法规工况下轻型汽油车氨排放特征

吉江林，赵海光，郑 丰，尹 航，丁 焰，何 超

1. 西南林业大学机械与交通学院，云南 昆明 6502242. 西南林业大学，云南省高校高原山区机动车环保与安全重点实验室，云南 昆明 6502243. 中国环境科学研究院，国家环境保护机动车污染控制与模拟重点实验室，北京 1000124. 中国环境科学研究院机动车排污监控中心，北京 100012

NH3是大气环境中二次颗粒物(PM2.5)生成的重要前体物[1-3]. NH3是碱性气体，无色且有强烈刺激性味道，可与NOx、SO2等酸性气体在大气中发生化学反应生成硝酸盐和硫酸盐，从而促进PM2.5的生成[4-6].铵盐沉淀会导致地下水富营养化和土壤酸化[7]. 在美国南加州，由硝酸铵形成的颗粒物约占总悬浮颗粒物的65%[8]. 彭应登等[9]对北京NH3源排放进行了研究，发现大气中NH3是北京春季、夏季和秋季生成二次颗粒物的主要原因. 轻型车在行驶过程中产生的NH3排放会严重影响环境以及人体健康[10-12]. 轻型汽油车NH3排放是三元催化器反应的副产物，主要是尾气中的CO与H2O在三元催化器中发生水煤气反应生成H2，H2还原NO生成NH3，其生成机理如式(1)～(3)[13]所示：

机动车尾气排放接近于人群聚集区，可能是城市地区NH3排放的重要来源[14-15]. 研究表明：机动车排放的NH3占西洛杉矶NH3排放总量的60%～95%，在夏洛特和弗雷斯诺，冬季NH3排放的贡献率超过70%[16-17]. 邹忠等[18]采用隧道法对机动车NH3排放进行了研究，估算2014年上海机动车的NH3排放总量约为1300 t，占该市NH3排放总量的12%. 因此，有必要对轻型汽油车的NH3排放进行管控.

近年来，对轻型汽油车的NH3排放测试结果[19-21]表明，车辆在持续加速时NH3排放量明显增加. Wang等[11]在全球轻型汽车驾驶工况(worldwide light-duty test cycle，WLTC)下对7辆国Ⅵ轻型汽油车的NH3排放进行测量，结果表明，对于所有测试车辆，绝大多数的NH3排放产生在发动机暖机期，NH3排放因子在(0.65±0.38)～(8.01±3.12) mg/km之间. Wang等[22]模拟了轻型汽油车三元催化转化器(three-way catalytic converter，TWC)运行过程中副产物NH3的形成，发现随着催化剂的逐渐老化，NH3排放量不断增加，NH3主要在250～550 ℃的排气温度范围内形成，富燃状态持续时间的增加将导致NH3选择性增加. Liu等[23]采用实验室转鼓试验，测量了轻型汽油车在WLTC工况和新欧洲驾驶工况(new European driving cycle，NEDC)下的NH3排放，发现环境温度对NH3排放的影响主要集中在冷起动阶段，WLTC和NEDC工况下使用催化剂后的NH3排放分别比使用催化剂前高出45和72倍. Huang等[24]对上海市13辆国Ⅱ～国Ⅴ轻型汽油车的NH3排放进行了测量，发现基于里程的NH3排放因子为(29.2±24.1) mg/km. 然而，国内研究人员对国Ⅵ轻型汽油车不同环境温度下的NH3排放研究较少.

该研究在实验室转鼓上对1辆国Ⅵ轻型汽油车进行了法规工况下的NH3排放测量，测试工况包括WLTC、中国轻型汽车行驶工况(China light-duty vehicle test cycle，CLTC)和美国联邦测试规程(federal test procedure，FTP-75)，重点分析WLTC工况下的瞬时NH3排放特征以及不同环境温度对NH3排放的影响，对比3种测试工况下的NH3排放因子，以期为未来轻型汽油车的NH3排放法规制定提供参考.

1 材料与方法

1.1 测试车辆

测试车辆为国Ⅵ轻型汽油车，排量为2.0 L，进气方式为自然吸气，装配有TWC和汽油颗粒捕集器(gasoline particulate filter，GPF). 整个测试采用符合国Ⅵ标准的车用汽油，硫含量低于10 mg/kg.

1.2 测试设备

轻型车排放测试系统主要包括风机、底盘测功机、NH3分析仪、定容取样系统(constant volume sampling，CVS)和常规污染物分析仪等(见图1). 其中，NH3分析仪是采用傅里叶变换红外光谱吸收法(Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR)直接测量尾气中的NH3排放浓度[25-26]. CVS可提供的流量测试范围为6～12 m3/min. 经过稀释后的尾气进入常规污染物测试设备进行实时测量，通过非分光红外法(non-dispersive infrared，NDIR)测量CO和CO2浓度，采用化学发光法(chemiluminescence，CLD)测量NOx浓度，通过火焰离子化检测器(flame ionization detector，FID)测量总碳氢化合物(THC)浓度. 空燃比传感器和温度传感器分别用于测量空燃比和催化剂温度. 试验设备规格见表1.

图1 轻型车排放测试系统Fig.1 Light-duty vehicle emissions test system

表1 试验设备规格Table 1 Specifications of the test equipments

由于NH3是极性分子，易溶于水，因此该研究选择直接采样法对轻型汽油车排放的NH3进行采样.此外，为了尽可能减少NH3排放损失，把采样位置尽量靠近排气管出口，并把采样管加热至113 ℃.

1.3 测试工况

该研究采用WLTC、CLTC和FTP-75工况测量轻型汽油车的NH3排放. WLTC工况包括低速段(589 s)、中速段(433 s)、高速段(455 s)和超高速段(323 s) 4个阶段[27]，加速、减速比例分别为28.67%和30.11%. CLTC工况包括低速段(674 s)、中速段(693 s)和高速段(433 s) 3个阶段[28]，加速、减速比例分别为26.44%和28.61%. FTP-75工况是市区工况，包括冷起动(505 s)、热稳定(867 s)和热起动(505 s)3个阶段[29]，加速、减速比例分别为24.32%和30.39%. 此外，热稳定和热起动之间有约10 min (540～660 s)的浸车.不同测试工况的特征比较见表2.

表2 不同测试工况的特征比较Table 2 Comparison of the characteristics of the different test cycles

1.4 VSP计算方法

Heeb等[30]发现，轻型汽油车在三元催化器中的NH3生成在很大程度上取决于车辆的速度和加速度.根据Jiménez-Palacios[31]的报道，车辆的速度和加速度可用于计算车辆比功率(vehicle specific power，VSP).VSP结合了车辆的瞬时速度和加速度，能综合反映车辆的行驶工况，其简化的计算公式：式中：VSP为车辆比功率，kW/t；v为车辆速度，m/s；a为车辆加速度，m/s2；s为道路坡度，该研究取0.

2 结果与讨论

2.1 轻型汽油车瞬时NH3排放特征

WLTC工况下轻型汽油车的NH3瞬时排放情况及空燃比和催化剂温度(见图2～3)显示，在WLTC工况下，前50 s无NH3排放产生，此时空燃比低于理论空燃比(14.7)，混合气较浓，但由于催化剂温度较低，催化剂未起燃，不能在三元催化器上形成NH3. 在冷起动条件下，轻型汽油车NH3排放主要集中在低速段和中速段(前900 s). 这是由于机动车冷起动时温度较低，此时CO和催化剂表面端位羟基和桥式羟基发生反应生成H2，产生的H2进而还原NO生成NH3. 在高速段和超高速段，仅有极少量的NH3生成.这是因为车辆完全预热后，还原性气体CO和HC明显减少. 此外，在WLTC工况下，650 s和760 s附近出现明显的NH3排放峰值，这时混合气加浓，导致CO和HC排放增加，进而影响NH3排放. 轻型汽油车的NH3高排放区主要分布在250～500 ℃范围内，这与Wang等[22]的研究结论相似.

图2 WLTC工况下轻型汽油车的瞬时NH3排放特征Fig.2 Instantaneous NH3 emission characteristics of light-duty gasoline vehicles under WLTC cycle

图3 WLTC工况下轻型汽油车的空燃比和催化剂温度Fig.3 The air-fuel ratio and the catalyst temperature of light-duty gasoline vehicles under WLTC cycle

23 ℃时WLTC工况下轻型汽油车速度、加速度和NH3排放速率的等高线分布如图4所示. 由图4可见，低速段、中速段、高速段和超高速段的NH3排放主要集中在速度分别为25～45、20～50、50～70和75～105 km/h的区间，以及加速度＞0.5 m/s2的加速阶段. WLTC工况下，轻型汽油车的NH3高排放区域随速度的升高逐渐向高速、高加速区域移动，且高排放区域更加集中.

图4 WLTC工况下轻型汽油车速度、加速度和NH3排放速率的等高线分布Fig.4 Contour plots of speed, acceleration and NH3 emission rates for light-duty gasoline vehicles under WLTC cycle

根据美国环境保护局(US EPA)发布的MOVES模型中轻型车VSP的划分方法[32]，该研究将VSP划分为23个bin区间. bin 0代表减速或者制动(a≤0.9 m/s2)，bin 1代表怠速(—1.6 km/h≤v＜1.6 km/h)，bin 11～bin 16代表低速(1.6 km/h≤v＜40 km/h)，bin 21～bin 25和bin 27～bin 30代 表 中 速(40 km/h≤v＜80 km/h)，bin 33、bin 35、bin 37～bin 40代表高速(v≥80 km/h).受测试工况和数据所限，bin 23没有对应的平均NH3排放速率. WLTC工况下车辆在VSP bin区间内的NH3排放速率分布如图5所示. 从整体上看，bin 13～bin 16的平均NH3排放速率(0.25～0.35 mg/s)最高，其次是bin 23～bin 25和bin 27～bin 29(0.1～0.2 mg/s)，bin 33、bin 35和bin 37～bin 39的平均NH3排放速率(＜0.1 mg/s)最低. bin 13～bin 16的平均NH3排放速率是bin 33的45.3～62.4倍. 这可能是因为，车辆速度较低且加速时，混合气较浓，CO和HC排放增加，导致NH3排放增加.

图5 WLTC工况下车辆在VSP bin区间内的NH3排放速率分布Fig.5 NH3 emission rates distribution on VSP bin under WLTC cycle

2.2 不同环境温度对NH3排放的影响

WLTC工况下轻型汽油车不同环境温度下NH3排放因子如表3所示. 从整体上看，随着环境温度的升高，NH3综合排放因子呈下降趋势，但35 ℃时略微有所上升. 这是由于在汽车冷起动过程中，混合气加浓，燃烧不完全，导致CO排放增加，促进了NH3的生成[23]. 35 ℃不在实验室法规认证温度范围内，因此，技术人员对该温度下的控制策略关注较少，导致CO排放增加. 不同环境温度下低速段的NH3排放因子与综合排放因子有相似的规律，—7 ℃时，NH3综合排放因子是0、23和35 ℃时的1.3～2.4倍，—7 ℃下低速段的NH3排放因子分别是0、23和35 ℃时的1.4～2.2倍. 由表3可见，各种测试环境温度下车辆的NH3排放因子均表现为低速段＞中速段＞高速段＞超高速段.

表3 WLTC工况下轻型汽油车不同环境温度下的NH3排放因子Table 3 NH3 emission factors for light-duty gasoline vehicles at different ambient temperatures under WLTC cycle

2.3 NH3排放因子

测试车辆在3种法规测试工况下的NH3排放因子如图6所示. 由图6可见，在WLTC和CLTC工况下，轻型汽油车绝大多数的NH3均产生于低速段.FTP-75工况下，冷起动阶段的NH3排放因子比热起动高2.8倍. FTP-75工况的冷、热起动阶段速度曲线相同，这也充分说明了车辆完全预热后NH3排放产生较少. 在WLTC、CLTC和FTP-75工况下，轻型汽油车的NH3综合排放因子差异较大. 其中，测试车辆在WLTC工况下的NH3综合排放因子最小. 这是因为WLTC工况行驶里程较长，高速段和超高速段产生的NH3排放较低，导致整个测试循环工况的NH3排放降低. 与WLTC工况相比，轻型汽油车CLTC工况下低速段的NH3排放因子较低.

图6 轻型汽油车不同测试工况下的NH3排放因子Fig.6 NH3 emission factors for light-duty gasoline vehicles at different test cycles

3 结论

a) 轻型汽油车冷起动时，在全球轻型汽车驾驶工况(worldwide light-duty test cycle，WLTC)下前50 s未测量到NH3排放，主要原因是催化剂尚没有完全起燃；轻型汽油车NH3排放主要集中在低速段和中速段(前900 s)，在高速段和超高速段仅有极少量的NH3生成. 轻型汽油车在低速(v＜40 km/h)的加速区间内，NH3排放较高.

b) 随着环境温度的升高，NH3综合排放因子呈下降趋势，—7 ℃时，NH3综合排放因子是0、23和35 ℃时的1.3～2.4倍. 在WLTC工况下，各种测试环境温度下车辆的NH3排放因子均表现为低速段＞中速段＞高速段＞超高速段.

c) 在WLTC工况、中国轻型汽车行驶工况(China light-duty vehicle test cycle，CLTC)和美国联邦测试规程(federal test procedure，FTP-75)下，轻型汽油车的NH3综合排放因子差异较大. 其中，测试车辆在WLTC工况下的NH3综合排放因子最小. FTP-75工况下，冷起动阶段的NH3排放因子比热起动高2.8倍.