在用汽油车排气污染物超标特征分析∗

陶健，王文君，庞夺峰，姜鑫，殷传峰

（山西省交通科学研究院，山西太原 030000）



在用汽油车排气污染物超标特征分析∗

陶健，王文君，庞夺峰，姜鑫，殷传峰

（山西省交通科学研究院，山西太原 030000）

摘要：为了掌握电控发动机汽油车排气污染物超标特征及规律，统计分析308辆在用汽油车在稳态工况法检测条件下的排气污染物超标数据，研究污染物CO、NOx和HC的主要超标类型、超标程度特征及超标原因。结果表明，CO与HC两项同时超标和HC、CO的超标程度显著正相关，NOx与HC两项同时超标和NOx超标程度负相关、和HC超标程度正相关；CO超标达到限值4倍以上时与HC同时超标占CO所有超标类型的93.3%，NOx超标达到限值3倍以上时与HC同时超标的占比为71.4%，HC超标达到限值3倍以上时与CO同时超标的可能性很大、与NOx同时超标的概率很小。

关键词：汽车；汽油车；排气污染物；超标特征；相关性

随着中国机动车保有量的迅速增加，机动车排气污染成为城市空气污染的重要来源，约分担大气污染源的85%，其中汽油车是主要贡献者之一。因此，控制汽油车污染物排放是降低大气污染的有效手段之一。近年来中国机动车污染物防治工作不断推进，环保检测制度逐年完善，检测技术不断提高。随着排放标准要求的不断严格，机动车环保检测不合格车辆的尾气超标治理问题日益凸显。国外发达国家主要通过在用车的检测与维护（I/M）制度来控制在用车的排气污染，规定定期进行排放检测，对排放超标的车辆或篡改排放控制装置的车辆责令限期修理。国内学者也提出建立并实施I/M制度保障车辆达标行驶，减少在用车污染物排放。已有的污染物治理技术大多针对化油器车辆，而针对现代车辆技术的排放影响研究成果比较零散，主要对车辆排放的影响因素和劣化规律进行研究，对在用车的排放超标特征研究很少，且很少针对稳态工况法（ASM）检测数据进行研究。

考虑到汽车污染物超标数据研究缺乏，超标原因难以准确确定，导致盲目治理和过度维修，治理效果不佳，严重削减了汽车污染物防治效果，制约了I/M工作的有效开展，该文收集整理在用汽油车ASM检测数据，统计分析污染物HC、CO和NOx的超标特征，量化分析超标程度及相关性，获取主要超标类型、超标基本特征和规律，以便于确定尾气超标治理目标和准确判断超标原因，为指导汽油车排气污染物超标故障诊断与维修治理、推动机动车污染物防控提供技术支撑。

1　污染物超标数据分析

收集2010—2013年某机动车环保检测站2 000 份ASM检测报告单，筛选整理308辆车检测结果不合格的报告单数据，分别针对CO、NOx和HC对各污染物的超标类型分布进行统计，分析各污染物超标的主要形式和形成原因。

1.1CO超标原因和超标类型分布统计分析

造成CO超标的原因为燃烧过程缺氧或燃烧温度过低。CO排放超标的原因包括喷油量过大、空气供给不足、喷油雾化不良、排气不畅造成燃烧室内残余废气过多、发动机缸压不足、燃油蒸汽回收系统故障造成混合气过浓、氧传感器有故障等。另外，CO除了在做功过程生成外，还在排气过程中在催化器作用下由HC继续氧化生成。

对不合格报告单数据中包含的CO超标数据进行整理，统计CO各超标类型分布情况，统计结果如表1所示。

表1　CO超标类型分布

1.2NOx超标原因和超标类型分布统计分析

NOx生成机理为高温富氧，NO生成的温度条件为不低于1 800 K，另外，燃料中N元素含量与NOx生成量成正比。因此，引起燃烧温度过高的原因都会造成NOx排放增大，如发动机水温过高、点火时刻提前、因燃烧室积碳等原因造成压缩比过高、燃油选择不当、混合汽浓度偏稀等。

对不合格报告单数据中包含的NOx超标数据进行整理，统计NOx各超标类型分布情况，统计结果如表2所示。

表2　NOx超标类型分布

由表2可知：NOx的主要超标形式为NOx单项超标，占NOx总超标量的67%，其主要原因为在稳态工况检测条件下，车辆技术条件正常，发动机燃烧效率高，温度和压强高。另外，为了提高燃油经济性，混合气浓度偏稀，氧含量高，满足了NOx生成条件。目前主要使用废气再循环技术通过降低燃烧温度降低NOx排放量，并通过三元催化器进一步降低，一旦控制不精确就会导致NOx排放增加。其次为NOx与HC两项超标，占NOx总超标量的27%，其原因也与混合气浓度较稀有关。三项超标和NOx与CO两项超标较少，分别占4%和2%。

1.3HC超标原因和超标类型分布统计分析

HC超标是因空燃比不佳或点火系统故障导致燃料未被点燃、火焰中断和未来得及燃烧而引发。当混合气浓度过稀或过浓时，燃烧会变慢，当氧化生成热量小于混合气散失的热量时，火焰传播中断或火焰被冷气团吹灭，未燃烧的燃油排出，混合气中漏进过量尾气等都会导致燃烧中断，引起HC排放增高。关于点火系统对HC排放影响的研究表明，火花塞间隙在怠速和低速时对HC排放影响较大，在中速和高速时对HC排放影响较小。点火提前角提前和推后都会导致HC排放增加。因此，在稳态工况ASM5025时，HC超标与火花塞间隙和点火提前角故障有关。

将不合格报告单数据中包含的HC超标数据进行整理，统计HC各超标类型分布情况，统计结果如表3所示。

表3　HC超标类型分布

由表3可知：HC的主要超标类型为HC与NOx两项超标、HC与CO两项超标，分别占HC超标总量的42%、40%，说明HC通常伴随和另外两项同时超标。HC和NOx同时超标，主要原因为混合气浓度较稀或点火提前角偏大。CO和HC同时超标，主要原因为混合气浓度较浓，出现了火焰中断现象。HC单项超标占比为12%，积碳、活塞间隙、点火系统故障是导致HC单项超标的主要原因。

2　污染物超标程度特征分析

根据上述统计结果，各污染物超标之间存在一定相关性。由超标原因分析可知，导致其中一项污染物超标达到一定程度后，会影响其他污染物排放。因此，对各污染物按照超标程度划分，研究污染物超标程度特征和相互关系，探究超标主要原因和治理技术方法。

2.1CO超标程度特征分析

用CO超标倍数来表征其超标程度，并以1倍为单位，将CO各超标数据按照超标倍数划分区间，统计在各倍数区间中CO主要超标类型数量所占该超标区间CO超标总量的比例。由1.1节可知，CO与HC两项超标和CO单项超标为CO的主要超标类型，其超标程度分析结果如表4所示。

表4　CO各超标程度区间主要超标类型分布

由表4可知：CO超标倍数为1～2时，CO与HC两项超标量略高于CO单项超标量，随着超标倍数的增加，CO单项超标占比呈明显下降趋势，CO与HC两项超标的占比则逐渐增加。超标倍数超过4倍后，超标程度已较为严重，CO与HC两项超标占比高达93.3%，混合气浓度过浓、喷油嘴雾化效果差是其主要超标原因。

进一步分析CO与HC两项超标占比随CO超标程度增加的变化情况，并进行线性拟合，结果如图1所示。

图1　CO与HC两项超标占比随CO超标程度的变化

从图1可看出：CO与HC两项超标的占比与CO超标程度有明显的相关性，CO与HC两项同时超标的概率随CO超标程度增加而增大。当CO超标4倍以上时，HC和CO同时超标占比达93.3%，几乎同时超标。故障诊断时应优先考虑导致二者同时超标的故障。

2.2NOx超标程度特征分析

用NOx超标倍数来表征其超标程度，将NOx各超标数据按照超标倍数划分区间。由于NOx超标样本相对较大，以0.5倍为单位，统计在各倍数区间中NOx的主要超标类型数量占该超标区间NOx超标总量的比例。由1.2节可知，NOx单项超标和NOx与HC两项超标为NOx的主要超标类型，其超标程度分析结果如表5所示。

表5　NOx各超标程度区间的主要超标类型分布

由表5可知：当NOx超标倍数为1～3时，NOx单项超标为主要超标类型，但NOx与HC两项超标占比呈上升趋势，NOx单项超标占比呈下降趋势。NOx超标倍数达到3倍以上时，NOx与HC两项超标占比达到71.4%，此时燃烧温度很高且氧气充足，HC排放也随之增加。

进一步分析NOx与HC两项超标占比随NOx超标程度增加的变化情况，并进行线性拟合，结果如图2所示。

图2　NOx与HC两项超标占比随NOx超标程度的变化

从图2可看出：NOx与HC两项超标的占比与NOx超标程度有明显的相关性，NOx与HC两项同时超标的可能性随NOx超标程度的增加而增大。NOx超标3倍以上时，NOx和HC同时超标的占比达71.4%，同时超标的可能性很大。故障诊断时应优先考虑导致二者同时超标的故障，如混合气较稀。

2.3HC超标程度特征分析

用HC超标倍数来表征其超标程度，以0.5倍为单位，将HC各超标数据按照超标倍数划分区间，统计在各倍数区间中HC主要超标类型数量占该超标区间HC超标总量的比例。由1.3节可知，HC 与NOx两项超标和HC与CO两项超标为HC的主要超标类型，其超标程度分析结果如表6所示。

表6　HC各超标程度区间的主要超标类型分布

由表6可知：HC排放超标倍数为1.0～1.5时，HC与NOx两项超标量高于HC与CO两项超标量，HC单项超标、HC与CO两项超标所占比例相近。因此，混合气浓度偏稀为该超标范围的主要原因。HC排放超标倍数为1.5～2.0时，HC与CO两项超标量高于HC与NOx两项超标量，在该超标倍数范围内，因混合气浓度偏浓所产生的HC超标量已超过因混合气浓度偏稀而产生的HC超标量，混合气偏浓成为主要影响因素。当HC排放超标倍数超过3倍时，HC与CO两项超标占比为75%。因此，当HC超标严重时，混合气偏浓为其主要原因。

分别分析HC与NOx两项超标、HC与CO两项超标占比与HC超标程度的关系，结果如图3、图4所示。

图3　HC与NOx两项超标占比随HC超标程度的变化

图4　HC与CO两项超标占比随HC超标程度的变化

图3、图4表明：随着HC超标程度的增加，HC 与NOx两项超标占比呈现明显下降趋势，HC与CO两项超标占比呈现明显上升趋势。可见，HC轻微超标的原因多为混合气较稀，超标达到3倍以上时其原因为混合气较浓。

3　结论

（1）CO与HC两项超标和CO单项超标为CO的主要超标类型；NOx单项超标和NOx与HC两项超标为NOx的主要超标类型；HC与NOx两项超标和HC与CO两项超标为HC的主要超标类型。

（2）CO与HC两项超标的占比同HC、CO超标程度成正相关，即某故障导致HC或CO超标程度越高，越容易导致CO与HC两项同时超标；NOx与HC两项超标的占比和NOx超标程度负相关、和HC超标程度正相关，即某故障导致NOx超标程度越高，越不容易同时导致HC超标，而导致HC超标程度越高，也越容易导致NOx同时超标。

（3）当CO超标达到限值4倍以上时，与HC同时超标的占比达93.3%，几乎同时超标；当NOx达到限值3倍以上时，与HC同时超标的占比为71.4%，同时超标的可能性很大；当HC超标达到限值3倍以上时，与CO几乎同时超标，与NOx同时超标的概率很小。

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由表1可知：CO超标主要形式为CO与HC两项超标，占CO总超标量的54%，导致CO超标的主要原因为混合气浓度较浓，而混合气较浓也是HC超标的原因之一，故该超标类型原因为混合气浓度较浓；其次为CO单项超标，占CO总超标量的33%，所占比例也较大，需通过分析各故障对超标程度的影响，研究CO单项超标的原因；三项污染物同时超标占8%；CO与NOx两项超标也存在，但所占比例较小，仅5%。

中图分类号：U467.4

文献标志码：A

文章编号：1671-2668（2016）03-0018-04

基金项目：∗山西省交通运输厅科技推广项目（2014-1-12）

收稿日期：2016-01-21