duì)排放，以及在上坡與下坡行駛時(shí)的平均排放量。由圖1～3中的結(jié)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(chē)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(dòng)力車(chē)中呈減少趨勢(shì)，在汽油車(chē)中呈增加趨勢(shì)。另一方面，在JC08工況下，所有車(chē)輛在坡度+2%及坡度-2%時(shí)的CO2排放平均值均比坡度0%時(shí)的值要大。

其次，調(diào)查了冷機(jī)時(shí)間對(duì)CH4、N2O及CO2排放的影響。由圖3～6的結(jié)果可知，汽油車(chē)的CH4排放在很大程度上取決于催化轉(zhuǎn)化器的氧化分辨率，而與發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)時(shí)間之間并不存在相關(guān)性。此外，試驗(yàn)所用汽油車(chē)的N2O排放量雖有一定差異，但在所有車(chē)輛上，相比冷起動(dòng)條件(16h冷機(jī))，2h冷機(jī)條件下的N2O排放均更高。同時(shí)，比較全部試驗(yàn)車(chē)輛的CO2排放后可知，相比冷起動(dòng)條件(16h冷機(jī))，2h冷機(jī)條件下的CO2排放量更少。這是因?yàn)?h冷機(jī)后的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度并不像16h冷機(jī)之后的那么低[4]，因而，燃油耗也沒(méi)有16h冷機(jī)條件下的那么高。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的N2O排放機(jī)理

由圖2～圖6的結(jié)果可知，在B車(chē)、C車(chē)、D車(chē)、E車(chē)及F車(chē)上，相比冷起動(dòng)條件(16h冷機(jī))，2h冷機(jī)條件下的N2O排放量均更高。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的N2O及NH3排放動(dòng)態(tài)分析其原因。圖7為使用C車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)的分析結(jié)果。在16h及2h冷機(jī)條件下，至發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后60s的時(shí)間內(nèi)，NH3排放極少，但此時(shí)可觀測(cè)到N2O排放出現(xiàn)峰值。汽油車(chē)行駛時(shí)所排放的N2O可解釋為是空燃比向濃混合比變動(dòng)時(shí)，在催化劑層生成了NH3，而在催化劑溫度低于400 ℃的低溫區(qū)域，NH3被空燃比向稀混合比變動(dòng)時(shí)引入的O2及NOx所氧化，最后生成了N2O[5-6]。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后的60s期間，在16h冷機(jī)條件下，催化劑溫度低于400 ℃，而在2h冷機(jī)條件下，催化劑溫度將低于200 ℃，2h冷機(jī)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(yàn)證上述現(xiàn)象的結(jié)果。在圖8中，同樣示出了2h冷機(jī)條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)催化劑前后的N2O及NH3排放動(dòng)態(tài)對(duì)比結(jié)果。起動(dòng)之后的N2O大部分不是由發(fā)動(dòng)機(jī)排放的。另外，在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后約50s期間，催化轉(zhuǎn)化器中不生成NH3?；谏鲜鲈囼?yàn)結(jié)果可知，圖7及圖8中冷機(jī)之后出現(xiàn)N2O排放峰值的原因如下：(1) 發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滯留在催化轉(zhuǎn)化器及排氣管中的NH3在催化劑層中轉(zhuǎn)換為被吸附的N2O，并在冷機(jī)后的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)被排出；(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滯留在催化轉(zhuǎn)化器及排氣管中的NH3作為NH3及氫氧化銨(冷機(jī)過(guò)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(jī)過(guò)程中，以及在冷機(jī)后的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)被氧化生成N2O，進(jìn)而被排出。

為驗(yàn)證上述假設(shè)，使用F車(chē)，調(diào)查冷機(jī)時(shí)間從1h增加至16h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后60s期間的N2O排放動(dòng)態(tài)。圖9為試驗(yàn)結(jié)果，由圖9可知，隨著冷機(jī)時(shí)間的增加，N2O排放峰值隨之降低。這里，假設(shè)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(diǎn)為24.7 ℃(濃度32%時(shí))，所以，盡管催化劑的溫度隨著冷機(jī)時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，但在25 ℃室內(nèi)環(huán)境下實(shí)施冷機(jī)試驗(yàn)的情況下，隨著冷機(jī)時(shí)間的增加，氫氧化銨蒸發(fā)，催化劑層上的NH3吸附量減少，這被認(rèn)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(jī)時(shí)間的延長(zhǎng)，N2O逐漸脫離或擴(kuò)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(chē)、B車(chē)及C車(chē)，在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)條件及道路坡度條件下，按JC08工況實(shí)施運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)CO2、N2O及CH4在溫室氣體排放中所占的份額(按CO2換算的質(zhì)量分?jǐn)?shù))。在此，將CO2、N2O及CH4的溫室效應(yīng)系數(shù)分別設(shè)為1、310和21，用式(1)計(jì)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(jù)圖10所示結(jié)果，還可得出以下結(jié)論。在所有試驗(yàn)條件下，A車(chē)、B車(chē)及C車(chē)在冷起動(dòng)時(shí)的N2O排放在溫室氣體中所占的份額都要比熱起動(dòng)時(shí)的高。尤其是在車(chē)輛起步時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的情況下，B車(chē)及C車(chē)經(jīng)2h冷機(jī)后的N2O排放比率分別增加0.7%和1.5%。此外，A車(chē)在坡度-2%的條件及冷起動(dòng)條件(包括2h冷機(jī)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(píng)價(jià)溫室氣體排放量的試驗(yàn)方法

由于汽油車(chē)所排放的N2O及CH4在較大程度上依賴(lài)于催化劑的溫度，因此，本次研究中，著眼于實(shí)際行駛時(shí)的道路坡度及冷機(jī)時(shí)間對(duì)催化劑溫度的影響進(jìn)行探討。

道路坡度雖然會(huì)對(duì)N2O及CH4排放產(chǎn)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(huì)有幾個(gè)百分點(diǎn)的增加。由于坡度超過(guò)2%的道路區(qū)間約占試驗(yàn)區(qū)域道路的10%，因此可以推測(cè)，在整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域，由于道路坡度的影響，溫室氣體排放量的增加不會(huì)超過(guò)1%。為此，在東京交通圈主干道上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可以將道路坡度條件的試驗(yàn)排除在外。

在實(shí)際試驗(yàn)中，驗(yàn)證得知，發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)時(shí)間會(huì)對(duì)N2O排放產(chǎn)生較大的影響。為此，在評(píng)價(jià)溫室氣體排放時(shí)，這將作為重要的試驗(yàn)條件。圖11示出了日本的商業(yè)用途汽油車(chē)在1天中不同冷機(jī)時(shí)間的起動(dòng)次數(shù)比率。這是按1998年3月日本石油行業(yè)活性化中心所提出的“汽車(chē)使用實(shí)態(tài)調(diào)查報(bào)告書(shū)”中的數(shù)據(jù)繪制的[3]。由圖11可知，冷機(jī)時(shí)間不滿2h的起動(dòng)次數(shù)占比達(dá)40%以上，說(shuō)明以往的冷起動(dòng)試驗(yàn)(冷機(jī)時(shí)間6～36h)是不符合商業(yè)用途車(chē)輛的實(shí)際使用狀況的。因此，在溫室氣體排放量的評(píng)價(jià)中，必須開(kāi)展短時(shí)間冷機(jī)條件下的試驗(yàn)驗(yàn)證[7-8]。

3 今后的課題

基于本次研究的結(jié)果，了解到汽油車(chē)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的N2O排放會(huì)受到冷機(jī)時(shí)間的影響。但是，關(guān)于其詳細(xì)機(jī)理，尚處于假設(shè)階段，因此，必須采用各種手段和方法予以實(shí)際的驗(yàn)證。今后，有必要在了解上述機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出具體的評(píng)價(jià)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

由于汽油車(chē)的N2O及CH4排放受催化劑溫度的影響，因此，著眼于實(shí)際行駛中道路坡度條件及發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)時(shí)間對(duì)催化劑溫度的影響，討論了評(píng)價(jià)汽油車(chē)溫室氣體排放的試驗(yàn)方法，其結(jié)論如下：

(1) 在日本東京交通圈主干道上，坡度超過(guò)2%的道路區(qū)間約占10%，由此推測(cè)整個(gè)道路區(qū)間的溫室氣體排放增加不會(huì)超過(guò)1%。因此認(rèn)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(shí)間冷機(jī)條件下N2O排放呈增大趨勢(shì)，并且在實(shí)際使用情況下，冷機(jī)時(shí)間不滿2h的起

動(dòng)次數(shù)超過(guò)40%(商業(yè)用途汽油車(chē))，因此，在溫室氣體排放的評(píng)價(jià)中，短時(shí)間冷機(jī)條件下的試驗(yàn)是必不可少的。

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

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彭惠民 譯自 自動(dòng)車(chē)技術(shù)，2014，68(7)

朱曉蓉 校

朱曉蓉 編輯

2014-12-26)