北京市第五阶段出租车排放劣化特性

温 溢,刘俊女,刘 宪,杨正军 (.中国汽车技术研究中心,天津 300300；.北京市机动车排放管理中心,北京 0076)

作为城市营运车辆的出租车,自2013年北京市提前实施轻型汽油车第 5阶段(国Ⅴ)排放标准以来,53%的出租车已达国Ⅴ排放标准.据统计,北京地区出租车的年行驶里程均超过10万km,其排气污染物后处理装置催化转化器,在不到2a时间就会超过耐久要求的16万km质保期,根据出租车6a实施报废的要求,道路上行驶的大多数出租车都处于高里程、高排放状态[1-3].目前北京市出租车保有量约 6.8万辆,由于其保有量大,日行程里程高,其排气污染在城市机动车排气污染中占有相当大的比例.

研究表明,出租车在达到一定里程后排放会开始劣化[5-6].北京地区国Ⅲ出租车在22万km后开始劣化,国Ⅳ出租车在18万km后开始劣化[7-8],车辆在不同里程段污染物排放劣化趋势不同[10],对高里程出租车采取维护保养和更换催化转化器等措施可以有效降低污染物排放[9].但多数研究选取的样本数量较少[6],研究测试方法相对简单,多采用双怠速法、ASM稳态工况法等方法[11],且尚未有对国Ⅴ排放水平出租车的排放特性展开研究.为此,本文随机选取了北京地区有代表性的国Ⅴ排放水平高里程出租车35辆,在底盘测功机上按照NEDC工况进行常温冷启动排放试验,研究高里程出租车的排放特征,在此基础上开展了对样车更换新的催化转化器后再次进行排放的研究,并对催化转化器贵金属含量进行分析,研究了国Ⅴ出租车的劣化特性.

1 试验车辆及方法

1.1 试验样车

在北京地区随机选取有代表性的国Ⅴ排放水平出租车35辆.所有样车的行驶里程均大于国Ⅴ标准规定的耐久里程16万km,35辆样车的年平均行驶里程为 100608km,日平均行驶里程为276km.样车里程分布从 163714～482454km,其中9辆为16万～20万km,14辆为20万～30万km,7辆为30万～40万km,5辆为40万～50万km.

1.2 试验设备及方法

车辆污染物排放试验按照《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》(GB18352.5-2013)[13]规定的常温冷启动排放测试(Ⅰ型试验)进行.按照国家标准规定的方法进行催化转化器贵金属含量测定[14].

为改善高里程出租车的高污染排放状况,对所有样车更换了原车辆制造厂配置的新的同型号催化转化器,对样车更换催化转化器前后的污染物排放水平进行测试.为比较出租车催化转化器在不同行驶里程区间的劣化情况,设定16万km耐久里程后催化转化器的劣化系数(DF)计算公式为：

式中：DF为高里程出租车催化转化器劣化系数;Mi为不同行驶里程区间内污染物排放均值,g/km;M0为出租车更换新的催化转化器后的污染物排放均值,g/km.

2 结果分析

2.1 样车总体排放水平

对35辆国Ⅴ排放水平出租车的排放结果进行统计(表1),车辆平均排放结果均超过国五排放标准限值[13],其中,NMHC(非甲烷碳氢)和 NOx排放劣化比较严重,NMHC平均排放因子接近排放限值的2倍,NOx平均排放因子达到排放限值3.2倍,其他2种污染物均超过了标准限值的1.2倍以上.与王猛等[7]研究的北京国Ⅲ、国Ⅳ排放水平高里程出租车排放超标情况一致.为了分析车辆排放劣化情况与行驶里程的关系,对样车的行驶里程分为16～20万km、20～30万km、30～40万km、40～50万km4个里程段,计算每个里程段内车辆的平均排放因子(表1),在20～30万km里程区间内样车平均排放因子已接近甚至超过标准限值,30～40万 km里程区间内样车排放急剧恶化,其平均排放因子达标准限值2～7倍,40～50万km里程区间内样车排放进一步加剧,其平均排放因子达标准限值3～10倍.

表1 出租车排气污染物的平均排放因子(g/km)Table 1 Average emission factors of taxi exhaust (g/km)

对35辆样车的排放超标率进行统计,得出车辆超标率达 55%,即超过一半以上的样车未达到国五排放标准限值.35辆样车中有 10辆样车THC超标(超标率29%),16辆样车CO超标(超标率46%),18辆样车NOx超标(超标率51%),15辆样车 NMHC 超标(超标率 43%),其中,样车 NOx超标比例最高,说明车辆排放劣化后,NOx超标劣化最为严重,应引起足够的重视.

2.2 污染物随行驶里程增长的排放特征分析

图1可以看出,4种常规污染物均随着样车行驶里程的增加,排放量逐渐增大,呈现典型的指数增长趋势,4种污染物的指数相关系数R2分别为0.6683、0.6306、0.7309和0.641.其中,CO在行驶里程21万km时已有样车接近标准限值,23万km时开始出现超标,行程里程29万km时排放急剧恶化,CO排放因子达标准限值的2倍多,之后随着行驶里程增加,排放量成指数增长,最高达标准限值的6.2倍.THC在车辆行驶里程达29万 km时开始出现超标,之后随着行驶里程增加,排放量成指数增长,最高达标准限值的 6.6倍.NMHC在车辆行驶里程达23万km时开始出现超标,之后随着行驶里程增加,排放量成指数增长,最高超过标准限值近 10倍.NOx在车辆行驶里程达17万km时样车开始出现超标,27万km时超标准限值近3倍,之后随着行驶里程增加,排放量成指数增长,最高超过标准限值近16倍.

学习监控与反馈V5（79.6）得分较低，反映任课教师在“学习过程监控与反馈”方面整体略显不足。所谓学习监控是指“为了保证学习的成功、提高学习效果和质量、达到学习目的，而对学生的学习活动进行的计划、检查、评价、反馈、控制和调节的一系列过程”［6］。学习过程监控与反馈V51（78.9）得分低于学习结果监控与反馈V52（80.9）得分，反映“学习结果监控与反馈V52”略好于“学习过程监控与反馈V52”，说明教师对课程的最终输出付出的精力要高于过程。究其原因可能是教师个人时间、精力不足导致无法及时监控和反馈，建议采用一些在线教学平台辅助，或选拔优秀学生作为助教。

图1 污染物排放随车辆行驶里程变化曲线Fig.1 Curve of pollutant emission corresponding to vehicle mileage

4种污染物中,CO和NOx更容易超过标准限值,应是车辆尾气排放控制的重点.车辆行驶里程超过29万km时,样车4种污染物几乎全部超标,说明样车的排放状况发生了急剧恶化,车辆催化转化器已经失活,催化转化器对污染物的转化效率很低.造成高里程出租车排放超标的原因主要包括：第一,催化转化器已经超出质保期.国Ⅴ排放法规[13]中规定了催化转化器应该在 16万 km内保证车辆排放符合法规要求.试验结果表明,车辆超过法规限值时,行驶里程基本都已经达到20万 km,已经超过法规要求.第二,出租车不同于普通乘用车的行驶特征,其日行驶里程长,冷态启动少,热态行驶时间长.虽然避免了冷启动产生的大量污染物排放[15],但催化转化器长期受高温影响,造成催化转化器的活性表面积大大减少,导致活性下降,从而使得对污染物的净化效果降低.第三,北京市对出租车加油过程缺少监管,出租车司机为了节省开支,更倾向于选择一些小型加油站加注便宜汽油,存在加注劣质燃油导致催化器中毒或失效的风险[16].

如表2所示,35辆样车4种污染物排放因子之间存在极显著正相关(P＜0.01),说明随着车辆行驶里程的增加,4种污染物的排放劣化趋势一致.此外,THC和NMHC的相关性最高,相关系数达0.977,说明NMHC在THC中的比例相对稳定.

表2 样车排气污染物相关性分析Table 2 Correlation analysis of vehicle exhaust pollutants

2.3 NOx超标排放原因

样车排气污染物中NOx的排放结果最差,表现为2辆样车在16～20万km内就出现了超标现象,在30万km后的劣化程度更为明显,排放结果最差,最高达标准限值的16倍.

2.3.1 催化转化器贵金属含量 35辆样车排放控制技术均采用电子控制汽油喷射加催化转化器的方式.催化转化器载体涂层表面的贵金属含量及比例对尾气的净化效果起到很大的作用,贵金属一般为铂(Pt)、铑(Rh)和钯(Pd)[17-19].Pt或Pd作为催化剂主要对CO和HC起氧化作用,尤其是Pd能够使催化转化器的氧化能力得到极大提高,Rh用于催化NOx的还原反应,Rh的贵金属含量直接影响NOx的还原效果[20-22].因此选择样车中3个典型车型3款不同型号的催化转化器进行了贵金属含量检测,并与企业贵金属含量申报值进行比较,如表3所示.3套催化转化器的各种贵金属含量均不低于申报值的 90%,满足标准规定[13],但其中用于催化转化 NOx的 Rh均低于申报值,最低为申报值的91%.为确保出租车在催化器质保期内NOx不出现超标现象,催化转化器生产企业可以适当增加Rh的含量.

表3 3套催化器贵金属检测Table 3 Catalytic converter noble metal detection

2.3.2 催化转化器失效 由表4可见,行驶里程为30万km的样车NOx严重超标,分别达0.219和0.472g/km,同时该车辆THC、NMHC和CO也均已经超标准限值,这说明车辆的催化转化器已经失效,对污染物的转化效率极低[23].行驶里程为 16～20万km的样车,NOx虽然超标,但样车的其它 3种污染物均低于限值,这说明可能存在车辆催化转化器中还原态贵金属失效,但也存在车辆其它原因导致NOx出现超标.

2.3.3 排气系统存在泄漏 出租车作为营运车辆,长期高强度行驶,其零部件损坏速度较快,车辆维修保养对排放有着较大影响[24].如果发动机排气系统中,尤其是催化转化器连接处出现了松动而出现排气泄漏现象,容易造成氧传感器给发动机ECU发出错误的指令,导致NOx排放结果变高[24].对NOx超标车辆进行了排气系统的泄漏检查,发现其中有12辆车均存在漏气现象.图2为一辆出现泄漏现象的出租车在排放试验中 NOx和THC 的瞬态排放浓度数据,取样频率为 1HZ.该车的泄漏点为前氧传感器与发动机之前的排气岐管,在NEDC的高速阶段,由于工况恶劣使得发动机排气量增加,从而导致出现了尾气泄漏现象,氧传感器监测到的氧含量低于真实值,从而错误的出发了增加进气中的氧含量的信号.这样导致高速工况下空燃比偏高,从而使得燃烧产物中THC减少,NOx大量增加.

表4 NOx超标典型车辆排放结果Table 4 Emission results of typical NOx exceeding vehicles

图2 NOx和THC污染物瞬态排放数据Fig.2 Transient emission data of pollutants

2.4 出租车催化器劣化系数

为改善高里程出租车的高污染排放状况,本研究对所有样车更换了原车辆制造厂配置的全套新的同型号催化转化器,在底盘测功机上进行常规冷起动排放测试[13].试验结果表明,所有样车在更换新的催化转化器后均能达到国Ⅴ排放标准,4种气体污染物都控制在国Ⅴ标准限值的65%以内,其中 CO 为 0.107～0.562g/km(均值0.216g/km),THC 为 0.016～0.057g/km(均 值0.026g/km),NOx为 0.006～0.039g/km(均 值0.015g/km),NMHC 为 0.015～0.047g/km(均 值0.024g/km),更换新的催化转化器后,CO、THC、NOx、NMHC 4种污染物的排放因子比原车分别最高减少了 96%、98%、99%和 97%,更换催化转化器能起到显著的减排效果,且原车排放越高,减排效果越好,与朱传勇等[9]对国Ⅲ排放水平出租车的研究结果一致.北京地区国Ⅴ排放水平高里程出租车,污染物的机内控制水平并未发生下降,只要配备较好的污染物机外控制装置,即可保证高里程出租车的排放水平满足国Ⅴ要求.

如表5所示,北京市出租车在行驶里程 20万km以内的劣化系数较小,但从第20～30万km开始,CO和NOx的劣化系数逐渐增加,在行驶里程达到 30～40万 km 期间,劣化系数成倍增长,劣化系数均在7.6倍以上,其中NOx的劣化系数达 24.6,此时出租车排放均处于超标状态,急需采取有效措施来改善出租车的高排放状况.当行驶里程超过40万km时,劣化状况更为严重.出租车强制报废年限为 6a,按照出租车平均年行驶里程10万km计算,6a车辆行驶里程将达60万km以上,鉴于出租车在不同行驶里程区间内的劣化水平,监管部门和出租车企业应及时采取治理措施,更换新的催化转化器将是一种非常有效的管理手段.

表5 不同行驶里程催化转化器劣化系数Table 5 Catalytic converter deterioration factor

3 结论

3.1 测试车辆 CO、THC、NOx、NMHC 4 种污染物的平均排放因子分别为 1.571,0.124,0.192,0.123g/km,超出标准限值 1.24～3.2倍.16～20万km里程区间污染物排放满足标准要求,20～30万km里程区间开始出现超标,行驶里程大于30万km样车排放急剧恶化.

3.2 测试出租车CO、THC、NOx、NMHC的排放因子均随着车辆行驶里程的增加逐渐增大,呈现典型的指数增长趋势,其指数相关系数R2分别为0.6683、0.6306、0.7309和0.641.样车行驶里程超过29万km时4种污染物几乎全部超标,最高分别达标准限值的 6.2、6.6、16、10倍,其中CO和NOx更容易超过标准限值.

3.3 选择3个典型车型的催化转化器进行贵金属Pt、Rh、Pd含量检测,并与企业申报值进行比较,检测结果虽满足标准规定,但其中用于催化还原 NOx的 Rh均低于申报值,最低为申报值的91%.除了催化转化器失效外,排气系统存在漏气是导致出租车NOx排放超标的重要原因,主要是因为出租车日常使用中加减速、停车、启动比较频繁,导致排放相关零部件容易松懈或损坏.

3.4 高里程出租车更换新的催化转化器后均能满足国Ⅴ排放水平,4种污染物均控制在国Ⅴ标准限值的65%以内,CO、THC、NOx、NMHC 4种污染物的排放因子分别为 0.107～0.562,0.016～0.057,0.006～0.039,0.015～0.047g/km,更换催化转化器能起到显著的减排效果,且原车排放越高,减排效果越好.

3.5 测试出租车在16～20万km、20～30万km、30～40万km、40～50万km4个里程区间的催化转化器劣化系数分别是,CO：2.2、4.0、15.0、14.8;THC：1.8、2.4、7.6、12.5;MNHC：1.8、2.3、8.6、13.9;NOx：2.9、4.0、24.6、37.4.

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