試驗車輛和油品對汽車非常規污染物排放影響的試驗研究

張 凡 李蘭云 田冬蓮

（中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300162）

引言

隨著法規限制的常規污染物排放日益降低，汽車尾氣中的非常規污染物排放日益受到人們的重視。美國在1990年開始實施的《潔凈空氣修正案》規定了更嚴格的機動車尾氣排放標準，其中9種醛酮（包括甲醛、乙醛、丙醛、丙烯醛等）、19種單環及多環芳香烴（包括苯、甲苯、乙苯等）被列為有害空氣污染[1]。日本在2000年4月29日頒布的《大氣污染防治法》以法律的形式將234種物質列為有害大氣污染物，其中優先污染物22種，包括苯、甲苯、1，3-丁二烯、乙醛等物質[2]。歐洲的英國、法國、德國等多個國家通過發布和執行《歐洲空氣質量準則》、《關于歐洲空氣質量及更加清潔的空氣指令》等一系列的法規標準對SO2、苯、多環芳香烴、1，3-丁二烯等非常規污染物進行了限制[3]。中國的環境質量標準及排放標準中也包括了對甲醛、苯、總揮發性有機物等物質的規定[4]。這些多環芳烴、醛酮等非常規污染物對環境及人類健康的危害是不容忽視的。

文獻研究表明，針對純汽油燃料發動機和汽車非常規污染物排放的研究較少，北京理工大學[5]、寧波市環境監測中心[6]、天津大學[7-8]、南開大學[9]、北京大學[10]和暨南大學[11]主要通過發動機臺架試驗、整車轉鼓試驗和實際道路測試等手段展開。主要的測試方法包括高效液相色譜儀、氣相色譜儀-氫火焰離子化檢測器、氣相色譜-質譜聯用儀。主要測量的污染物種類包括甲醛、乙醛、丙酮等醛酮類化合物和苯、甲苯、二甲苯等芳香烴類揮發性有機物。總的來說，汽油燃料非常規污染物排放的研究主要集中在苯系化合物的實際道路測試，醛酮類、烯烴類污染物的發動機臺架和整車轉鼓試驗工作還需要進一步加強。

本文在底盤測功機上進行了新歐洲行駛循環（NEDC）工況的排放測試，使用傅里葉變換紅外光譜方法（FTIR）測量了不同輕型汽車在燃用不同油品的純汽油燃料時的非常規污染物排放。本文重點分析了試驗車輛和汽油品質對汽車尾氣中甲醇、甲醛、乙醛、苯、甲苯、二甲苯、乙烯、丙烯、1，3-丁二烯和異丁烯排放的影響。

1 試驗裝置及儀器

本研究進行的試驗為GB 18352.5—2013規定的Ⅰ型排放試驗，循環曲線如圖1所示。

圖1 Ⅰ型排放試驗循環曲線

試驗測試系統主要包括德國MAHA公司的ECDM-48L-4WD型四驅底盤測功機、德國IMTECH公司的排放環境試驗倉、日本HORIBA公司的CVS-7400定容稀釋系統、MEXA-7400LE排放分析儀、MEXA-6000FT多組分排放分析儀。

試驗中使用MEXA-6000FT連續測量了稀釋前排氣中的甲醇、甲醛、苯、甲苯、丙烯、1，3-丁二烯等非常規污染物的瞬時排放值，根據稀釋系數將直排濃度轉換為稀釋排氣的濃度，然后與稀釋排氣的瞬時流量進行積分計算，得出在整個NEDC工況下的平均排放水平。該分析儀采用的是傅立葉變換紅外光譜技術，在出廠前使用各種不同濃度的樣氣分別對測量組分進行了標定，相對誤差不超過2%。

2 試驗車輛和汽油品質參數

2.1 試驗車輛參數

本試驗選取了8輛典型的汽油車，統一使用同一種汽油，在轉鼓試驗臺上進行了Ⅰ型排放試驗，對比分析了不同試驗車輛的非常規污染物排放水平。

試驗車輛包括德系車2輛（A#、B#）、國產車1輛（C#）、美系車 2輛（D#、E#）、日系車 3輛（F#、G#、H#），里程數均不超過5×104km，排放水平能達到國Ⅴ標準，具體參數示于表1。

表1 試驗車輛相關參數

2.2 汽油品質參數

本試驗在同一輛輕型車上分別使用0#基準油和8種市售汽油進行了I型排放試驗，對比分析了不同汽油的油品參數對汽車非常規污染物排放的影響，9種汽油的油品參數如表2所示。

3 試驗結果及分析

3.1 不同試驗車輛的排放結果分析

圖2、表3分別給出了上述8輛汽油車在NEDC工況的非常規和常規污染物平均排放水平。

從圖2中可以看出，8輛汽油車的非常規污染物平均排放水平都在同一數量級，數值差別不超過10倍。其中，甲醇排放變化區間為2.80～5.55 mg/km，甲醛排放為1.06～2.08 mg/km，乙醛排放為0.10～1.06 mg/km，苯排放為1.45～3.65 mg/km，甲苯排放為3.27～8.40 mg/km，乙烯排放為 1.70～7.14 mg/km，丙烯排放為 0.88～3.40 mg/km，1，3-丁二烯排放為 2.50～5.69 mg/km，異丁烯排放為10.47～18.07 mg/km。

表2 試驗用汽油品質參數

圖2 不同試驗車輛的非常規污染物排放水平

表3 不同試驗車輛的常規污染物排放水平g/km

綜合來說，G#車和C#的非常規污染物排放水平最低，而D#和B#的常規污染物排放水平最高，這與表3所示的不同試驗車輛的常規污染物排放規律基本相同。結果說明，試驗車輛的常規污染物和非常規污染物排放水平具有較好的一致性。

3.2 不同汽油品質的排放結果分析

9種不同汽油的試驗結果顯示，甲醇排放變化區間為 3.65～5.22 mg/km，甲醛排放為 0.75～1.10 mg/km，乙醛排放為0.06～0.38 mg/km，苯排放為1.19～3.64 mg/km，甲苯排放為1.59～5.17 mg/km，乙烯排放為2.61～5.83 mg/km，丙烯排放為 1.17～3.16 mg/km，1，3-丁二烯排放為0.09～0.49 mg/km，異丁烯排放為7.23～20.56 mg/km，甲烷排放為 3.06～11.24 mg/km，乙烷排放為0.11～1.63 mg/km，二氧化硫排放為0.22～0.51 mg/km。

以0#油樣的非常規污染物排放水平為基準，分別計算了1#～8#市售汽油的甲醇、甲醛、乙醛、苯、乙烯、丙烯、1，3-丁二烯、二氧化硫排放相對于0#基準油的變化，如圖3～圖10所示。

從圖3中可以看出，7種汽油的甲醇排放水平增加，最大的為7#油樣，約增加25%，只有3#油樣的甲醇排放降低了10%左右。一般來說，市售汽油中都會添加MTBE來提高辛烷值，使得油樣的氧含量增加。試驗結果說明在燃燒過程中MTBE產生分解反應，使得尾氣的甲醇排放增加。

圖3 市售汽油的甲醇排放相對于0#基準油的變化

圖4 顯示5種市售汽油的甲醛排放水平降低，變化幅度最大的為3#油樣，約為25%。圖5顯示6種市售汽油的乙醛排放水平降低，變化幅度最大的為1#油樣，約為60%。試驗結果表明，市售汽油的高氧含量有助于醛類物質的完全氧化，使得尾氣中的甲醛和乙醛排放有降低的趨勢。

圖4 市售汽油的甲醛排放相對于0#基準油的變化

圖5 市售汽油的乙醛排放相對于0#基準油的變化

從圖6中可以看出，8種市售汽油的苯排放水平增加，最大的為1#油樣，約為200%。

圖7和圖8顯示，除了1#油樣的乙烯和丙烯排放水平有明顯增加（變化量約為120%）之外，其它7種市售汽油的乙烯和丙烯排放變化量都在±20%范圍之內。結果說明，相對于0#基準油，市售汽油的乙烯和丙烯排放水平沒有顯著變化。

圖6 市售汽油的苯排放相對于0#基準油的變化

圖7 市售汽油的乙烯排放相對于0#基準油的變化

圖8 市售汽油的丙烯排放相對于0#基準油的變化

從圖9中可以看出，除了1#油樣的1，3-丁二烯排放水平略有增加（變化量約為20%）之外，其它7種市售汽油的排放水平都有降低的趨勢，變化量最大的為3#油樣，約為80%。試驗結果表明，市售汽油的高氧含量有助于1，3-丁二烯的完全氧化，使得尾氣中的丁二烯排放有降低的趨勢。

圖9 市售汽油的丁二烯排放相對于0#基準油的變化

從圖10中可以看出，1#、6#、7#油樣的SO2排放均高于0#基準油，而其它5種油樣的SO2排放卻有降低的趨勢。試驗結果說明，由于1#、6#、7#油樣的硫含量明顯高于0#基準油，使得尾氣的SO2排放也有增加的趨勢。

圖10 市售汽油的SO2排放相對于0#基準油的變化

從上述各圖中可以看出，隨著汽油品質的變化，試驗車輛的非常規污染物平均排放水平也會隨著改變，但是變化幅度都不大。其中，甲醇排放的最大變化量為1.4倍，甲醛排放的最大變化量為1.5倍，乙醛排放的最大變化量為5.9倍，苯排放的最大變化量為3.1倍，乙烯排放的最大變化量為2.2倍，丙烯排放的最大排放量為2.7倍，1，3-丁二烯的最大變化量為5.4倍，二氧化硫的最大變化量為2.3倍。

表4給出了不同汽油油樣的常規污染物排放水平。根據表4可以計算出針對同一輛汽車，CO排放的最大變化量為1.6倍，HC排放的最大變化量為2.7倍，NOx排放的最大變化量為3.3倍，CH4排放的最大變化量為3.7倍。

表4 不同汽油油樣的常規污染物排放水平g/km

試驗結果說明，不同汽油品質對非常規污染物排放與常規污染物排放的影響程度基本一致，其中乙醛、1，3-丁二烯、CH4排放隨油樣參數改變的幅度較大。

4 結論

1）各輛汽油車的非常規污染物平均排放水平都在同一數量級。各輛試驗車輛的常規污染物和非常規污染物排放水平具有較好的一致性。

2）隨著汽油品質的變化，試驗車輛的非常規污染物平均排放水平也會隨著改變，但是變化幅度都不大。不同汽油品質對非常規污染物與常規污染物排放的影響程度基本一致，其中乙醛、1，3-丁二烯、CH4排放隨油樣參數改變的幅度較大。

3）當市售汽油的硫含量明顯高于基準值時，尾氣中甲醇、苯、烯烴、二氧化硫等非常規污染物的排放水平顯著增加。

4）相對于0#基準油，市售汽油（正常硫含量）的甲醇、苯排放略有增加，甲醛、乙醛、1，3-丁二烯排放略有降低，乙烯和丙烯排放沒有顯著變化。