張 凡 李蘭云 田冬蓮

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300162）

引言

隨著法規(guī)限制的常規(guī)污染物排放日益降低，汽車尾氣中的非常規(guī)污染物排放日益受到人們的重視。美國在1990年開始實施的《潔凈空氣修正案》規(guī)定了更嚴(yán)格的機動車尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，其中9種醛酮（包括甲醛、乙醛、丙醛、丙烯醛等）、19種單環(huán)及多環(huán)芳香烴（包括苯、甲苯、乙苯等）被列為有害空氣污染[1]。日本在2000年4月29日頒布的《大氣污染防治法》以法律的形式將234種物質(zhì)列為有害大氣污染物，其中優(yōu)先污染物22種，包括苯、甲苯、1，3-丁二烯、乙醛等物質(zhì)[2]。歐洲的英國、法國、德國等多個國家通過發(fā)布和執(zhí)行《歐洲空氣質(zhì)量準(zhǔn)則》、《關(guān)于歐洲空氣質(zhì)量及更加清潔的空氣指令》等一系列的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對SO2、苯、多環(huán)芳香烴、1，3-丁二烯等非常規(guī)污染物進(jìn)行了限制[3]。中國的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及排放標(biāo)準(zhǔn)中也包括了對甲醛、苯、總揮發(fā)性有機物等物質(zhì)的規(guī)定[4]。這些多環(huán)芳烴、醛酮等非常規(guī)污染物對環(huán)境及人類健康的危害是不容忽視的。

文獻(xiàn)研究表明，針對純汽油燃料發(fā)動機和汽車非常規(guī)污染物排放的研究較少，北京理工大學(xué)[5]、寧波市環(huán)境監(jiān)測中心[6]、天津大學(xué)[7-8]、南開大學(xué)[9]、北京大學(xué)[10]和暨南大學(xué)[11]主要通過發(fā)動機臺架試驗、整車轉(zhuǎn)鼓試驗和實際道路測試等手段展開。主要的測試方法包括高效液相色譜儀、氣相色譜儀-氫火焰離子化檢測器、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀。主要測量的污染物種類包括甲醛、乙醛、丙酮等醛酮類化合物和苯、甲苯、二甲苯等芳香烴類揮發(fā)性有機物。總的來說，汽油燃料非常規(guī)污染物排放的研究主要集中在苯系化合物的實際道路測試，醛酮類、烯烴類污染物的發(fā)動機臺架和整車轉(zhuǎn)鼓試驗工作還需要進(jìn)一步加強。

本文在底盤測功機上進(jìn)行了新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）工況的排放測試，使用傅里葉變換紅外光譜方法（FTIR）測量了不同輕型汽車在燃用不同油品的純汽油燃料時的非常規(guī)污染物排放。本文重點分析了試驗車輛和汽油品質(zhì)對汽車尾氣中甲醇、甲醛、乙醛、苯、甲苯、二甲苯、乙烯、丙烯、1，3-丁二烯和異丁烯排放的影響。

1 試驗裝置及儀器

本研究進(jìn)行的試驗為GB 18352.5—2013規(guī)定的Ⅰ型排放試驗，循環(huán)曲線如圖1所示。

圖1 Ⅰ型排放試驗循環(huán)曲線

試驗測試系統(tǒng)主要包括德國MAHA公司的ECDM-48L-4WD型四驅(qū)底盤測功機、德國IMTECH公司的排放環(huán)境試驗倉、日本HORIBA公司的CVS-7400定容稀釋系統(tǒng)、MEXA-7400LE排放分析儀、MEXA-6000FT多組分排放分析儀。

試驗中使用MEXA-6000FT連續(xù)測量了稀釋前排氣中的甲醇、甲醛、苯、甲苯、丙烯、1，3-丁二烯等非常規(guī)污染物的瞬時排放值，根據(jù)稀釋系數(shù)將直排濃度轉(zhuǎn)換為稀釋排氣的濃度，然后與稀釋排氣的瞬時流量進(jìn)行積分計算，得出在整個NEDC工況下的平均排放水平。該分析儀采用的是傅立葉變換紅外光譜技術(shù)，在出廠前使用各種不同濃度的樣氣分別對測量組分進(jìn)行了標(biāo)定，相對誤差不超過2%。

2 試驗車輛和汽油品質(zhì)參數(shù)

2.1 試驗車輛參數(shù)

本試驗選取了8輛典型的汽油車，統(tǒng)一使用同一種汽油，在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上進(jìn)行了Ⅰ型排放試驗，對比分析了不同試驗車輛的非常規(guī)污染物排放水平。

試驗車輛包括德系車2輛（A#、B#）、國產(chǎn)車1輛（C#）、美系車 2輛（D#、E#）、日系車 3輛（F#、G#、H#），里程數(shù)均不超過5×104km，排放水平能達(dá)到國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，具體參數(shù)示于表1。

表1 試驗車輛相關(guān)參數(shù)

2.2 汽油品質(zhì)參數(shù)

本試驗在同一輛輕型車上分別使用0#基準(zhǔn)油和8種市售汽油進(jìn)行了I型排放試驗，對比分析了不同汽油的油品參數(shù)對汽車非常規(guī)污染物排放的影響，9種汽油的油品參數(shù)如表2所示。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 不同試驗車輛的排放結(jié)果分析

圖2、表3分別給出了上述8輛汽油車在NEDC工況的非常規(guī)和常規(guī)污染物平均排放水平。

從圖2中可以看出，8輛汽油車的非常規(guī)污染物平均排放水平都在同一數(shù)量級，數(shù)值差別不超過10倍。其中，甲醇排放變化區(qū)間為2.80～5.55 mg/km，甲醛排放為1.06～2.08 mg/km，乙醛排放為0.10～1.06 mg/km，苯排放為1.45～3.65 mg/km，甲苯排放為3.27～8.40 mg/km，乙烯排放為 1.70～7.14 mg/km，丙烯排放為 0.88～3.40 mg/km，1，3-丁二烯排放為 2.50～5.69 mg/km，異丁烯排放為10.47～18.07 mg/km。

表2 試驗用汽油品質(zhì)參數(shù)

圖2 不同試驗車輛的非常規(guī)污染物排放水平

表3 不同試驗車輛的常規(guī)污染物排放水平g/km

綜合來說，G#車和C#的非常規(guī)污染物排放水平最低，而D#和B#的常規(guī)污染物排放水平最高，這與表3所示的不同試驗車輛的常規(guī)污染物排放規(guī)律基本相同。結(jié)果說明，試驗車輛的常規(guī)污染物和非常規(guī)污染物排放水平具有較好的一致性。

3.2 不同汽油品質(zhì)的排放結(jié)果分析

9種不同汽油的試驗結(jié)果顯示，甲醇排放變化區(qū)間為 3.65～5.22 mg/km，甲醛排放為 0.75～1.10 mg/km，乙醛排放為0.06～0.38 mg/km，苯排放為1.19～3.64 mg/km，甲苯排放為1.59～5.17 mg/km，乙烯排放為2.61～5.83 mg/km，丙烯排放為 1.17～3.16 mg/km，1，3-丁二烯排放為0.09～0.49 mg/km，異丁烯排放為7.23～20.56 mg/km，甲烷排放為 3.06～11.24 mg/km，乙烷排放為0.11～1.63 mg/km，二氧化硫排放為0.22～0.51 mg/km。

以0#油樣的非常規(guī)污染物排放水平為基準(zhǔn)，分別計算了1#～8#市售汽油的甲醇、甲醛、乙醛、苯、乙烯、丙烯、1，3-丁二烯、二氧化硫排放相對于0#基準(zhǔn)油的變化，如圖3～圖10所示。

從圖3中可以看出，7種汽油的甲醇排放水平增加，最大的為7#油樣，約增加25%，只有3#油樣的甲醇排放降低了10%左右。一般來說，市售汽油中都會添加MTBE來提高辛烷值，使得油樣的氧含量增加。試驗結(jié)果說明在燃燒過程中MTBE產(chǎn)生分解反應(yīng)，使得尾氣的甲醇排放增加。

圖3 市售汽油的甲醇排放相對于0#基準(zhǔn)油的變化

圖4 顯示5種市售汽油的甲醛排放水平降低，變化幅度最大的為3#油樣，約為25%。圖5顯示6種市售汽油的乙醛排放水平降低，變化幅度最大的為1#油樣，約為60%。試驗結(jié)果表明，市售汽油的高氧含量有助于醛類物質(zhì)的完全氧化，使得尾氣中的甲醛和乙醛排放有降低的趨勢。

圖4 市售汽油的甲醛排放相對于0#基準(zhǔn)油的變化

圖5 市售汽油的乙醛排放相對于0#基準(zhǔn)油的變化

從圖6中可以看出，8種市售汽油的苯排放水平增加，最大的為1#油樣，約為200%。

圖7和圖8顯示，除了1#油樣的乙烯和丙烯排放水平有明顯增加（變化量約為120%）之外，其它7種市售汽油的乙烯和丙烯排放變化量都在±20%范圍之內(nèi)。結(jié)果說明，相對于0#基準(zhǔn)油，市售汽油的乙烯和丙烯排放水平?jīng)]有顯著變化。

圖6 市售汽油的苯排放相對于0#基準(zhǔn)油的變化

圖7 市售汽油的乙烯排放相對于0#基準(zhǔn)油的變化

圖8 市售汽油的丙烯排放相對于0#基準(zhǔn)油的變化

從圖9中可以看出，除了1#油樣的1，3-丁二烯排放水平略有增加（變化量約為20%）之外，其它7種市售汽油的排放水平都有降低的趨勢，變化量最大的為3#油樣，約為80%。試驗結(jié)果表明，市售汽油的高氧含量有助于1，3-丁二烯的完全氧化，使得尾氣中的丁二烯排放有降低的趨勢。

圖9 市售汽油的丁二烯排放相對于0#基準(zhǔn)油的變化

從圖10中可以看出，1#、6#、7#油樣的SO2排放均高于0#基準(zhǔn)油，而其它5種油樣的SO2排放卻有降低的趨勢。試驗結(jié)果說明，由于1#、6#、7#油樣的硫含量明顯高于0#基準(zhǔn)油，使得尾氣的SO2排放也有增加的趨勢。

圖10 市售汽油的SO2排放相對于0#基準(zhǔn)油的變化

從上述各圖中可以看出，隨著汽油品質(zhì)的變化，試驗車輛的非常規(guī)污染物平均排放水平也會隨著改變，但是變化幅度都不大。其中，甲醇排放的最大變化量為1.4倍，甲醛排放的最大變化量為1.5倍，乙醛排放的最大變化量為5.9倍，苯排放的最大變化量為3.1倍，乙烯排放的最大變化量為2.2倍，丙烯排放的最大排放量為2.7倍，1，3-丁二烯的最大變化量為5.4倍，二氧化硫的最大變化量為2.3倍。

表4給出了不同汽油油樣的常規(guī)污染物排放水平。根據(jù)表4可以計算出針對同一輛汽車，CO排放的最大變化量為1.6倍，HC排放的最大變化量為2.7倍，NOx排放的最大變化量為3.3倍，CH4排放的最大變化量為3.7倍。

表4 不同汽油油樣的常規(guī)污染物排放水平g/km

試驗結(jié)果說明，不同汽油品質(zhì)對非常規(guī)污染物排放與常規(guī)污染物排放的影響程度基本一致，其中乙醛、1，3-丁二烯、CH4排放隨油樣參數(shù)改變的幅度較大。

4 結(jié)論

1）各輛汽油車的非常規(guī)污染物平均排放水平都在同一數(shù)量級。各輛試驗車輛的常規(guī)污染物和非常規(guī)污染物排放水平具有較好的一致性。

2）隨著汽油品質(zhì)的變化，試驗車輛的非常規(guī)污染物平均排放水平也會隨著改變，但是變化幅度都不大。不同汽油品質(zhì)對非常規(guī)污染物與常規(guī)污染物排放的影響程度基本一致，其中乙醛、1，3-丁二烯、CH4排放隨油樣參數(shù)改變的幅度較大。

3）當(dāng)市售汽油的硫含量明顯高于基準(zhǔn)值時，尾氣中甲醇、苯、烯烴、二氧化硫等非常規(guī)污染物的排放水平顯著增加。

4）相對于0#基準(zhǔn)油，市售汽油（正常硫含量）的甲醇、苯排放略有增加，甲醛、乙醛、1，3-丁二烯排放略有降低，乙烯和丙烯排放沒有顯著變化。