陶健,王文君,龐奪峰,姜鑫,殷傳峰
(山西省交通科學(xué)研究院,山西太原 030000)
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在用汽油車排氣污染物超標(biāo)特征分析?
陶健,王文君,龐奪峰,姜鑫,殷傳峰
(山西省交通科學(xué)研究院,山西太原 030000)
摘要:為了掌握電控發(fā)動機汽油車排氣污染物超標(biāo)特征及規(guī)律,統(tǒng)計分析308輛在用汽油車在穩(wěn)態(tài)工況法檢測條件下的排氣污染物超標(biāo)數(shù)據(jù),研究污染物CO、NOx和HC的主要超標(biāo)類型、超標(biāo)程度特征及超標(biāo)原因。結(jié)果表明,CO與HC兩項同時超標(biāo)和HC、CO的超標(biāo)程度顯著正相關(guān),NOx與HC兩項同時超標(biāo)和NOx超標(biāo)程度負(fù)相關(guān)、和HC超標(biāo)程度正相關(guān);CO超標(biāo)達(dá)到限值4倍以上時與HC同時超標(biāo)占CO所有超標(biāo)類型的93.3%,NOx超標(biāo)達(dá)到限值3倍以上時與HC同時超標(biāo)的占比為71.4%,HC超標(biāo)達(dá)到限值3倍以上時與CO同時超標(biāo)的可能性很大、與NOx同時超標(biāo)的概率很小。
關(guān)鍵詞:汽車;汽油車;排氣污染物;超標(biāo)特征;相關(guān)性
隨著中國機動車保有量的迅速增加,機動車排氣污染成為城市空氣污染的重要來源,約分擔(dān)大氣污染源的85%,其中汽油車是主要貢獻(xiàn)者之一。因此,控制汽油車污染物排放是降低大氣污染的有效手段之一。近年來中國機動車污染物防治工作不斷推進,環(huán)保檢測制度逐年完善,檢測技術(shù)不斷提高。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)要求的不斷嚴(yán)格,機動車環(huán)保檢測不合格車輛的尾氣超標(biāo)治理問題日益凸顯。國外發(fā)達(dá)國家主要通過在用車的檢測與維護(I/M)制度來控制在用車的排氣污染,規(guī)定定期進行排放檢測,對排放超標(biāo)的車輛或篡改排放控制裝置的車輛責(zé)令限期修理。國內(nèi)學(xué)者也提出建立并實施I/M制度保障車輛達(dá)標(biāo)行駛,減少在用車污染物排放。已有的污染物治理技術(shù)大多針對化油器車輛,而針對現(xiàn)代車輛技術(shù)的排放影響研究成果比較零散,主要對車輛排放的影響因素和劣化規(guī)律進行研究,對在用車的排放超標(biāo)特征研究很少,且很少針對穩(wěn)態(tài)工況法(ASM)檢測數(shù)據(jù)進行研究。
考慮到汽車污染物超標(biāo)數(shù)據(jù)研究缺乏,超標(biāo)原因難以準(zhǔn)確確定,導(dǎo)致盲目治理和過度維修,治理效果不佳,嚴(yán)重削減了汽車污染物防治效果,制約了I/M工作的有效開展,該文收集整理在用汽油車ASM檢測數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析污染物HC、CO和NOx的超標(biāo)特征,量化分析超標(biāo)程度及相關(guān)性,獲取主要超標(biāo)類型、超標(biāo)基本特征和規(guī)律,以便于確定尾氣超標(biāo)治理目標(biāo)和準(zhǔn)確判斷超標(biāo)原因,為指導(dǎo)汽油車排氣污染物超標(biāo)故障診斷與維修治理、推動機動車污染物防控提供技術(shù)支撐。
收集2010—2013年某機動車環(huán)保檢測站2 000 份ASM檢測報告單,篩選整理308輛車檢測結(jié)果不合格的報告單數(shù)據(jù),分別針對CO、NOx和HC對各污染物的超標(biāo)類型分布進行統(tǒng)計,分析各污染物超標(biāo)的主要形式和形成原因。
1.1CO超標(biāo)原因和超標(biāo)類型分布統(tǒng)計分析
造成CO超標(biāo)的原因為燃燒過程缺氧或燃燒溫度過低。CO排放超標(biāo)的原因包括噴油量過大、空氣供給不足、噴油霧化不良、排氣不暢造成燃燒室內(nèi)殘余廢氣過多、發(fā)動機缸壓不足、燃油蒸汽回收系統(tǒng)故障造成混合氣過濃、氧傳感器有故障等。另外,CO除了在做功過程生成外,還在排氣過程中在催化器作用下由HC繼續(xù)氧化生成。
對不合格報告單數(shù)據(jù)中包含的CO超標(biāo)數(shù)據(jù)進行整理,統(tǒng)計CO各超標(biāo)類型分布情況,統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。
表1 CO超標(biāo)類型分布
1.2NOx超標(biāo)原因和超標(biāo)類型分布統(tǒng)計分析
NOx生成機理為高溫富氧,NO生成的溫度條件為不低于1 800 K,另外,燃料中N元素含量與NOx生成量成正比。因此,引起燃燒溫度過高的原因都會造成NOx排放增大,如發(fā)動機水溫過高、點火時刻提前、因燃燒室積碳等原因造成壓縮比過高、燃油選擇不當(dāng)、混合汽濃度偏稀等。
對不合格報告單數(shù)據(jù)中包含的NOx超標(biāo)數(shù)據(jù)進行整理,統(tǒng)計NOx各超標(biāo)類型分布情況,統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。
表2 NOx超標(biāo)類型分布
由表2可知:NOx的主要超標(biāo)形式為NOx單項超標(biāo),占NOx總超標(biāo)量的67%,其主要原因為在穩(wěn)態(tài)工況檢測條件下,車輛技術(shù)條件正常,發(fā)動機燃燒效率高,溫度和壓強高。另外,為了提高燃油經(jīng)濟性,混合氣濃度偏稀,氧含量高,滿足了NOx生成條件。目前主要使用廢氣再循環(huán)技術(shù)通過降低燃燒溫度降低NOx排放量,并通過三元催化器進一步降低,一旦控制不精確就會導(dǎo)致NOx排放增加。其次為NOx與HC兩項超標(biāo),占NOx總超標(biāo)量的27%,其原因也與混合氣濃度較稀有關(guān)。三項超標(biāo)和NOx與CO兩項超標(biāo)較少,分別占4%和2%。
1.3HC超標(biāo)原因和超標(biāo)類型分布統(tǒng)計分析
HC超標(biāo)是因空燃比不佳或點火系統(tǒng)故障導(dǎo)致燃料未被點燃、火焰中斷和未來得及燃燒而引發(fā)。當(dāng)混合氣濃度過稀或過濃時,燃燒會變慢,當(dāng)氧化生成熱量小于混合氣散失的熱量時,火焰?zhèn)鞑ブ袛嗷蚧鹧姹焕錃鈭F吹滅,未燃燒的燃油排出,混合氣中漏進過量尾氣等都會導(dǎo)致燃燒中斷,引起HC排放增高。關(guān)于點火系統(tǒng)對HC排放影響的研究表明,火花塞間隙在怠速和低速時對HC排放影響較大,在中速和高速時對HC排放影響較小。點火提前角提前和推后都會導(dǎo)致HC排放增加。因此,在穩(wěn)態(tài)工況ASM5025時,HC超標(biāo)與火花塞間隙和點火提前角故障有關(guān)。
將不合格報告單數(shù)據(jù)中包含的HC超標(biāo)數(shù)據(jù)進行整理,統(tǒng)計HC各超標(biāo)類型分布情況,統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。
表3 HC超標(biāo)類型分布
由表3可知:HC的主要超標(biāo)類型為HC與NOx兩項超標(biāo)、HC與CO兩項超標(biāo),分別占HC超標(biāo)總量的42%、40%,說明HC通常伴隨和另外兩項同時超標(biāo)。HC和NOx同時超標(biāo),主要原因為混合氣濃度較稀或點火提前角偏大。CO和HC同時超標(biāo),主要原因為混合氣濃度較濃,出現(xiàn)了火焰中斷現(xiàn)象。HC單項超標(biāo)占比為12%,積碳、活塞間隙、點火系統(tǒng)故障是導(dǎo)致HC單項超標(biāo)的主要原因。
根據(jù)上述統(tǒng)計結(jié)果,各污染物超標(biāo)之間存在一定相關(guān)性。由超標(biāo)原因分析可知,導(dǎo)致其中一項污染物超標(biāo)達(dá)到一定程度后,會影響其他污染物排放。因此,對各污染物按照超標(biāo)程度劃分,研究污染物超標(biāo)程度特征和相互關(guān)系,探究超標(biāo)主要原因和治理技術(shù)方法。
2.1CO超標(biāo)程度特征分析
用CO超標(biāo)倍數(shù)來表征其超標(biāo)程度,并以1倍為單位,將CO各超標(biāo)數(shù)據(jù)按照超標(biāo)倍數(shù)劃分區(qū)間,統(tǒng)計在各倍數(shù)區(qū)間中CO主要超標(biāo)類型數(shù)量所占該超標(biāo)區(qū)間CO超標(biāo)總量的比例。由1.1節(jié)可知,CO與HC兩項超標(biāo)和CO單項超標(biāo)為CO的主要超標(biāo)類型,其超標(biāo)程度分析結(jié)果如表4所示。
表4 CO各超標(biāo)程度區(qū)間主要超標(biāo)類型分布
由表4可知:CO超標(biāo)倍數(shù)為1~2時,CO與HC兩項超標(biāo)量略高于CO單項超標(biāo)量,隨著超標(biāo)倍數(shù)的增加,CO單項超標(biāo)占比呈明顯下降趨勢,CO與HC兩項超標(biāo)的占比則逐漸增加。超標(biāo)倍數(shù)超過4倍后,超標(biāo)程度已較為嚴(yán)重,CO與HC兩項超標(biāo)占比高達(dá)93.3%,混合氣濃度過濃、噴油嘴霧化效果差是其主要超標(biāo)原因。
進一步分析CO與HC兩項超標(biāo)占比隨CO超標(biāo)程度增加的變化情況,并進行線性擬合,結(jié)果如圖1所示。
圖1 CO與HC兩項超標(biāo)占比隨CO超標(biāo)程度的變化
從圖1可看出:CO與HC兩項超標(biāo)的占比與CO超標(biāo)程度有明顯的相關(guān)性,CO與HC兩項同時超標(biāo)的概率隨CO超標(biāo)程度增加而增大。當(dāng)CO超標(biāo)4倍以上時,HC和CO同時超標(biāo)占比達(dá)93.3%,幾乎同時超標(biāo)。故障診斷時應(yīng)優(yōu)先考慮導(dǎo)致二者同時超標(biāo)的故障。
2.2NOx超標(biāo)程度特征分析
用NOx超標(biāo)倍數(shù)來表征其超標(biāo)程度,將NOx各超標(biāo)數(shù)據(jù)按照超標(biāo)倍數(shù)劃分區(qū)間。由于NOx超標(biāo)樣本相對較大,以0.5倍為單位,統(tǒng)計在各倍數(shù)區(qū)間中NOx的主要超標(biāo)類型數(shù)量占該超標(biāo)區(qū)間NOx超標(biāo)總量的比例。由1.2節(jié)可知,NOx單項超標(biāo)和NOx與HC兩項超標(biāo)為NOx的主要超標(biāo)類型,其超標(biāo)程度分析結(jié)果如表5所示。
表5 NOx各超標(biāo)程度區(qū)間的主要超標(biāo)類型分布
由表5可知:當(dāng)NOx超標(biāo)倍數(shù)為1~3時,NOx單項超標(biāo)為主要超標(biāo)類型,但NOx與HC兩項超標(biāo)占比呈上升趨勢,NOx單項超標(biāo)占比呈下降趨勢。NOx超標(biāo)倍數(shù)達(dá)到3倍以上時,NOx與HC兩項超標(biāo)占比達(dá)到71.4%,此時燃燒溫度很高且氧氣充足,HC排放也隨之增加。
進一步分析NOx與HC兩項超標(biāo)占比隨NOx超標(biāo)程度增加的變化情況,并進行線性擬合,結(jié)果如圖2所示。
圖2 NOx與HC兩項超標(biāo)占比隨NOx超標(biāo)程度的變化
從圖2可看出:NOx與HC兩項超標(biāo)的占比與NOx超標(biāo)程度有明顯的相關(guān)性,NOx與HC兩項同時超標(biāo)的可能性隨NOx超標(biāo)程度的增加而增大。NOx超標(biāo)3倍以上時,NOx和HC同時超標(biāo)的占比達(dá)71.4%,同時超標(biāo)的可能性很大。故障診斷時應(yīng)優(yōu)先考慮導(dǎo)致二者同時超標(biāo)的故障,如混合氣較稀。
2.3HC超標(biāo)程度特征分析
用HC超標(biāo)倍數(shù)來表征其超標(biāo)程度,以0.5倍為單位,將HC各超標(biāo)數(shù)據(jù)按照超標(biāo)倍數(shù)劃分區(qū)間,統(tǒng)計在各倍數(shù)區(qū)間中HC主要超標(biāo)類型數(shù)量占該超標(biāo)區(qū)間HC超標(biāo)總量的比例。由1.3節(jié)可知,HC 與NOx兩項超標(biāo)和HC與CO兩項超標(biāo)為HC的主要超標(biāo)類型,其超標(biāo)程度分析結(jié)果如表6所示。
表6 HC各超標(biāo)程度區(qū)間的主要超標(biāo)類型分布
由表6可知:HC排放超標(biāo)倍數(shù)為1.0~1.5時,HC與NOx兩項超標(biāo)量高于HC與CO兩項超標(biāo)量,HC單項超標(biāo)、HC與CO兩項超標(biāo)所占比例相近。因此,混合氣濃度偏稀為該超標(biāo)范圍的主要原因。HC排放超標(biāo)倍數(shù)為1.5~2.0時,HC與CO兩項超標(biāo)量高于HC與NOx兩項超標(biāo)量,在該超標(biāo)倍數(shù)范圍內(nèi),因混合氣濃度偏濃所產(chǎn)生的HC超標(biāo)量已超過因混合氣濃度偏稀而產(chǎn)生的HC超標(biāo)量,混合氣偏濃成為主要影響因素。當(dāng)HC排放超標(biāo)倍數(shù)超過3倍時,HC與CO兩項超標(biāo)占比為75%。因此,當(dāng)HC超標(biāo)嚴(yán)重時,混合氣偏濃為其主要原因。
分別分析HC與NOx兩項超標(biāo)、HC與CO兩項超標(biāo)占比與HC超標(biāo)程度的關(guān)系,結(jié)果如圖3、圖4所示。
圖3 HC與NOx兩項超標(biāo)占比隨HC超標(biāo)程度的變化
圖4 HC與CO兩項超標(biāo)占比隨HC超標(biāo)程度的變化
圖3、圖4表明:隨著HC超標(biāo)程度的增加,HC 與NOx兩項超標(biāo)占比呈現(xiàn)明顯下降趨勢,HC與CO兩項超標(biāo)占比呈現(xiàn)明顯上升趨勢??梢?,HC輕微超標(biāo)的原因多為混合氣較稀,超標(biāo)達(dá)到3倍以上時其原因為混合氣較濃。
(1)CO與HC兩項超標(biāo)和CO單項超標(biāo)為CO的主要超標(biāo)類型;NOx單項超標(biāo)和NOx與HC兩項超標(biāo)為NOx的主要超標(biāo)類型;HC與NOx兩項超標(biāo)和HC與CO兩項超標(biāo)為HC的主要超標(biāo)類型。
(2)CO與HC兩項超標(biāo)的占比同HC、CO超標(biāo)程度成正相關(guān),即某故障導(dǎo)致HC或CO超標(biāo)程度越高,越容易導(dǎo)致CO與HC兩項同時超標(biāo);NOx與HC兩項超標(biāo)的占比和NOx超標(biāo)程度負(fù)相關(guān)、和HC超標(biāo)程度正相關(guān),即某故障導(dǎo)致NOx超標(biāo)程度越高,越不容易同時導(dǎo)致HC超標(biāo),而導(dǎo)致HC超標(biāo)程度越高,也越容易導(dǎo)致NOx同時超標(biāo)。
(3)當(dāng)CO超標(biāo)達(dá)到限值4倍以上時,與HC同時超標(biāo)的占比達(dá)93.3%,幾乎同時超標(biāo);當(dāng)NOx達(dá)到限值3倍以上時,與HC同時超標(biāo)的占比為71.4%,同時超標(biāo)的可能性很大;當(dāng)HC超標(biāo)達(dá)到限值3倍以上時,與CO幾乎同時超標(biāo),與NOx同時超標(biāo)的概率很小。
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由表1可知:CO超標(biāo)主要形式為CO與HC兩項超標(biāo),占CO總超標(biāo)量的54%,導(dǎo)致CO超標(biāo)的主要原因為混合氣濃度較濃,而混合氣較濃也是HC超標(biāo)的原因之一,故該超標(biāo)類型原因為混合氣濃度較濃;其次為CO單項超標(biāo),占CO總超標(biāo)量的33%,所占比例也較大,需通過分析各故障對超標(biāo)程度的影響,研究CO單項超標(biāo)的原因;三項污染物同時超標(biāo)占8%;CO與NOx兩項超標(biāo)也存在,但所占比例較小,僅5%。
中圖分類號:U467.4
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號:1671-2668(2016)03-0018-04
基金項目:?山西省交通運輸廳科技推廣項目(2014-1-12)
收稿日期:2016-01-21