輕型汽油車(chē)不同工況下NMOG的排放特性研究

丁嘉磊，張鐵臣，高俊華，楊正軍

(1.河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 北辰區(qū) 300400；2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，北京 大興區(qū) 100176)

非甲烷有機(jī)氣體(NMOG)是指總有機(jī)氣體(TOG)中除甲烷(CH4)以外的氣體。輕型汽油車(chē)尾氣中的NMOG排放物，根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦環(huán)保署(EPA)的定義，它主要是非甲烷總烴(NMHC)和羰基化合物(醛、酮類(lèi)，OHC)的總和[1]。NMHC是光化學(xué)臭氧及光化學(xué)二次污染物的最重要的前體污染物之一，而近地面臭氧濃度過(guò)高將不利于人類(lèi)生存及生態(tài)環(huán)境的發(fā)展[2－4]。醛、酮類(lèi)化合物(統(tǒng)稱為羥基化合物)屬于揮發(fā)性有機(jī)化合物之一，極易散發(fā)在空氣中；羥基化合物既是空氣中碳?xì)浠衔锕饣瘜W(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物——光化學(xué)煙霧，又是產(chǎn)生自由基、臭氧、過(guò)氧硝基化合物(PAN)的前驅(qū)物，而且許多羥基化合物又是其他有機(jī)化合物降解的中間產(chǎn)物，如甲醛是眾多脂肪烴降解的中間產(chǎn)物之一[5－7]；由于羥基化合物具有羥基宮能團(tuán)，使此類(lèi)化合物比其他類(lèi)似組成的化合物擁有較高的化學(xué)活性；醛酮類(lèi)化合物的種類(lèi)甚多，并非每一種化合物都具有強(qiáng)的毒性，分子量越小毒性越強(qiáng)，能對(duì)人體造成傷害，可強(qiáng)烈刺激眼、呼吸器官和皮膚等[8－9]。

由于目前世界環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，汽車(chē)尾氣的排放給我國(guó)能源供給和環(huán)境污染造成了極大地壓力，隨著京六草案的提出，對(duì)排放污染物及其限值也提出了新的要求，NMOG也是首次出現(xiàn)在我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)中，因此本文對(duì)輕型汽油車(chē)不同工況下NMOG的排放特性進(jìn)行了研究。

1 測(cè)試條件與方法

1.1 測(cè)試條件

試驗(yàn)用的是2輛國(guó)Ⅴ排放水平的美系車(chē)，主要參數(shù)如表1所示；試驗(yàn)車(chē)使用的燃油均為同一批次的92＃京Ⅴ汽油；試驗(yàn)工況為 NEDC、WLTP、FTP75三種工況[10－13]，其主要基本特征如表2所示。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每種工況分別進(jìn)行兩次平行采樣分析。

表1 輕型車(chē)技術(shù)參數(shù)

表2 不同運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)的主要基本統(tǒng)計(jì)特征比較

1.2 測(cè)試方案

使用的采樣裝置是依據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)總局EPA對(duì)NMOG污染物的采集要求[1]，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備，自行設(shè)計(jì)建立的。整體系統(tǒng)采樣流程如圖1和圖2所示。

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有采樣裝置:北京卡達(dá)克輕型車(chē)排放實(shí)驗(yàn)室配置的超低輕型汽油車(chē)定容取樣分析系統(tǒng)(HORIBA公司，日本)、ECDM－48L－4WD型四驅(qū)底盤(pán)測(cè)功機(jī)(MAHA，德國(guó))、SFTP汽車(chē)低溫排放環(huán)境試驗(yàn)倉(cāng)及低溫預(yù)置間系統(tǒng)(IMTECH，德國(guó))。定容取樣分析系統(tǒng)又分為三大系統(tǒng):排氣分析系統(tǒng)(MEXA－7400LE)、定容取樣系統(tǒng) (CVS－7400S)和控制系統(tǒng)(VETS－7000NT)。

OHC采樣的主要結(jié)構(gòu)部件包括質(zhì)量流量計(jì)(MF4000系列，矽翔微機(jī)電系統(tǒng)有限公司，美國(guó))、氣體流量計(jì)(Bios－Defender510，美國(guó))、帶開(kāi)關(guān)的三通閥、通用型空氣采樣泵(224－PCXR8－S型，美國(guó)SKC)、電源、涂敷2，4－二硝基苯肼(DNPH)吸附柱(GL Sciences，日本)、除臭氧柱(GL Sciences，日本)、流量無(wú)紙記錄顯示儀、連接管，其采樣連接方式如圖3所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)圖

圖2 輕型車(chē)NMOG的采集總體布置圖

圖2中，DAF為稀釋空氣濾清器，CFV為臨界流量文杜里管，MC為混合室，TT為傳輸管路，BL為鼓風(fēng)機(jī)，DT為稀釋通道，CS為旋風(fēng)分離器。

輕型車(chē)進(jìn)行尾氣檢測(cè)時(shí)，將汽車(chē)綁定在四驅(qū)底盤(pán)測(cè)功機(jī)上，用尾氣管連接輕型車(chē)排氣管進(jìn)行尾氣采集。尾氣將與過(guò)濾后的空氣進(jìn)行一定比例的稀釋后，通過(guò)定容取樣系統(tǒng)進(jìn)行采樣分析。由于高沸點(diǎn)的HC在采樣過(guò)程中會(huì)凝結(jié)，為避免這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)對(duì)采樣管路加熱。在線實(shí)時(shí)測(cè)量NMHC排氣時(shí)應(yīng)加熱到127°C左右。采集醛、酮類(lèi)污染物，是用連接管一端連接定容取樣系統(tǒng)CVS－7400S稀釋通道上的一個(gè)采樣口，另一端連接到采樣裝置，如圖3和圖4所示。尾氣在裝置中依次通過(guò)顆粒物過(guò)濾器、稀釋通道、除臭氧管、三通閥、DNPH吸附柱、質(zhì)量流量計(jì)，并利用采樣泵控制采氣流速，保持在預(yù)定流速1 L/min左右；采集到的樣品標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高于吸附柱中醛酮類(lèi)污染物的背景濃度和低于涂敷在吸附柱中的DNPH摩爾數(shù)[14]。之后采用固體吸附法，根據(jù)在酸性條件下，醛酮類(lèi)化合物能夠與2，4－二硝基苯肼 (DNPH)發(fā)生衍生化反應(yīng)，生成穩(wěn)定的化合物，如式(1)所示。將吸附柱用色譜純乙腈淋洗后，用四元梯度分離條件下的HPLC通過(guò)二極管檢測(cè)器對(duì)淋洗液進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)定淋洗液中醛酮類(lèi)污染物的濃度，從而利用計(jì)算公式推斷出輕型車(chē)一定工況下相對(duì)應(yīng)的醛酮類(lèi)污染物排放濃度。此方法可同時(shí)測(cè)定尾氣中的甲醛、乙醛、丙酮、丙烯醛、丙醛、丁烯醛、丁醛、苯甲醛、異戊醛、戊醛、o－苯甲醛、m＋p－苯甲醛、己醛、2，5二甲基苯甲醛15種化合物。此方法不受被測(cè)物質(zhì)沸點(diǎn)及狀態(tài)的影響，具有較高的分離度，且操作簡(jiǎn)單，是一種理想的采樣分析方法，試驗(yàn)儀器HPLC的設(shè)備參數(shù)及使用條件如表3所示。

圖3 OHC采樣裝置位置及實(shí)物布置圖

圖4 RHO采樣布置圖

表3 HPLC的設(shè)備參數(shù)及使用條件

2 結(jié)果與分析

2.1 不同工況各個(gè)階段的排放特性研究

為了比較不同工況對(duì)輕型車(chē)排放特性的影響，對(duì)各個(gè)階段的排放情況進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)各個(gè)階段的排放結(jié)果進(jìn)行分析，得到3種工況下各個(gè)階段的排放特性。

2.1.1 NEDC工況

NEDC工況下的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，汽油車(chē) NEDC工況下主要有NMHC、甲醛、乙醛、丙酮、丙醛、丁烯醛、苯甲醛、m＋p苯甲醛、2，5二甲基苯甲醛這9種污染物。NMOG中除丙醛這種污染物外，其他物質(zhì)ECE階段的比排放量均明顯大于EUDC階段。

ECE階段的排放物濃度大于EUDC階段的主要原因?yàn)?1)汽油機(jī)冷起動(dòng)時(shí)，進(jìn)氣流量小，溫度低，汽油霧化條件差，同時(shí)很容易形成各缸混合氣濃度不一致。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，需要在起動(dòng)階段對(duì)混合氣進(jìn)行加濃，這樣，在冷起動(dòng)階段形成了燃料較濃、溫度較低、混合氣均勻性較差的局面。這些都對(duì)燃料的充分燃燒不利，因此產(chǎn)生了大量的未燃HC，而未燃 HC是導(dǎo)致NMOG產(chǎn)生的重要因素。所以，起動(dòng)階段造成了NMOG的大量排放。2)由于汽油車(chē)燃燒室中的主要零件、潤(rùn)滑系及冷卻系剛起動(dòng)時(shí)不能立即達(dá)到正常工作的溫度，需要一個(gè)怠速過(guò)程，其主要特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速低，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度小，供油量少。此時(shí)通過(guò)加大噴油量的方法來(lái)加濃混合氣，從而使燃燒具有較高的穩(wěn)定性。但高濃度的混合氣，會(huì)產(chǎn)生不良的霧化；而較小的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度也會(huì)導(dǎo)致殘余廢氣的增加，這種情況導(dǎo)致燃燒緩慢或不完全燃燒的現(xiàn)象產(chǎn)生，甚至出現(xiàn)間接著火的現(xiàn)象[15]。

圖5 NEDC各階段各種物質(zhì)排放量占整個(gè)工況的百分比

通過(guò)測(cè)試NMOG中的排放物占比，可知ECE階段NMHC是NMOG排放物中的主要物質(zhì)，占整個(gè)排放總質(zhì)量的86% ～92%，OHC所占比例最多不到15%。由于OHC占NMOG比例太少，將ECE階段OHC物質(zhì)單獨(dú)分析，可知主要產(chǎn)生的前6種OHC類(lèi)污染物質(zhì)量百分比由多到少依次為丁烯醛、丙酮、甲醛、乙醛、丙醛和2，5二甲基苯甲醛，其占OHC百分比分別為33.2%～41.9%、16.5%～20.5%、16.3%～20.1%、9.8%～11.0%、5.5% ～11.6%和2.8%～4.7%，其他OHC類(lèi)污染物總質(zhì)量百分比不超過(guò)3.1%。

測(cè)試EUDC階段NMOG排放物的占比，可知EUDC階段汽車(chē)排放物已處于穩(wěn)定狀態(tài)，NMHC所占質(zhì)量百分比明顯降低，車(chē)輛2甚至沒(méi)有NMHC的生成。兩輛車(chē)產(chǎn)生這樣不同的結(jié)果，可能是由于車(chē)輛1的當(dāng)量慣量大于車(chē)輛2，但整體的排放規(guī)律是一致的。EUDC階段最多的排放物是丙醛和丁烯醛，分別占NMOG的30%左右。

2.1.2 WLTP工況

WLTP工況下的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可知，低速階段汽油車(chē)排放物種類(lèi)和排放物比排放量均大于其他階段(車(chē)輛2第二次試驗(yàn)中的2，5二甲基苯甲醛例外)。其原因是NMOG排放物的來(lái)源主要有未燃HC、燃料添加劑以及潤(rùn)滑油三部分，其中未燃HC占主要部分。對(duì)于汽油機(jī)，冷起動(dòng)階段需要較濃的混合氣來(lái)保證順利起動(dòng)，這本身增加了未燃HC；同時(shí)缸內(nèi)燃燒溫度較低，也不利于燃料的充分燃燒。另外，三元催化轉(zhuǎn)化器需要一定的溫度和當(dāng)量比，過(guò)量空氣系數(shù)才能良好地工作。冷啟動(dòng)階段，催化器的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到工作要求，這使得催化器的工作效率大打折扣[16]。因此較濃的混合氣以及較低的催化器效率造成初始時(shí)刻N(yùn)MHC及醛、酮類(lèi)污染物在第1個(gè)階段比排放量大于其他3個(gè)階段。

圖6 WLTP各階段各種物質(zhì)排放量占整個(gè)工況的百分比

測(cè)試汽油車(chē)WLTP工況下低速、中速、高速和超高速4個(gè)階段的排放物占比，可知4個(gè)階段均有的主要污染物為NMHC、甲醛、乙醛、丙酮、丁烯醛和2，5二甲基苯甲醛；丙醛和丁醛只有在低速階段才出現(xiàn)，超高速階段偶爾也會(huì)有丁醛產(chǎn)生。

在低速階段NMHC仍是NMOG排放物中主要污染物，排放質(zhì)量比占91.9% ～96.1%，OHC總的質(zhì)量比不大于10%。而這10%的OHC污染物中所占百分比較大的分別是甲醛、乙醛、丙酮和丁醛。中速、高速這兩個(gè)階段NMOG中污染物質(zhì)量百分比較高的分別是NMHC、甲醛、乙醛和丙酮，但NMHC相較于低速階段在NMOG中所占的比重有所降低；同低速階段相似，超高速階段NMHC的排放質(zhì)量比又有所提高，占NMOG總污染物的67.0%～92.9%，OHC占的比重為7.1% ～33%，但此階段OHC中無(wú)丙醛生成，且甲醛、乙醛、丙酮、丁烯醛與2，5二甲基苯甲醛占OHC的比重相差不是很大。

2.1.3 FTP75工況

FTP75工況下的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，F(xiàn)TP75工況下，冷起動(dòng)、瞬態(tài)、熱起動(dòng)三個(gè)階段中共有的NMOG主要污染物有甲醛、乙醛和丙酮；2，5二甲基苯甲醛則出現(xiàn)的規(guī)律不太穩(wěn)定，冷起動(dòng)階段還包含NMHC和丙醛；熱起動(dòng)階段偶爾也會(huì)存在NMHC這種污染物。

與NEDC工況和WLTC工況相比，F(xiàn)TP75工況下甲醛、乙醛和丙酮這三種排放物的3個(gè)階段排放量百分比雖然差距不是很大，但是冷起動(dòng)階段所占百分比依然大于其他兩個(gè)階段。究其原因，一是由于熱起動(dòng)階段時(shí)較冷起動(dòng)時(shí)的汽油機(jī)進(jìn)氣量少，混合氣度高，缸內(nèi)混合氣溫度高等原因所造成的；二是由于瞬態(tài)階段相比于冷起動(dòng)階段加速、減速頻繁。車(chē)輛加速時(shí)，汽油機(jī)會(huì)快速開(kāi)啟節(jié)氣門(mén)來(lái)增加轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，進(jìn)氣管內(nèi)則會(huì)發(fā)生短期的混合氣變稀，導(dǎo)致非常規(guī)污染物排放增加；在減速過(guò)程中，節(jié)氣門(mén)的迅速關(guān)閉，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在較高的轉(zhuǎn)速下發(fā)生空轉(zhuǎn)，進(jìn)氣管的內(nèi)部真空度增加，燃油蒸發(fā)速度加快，一部分流速較高的燃油從量孔中流出進(jìn)入進(jìn)氣管，形成過(guò)濃的混合氣，這樣則會(huì)導(dǎo)致非常規(guī)污染物的排放濃度增加，燃油經(jīng)濟(jì)性變差等[11]。因此3個(gè)階段的醛酮類(lèi)污染物排放質(zhì)量占整個(gè)工況的百分比相差不大。

測(cè)試FTP75工況下冷起動(dòng)、瞬態(tài)、熱起動(dòng)3個(gè)階段的排放情況，3個(gè)階段NMHC的排放質(zhì)量比大小關(guān)系為冷起動(dòng)階段＞熱起動(dòng)階段＞瞬態(tài)階段。冷起動(dòng)階段NMHC的比重占到94.5%～95.9%，OHC的排放質(zhì)量比占NMOG微乎其微，在少數(shù)OHC中甲醛、乙醛和丙酮成為主要排放物；瞬態(tài)階段和熱起動(dòng)階段不考慮NMHC的情況下，占OHC排放比例較大的排放物依然是甲醛、乙醛和丙酮。

圖7 FTP75各階段各種物質(zhì)排放量占整個(gè)工況的百分比

2.2 不同工況下總的排放特性研究

由于前邊對(duì)各個(gè)工況的分析，兩輛車(chē)各兩次試驗(yàn)結(jié)果所呈現(xiàn)的排放特性大致一致，因此選取車(chē)輛1不同工況下的1次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

車(chē)輛1在不同工況下各種污染物占NMOG的質(zhì)量百分比如圖8所示，車(chē)輛1在不同工況下醛酮類(lèi)污染物占OHC的質(zhì)量百分比如圖9所示。由圖8可知，汽油車(chē)NEDC工況下NMOG排放污染物中質(zhì)量百分比前六種分別是43.8%的 NMHC、20.8%的甲醛、15.5%的丁烯醛、10.0%的乙醛、6.4%的丙酮和3.0%的丙醛；WLTC工況下是NMHC、甲醛、丙酮、乙醛、2，5二甲基苯甲醛和丁醛，占比約為 90%、3.8%、3.1%、1.7%、0.9%和0.4%；FTP75工況下分別是90.3%的NMHC、3.5%的甲醛、2.7%的丙酮、1.5%的乙醛、1.5%的2，5二甲基苯甲醛和0.2%的丁醛。由此可以得出NMHC、甲醛、乙醛、丙酮這四種物質(zhì)是輕型汽油車(chē)常溫各種工況下NMOG排放物中必然存在的物質(zhì)。

圖8 不同工況下各種污染物占NMOG的質(zhì)量百分比

圖9 不同工況下醛酮類(lèi)污染物占OHC的質(zhì)量百分比

不同工況下NMOG的排放量如圖10所示，從圖中可知在NEDC、WLTC和FTP75不同工況下污染物NMOG的排放水平略有差異，NEDC工況下排放物的種類(lèi)及排放量明顯多于其他兩個(gè)工況。排放種類(lèi)的大小關(guān)系為NEDC＞W(wǎng)LTP＞FTP75，排放質(zhì)量的關(guān)系為NEDC＞FTP75＞W(wǎng)LTP。究其原因，一是因?yàn)槔淦饎?dòng)后的汽車(chē)速度、加速度不同導(dǎo)致的排氣差異，使得催化器進(jìn)入正常工作的時(shí)間不同；二是因?yàn)槠?chē)行駛里程的不同，NEDC工況循環(huán)11.01 km、WLTC循環(huán)23.27 km、FTP75循環(huán)17.77 km。

圖10 不同工況下NMOG的排放質(zhì)量

輕型汽油車(chē)不同工況下的排放物主要是NMHC及C1～C3的羰基化合物，說(shuō)明燃燒過(guò)程中，低碳數(shù)的羰基化合物較多存在；C4～C9的羰基類(lèi)化合物占NMOG中總羰基化合物排放量比例少，說(shuō)明其在燃燒過(guò)程中不易生成或存在時(shí)間較短。

3 結(jié)束語(yǔ)

由上述的分析可知:

1)NEDC工況主要有NMHC、甲醛、乙醛、丙酮、丙醛、丁烯醛、苯甲醛、m＋p苯甲醛、2，5二甲基苯甲醛9種污染物；WLTP工況主要有NMHC、甲醛、乙醛、丙酮、丙醛、丁烯醛、丁醛和2，5二甲基苯甲醛8種污染物；FTP75工況主要有NMHC、甲醛、乙醛、丙酮、丙醛和2，5二甲基苯甲醛6種污染物。污染物種類(lèi)關(guān)系為NEDC＞W(wǎng)LTP＞FTP75。

2)無(wú)論哪種工況，第一階段NMOG的排放所占總工況的質(zhì)量比大于該工況其他階段。

3)輕型汽油車(chē)在3種工況下，均有NMHC、甲醛、乙醛、丙酮生成，且是占NMOG排放物比重較大的4種主要污染物。

4)3種工況下NMOG的排放質(zhì)量大小關(guān)系為NEDC＞FTP75＞W(wǎng)LTP。

5)3種工況下的排放物中NMHC和C1～C3羰基化合物占NMOG排放量比例較大，而C4～C9的羰基類(lèi)化合排放量較少。

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