轻型汽油车N2O排放特性研究

秦宏宇，王玉伟，刘乐

(中国汽车技术研究中心汽车试验研究所，天津 300300)

轻型汽油车N2O排放特性研究

秦宏宇，王玉伟，刘乐

(中国汽车技术研究中心汽车试验研究所，天津 300300)

选择1辆满足国Ⅴ排放标准的轻型汽油车作为试验样车，应用全流稀释排放测试系统在FTP75和US06测试循环下，对车辆在不同测试工况下的N2O排放水平、车辆N2O排放的影响因素以及N2O排放随着车辆里程增加的劣化情况进行了研究。研究结果表明：FTP75循环下的N2O排放结果高于US06循环，前者是后者的4倍左右；在冷起动阶段，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，且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。

轻型汽车；氮氧化物；排放测量

随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 能够在较大范围内吸收紫外线，对温室效应和平流层臭氧减少都会产生影响，有数据表明，N2O对于温室效应的贡献率甚至超过了CO2[1]。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，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排放的研究还较少，而且多集中在排放因子和形成机理等方面。何立强等[3]对轻型汽油车的N2O排放因子进行了研究，得出了国Ⅰ至国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。本研究在1辆符合国Ⅴ排放标准[5]的轻型汽油车上进行了FTP75和US06工况循环下的N2O排放研究，了解掌握目前轻型汽油车的N2O排放水平，分析研究工况和油品因素对N2O排放的影响，并以FTP75为测试循环研究N2O排放随着车辆里程增加的劣化情况。

1 试验设备与方法

试验所用的轻型汽油车满足中国第5阶段排放标准，试验车辆的主要参数见表1。试验车辆在FTP75和US06工况循环下进行排放测试，采用AVL四轮驱动型底盘测功机进行阻力设定，采用HORIBA MEXA-1100QL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，试验中所使用的仪器还包括HORIBA CVS-7400T全流稀释系统。

表1 试验车辆的主要参数

试验用油分为两部分：第一部分燃油为符合轻型车国Ⅴ标准的95号汽油，油品相关参数见表2。第二部分燃油以国Ⅴ95号汽油为基础油，分别使硫质量分数增加到30×10-6和100×10-6。试验车辆先以95号汽油为燃料进行2次FTP75试验和2次US06试验，试验结束后将车辆的油箱放空，更换为硫质量分数30×10-6和100×10-6的燃油，使用每种燃油均进行2次FTP75试验和2次US06试验。排放试验过程中的参数基本保持一致，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95号汽油为燃料，按照GB 18352.5—2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》中规定的标准道路循环(SRC)在耐久试验室的耐久底盘测功机上进行0～16×104km的里程累积，每行驶到10 000 km后以FTP75为测试循环进行一次排放试验，每次排放试验由同一车辆驾驶员驾驶。标准道路循环由7个运行循环组成，每个循环的行驶里程为6 km，最高车速为129 km/h，包含怠速、平稳加速、平稳减速、等速、急加速和缓慢加速等运行工况。该耐久性试验历时6个月完成。

表2 95号汽油参数

2 试验结果分析

2.1 N2O排放情况

图1示出试验车辆以国Ⅴ95号汽油为燃料时在FTP75和US06工况循环下的N2O排放情况。从图中可以看出，FTP75循环下和US06循环下2次试验结果均比较一致，但是车辆在FTP75循环下的N2O排放结果远高于US06循环，经过计算，FTP75循环下的N2O排放结果均值为0.008 g/km，US06循环下的N2O排放结果均值为0.002 g/km，前者是后者的4倍左右。

图1 试验车辆N2O排放水平

2.2 工况循环对N2O排放的影响

图2和图3分别示出试验车辆在FTP75测试循环和US06测试循环下的N2O瞬态排放情况。图4给出了车辆在2种工况下起动后前100 s的N2O瞬态排放对比。从图中可以发现，对于FTP75工况，车辆在起动开始阶段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，在1 500 s时产生2倍平均值的峰值。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]。FTP75工况的第三阶段开始运行前有10 min的停机，工况1 500 s时出现的N2O排放峰值可能是因为车辆的再次起动产生的。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3.5×10-6左右。

图2 FTP75循环下的N2O瞬态排放

图3 US06循环下的N2O瞬态排放

图4 2个循环前100 s的N2O瞬态排放对比

2.3 油品硫含量对N2O排放的影响

图5示出了车辆以含硫质量分数为5×10-6，30×10-6和100×10-6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工况。而且随着燃油含硫量的增加，车辆的 N2O排放呈现上升的趋势，无论是FTP75工况还是US06工况，使用硫质量分数100×10-6燃油时的N2O排放量均为使用硫质量分数5×10-6燃油时的2倍以上，并且燃用硫质量分数100×10-6燃油在FTP75工况下的N2O排放量超过了0.020 g/km。这是因为燃油中的硫经燃烧形成硫的氧化物，一方面阻止催化剂表面活性层上的催化反应，并且使催化剂中的贵金属中毒，另一方面能够影响催化剂活性表面的氧存储能力，还会因为硫化物的覆盖导致需要处理的污染物无法到达催化剂表面。因此，燃油中的硫会对车辆的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。

图5 使用不同硫含量燃油时的N2O排放情况

2.4 N2O排放的劣化情况

试验车辆按照标准道路循环(SRC)在底盘测功机上进行耐久性试验，从0 km开始，每隔10 000 km(±400 km)进行1次FTP75工况排放试验，直到160 000 km。将所有的N2O排放结果(0 km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：

DF=M2-M1。

式中：DF为劣化系数；M2为160 000 km插入的N2O的排放量；M1为6 400 km插入的N2O的排放量。

图6示出了试验车辆0～160 000 km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的加法劣化系数为0.005 5。

图6 车辆的N2O排放劣化情况

3 结论

a) 燃用国Ⅴ95号汽油时，车辆在FTP75循环下的N2O排放结果高于US06循环，前者是后者的4倍左右；

b) 工况循环对车辆的N2O排放有较大的影响，车辆在FTP75工况的冷起动阶段出现了较高的N2O排放峰值；

c) 燃油硫含量会对车辆的N2O排放产生影响，随着燃油硫含量的增加，车辆的 N2O排放呈现上升趋势，在FTP75和US06两种工况下，燃用硫质量分数100×10-6燃油时的N2O排放量均为使用硫质量分数5×10-6燃油时的2倍以上；

d) 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的加法劣化系数为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] 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.GB 18352.5—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.

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,硕士,主要研究方向为汽车排放法规和排放测试技术研究；qinhongyu@catarc.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.014

TK411.5

B

1001-2222(2017)06-0071-04

[编辑: 李建新]