轻型汽油车N2O排放影响因素的研究

秦宏宇

摘 要：以1辆满足国五排放标准的轻型汽油车为试验样车，以三种不同含硫量的汽油为燃料，分别在FTP75和US06测试循环下，使用全流稀释排放测试系统对车辆N2O排放的影响因素进行了研究。研究结果表明：测试工况会对车辆的N2O排放产生影响，在冷起动工况的开始阶段，由于催化剂没有达到正常的工作温度，车辆会产生较多的N2O排放；无论何种工况，随着燃油硫含量的增加，车辆的N2O排放呈现上升的趋势；随着车辆里程的不断增加，车辆的N2O排放存在一定程度的劣化。

关键词：N2O排放；工况；硫含量；里程

中图分类号：TK417.126 文献标识码：A 文章编号：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

隨着汽车产业的高速发展，汽车带来的污染越来越受到人们的重视。温室气体是汽车排放污染物的重要组成部分，汽车排放的温室气体中除了人们熟知的CO2外，还包含一种氮氧化物-N2O。

N2O会对环境产生较大的影响，是《京都议定书》规定的6种温室气体之一。它在大气中的存留时间长，并可输送到平流层，导致臭氧层破坏，引起臭氧空洞，加剧全球变暖。与二氧化碳相比，虽然N2O在大气中的含量很低，属于痕量气体（trace gas），但其对全球气候的增温效应已经越来越显著，有数据表明，N2O对于温室效应的贡献率甚至超过了CO2[1]。此外，N2O对人体的健康也会产生极大的危害。一氧化二氮俗称“笑气”，进入血液后会导致人体缺氧，长期吸食可能引起高血压、晕厥，甚至心脏病发作。长期接触此类气体还可引起贫血及中枢神经系统损害等。如果超量摄入，很可能因为缺氧导致窒息死亡。美国加州环保局空气资源委员会于2004年9月制订了《机动车温室气体排放标准》并于2006年1月1日生效[2]， 标准中规定的温室气体排放要求就包含了N2O。

煤和石油等矿物燃料的燃烧是重要的N2O排放源，但随着汽车保有量的不断增加，汽车排放的N2O所占的比例正在逐渐上升。目前国内对于汽车N2O排放的研究还比较少，而且多集中在排放因子和形成机理等方面，如何立强等[3]对轻型汽油车的N2O排放因子进行了研究，得出了从国Ⅰ～国Ⅳ阶段轻型汽油车N2O排放的分担率随排放标准的加严而不断降低的结论。刘伟等[4]对通用小型汽油机N2O形成机理和影响因素进行了研究，发现可以通过控制混合气中还原性物质的含量来控制N2O的生成。本文在1辆符合国五排放标准[5]的的轻型汽油车上进行了N2O排放影响因素的研究，分析研究工况循环、油品硫含量和车辆里程的增加对N2O排放的影响。

1 试验设备与方法

试验所用的某公司生产的轻型汽油车满足中国第五阶段排放标准，试验车辆的主要参数如表1所示。试验车辆在FTP75和US06工况循环下进行排放测试，采用奥地利AVL公司生产的四轮驱动型底盘测功机进行阻力设定，使用日本HORIBA公司生产的MEXA-1100QL型排放分析系统（采用量子级联激光器法测量）检测汽车的N2O排放，试验中所使用的主要仪器设备见表2。

试验用油分为两部分：第一部分燃油为符合轻型车国五标准的硫含量为2.8ppm的95#汽油，油品相关参数见表3。第二部分燃油以硫含量2.8ppm的国五95#汽油为基础油，分别增加硫含量到50ppm和150ppm。

试验车辆先以硫含量2.8ppm的95#汽油为燃料进行2次FTP75试验和2次US06试验，试验结束后将车辆的油箱放空，更换为硫含量50ppm和150ppm的燃油，使用每种燃油均进行2次FTP75试验和2次US06试验。每次排放试验过程中的相关参数基本保持一致，包括预处理循环、驾驶员、浸车温度、浸车时间、轮胎气压、试验前的机油温度和冷却液温度等。然后试验车辆以硫含量2.8ppm的95#汽油为燃料，按照轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）中的整车耐久试验循环（AMA）在底盘测功机上进行0-80000km的里程累积，每行驶到一万公里后进行一次车辆常规保养，并以FTP75为测试循环进行一次排放试验，每一万公里的排放试验由同一车辆驾驶员驾驶。

2 试验结果分析

2.1 工况循环对N2O排放的影响

图1为试验车辆以硫含量2.8ppm的国五95#汽油为燃料时在FTP75和US06工况循环下的N2O排放情况。从图中可以看出，FTP75循环下的两次试验结果和US06循环下的两次试验结果均比较一致，但是车辆在FTP75循环下的N2O排放结果远远高于US06循环，经过计算，FTP75循环下的N2O排放结果均值为0.011g/km ，US06循环下的N2O排放结果均值为0.003g/km ，前者达到了后者的3倍以上。

图2和图3分别为试验车辆在FTP75测试循环和US06测试循环下的N2O瞬态排放情况。图4给出了车辆运行FTP75和US06工况时的起动后前100s的N2O瞬态浓度变化情况。从图中可以发现，对于FTP75工况，车辆在起动的开始阶段N2O排放出现较大的浓度峰值，在之后的运行过程中N2O排放虽然仍产生较小峰值，但基本上趋于稳定。对于US06工况来说，在整个运转循环中虽然N2O排放也有高低起伏，但未产生较大的N2O浓度峰值。这可能是因为FTP75为冷起动工况，在车辆起动后的开始阶段，催化剂还未达到稳定的工作温度，无法对排放的污染物进行高效地处理，而US06为热起动工况，催化剂已经处于正常的工作温度，车辆的冷起动是产生较大的N2O浓度峰值的原因[6]。从图4中可以明显地看出两个工况循环在开始阶段的N2O排放的巨大差别，FTP75循环下的N2O浓度峰值在5.5ppm左右。

2.2 油品硫含量对N2O排放的影响

图5给出了车辆以含硫量为2.8ppm、50ppm和150ppm的汽油为燃料，以FTP75和US06为测试循环时的N2O排放情况。从图中可以看出，不管使用高硫燃油还是低硫燃油，FTP75工况下的N2O排放始终高于US06。而且随着燃油硫含量的增加，车辆的 N2O排放呈现出上升的趋势，无论是FTP75工况还是US06工况，使用含硫量150ppm燃油时的N2O排放量都是使用含硫量2.8ppm燃油时的3倍以上，并且车辆燃用含硫量150ppm燃油在FTP75工况下的N2O排放量超过了0.035g/km。因此可以推断出，燃油中的硫含量会对车辆的N2O排放产生较大的影响，使用含硫量较低的燃油是降低车辆N2O排放的重要手段之一。

2.3 车辆里程对N2O排放的影响

試验车辆按照循环（AMA）在底盘测功机上进行耐久性试验，从0km开始，每隔10000km（±400km）进行1次FTP75工况排放试验，以固定的间隔直到80000km。将所有的N2O排放结果（0km的N2O排放结果除外）作为行驶距离的函数进行绘图，并利用最小二乘法绘制出连接所有数据点的拟合直线，然后采用插值法计算出N2O的劣化系数，计算公式如下：

图6给出了试验车辆从0km到80000km过程中N2O排放的劣化情况。从图中可以看出，随着车辆里程的增加，车辆的N2O排放出现了一定程度的劣化，经过计算，N2O的乘法劣化系数为1.4448。

3 结 论

1、工况循环对车辆的N2O排放有较大的影响，燃用含硫量2.8ppm的国五95#汽油时，车辆在FTP75循环下的N2O排放结果高于US06循环，前者达到了后者的3倍以上。车辆在FTP75工况的冷起动阶段出现了较高的N2O排放峰值，这可能是因为催化剂没有达到正常的工作温度而造成的。

2、燃油的硫含量会对车辆的N2O排放产生影响，随着燃油硫含量的增加，车辆的 N2O排放呈现出上升的趋势，在FTP75和US06两种工况下，使用含硫量150ppm燃油时的N2O排放量都是使用含硫量2.8ppm燃油时的3倍以上。

3、车辆在耐久试验过程中，随着车辆里程的增加，N2O排放出现了一定程度的劣化，N2O的乘法劣化系数为1.4448。

参考文献：

[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]刘明明， 徐伟. 美国温室气体排放标准立法评析及经验借鉴[J]. 环境污染与防治， 2012， 34（8）：99-102.

[3]何立强， 胡京南， 解淑霞等. 2010年中国机动车CH4和N2O排放清单[J]. 环境科学研究， 2014， 27（1）：28-35.

[4]刘伟， 刘胜吉， 王建等. 通用小型汽油机N2O 形成机理及影响因素[J]. 中国农机化学报， 2015， 36（5）：203-206.

[5]环境保护部.GB18352.5-2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》[S].北京：中国环境科学出版社， 2013.

[6]武朋辉， 李树珉， 安相璧等. 轻型汽车N2O排放物试验研究[J]. 轻型汽车技术， 2006（12）：20-23.