评价汽油车温室气体排放的试验方法

【日】 山本敏朗



评价汽油车温室气体排放的试验方法

【日】 山本敏朗

温室气体包括CO2、N2O及CH4。由于N2O和CH4的排放特性受催化剂温度的影响较为显著，因此，着眼于道路坡度及冷机时间(从发动机停机到再次起动的时间)对催化剂温度的影响进行研究，以寻找评价汽油车温室气体排放的试验方法。由试验结果发现，在短时间冷机之后发动机重新起动时，道路坡度的影响较小，且N2O排放呈增加趋势。并且，由于汽油车在实际使用中经常会出现短时间停车的情况，因此认为，在评价汽油车温室气体排放的过程中，短时间冷机条件下的试验是必不可少的。

汽油车 温室气体 催化剂 道路坡度 冷机时间 评价试验

0 前言

自2012年起，美国环境保护署(EPA)在空气净化法规中，将小型车排放废气中的温室气体列为空气污染物质，并规定了排放限值。在此，温室气体是指CO2、N2O及CH43种成分。如将CO2的温室效应系数设为1，则N2O的温室效应达310倍，CH4的温室效应达21倍[1]。尤其是N2O排放，在间歇性起动-停止发动机的汽油混合动力车，以及配装NH3净化氮氧化物(NOx)的尿素选择性催化还原(SCR)系统的柴油车上较为明显，因此，不仅要掌握CO2的实际排放情况，而且还必须对N2O及CH4的实际排放情况有明确的了解。另一方面，在日本，虽基于燃油耗标准，汽车制造商已普遍采取降低CO2排放的技术对策，但对于从汽车尾气管中排放的N2O及CH4，则尚未采取相关的技术措施。今后，将着眼于混合动力车及配装尿素SCR系统的柴油车等车型的排放性能，就温室气体排放法规及排放性能的评价试验方法进行详细的探讨。

首先，为了了解使用三效催化转化器作为排气净化装置的汽油车(含汽油混合动力车)的温室气体排放情况，在底盘测功器试验台上，依次采用多辆试验车，进行工况运转试验，并利用傅里叶变换红外(FTIR)分析仪，对排放的温室气体进行连续分析。由于N2O和CH4的排放特性受催化剂温度的影响较为显著，因此，为了把握车辆在道路上行驶时2种成分的排放情况，必须对道路坡度及发动机冷机时间(从发动机停机到再次起动的时间)对催化剂温度造成的影响进行分析和调查。为此，本次研究中，根据车辆的实际使用状况，在改变道路坡度及冷机时间等运行条件的情况下进行试验。然后，以试验结果为基础，分析道路坡度及冷机时间对温室气体排放造成的影响，同时，就汽油车在市区道路行驶时的温室气体排放评价试验方法进行考察。

1 试验方法

本次试验是在底盘测功器试验台上设置试验车辆，按日本JC08工况进行运转试验，并连续分析车辆的排气成分。试验车辆大致可分为3类：(1) 能满足日本新长期排放法规要求的混合动力乘用车，即A车和B车；(2) 能满足新长期排放法规要求的普通车辆(C车)、小型车(D车)，以及日本独有的发动机排量为660mL的“K-car”车型(E车)；(3) 能满足日本新短期排放法规要求的F车。表1列出各试验车辆的主要技术规格。采用新开发的车载式FTIR分析仪，按0.2s的采样间隔，对N2O、CH4及CO2等排气成分进行连续分析。另外，还采用定容稀释采样法(CVS)，获得排气质量换算所必需的瞬态排气流量。利用底盘测功器试验台控制，在行驶阻力的滚动阻力基础上增加或减去道路坡度的阻力，以设定道路坡度条件(坡度+2%或坡度-2%)。热起动试验是在恒定车速60km/h的条件下，经20min的暖机运转后实施试验。此外，冷起动试验是在JC08工况运转之后，分别经发动机冷机2h和16h后进行试验，对于C车和F车，则分别增加1h和4h的冷机时间。在此，设定道路坡度±2%的条件是因为在日本东京都交通圈干道上坡度超过2%的道路区间约占10%的缘故[2]。另外，冷机时间2h是以家用汽油乘用车，以及商业用途的汽油乘用车在1天中的冷机时间与起动次数等数据为依据决定的[3]。

表1 试验车辆的主要技术规格

2 试验结果及考察

2.1 道路坡度及冷机时间对温室气体排放的影响

通常情况下，汽车的行驶路径是从出发地出发，经由各种坡度的道路到达目的地后，再由原路返回出发地点。为此，假定车辆出发地到目的地之间具有平均坡度(海拔高度差/水平距离)的道路上行驶，将在该道路上经上坡及下坡行驶后返回出发点的排放量，与假定车辆行驶在平坦道路上的排放量进行比较，从而宏观地评价道路坡度对温室气体排放的影响。本次研究中，为评价道路坡度的影响，是假定在以JC08工况为代表的市区道路上行驶，在东京主干道中出现频率较高的2%坡道上进行上坡及下坡行驶试验，并将此时的温室气体平均排放量与在平坦道路(坡度0%)上按JC08工况行驶的温室气体排放量进行比较。此外，为了调查在目的地短时间停车导致的冷却水温及催化剂温度降低等因素对之后车辆起步时排放性能的影响，在JC08工况运转后增加了短时间冷机的冷起动条件，冷机时间分别为1h、2h和4h。

图1、图2和图3分别示出了A车、B车和C车在改变发动机起动条件和道路坡度条件的情况下，按JC08工况运转时的CO2、N2O及CH4排放量。另外，在图1～3中，还假设JC08工况热起动时的排放指数为100，标出了在各种试验条件下的相对排放，以及在上坡与下坡行驶时的平均排放量。由图1～3中的结果可知，N2O的排放虽受道路坡度的一定影响，但其排放量也随车辆的不同而有所差异。CH4排放在道路坡度的影响下，在混合动力车中呈减少趋势，在汽油车中呈增加趋势。另一方面，在JC08工况下，所有车辆在坡度+2%及坡度-2%时的CO2排放平均值均比坡度0%时的值要大。

其次，调查了冷机时间对CH4、N2O及CO2排放的影响。由图3～6的结果可知，汽油车的CH4排放在很大程度上取决于催化转化器的氧化分辨率，而与发动机冷机时间之间并不存在相关性。此外，试验所用汽油车的N2O排放量虽有一定差异，但在所有车辆上，相比冷起动条件(16h冷机)，2h冷机条件下的N2O排放均更高。同时，比较全部试验车辆的CO2排放后可知，相比冷起动条件(16h冷机)，2h冷机条件下的CO2排放量更少。这是因为2h冷机后的发动机冷却水温度并不像16h冷机之后的那么低[4]，因而，燃油耗也没有16h冷机条件下的那么高。

2.2 发动机起动时的N2O排放机理

由图2～图6的结果可知，在B车、C车、D车、E车及F车上，相比冷起动条件(16h冷机)，2h冷机条件下的N2O排放量均更高。根据发动机起动时的N2O及NH3排放动态分析其原因。图7为使用C车进行试验的分析结果。在16h及2h冷机条件下，至发动机起动后60s的时间内，NH3排放极少，但此时可观测到N2O排放出现峰值。汽油车行驶时所排放的N2O可解释为是空燃比向浓混合比变动时，在催化剂层生成了NH3，而在催化剂温度低于400 ℃的低温区域，NH3被空燃比向稀混合比变动时引入的O2及NOx所氧化，最后生成了N2O[5-6]。发动机起动后的60s期间，在16h冷机条件下，催化剂温度低于400 ℃，而在2h冷机条件下，催化剂温度将低于200 ℃，2h冷机条件下的催化剂温度更低，所以在催化剂层中将难以生成NH3。图8为验证上述现象的结果。在图8中，同样示出了2h冷机条件下，发动机起动时催化剂前后的N2O及NH3排放动态对比结果。起动之后的N2O大部分不是由发动机排放的。另外，在发动机起动后约50s期间，催化转化器中不生成NH3。基于上述试验结果可知，图7及图8中冷机之后出现N2O排放峰值的原因如下：(1) 发动机停止运转时滞留在催化转化器及排气管中的NH3在催化剂层中转换为被吸附的N2O，并在冷机后的发动机起动时被排出；(2) 发动机停止运转时滞留在催化转化器及排气管中的NH3作为NH3及氢氧化铵(冷机过程中因催化剂的冷却所生成)等被吸附在催化剂层上，并且在冷机过程中，以及在冷机后的发动机起动时被氧化生成N2O，进而被排出。

为验证上述假设，使用F车，调查冷机时间从1h增加至16h时发动机起动后60s期间的N2O排放动态。图9为试验结果，由图9可知，随着冷机时间的增加，N2O排放峰值随之降低。这里，假设NH3是作为氢氧化铵吸附在催化剂层上，由于氢氧化铵的沸点为24.7 ℃(浓度32%时)，所以，尽管催化剂的温度随着冷机时间的延长而降低，但在25 ℃室内环境下实施冷机试验的情况下，随着冷机时间的增加，氢氧化铵蒸发，催化剂层上的NH3吸附量减少，这被认为是形成上述N2O排放特性的原因。此外，在假定催化剂层上吸附N2O的情况也是如此，随着冷机时间的延长，N2O逐渐脱离或扩散，并从排气管中排出，同样形成了上述N2O排放特性。

2.3 N2O及CH4在温室气体排放中的份额

采用A车、B车及C车，在不同的发动机起动条件及道路坡度条件下，按JC08工况实施运转试验时CO2、N2O及CH4在温室气体排放中所占的份额(按CO2换算的质量分数)。在此，将CO2、N2O及CH4的温室效应系数分别设为1、310和21，用式(1)计算温室气体排放量：

温室气体排放量=CO2排放量+

N2O排放量×310+CH4排放量×21

(1)

另外，根据图10所示结果，还可得出以下结论。在所有试验条件下，A车、B车及C车在冷起动时的N2O排放在温室气体中所占的份额都要比热起动时的高。尤其是在车辆起步时发动机起动的情况下，B车及C车经2h冷机后的N2O排放比率分别增加0.7%和1.5%。此外，A车在坡度-2%的条件及冷起动条件(包括2h冷机后)下，在催化剂温度降低的行驶条件下，其CH4排放在温室气体排放中所占份额也有所增加。

2.4 用于评价温室气体排放量的试验方法

由于汽油车所排放的N2O及CH4在较大程度上依赖于催化剂的温度，因此，本次研究中，着眼于实际行驶时的道路坡度及冷机时间对催化剂温度的影响进行探讨。

道路坡度虽然会对N2O及CH4排放产生一定影响，但N2O和CH4这两种成分在温室气体排放中所占份额极小，总共不到0.4%。另外，由于道路坡度的影响，CO2排放会有几个百分点的增加。由于坡度超过2%的道路区间约占试验区域道路的10%，因此可以推测，在整个试验区域，由于道路坡度的影响，温室气体排放量的增加不会超过1%。为此，在东京交通圈主干道上进行试验时，可以将道路坡度条件的试验排除在外。

在实际试验中，验证得知，发动机冷机时间会对N2O排放产生较大的影响。为此，在评价温室气体排放时，这将作为重要的试验条件。图11示出了日本的商业用途汽油车在1天中不同冷机时间的起动次数比率。这是按1998年3月日本石油行业活性化中心所提出的“汽车使用实态调查报告书”中的数据绘制的[3]。由图11可知，冷机时间不满2h的起动次数占比达40%以上，说明以往的冷起动试验(冷机时间6～36h)是不符合商业用途车辆的实际使用状况的。因此，在温室气体排放量的评价中，必须开展短时间冷机条件下的试验验证[7-8]。

3 今后的课题

基于本次研究的结果，了解到汽油车在发动机起动时的N2O排放会受到冷机时间的影响。但是，关于其详细机理，尚处于假设阶段，因此，必须采用各种手段和方法予以实际的验证。今后，有必要在了解上述机理的基础上，提出具体的评价方案。

4 结语

由于汽油车的N2O及CH4排放受催化剂温度的影响，因此，着眼于实际行驶中道路坡度条件及发动机冷机时间对催化剂温度的影响，讨论了评价汽油车温室气体排放的试验方法，其结论如下：

(1) 在日本东京交通圈主干道上，坡度超过2%的道路区间约占10%，由此推测整个道路区间的温室气体排放增加不会超过1%。因此认为，在上述道路条件下，可以不考虑道路坡度这一影响因素。

(2) 由于短时间冷机条件下N2O排放呈增大趋势，并且在实际使用情况下，冷机时间不满2h的起

动次数超过40%(商业用途汽油车)，因此，在温室气体排放的评价中，短时间冷机条件下的试验是必不可少的。

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彭惠民 译自 自動車技術，2014，68(7)

朱晓蓉 校

朱晓蓉 编辑

2014-12-26)