趙 琛，王軍方，付明亮，李 剛，蔣 涵，丁 焰*

1. 中國環(huán)境科學研究院，國家環(huán)境保護機動車污染控制與模擬重點實驗室，北京 100012

2. 中國環(huán)境科學研究院機動車排污監(jiān)控中心，北京 100012

隨著機動車保有量的迅速增加和交通運輸業(yè)的飛速發(fā)展，機動車排放的NOx、CO、HC和PM等污染物成為城市大氣污染的主要來源[1-3]，嚴重威脅居民健康[4].重型柴油車是道路運輸?shù)闹饕ぞ?，雖然其保有量相對較小，但其NOx和PM排放量在移動源中占比較大[5-6]，給交通行業(yè)的綠色發(fā)展帶來較大挑戰(zhàn)[7-9].

在改善空氣質(zhì)量和減少能源消耗的雙重壓力下，世界各國積極探索以清潔能源替代傳統(tǒng)燃料[10-11]. 天然氣因儲量豐富、易于開采、價格低廉等優(yōu)勢成為主要的替代能源，其中液化天然氣因具有能量密度大、加氣頻率低、便于運輸?shù)葍?yōu)點，在重型車市場頗具競爭優(yōu)勢[12-13]. 我國早在成都和重慶等地區(qū)推廣使用天然氣車，并建立相關基礎設施[14]. 國Ⅵ排放標準實施前，天然氣車發(fā)動機多采用稀薄燃燒方式，后處理系統(tǒng)使用氧化性催化器(OC)，該策略熱效率高，可減少CO和HC排放，但仍存在NOx排放較高的問題[15]. 為滿足國Ⅵ重型車排放標準，重型天然氣車輛發(fā)動機普遍采用化學計量比燃燒方式，增加廢氣再循環(huán)系統(tǒng)(EGR)，使用三元催化器(TWC)控制污染物排放，該技術可以提高發(fā)動機燃燒效率，具有良好的經(jīng)濟性[16-19]. 此外，采用化學計量比燃燒方式的發(fā)動機燃燒均勻，且燃料中HC分子量小，與傳統(tǒng)燃油車相比，尾氣中PM排放量處于較低水平[20-21].

國內(nèi)外學者對天然氣重型車排放特征開展了大量研究. Karavalakis等[22]對采用稀薄燃燒和化學計量比燃燒的重型車進行測試，發(fā)現(xiàn)化學計量比車輛的NOx排放控制水平較優(yōu)，而CO2和CO排放略高.吳岳[23]對天然氣公交車進行研究發(fā)現(xiàn)，采用OC+選擇性催化還原(SCR)后處理方式的天然氣公交車的THC、NOx和PM排放均高于采用TWC后處理方式的天然氣公交車. Wang等[24]對采用稀薄燃燒技術的城市環(huán)衛(wèi)天然氣車進行研究，發(fā)現(xiàn)在發(fā)動機高負載低速范圍內(nèi)，CO和NOx排放均較高，NO2/NO(濃度比，下同)則隨發(fā)動機功率的增加而降低.

由于全國范圍內(nèi)國Ⅵ重型車排放標準實施時間較短，針對國Ⅵ重型車，特別是國Ⅵ重型天然氣車的實際道路排放研究較少. 此外，國Ⅵ重型天然氣車與國Ⅴ相比發(fā)動機燃燒方式和后處理系統(tǒng)明顯不同，而國內(nèi)外關于兩種技術路線中重型天然氣車污染物排放特征的對比研究較少. 鑒于此，為研究重型天然氣車實際道路的排放特征，擬采用便攜式排放測試系統(tǒng)(PEMS)，在實際道路下對國Ⅴ、國Ⅵ重型天然氣車輛(分別簡稱“國Ⅴ車輛”“國Ⅵ車輛”)進行測試，分析其排放特征，評價不同排放階段車輛的實際道路排放水平，以期為排放清單的建立提供基礎測試數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗車輛及測試設備

該研究擬以市售的液化天然氣作為燃料，探究4輛重型天然氣車(2輛國Ⅴ車輛和2輛國Ⅵ車輛)的排放特征. 測試車輛的具體參數(shù)信息如表1所示，其中，國Ⅴ車輛采用稀薄燃燒+OC技術，國Ⅵ車輛采用化學計量比燃燒+EGR+TWC技術，車輛之間額定功率相近. 測試前需進行車況檢查，保證車輛處于正常工作狀態(tài). 為保證車輛負載一致，4輛車均在半載條件下進行測試，且測試過程中全程關閉空調(diào).

表1 測試車輛技術參數(shù)信息Table 1 Technical specifications of the test vehicle

測試儀器PEMS為美國Sensors公司生產(chǎn)的SEMTECH-ECOSTAR，設備由兩塊并聯(lián)的外置高能量密度鋰蓄電池提供電力. 該儀器采用非分散紅外分析技術(NDIR)分別測量CO和CO2濃度，使用非色散紫外分析技術(NDUV)分別測量NO和NO2濃度，使用電化學傳感器測量O2濃度，使用Sensors公司生產(chǎn)的質(zhì)量流量計(4英寸SEMTECH EFM)用于測量排氣流量，使用模塊裝備的全球定位系統(tǒng)(SEMTECH-GPS)測量經(jīng)緯度，從而計算車輛行駛速度，所有測試結(jié)果通過數(shù)據(jù)線傳輸給計算機. 為保證測試儀器處于正常工作狀態(tài)，每次測試前需使用純氮氣進行零校準，再使用標準氣體進行標定[25-26].

1.2 測試路線及工況

該試驗模擬法規(guī)測試工況，分別在市區(qū)路、市郊路、高速路開展測試. 國Ⅴ車輛和國Ⅵ車輛的測試地點分別在河北省唐山市和山西省晉中市，兩地測試道路地形特征相似，測試路線的落差均在100 m以內(nèi)，測試路線如圖1所示. 為排除兩地溫度、相對濕度差異對車輛排放特征的影響，車輛均進行熱車排放測試，所有測試記錄數(shù)據(jù)發(fā)動機冷卻液溫度均在70 ℃以上. 車輛試驗行駛里程為64～78 km，市區(qū)路平均時速為24～30 km/h，行駛時間占比為21.7%～29.3%；市郊路平均時速為41～47 km/h，行駛時間占比為23.5%～33.4%；高速路平均時速為70～73 km/h，行駛時間占比為34.7%～48.3%.

圖1 測試路線圖Fig.1 Test road map

1.3 數(shù)據(jù)處理

基于距離的排放因子由車輛每km產(chǎn)生的氣體污染物計算得出，計算公式：

除速度和加速度外，目前用于表征整車行駛工況和排放的另一個重要參數(shù)為機動車比功率(vehicle specific power, VSP)，計算公式：

表2 基于速度、加速度和VSP的工況區(qū)間劃分Table 2 Definition of driving condition bins based on velocity,acceleration and VSP

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類型道路下污染物瞬時排放特征

由于同一標準車輛的排放特征基本相似，以1號車(國Ⅴ車輛)和3號車(國Ⅵ車輛)為例進行瞬時排放特征分析. 不同道路類型下CO排放速率分布如圖2所示. 由圖2可見，兩輛車CO高排放區(qū)域主要分布在加速工況，其中，1號車CO高排放區(qū)域范圍較小，排放分布較零散，3號車CO高排放區(qū)域較集中. 在市區(qū)路中，1號車在速度為0～10 km/h、加速度大于0.5 m/s2范圍內(nèi)的CO排放速率較高，而3號車CO高排放區(qū)域集中在速度為40～50 km/h、加速度大于0.5 m/s2的區(qū)間內(nèi). 在市郊路中，CO高排放區(qū)域多分布在加速工況下，其中，1號車主要分布在中低速區(qū)間(20～40 km/h)，而3號車則集中在中高速區(qū)間(40～70 km/h). 在高速路中，1號車CO高排放區(qū)間分布較少，而3號車則在整個行駛工況范圍內(nèi)出現(xiàn)較多的高排放區(qū)域，原因可能是在高速行駛時發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高，激烈的工況使得發(fā)動機燃燒不充分，導致CO排放速率的增加，由于TWC凈化能力有限，未消除的CO通過尾氣管直接排出[29].

圖2 國Ⅴ車輛和國Ⅵ車輛在不同道路類型的CO瞬時排放速率Fig.2 Instantaneous CO emission rates of different road types driving of China Ⅴ and China Ⅵ vehicles

不同道路類型下NOx排放速率分布如圖3所示.由圖3可見：在市區(qū)路中，1號車NOx高排放區(qū)域分布零散，常出現(xiàn)在加速工況，而3號車無NOx高排放區(qū)域；在市郊路中，1號車的NOx高排放區(qū)域出現(xiàn)在速度為0～15 km/h、加速度大于0.5 m/s2時，3號車則在速度為20～40 km/h、加速度大于0.5 m/s2時出現(xiàn)NOx高排放區(qū)域；在高速路中，1號車NOx高排放區(qū)域集中分布在加速工況，3號車NOx高排放區(qū)域零散分布在速度大于50 km/h的減速段，這可能是因為在減速工況下發(fā)動機供油量減少、空燃比升高(見圖4)，而燃燒室溫度還保持在較高狀態(tài)，有利于NOx的生成. 此外，TWC催化效率與空燃比有關，當接近理論空燃比時TWC的轉(zhuǎn)化效率較高. 因此，3號車在減速工況下出現(xiàn)的NOx高排放區(qū)域與空燃比密切相關[30-32].

圖3 國Ⅴ車輛和國Ⅵ車輛在不同道路類型的NOx瞬時排放速率Fig.3 Instantaneous NOx emission rates of different road types driving of China Ⅴ and China Ⅵ vehicles

圖4 整個測試行程中3號車實際空燃比、加速度與NOx排放速率Fig.4 The actual air-fuel ratio, acceleration and NOx emission rate of No.3 vehicle whole road test

2.2 行駛工況對排放速率的影響

不同工況區(qū)間污染物排放速率如圖5所示. 由圖5(a)(b)可見：在Bin 0和Bin 1(剎車和怠速)區(qū)間，車輛CO和NOx排放速率均較低；在Bin 11～Bin 18區(qū)間，隨著VSP的升高，國Ⅴ車輛的CO和NOx排放速率均逐漸上升，但國Ⅵ車輛始終處于較低排放狀態(tài)，二者排放速率差距逐漸增大；在Bin 21～Bin 28區(qū)間，國Ⅴ車輛和國Ⅵ車輛的CO排放速率均呈上升趨勢，這主要是由于國Ⅴ車輛在VSP較高的情況下，為滿足車輛的動力性能需求，天然氣車發(fā)動機會持續(xù)增加燃油供給，導致空燃比的降低，促進了CO的生成[33]，而國Ⅵ車輛在該區(qū)間隨著VSP的增加，駕駛工況更加激烈，發(fā)動機燃燒會在工況變化時發(fā)生開環(huán)控制，導致空燃比偏離理論空燃比(見圖4)，使得CO排放增高. 此外國Ⅴ車輛的NOx排放速率隨VSP的升高逐漸增加，國Ⅵ車輛的NOx排放速率呈先緩慢上升后緩慢下降的趨勢，并在Bin 26達到最大排放速率，但仍小于國Ⅴ車輛，表明國Ⅵ車輛的NOx排放速率在不同Bins區(qū)間均能實現(xiàn)較好的控制[34]. 由圖5(c)可見，在Bin 11～Bin 18和Bin 21～Bin 28區(qū)間，國Ⅴ車輛的NO2/NOx(濃度比，下同)均隨VSP的增加總體呈下降趨勢，因為VSP較高時發(fā)動機內(nèi)部燃燒溫度長期處于較高狀態(tài)，根據(jù)捷爾杜維奇理論[35]，NO反應占主導地位，NO2生成受到抑制，導致NO2/NOx處于較低水平[36]. 此外，國Ⅴ車輛的NO2/NOx(0.05～0.32)明顯高于國Ⅵ車輛(小于0.02)，一方面可能受兩種排放標準車輛發(fā)動機燃燒控制策略的影響；另一方面與兩種車輛后處理裝置技術的不同有關.

圖5 國Ⅴ車輛和國Ⅵ車輛在不同工況區(qū)間的CO、NOx排放速率及NO2/NOxFig.5 CO and NOx emission rates and NO2/NOx ratio of China Ⅴ and China Ⅵ vehicle in driving condition bins

2.3 不同道路類型下排放因子分析

3種類型道路中CO和NOx的排放因子如圖6所示. 由圖6可見：國Ⅴ車輛的CO和NOx排放因子均在市區(qū)路最大；國Ⅵ車輛的CO排放因子在高速路最大，NOx排放因子在市郊路最大. 國Ⅴ車輛綜合工況下CO和NOx排放因子分別為國Ⅵ車輛的1.1～3.9和3.3～8.2倍. 其中，在市區(qū)路國Ⅴ車輛的CO排放因子是國Ⅵ車輛的3.0～25.0 倍，但在高速路國Ⅵ車輛的CO排放因子甚至出現(xiàn)高于國Ⅴ車輛的情況；對于NOx排放因子，國Ⅴ車輛在市區(qū)路和高速路中分別是國Ⅵ車輛的11.3～30.2和2.3～13.4倍，表明國Ⅵ車輛在不同類型的道路下都可以有效控制NOx排放，其原因可能是國Ⅵ車輛采用的化學計量比燃燒不利于NOx的生成，而國Ⅴ車輛普遍采用稀薄燃燒，為滿足動力的需求，實際行駛過程中噴油量會增加，使得燃燒溫度相對較高，在該條件下NOx生成量增加. 此外，國Ⅵ車輛TWC可進一步降低NOx的排放.

NOx是重型車排放的主要污染物之一，其中NO2作為PM、氣溶膠、O3和酸雨的重要前體物，NO2/NOx變化規(guī)律一直備受關注[37-39]. 通過分析NO2/NOx〔見圖6(b)〕可以發(fā)現(xiàn)，國Ⅴ和國Ⅵ測試車輛的NO2/NOx均在高速路下最低. 不同類型道路下，國Ⅴ車輛的NO2/NOx都遠高于國Ⅵ車輛，其中兩輛國Ⅴ車輛在綜合工況下NO2/NOx分別為0.18和0.06，兩輛國Ⅵ車輛NO2/NOx均小于0.02.

圖6 不同道路類型下國Ⅴ車輛和國Ⅵ車輛排放因子Fig.6 Emission factors of different road types driving of China Ⅴ and China Ⅵ vehicle

2.4 與其他研究結(jié)果的對比

將筆者所得排放因子與其他研究結(jié)果對比(見表3)發(fā)現(xiàn)，筆者研究中國Ⅴ車輛的NOx排放因子與Lv等[15]研究結(jié)果相近，但CO排放因子低47.2%～64.6%，這可能因Lv等[15]研究中測試低速工況較多所致. 此外，筆者研究中國Ⅴ重型天然氣車的CO和NOx排放因子與Li等[40]研究中國Ⅴ重型柴油車相近，但國Ⅵ重型天然氣車的CO和NOx排放因子分別是國Ⅵ重型柴油車的2.3～5.4和5.2～9.3倍，原因可能是發(fā)動機燃燒方式和后處理系統(tǒng)不同以及測試工況差異所致，建議今后應繼續(xù)開展相關排放測試研究，進一步評估兩種不同燃料類型的國Ⅵ重型車的實際排放水平.

表3 不同研究中重型車排放因子對比Table 3 Comparison of CO and NOx emission factors of heavy-duty vehicles

3 結(jié)論

a)在測試過程中，國Ⅴ車輛在3種道路類型下的CO和NOx高排放區(qū)域主要分布在中低速度段的加速區(qū)域，國Ⅵ車輛在市區(qū)和市郊路下的CO和NOx高排放區(qū)主要集中在中高速區(qū)域，高速路下兩種污染物的高排放區(qū)域相對零散，在減速階段也出現(xiàn)高排放區(qū)域.

b)在Bin 11～Bin 18和Bin 21～Bin 28區(qū)間，國Ⅴ車輛的CO和NOx排放速率均隨著VSP的增加逐漸增加. 在Bin11～18區(qū)間，國Ⅵ車輛的CO和NOx排放速率受VSP變化影響較小，穩(wěn)定維持在較低水平；在Bin21～28區(qū)間，隨著VSP的增加，CO排放速率逐漸增加，NOx排放速率則呈先緩慢上升后緩慢下降的趨勢，在Bin26達到最高.

c)綜合工況下，國Ⅴ車輛的CO和NOx排放因子分別為國Ⅵ車輛的1.1～3.9和3.3～8.2倍. 在市區(qū)路下，國Ⅴ車輛的CO和NOx排放因子均遠高于國Ⅵ車輛，但在高速路時出現(xiàn)國Ⅵ車輛排放因子高于國Ⅴ車輛的情況，表明與國Ⅴ車輛相比，國Ⅵ車輛在市區(qū)路下可以有效控制CO和NOx排放，但在高速路下存在CO排放較高的情況. 因此，建議推廣使用國Ⅵ天然氣車，逐步淘汰采用稀薄燃燒技術的天然氣車，同時加強在用車監(jiān)管，從而有效減少NOx的排放.

d)在不同工況區(qū)間下，國Ⅴ車輛的NO2/NOx顯著高于國Ⅵ車輛，且NO2/NOx隨VSP的增加呈下降趨勢. 該研究中國Ⅵ車輛的CO和NOx排放因子分別是其他研究中國Ⅵ重型柴油車的2.3～5.4和5.2～9.3倍，建議繼續(xù)開展對兩種燃料類型的國Ⅵ車輛的對比測試工作.