輕型汽油車N2O排放特性研究

秦宏宇，王玉偉，劉樂

(中國汽車技術研究中心汽車試驗研究所，天津 300300)

輕型汽油車N2O排放特性研究

秦宏宇，王玉偉，劉樂

(中國汽車技術研究中心汽車試驗研究所，天津 300300)

選擇1輛滿足國Ⅴ排放標準的輕型汽油車作為試驗樣車，應用全流稀釋排放測試系統在FTP75和US06測試循環下，對車輛在不同測試工況下的N2O排放水平、車輛N2O排放的影響因素以及N2O排放隨著車輛里程增加的劣化情況進行了研究。研究結果表明：FTP75循環下的N2O排放結果高于US06循環，前者是后者的4倍左右；在冷起動階段，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，且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。

輕型汽車；氮氧化物；排放測量

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 能夠在較大范圍內吸收紫外線，對溫室效應和平流層臭氧減少都會產生影響，有數據表明，N2O對于溫室效應的貢獻率甚至超過了CO2[1]。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，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排放的研究還較少，而且多集中在排放因子和形成機理等方面。何立強等[3]對輕型汽油車的N2O排放因子進行了研究，得出了國Ⅰ至國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。本研究在1輛符合國Ⅴ排放標準[5]的輕型汽油車上進行了FTP75和US06工況循環下的N2O排放研究，了解掌握目前輕型汽油車的N2O排放水平，分析研究工況和油品因素對N2O排放的影響，并以FTP75為測試循環研究N2O排放隨著車輛里程增加的劣化情況。

1 試驗設備與方法

試驗所用的輕型汽油車滿足中國第5階段排放標準，試驗車輛的主要參數見表1。試驗車輛在FTP75和US06工況循環下進行排放測試，采用AVL四輪驅動型底盤測功機進行阻力設定，采用HORIBA MEXA-1100QL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，試驗中所使用的儀器還包括HORIBA CVS-7400T全流稀釋系統。

表1 試驗車輛的主要參數

試驗用油分為兩部分：第一部分燃油為符合輕型車國Ⅴ標準的95號汽油，油品相關參數見表2。第二部分燃油以國Ⅴ95號汽油為基礎油，分別使硫質量分數增加到30×10-6和100×10-6。試驗車輛先以95號汽油為燃料進行2次FTP75試驗和2次US06試驗，試驗結束后將車輛的油箱放空，更換為硫質量分數30×10-6和100×10-6的燃油，使用每種燃油均進行2次FTP75試驗和2次US06試驗。排放試驗過程中的參數基本保持一致，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95號汽油為燃料，按照GB 18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》中規定的標準道路循環(SRC)在耐久試驗室的耐久底盤測功機上進行0～16×104km的里程累積，每行駛到10 000 km后以FTP75為測試循環進行一次排放試驗，每次排放試驗由同一車輛駕駛員駕駛。標準道路循環由7個運行循環組成，每個循環的行駛里程為6 km，最高車速為129 km/h，包含怠速、平穩加速、平穩減速、等速、急加速和緩慢加速等運行工況。該耐久性試驗歷時6個月完成。

表2 95號汽油參數

2 試驗結果分析

2.1 N2O排放情況

圖1示出試驗車輛以國Ⅴ95號汽油為燃料時在FTP75和US06工況循環下的N2O排放情況。從圖中可以看出，FTP75循環下和US06循環下2次試驗結果均比較一致，但是車輛在FTP75循環下的N2O排放結果遠高于US06循環，經過計算，FTP75循環下的N2O排放結果均值為0.008 g/km，US06循環下的N2O排放結果均值為0.002 g/km，前者是后者的4倍左右。

圖1 試驗車輛N2O排放水平

2.2 工況循環對N2O排放的影響

圖2和圖3分別示出試驗車輛在FTP75測試循環和US06測試循環下的N2O瞬態排放情況。圖4給出了車輛在2種工況下起動后前100 s的N2O瞬態排放對比。從圖中可以發現，對于FTP75工況，車輛在起動開始階段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，在1 500 s時產生2倍平均值的峰值。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]。FTP75工況的第三階段開始運行前有10 min的停機，工況1 500 s時出現的N2O排放峰值可能是因為車輛的再次起動產生的。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3.5×10-6左右。

圖2 FTP75循環下的N2O瞬態排放

圖3 US06循環下的N2O瞬態排放

圖4 2個循環前100 s的N2O瞬態排放對比

2.3 油品硫含量對N2O排放的影響

圖5示出了車輛以含硫質量分數為5×10-6，30×10-6和100×10-6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工況。而且隨著燃油含硫量的增加，車輛的 N2O排放呈現上升的趨勢，無論是FTP75工況還是US06工況，使用硫質量分數100×10-6燃油時的N2O排放量均為使用硫質量分數5×10-6燃油時的2倍以上，并且燃用硫質量分數100×10-6燃油在FTP75工況下的N2O排放量超過了0.020 g/km。這是因為燃油中的硫經燃燒形成硫的氧化物，一方面阻止催化劑表面活性層上的催化反應，并且使催化劑中的貴金屬中毒，另一方面能夠影響催化劑活性表面的氧存儲能力，還會因為硫化物的覆蓋導致需要處理的污染物無法到達催化劑表面。因此，燃油中的硫會對車輛的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。

圖5 使用不同硫含量燃油時的N2O排放情況

2.4 N2O排放的劣化情況

試驗車輛按照標準道路循環(SRC)在底盤測功機上進行耐久性試驗，從0 km開始，每隔10 000 km(±400 km)進行1次FTP75工況排放試驗，直到160 000 km。將所有的N2O排放結果(0 km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：

DF=M2-M1。

式中：DF為劣化系數；M2為160 000 km插入的N2O的排放量；M1為6 400 km插入的N2O的排放量。

圖6示出了試驗車輛0～160 000 km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的加法劣化系數為0.005 5。

圖6 車輛的N2O排放劣化情況

3 結論

a) 燃用國Ⅴ95號汽油時，車輛在FTP75循環下的N2O排放結果高于US06循環，前者是后者的4倍左右；

b) 工況循環對車輛的N2O排放有較大的影響，車輛在FTP75工況的冷起動階段出現了較高的N2O排放峰值；

c) 燃油硫含量會對車輛的N2O排放產生影響，隨著燃油硫含量的增加，車輛的 N2O排放呈現上升趨勢，在FTP75和US06兩種工況下，燃用硫質量分數100×10-6燃油時的N2O排放量均為使用硫質量分數5×10-6燃油時的2倍以上；

d) 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的加法劣化系數為0.005 5。

[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.GB 18352.5—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.

N2OEmissionCharacteristicsofLight-dutyGasolineVehicle

QIN Hongyu,WANG Yuwei,LIU Le

(Auto Testing Research Institute of China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300300,China)

The N2O emission level, its influencing factors and its deterioration with driving mileage were analyzed by conducting FTP75 and US06 test cycles with full flow dilution system on a light-duty gasoline vehicle meeting China V emission standard. The results show that the N2O emission of FTP75 is about three times higher than that of US06. More N2O emission produces during the cold start phase because the reaction temperature of catalyst cannot be met and become more severe with the increase of sulfur content. Besides, N2O emission may also become worse with the increase of vehicle mileage.

light-duty vehicle;nitrogen oxide;emission measurement

2017-02-16;

2017-05-18

秦宏宇(1985—),男,碩士,主要研究方向為汽車排放法規和排放測試技術研究；qinhongyu@catarc.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.014

TK411.5

B

1001-2222(2017)06-0071-04

[編輯: 李建新]