在用汽油車排氣污染物超標(biāo)特征分析?

陶健，王文君，龐奪峰，姜鑫，殷傳峰

（山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030000）

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在用汽油車排氣污染物超標(biāo)特征分析?

陶健，王文君，龐奪峰，姜鑫，殷傳峰

（山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030000）

摘要：為了掌握電控發(fā)動機(jī)汽油車排氣污染物超標(biāo)特征及規(guī)律，統(tǒng)計分析308輛在用汽油車在穩(wěn)態(tài)工況法檢測條件下的排氣污染物超標(biāo)數(shù)據(jù)，研究污染物CO、NOx和HC的主要超標(biāo)類型、超標(biāo)程度特征及超標(biāo)原因。結(jié)果表明，CO與HC兩項同時超標(biāo)和HC、CO的超標(biāo)程度顯著正相關(guān)，NOx與HC兩項同時超標(biāo)和NOx超標(biāo)程度負(fù)相關(guān)、和HC超標(biāo)程度正相關(guān)；CO超標(biāo)達(dá)到限值4倍以上時與HC同時超標(biāo)占CO所有超標(biāo)類型的93.3%，NOx超標(biāo)達(dá)到限值3倍以上時與HC同時超標(biāo)的占比為71.4%，HC超標(biāo)達(dá)到限值3倍以上時與CO同時超標(biāo)的可能性很大、與NOx同時超標(biāo)的概率很小。

關(guān)鍵詞：汽車；汽油車；排氣污染物；超標(biāo)特征；相關(guān)性

隨著中國機(jī)動車保有量的迅速增加，機(jī)動車排氣污染成為城市空氣污染的重要來源，約分擔(dān)大氣污染源的85%，其中汽油車是主要貢獻(xiàn)者之一。因此，控制汽油車污染物排放是降低大氣污染的有效手段之一。近年來中國機(jī)動車污染物防治工作不斷推進(jìn)，環(huán)保檢測制度逐年完善，檢測技術(shù)不斷提高。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)要求的不斷嚴(yán)格，機(jī)動車環(huán)保檢測不合格車輛的尾氣超標(biāo)治理問題日益凸顯。國外發(fā)達(dá)國家主要通過在用車的檢測與維護(hù)（I/M）制度來控制在用車的排氣污染，規(guī)定定期進(jìn)行排放檢測，對排放超標(biāo)的車輛或篡改排放控制裝置的車輛責(zé)令限期修理。國內(nèi)學(xué)者也提出建立并實(shí)施I/M制度保障車輛達(dá)標(biāo)行駛，減少在用車污染物排放。已有的污染物治理技術(shù)大多針對化油器車輛，而針對現(xiàn)代車輛技術(shù)的排放影響研究成果比較零散，主要對車輛排放的影響因素和劣化規(guī)律進(jìn)行研究，對在用車的排放超標(biāo)特征研究很少，且很少針對穩(wěn)態(tài)工況法（ASM）檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。

考慮到汽車污染物超標(biāo)數(shù)據(jù)研究缺乏，超標(biāo)原因難以準(zhǔn)確確定，導(dǎo)致盲目治理和過度維修，治理效果不佳，嚴(yán)重削減了汽車污染物防治效果，制約了I/M工作的有效開展，該文收集整理在用汽油車ASM檢測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析污染物HC、CO和NOx的超標(biāo)特征，量化分析超標(biāo)程度及相關(guān)性，獲取主要超標(biāo)類型、超標(biāo)基本特征和規(guī)律，以便于確定尾氣超標(biāo)治理目標(biāo)和準(zhǔn)確判斷超標(biāo)原因，為指導(dǎo)汽油車排氣污染物超標(biāo)故障診斷與維修治理、推動機(jī)動車污染物防控提供技術(shù)支撐。

1　污染物超標(biāo)數(shù)據(jù)分析

收集2010—2013年某機(jī)動車環(huán)保檢測站2 000 份ASM檢測報告單，篩選整理308輛車檢測結(jié)果不合格的報告單數(shù)據(jù)，分別針對CO、NOx和HC對各污染物的超標(biāo)類型分布進(jìn)行統(tǒng)計，分析各污染物超標(biāo)的主要形式和形成原因。

1.1CO超標(biāo)原因和超標(biāo)類型分布統(tǒng)計分析

造成CO超標(biāo)的原因為燃燒過程缺氧或燃燒溫度過低。CO排放超標(biāo)的原因包括噴油量過大、空氣供給不足、噴油霧化不良、排氣不暢造成燃燒室內(nèi)殘余廢氣過多、發(fā)動機(jī)缸壓不足、燃油蒸汽回收系統(tǒng)故障造成混合氣過濃、氧傳感器有故障等。另外，CO除了在做功過程生成外，還在排氣過程中在催化器作用下由HC繼續(xù)氧化生成。

對不合格報告單數(shù)據(jù)中包含的CO超標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，統(tǒng)計CO各超標(biāo)類型分布情況，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1　CO超標(biāo)類型分布

1.2NOx超標(biāo)原因和超標(biāo)類型分布統(tǒng)計分析

NOx生成機(jī)理為高溫富氧，NO生成的溫度條件為不低于1 800 K，另外，燃料中N元素含量與NOx生成量成正比。因此，引起燃燒溫度過高的原因都會造成NOx排放增大，如發(fā)動機(jī)水溫過高、點(diǎn)火時刻提前、因燃燒室積碳等原因造成壓縮比過高、燃油選擇不當(dāng)、混合汽濃度偏稀等。

對不合格報告單數(shù)據(jù)中包含的NOx超標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，統(tǒng)計NOx各超標(biāo)類型分布情況，統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2　NOx超標(biāo)類型分布

由表2可知：NOx的主要超標(biāo)形式為NOx單項超標(biāo)，占NOx總超標(biāo)量的67%，其主要原因為在穩(wěn)態(tài)工況檢測條件下，車輛技術(shù)條件正常，發(fā)動機(jī)燃燒效率高，溫度和壓強(qiáng)高。另外，為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性，混合氣濃度偏稀，氧含量高，滿足了NOx生成條件。目前主要使用廢氣再循環(huán)技術(shù)通過降低燃燒溫度降低NOx排放量，并通過三元催化器進(jìn)一步降低，一旦控制不精確就會導(dǎo)致NOx排放增加。其次為NOx與HC兩項超標(biāo)，占NOx總超標(biāo)量的27%，其原因也與混合氣濃度較稀有關(guān)。三項超標(biāo)和NOx與CO兩項超標(biāo)較少，分別占4%和2%。

1.3HC超標(biāo)原因和超標(biāo)類型分布統(tǒng)計分析

HC超標(biāo)是因空燃比不佳或點(diǎn)火系統(tǒng)故障導(dǎo)致燃料未被點(diǎn)燃、火焰中斷和未來得及燃燒而引發(fā)。當(dāng)混合氣濃度過稀或過濃時，燃燒會變慢，當(dāng)氧化生成熱量小于混合氣散失的熱量時，火焰?zhèn)鞑ブ袛嗷蚧鹧姹焕錃鈭F(tuán)吹滅，未燃燒的燃油排出，混合氣中漏進(jìn)過量尾氣等都會導(dǎo)致燃燒中斷，引起HC排放增高。關(guān)于點(diǎn)火系統(tǒng)對HC排放影響的研究表明，火花塞間隙在怠速和低速時對HC排放影響較大，在中速和高速時對HC排放影響較小。點(diǎn)火提前角提前和推后都會導(dǎo)致HC排放增加。因此，在穩(wěn)態(tài)工況ASM5025時，HC超標(biāo)與火花塞間隙和點(diǎn)火提前角故障有關(guān)。

將不合格報告單數(shù)據(jù)中包含的HC超標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，統(tǒng)計HC各超標(biāo)類型分布情況，統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3　HC超標(biāo)類型分布

由表3可知：HC的主要超標(biāo)類型為HC與NOx兩項超標(biāo)、HC與CO兩項超標(biāo)，分別占HC超標(biāo)總量的42%、40%，說明HC通常伴隨和另外兩項同時超標(biāo)。HC和NOx同時超標(biāo)，主要原因為混合氣濃度較稀或點(diǎn)火提前角偏大。CO和HC同時超標(biāo)，主要原因為混合氣濃度較濃，出現(xiàn)了火焰中斷現(xiàn)象。HC單項超標(biāo)占比為12%，積碳、活塞間隙、點(diǎn)火系統(tǒng)故障是導(dǎo)致HC單項超標(biāo)的主要原因。

2　污染物超標(biāo)程度特征分析

根據(jù)上述統(tǒng)計結(jié)果，各污染物超標(biāo)之間存在一定相關(guān)性。由超標(biāo)原因分析可知，導(dǎo)致其中一項污染物超標(biāo)達(dá)到一定程度后，會影響其他污染物排放。因此，對各污染物按照超標(biāo)程度劃分，研究污染物超標(biāo)程度特征和相互關(guān)系，探究超標(biāo)主要原因和治理技術(shù)方法。

2.1CO超標(biāo)程度特征分析

用CO超標(biāo)倍數(shù)來表征其超標(biāo)程度，并以1倍為單位，將CO各超標(biāo)數(shù)據(jù)按照超標(biāo)倍數(shù)劃分區(qū)間，統(tǒng)計在各倍數(shù)區(qū)間中CO主要超標(biāo)類型數(shù)量所占該超標(biāo)區(qū)間CO超標(biāo)總量的比例。由1.1節(jié)可知，CO與HC兩項超標(biāo)和CO單項超標(biāo)為CO的主要超標(biāo)類型，其超標(biāo)程度分析結(jié)果如表4所示。

表4　CO各超標(biāo)程度區(qū)間主要超標(biāo)類型分布

由表4可知：CO超標(biāo)倍數(shù)為1～2時，CO與HC兩項超標(biāo)量略高于CO單項超標(biāo)量，隨著超標(biāo)倍數(shù)的增加，CO單項超標(biāo)占比呈明顯下降趨勢，CO與HC兩項超標(biāo)的占比則逐漸增加。超標(biāo)倍數(shù)超過4倍后，超標(biāo)程度已較為嚴(yán)重，CO與HC兩項超標(biāo)占比高達(dá)93.3%，混合氣濃度過濃、噴油嘴霧化效果差是其主要超標(biāo)原因。

進(jìn)一步分析CO與HC兩項超標(biāo)占比隨CO超標(biāo)程度增加的變化情況，并進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖1所示。

圖1　CO與HC兩項超標(biāo)占比隨CO超標(biāo)程度的變化

從圖1可看出：CO與HC兩項超標(biāo)的占比與CO超標(biāo)程度有明顯的相關(guān)性，CO與HC兩項同時超標(biāo)的概率隨CO超標(biāo)程度增加而增大。當(dāng)CO超標(biāo)4倍以上時，HC和CO同時超標(biāo)占比達(dá)93.3%，幾乎同時超標(biāo)。故障診斷時應(yīng)優(yōu)先考慮導(dǎo)致二者同時超標(biāo)的故障。

2.2NOx超標(biāo)程度特征分析

用NOx超標(biāo)倍數(shù)來表征其超標(biāo)程度，將NOx各超標(biāo)數(shù)據(jù)按照超標(biāo)倍數(shù)劃分區(qū)間。由于NOx超標(biāo)樣本相對較大，以0.5倍為單位，統(tǒng)計在各倍數(shù)區(qū)間中NOx的主要超標(biāo)類型數(shù)量占該超標(biāo)區(qū)間NOx超標(biāo)總量的比例。由1.2節(jié)可知，NOx單項超標(biāo)和NOx與HC兩項超標(biāo)為NOx的主要超標(biāo)類型，其超標(biāo)程度分析結(jié)果如表5所示。

表5　NOx各超標(biāo)程度區(qū)間的主要超標(biāo)類型分布

由表5可知：當(dāng)NOx超標(biāo)倍數(shù)為1～3時，NOx單項超標(biāo)為主要超標(biāo)類型，但NOx與HC兩項超標(biāo)占比呈上升趨勢，NOx單項超標(biāo)占比呈下降趨勢。NOx超標(biāo)倍數(shù)達(dá)到3倍以上時，NOx與HC兩項超標(biāo)占比達(dá)到71.4%，此時燃燒溫度很高且氧氣充足，HC排放也隨之增加。

進(jìn)一步分析NOx與HC兩項超標(biāo)占比隨NOx超標(biāo)程度增加的變化情況，并進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖2所示。

圖2　NOx與HC兩項超標(biāo)占比隨NOx超標(biāo)程度的變化

從圖2可看出：NOx與HC兩項超標(biāo)的占比與NOx超標(biāo)程度有明顯的相關(guān)性，NOx與HC兩項同時超標(biāo)的可能性隨NOx超標(biāo)程度的增加而增大。NOx超標(biāo)3倍以上時，NOx和HC同時超標(biāo)的占比達(dá)71.4%，同時超標(biāo)的可能性很大。故障診斷時應(yīng)優(yōu)先考慮導(dǎo)致二者同時超標(biāo)的故障，如混合氣較稀。

2.3HC超標(biāo)程度特征分析

用HC超標(biāo)倍數(shù)來表征其超標(biāo)程度，以0.5倍為單位，將HC各超標(biāo)數(shù)據(jù)按照超標(biāo)倍數(shù)劃分區(qū)間，統(tǒng)計在各倍數(shù)區(qū)間中HC主要超標(biāo)類型數(shù)量占該超標(biāo)區(qū)間HC超標(biāo)總量的比例。由1.3節(jié)可知，HC 與NOx兩項超標(biāo)和HC與CO兩項超標(biāo)為HC的主要超標(biāo)類型，其超標(biāo)程度分析結(jié)果如表6所示。

表6　HC各超標(biāo)程度區(qū)間的主要超標(biāo)類型分布

由表6可知：HC排放超標(biāo)倍數(shù)為1.0～1.5時，HC與NOx兩項超標(biāo)量高于HC與CO兩項超標(biāo)量，HC單項超標(biāo)、HC與CO兩項超標(biāo)所占比例相近。因此，混合氣濃度偏稀為該超標(biāo)范圍的主要原因。HC排放超標(biāo)倍數(shù)為1.5～2.0時，HC與CO兩項超標(biāo)量高于HC與NOx兩項超標(biāo)量，在該超標(biāo)倍數(shù)范圍內(nèi)，因混合氣濃度偏濃所產(chǎn)生的HC超標(biāo)量已超過因混合氣濃度偏稀而產(chǎn)生的HC超標(biāo)量，混合氣偏濃成為主要影響因素。當(dāng)HC排放超標(biāo)倍數(shù)超過3倍時，HC與CO兩項超標(biāo)占比為75%。因此，當(dāng)HC超標(biāo)嚴(yán)重時，混合氣偏濃為其主要原因。

分別分析HC與NOx兩項超標(biāo)、HC與CO兩項超標(biāo)占比與HC超標(biāo)程度的關(guān)系，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　HC與NOx兩項超標(biāo)占比隨HC超標(biāo)程度的變化

圖4　HC與CO兩項超標(biāo)占比隨HC超標(biāo)程度的變化

圖3、圖4表明：隨著HC超標(biāo)程度的增加，HC 與NOx兩項超標(biāo)占比呈現(xiàn)明顯下降趨勢，HC與CO兩項超標(biāo)占比呈現(xiàn)明顯上升趨勢?？梢?，HC輕微超標(biāo)的原因多為混合氣較稀，超標(biāo)達(dá)到3倍以上時其原因為混合氣較濃。

3　結(jié)論

（1）CO與HC兩項超標(biāo)和CO單項超標(biāo)為CO的主要超標(biāo)類型；NOx單項超標(biāo)和NOx與HC兩項超標(biāo)為NOx的主要超標(biāo)類型；HC與NOx兩項超標(biāo)和HC與CO兩項超標(biāo)為HC的主要超標(biāo)類型。

（2）CO與HC兩項超標(biāo)的占比同HC、CO超標(biāo)程度成正相關(guān)，即某故障導(dǎo)致HC或CO超標(biāo)程度越高，越容易導(dǎo)致CO與HC兩項同時超標(biāo)；NOx與HC兩項超標(biāo)的占比和NOx超標(biāo)程度負(fù)相關(guān)、和HC超標(biāo)程度正相關(guān)，即某故障導(dǎo)致NOx超標(biāo)程度越高，越不容易同時導(dǎo)致HC超標(biāo)，而導(dǎo)致HC超標(biāo)程度越高，也越容易導(dǎo)致NOx同時超標(biāo)。

（3）當(dāng)CO超標(biāo)達(dá)到限值4倍以上時，與HC同時超標(biāo)的占比達(dá)93.3%，幾乎同時超標(biāo)；當(dāng)NOx達(dá)到限值3倍以上時，與HC同時超標(biāo)的占比為71.4%，同時超標(biāo)的可能性很大；當(dāng)HC超標(biāo)達(dá)到限值3倍以上時，與CO幾乎同時超標(biāo)，與NOx同時超標(biāo)的概率很小。

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由表1可知：CO超標(biāo)主要形式為CO與HC兩項超標(biāo)，占CO總超標(biāo)量的54%，導(dǎo)致CO超標(biāo)的主要原因為混合氣濃度較濃，而混合氣較濃也是HC超標(biāo)的原因之一，故該超標(biāo)類型原因為混合氣濃度較濃；其次為CO單項超標(biāo)，占CO總超標(biāo)量的33%，所占比例也較大，需通過分析各故障對超標(biāo)程度的影響，研究CO單項超標(biāo)的原因；三項污染物同時超標(biāo)占8%；CO與NOx兩項超標(biāo)也存在，但所占比例較小，僅5%。

中圖分類號：U467.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-2668（2016）03-0018-04

基金項目：?山西省交通運(yùn)輸廳科技推廣項目（2014-1-12）

收稿日期：2016-01-21