国六轻型汽油车温室气体排放特征

2024-03-08尹黛霖艾力力中国汽车技术研究中心有限公司天津300300

中国环境科学 2024年2期

尹黛霖,艾力力,温溢 (中国汽车技术研究中心有限公司,天津 300300)

随着全球气候变化问题的日益突出,减少温室气体排放已成为环境保护的重要目标.交通运输是影响我国碳达峰、优化空气质量的重点领域[1-5].随着国民经济稳步增长,汽车行业快速发展.根据官方统计数据显示,到2022 年底我国汽车的保有量已达到3.19 亿辆[6].与车辆活动密切相关的温室气体有CO2、CH4和N2O[7].全球交通运输行业排放的CO2占所有能源相关CO2排放的23%[8].研究表明,机动车排放的N2O 仅占温室气体的1%～2%[14],N2O 可能来自NH3与NO 或NO2之间的反应或是在催化器中生成的NH4NO3的分解[10-14].国六法规GB 18352.6-2016 中要求每台车辆在常温下的N2O 排放不得超过20mg/km[15].CH4可以通过汽油燃料的部分氧化形成[16],与CO2和N2O 相比,CH4在大气中的停留时间较短,约8～9 年[17].

目前,国内外对车辆温室气体排放的研究主要是采用台架试验,车载测试和模型估算3 种方法.近年来,大量学者针对车辆温室气体的排放特征进行了研究:国内何立强等[18],钟瀚程等[19]对实车在不同工况下进行测试,得到CH4和N2O 的排放因子;唐伟等[20],李光华等[21],Zeng 等[22]利用IVE, MOVES,Gompertz 等计算模型建立了不同基准年的温室气体排放清单,Zeng 等[22]还对未来温室气体排放量进行了预测;王亚超等[23]利用WLTC 循环测试了车辆在不同温度点下的CO2排放特征.国外学者也开展了众多研究:Clairotte 等[24]监测到欧5b 至欧6d 的轻型车辆CH4和N2O 平均排放因子均为7mg/km;Sirithian 等[25]测量了泰国轻型车的CO2和CH4平均排放系数分别为 232.25g/km 和9.50mg/km; Selleri等[26]利用全球统一轻型车辆测试循环工况(World Light Vehicle Test Cycle,WLTC)和实际行驶排放(Real Drive Emission,RDE)测试程序,对3 种插电式混合动力汽车进行测试,发现混合动力汽车的污染物和二氧化碳排放都明显减少.国内车辆目前在驾驶过程中的温室气体产生水平仍有待进一步研究.

为了量化国六车辆温室气体排放情况,本文在试验室工况下对车辆的温室气体排放进行研究,选用WLTC 作为测试循环,选用传统燃油轻型车与混合动力轻型车,分析其温室气体排放特性,旨在为下阶段制定温室气体有关的法规政策提供参考.

1 试验设备与方法

1.1 试验车辆

本文共选择了33 辆1.5L 排量传统燃油车(ICE)以及45 辆2.0L 排量的传统燃油车,其中包括了不同技术路线的车辆,1.5L 排量车辆的整备质量区间为1000～ 2000kg,2.0L 排量车辆的整备质量区间为1500～ 2500kg,此外,还选取了6 辆不可插电式混合动力车辆(HEV)进行对比.测试车辆涵盖市售主流品牌,如表1 所示,为试验车辆的具体参数,所有车辆均满足国六排放标准,各车的行驶里程均在2 万km以内.

表1 试验车辆参数Table 1 Parameters of the test vehicle

1.2 试验设备

CH4分析仪为非甲烷截止器(NMC)+氢火焰离子化(FID)型,NMC 组件包含一个加热的催化剂,可去除样气中除甲烷以外的所有碳氢化合物,再用火焰离子化检测器来测定甲烷的浓度.N2O 采用量子级联激光N2O 分析仪(QCL).表2 中为本研究使用的主要测试设备,所有设备均符合国六标准的测试要求.需在底盘测功机上依照WLTC 曲线驾驶车辆,将车辆尾气通入稀释通道,通过排放分析系统测量稀释后的气体得到CO2、CH4、N2O 3 种气体浓度,再根据排气容积、污染物密度、测试循环的实际行驶距离等参数计算出各污染物的排放量(mg/km).

表2 试验设备Table 2 Equipment

1.3 折算方法

每种温室气体都有其引起全球变暖的不同能力,为了更好地衡量各物质产生温室效应的指数大小,引入全球变暖潜能值(GWP).因CO2对全球变暖的影响最大,将CO2作为参照气体,各种温室气体的温室效应对应于相同效应的CO2的质量,全球变暖潜能值表示这些气体在不同时间内在大气中保持综合影响及其吸收外逸热红外辐射的相对作用,通常以20 年、100 年、500 年来衡量,如表3 所示.本研究中采用100 年的GWP 值,CH4的GWP 值为25,N2O 的GWP 值为296[27].

表3 全球变暖潜值(GWP)Table 3 Global warming potential (GWP)

2 结果与讨论

2.1 试验车辆排放情况

2.1.1 A 组车辆如图1 所示,试验车辆的CO2、CH4、N2O 3 种温室气体分布在1.4×105～1.5×105,2.0～3.0,0.5～1.0mg/km 区间的数量最多,分别占总数量的27.3%、48.5%、39.4%,可以看出,CH4、N2O 两种气体的排放值结果相对集中,而 CO2的排放值结果各车辆的差异性较大,因为不同车辆的CO2排放差异主要取决于燃料燃烧效率,而CH4和N2O 的生成受催化器的活性影响较大,本文选用的车辆均为低里程车辆,催化器能力较强,因此CH4和N2O 的差异不显著.

图1 A 组各区间车辆数量分布Fig.1 Distribution of vehicle quantity in each section of group A

其中CO2排放的最大值为204100.41mg/km,最小值为135911.68mg/km,平均159820.49mg/km;CH4排放的最大值为4.80mg/km,最小值为0.43mg/km,平均2.27mg/km;N2O 排放的最大值为4.18mg/km,最小值为0.37mg/km,平均1.09mg/km.车辆尾气中的CO2排放仍是温室气体的主要来源,CH4和N2O的排放量级相对较小,但其对环境的影响还将进一步考虑其全球变暖潜能值的影响.

1～27 号车辆均为涡轮增压车辆,28～33 号车辆均为自然吸气车辆,自然吸气进气方式的车辆的CO2、CH4、N2O 3 种温室气体排放均保持在较低水平.

2.1.2 B 组车辆如图 2 所示,试验车辆的CO2、CH4、N2O 3 种温室气体排放量分布在1.4×105～1.6×105、2.0～2.5、0.6～0.8mg/km 区间的数量最多,分别占总数量的37.8%、24.4%、24.4%.与图1 相比,3 种温室气体高密度分布区间大致相同,CH4、N2O 两种气体的排放值结果较1.5L 排量车辆相对分散,因大排量车辆通常具有更复杂的发动机设计,增加了CH4和N2O 的排放不确定性.

图2 B 组车辆温室气体排放分布Fig.2 Distribution of vehicle quantity in each section of group B

其中CO2排放的最大值为252852.89mg/km,最小值为124508.86mg/km,平均值为174674.32mg/km;CH4排放的最大值为5.60mg/km,最小值为0.85mg/km,平均2.14mg/km;N2O 排放的最大值为2.35mg/km,最小值为0.11mg/km,平均0.77mg/km.

与图1 中1.5L 排量的车辆对比可知,CO2排放基本呈现随排量增大而上升的趋势,平均排放增加了9.3%,但CH4和N2O 的规律不明显.此外,随着排量增大,自然吸气方式的车辆对温室气体的减排效果也削减,其中CO2和CH42 种进气方式差异不大,但自然吸气车辆的N2O 甚至高于涡轮增压车辆.

目前国六排放标准中只针对N2O 设置了限值,国六的N2O 排放限值为20mg/km,可以看出本研究所有车辆的N2O 排放远小于限值,最高的排放值也仅为限值的20.9%,裕度较大.现阶段针对温室气体并未形成严格的法规,为缓解全球变暖的趋势,后续有进一步完善和加严的必要.

与何立强等[16]的研究结果相比,可以发现国六车辆的CH4和N2O 排放水平较国四及国四以前车辆下减小了10 倍左右,CO2平均的排放因子也降低约20%.国六标准要求车辆采用更高效的燃烧技术,通过改进尾气处理系统,有效降低了温室气体的排放量,但后续仍要持续进行监管.

2.2 全球变暖潜值折算量

利用全球变暖潜值将CH4、N2O 折算为CO2当量,得到了折算后各试验车辆的CO2相对增长率,增长率按照式(1)进行计算:

式中:RCO2为相对增长率,Mi为各车CH4或N2O 的排放,MCO2为各车CO2的排放.

从图3 中可以看出,虽然各车CH4、N2O 两者的排放相当,但由于N2O 的GWP 值较大,N2O 引起的CO2增长明显高于CH4,CH4引起的CO2增长率为0.01%～0.06%,N2O 引起的CO2增长率为0.07%～0.64%,总的CO2增长率为0.10%～0.68%.因车辆CO2排放的基数较大,CH4、N2O 两者折算后的CO2相对增长率数值均小于1%,但根据折算值看,N2O 排放最高的18 号车辆CO2折算值也达到了1245.6mg/km,其产生的温室效应影响也不容小觑.折算后A 组车辆总的CO2排放范围为136178.7～204770.1mg/km.

图3 A 组车辆折算后CO2 增长率Fig.3 CO2 growth rate after conversion of group A vehicles

如图4 所示,CH4引起的CO2增长率为0.01%～0.08%,N2O 引起的CO2增长率为0.02%～0.31%,总的CO2增长率为0.04%～0.34%.整体上看,2.0L 排量车辆的CH4、N2O 折算成后的增长率较1.5L 排量的车辆有所下降.折算后B 组车辆总的CO2排放范围为124696.9～252957.6mg/km.

图4 B 组车辆折算后CO2 增长率Fig.4 CO2 growth rate after conversion of groupB vehicles

2.3 温室气体排放影响因素分析

2.3.1 单位质量的CO2排放从车辆的排放数据来看,随着整备质量的增大,车辆产生高温室气体排放的概率也随之增大.因为较大的车重导致更大的阻力和能量损失,从而增加了温室气体的产生.为研究在单位车重下的温室气体排放情况,将CH4和N2O 利用全球变暖潜值折算后的CO2排放总量(g)除以车辆的整备质量(kg),得到了单位质量下的CO2排放系数,如图5 所示,2 种类型车辆单位质量下的CO2排放的最大值相近,但1.5L 排量车辆的最小值高于2.0L 排量车辆,此外,1.5L 车辆单位质量CO2排放系数的均值和中位数也高于2.0L 排量车辆.一般来说,排量越大,发动机的功率和扭矩也会相应增加,较大的排量车辆发动机的输出能力更强,排量较大的车辆往往具有更高的动力性能,因此2.0L 排量车辆单位质量CO2排放系数略小.

图5 单位质量的CO2 排放系数Fig.5 CO2 emission coefficient per unit mass

2.3.2 进气方式如图6 所示,车辆的喷油方式均为缸内直喷,其中21 号和34 号车辆为同一品牌,14号和33 号车辆为同一品牌.可以发现,自然吸气车辆的温室气体排放量较涡轮增压车辆有明显的降低,其中第一组车辆降低了39.9%,第二组车辆降低了28.9%.自然吸气技术是利用大气压将空气压入燃烧室,而增压技术是利用废气能量驱动涡轮带动压气机工作,提升进气压力和充气量,大幅提升汽油机的动力性[28].涡轮增压发动机消耗了更多的燃料,也导致缸内温度较高,为温室气体的生成创造了有利条件.

图6 不同进气方式车辆的温室气体排放对比Fig.6 Comparison of greenhouse gas emissions with different intake methods

2.3.2 喷油方式如图7 所示,车辆的进气方式均为涡轮增压,其中22 号和29 号车辆为同一品牌,27号和28 号车辆为同一品牌.GDI 为直接将燃油喷到燃烧缸内,喷油和油气混合都在缸内进行,使得喷油时间和油量以及油气混合的控制更加精准,GDI 可以提高发动机效率并减少燃料消耗,从而减少CO2的排放,因此,GDI 发动机原则上较PFI 发动机排放更少的CO2.但从图7可以看出,两组车辆的PFI发动机都比GDI 发动机产生更少的温室气体,其中第一组车辆降低了25.0%,第二组车辆降低了41.4%.虽然同组车辆为相同品牌,但车辆的各项配置差异较大,GDI 的发动机的优势并不能抵消温室气体的增加量,出现了搭载GDI 发动机的车辆CO2总量更高的现象.未来对温室气体的监管中,还应多考虑不同车辆技术路线的差异,继续深入研究影响温室气体的各项因素.

图7 不同喷油方式车辆的温室气体排放对比Fig.7 Comparison of greenhouse gas emissions with different fuel injection methods

2.4 混合动力车辆的减碳效益

混合动力车辆有电量平衡(CS)、电量消耗(CD)、电量增加(CI)3 种模式,CS 模式下的电池电量在某个SOC 平衡点附近波动,从整个测试循环看,电池的能量基本不参与驱动,因此本研究的混动车辆均在CS 模式下进行测试.选择与混合动力车辆的各项参数尽量接近的传统燃油车进行对比,选择A 组中的16 号、20 号、23 号车辆与C 组中的1～3 号涡轮增压直喷车辆对比,选择A 组中的31 号、32 号、33 号车辆与C 组中的4～6 号自然吸气进气道喷射车辆对比,如图8 所示.

图8 混动车辆与燃油车温室气体排放对比Fig.8 Comparison of greenhouse gas emissions between hybrid vehicles and fuel vehicles

对于相同发动机排量的车辆,混合动力车辆的整备质量平均重约20%,而温室气体排放量则降低约23.4%～27.9%,其中涡轮增压直喷车辆的CO2降低38.8%,CH4降低107.6%,N2O 降低12.6%,自然吸气进气道喷射车辆的CO2降低23.4%,CH4降低37.8%,N2O 降低53.4%.无论何种进气方式或喷油方式,混合动力车辆的温室气体排放均有较大幅度的降低,未来大力发展新能源汽车有助于实现减碳目标.