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        在用汽油車排氣污染物超標特征分析?

        2016-06-08 03:28:52陶健王文君龐奪峰姜鑫殷傳峰
        公路與汽運 2016年3期
        關鍵詞:汽油車相關性汽車

        陶健,王文君,龐奪峰,姜鑫,殷傳峰

        (山西省交通科學研究院,山西太原 030000)

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        在用汽油車排氣污染物超標特征分析?

        陶健,王文君,龐奪峰,姜鑫,殷傳峰

        (山西省交通科學研究院,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數據,研究污染物CO、NOx和HC的主要超標類型、超標程度特征及超標原因。結果表明,CO與HC兩項同時超標和HC、CO的超標程度顯著正相關,NOx與HC兩項同時超標和NOx超標程度負相關、和HC超標程度正相關;CO超標達到限值4倍以上時與HC同時超標占CO所有超標類型的93.3%,NOx超標達到限值3倍以上時與HC同時超標的占比為71.4%,HC超標達到限值3倍以上時與CO同時超標的可能性很大、與NOx同時超標的概率很小。

        關鍵詞:汽車;汽油車;排氣污染物;超標特征;相關性

        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,約分擔大氣污染源的85%,其中汽油車是主要貢獻者之一。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,檢測技術不斷提高。隨著排放標準要求的不斷嚴格,機動車環(huán)保檢測不合格車輛的尾氣超標治理問題日益凸顯。國外發(fā)達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,對排放超標的車輛或篡改排放控制裝置的車輛責令限期修理。國內學者也提出建立并實施I/M制度保障車輛達標行駛,減少在用車污染物排放。已有的污染物治理技術大多針對化油器車輛,而針對現代車輛技術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特征研究很少,且很少針對穩(wěn)態(tài)工況法(ASM)檢測數據進行研究。

        考慮到汽車污染物超標數據研究缺乏,超標原因難以準確確定,導致盲目治理和過度維修,治理效果不佳,嚴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檢測數據,統(tǒng)計分析污染物HC、CO和NOx的超標特征,量化分析超標程度及相關性,獲取主要超標類型、超標基本特征和規(guī)律,以便于確定尾氣超標治理目標和準確判斷超標原因,為指導汽油車排氣污染物超標故障診斷與維修治理、推動機動車污染物防控提供技術支撐。

        1 污染物超標數據分析

        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輛車檢測結果不合格的報告單數據,分別針對CO、NOx和HC對各污染物的超標類型分布進行統(tǒng)計,分析各污染物超標的主要形式和形成原因。

        1.1CO超標原因和超標類型分布統(tǒng)計分析

        造成CO超標的原因為燃燒過程缺氧或燃燒溫度過低。CO排放超標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。

        對不合格報告單數據中包含的CO超標數據進行整理,統(tǒng)計CO各超標類型分布情況,統(tǒng)計結果如表1所示。

        表1 CO超標類型分布

        1.2NOx超標原因和超標類型分布統(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、混合汽濃度偏稀等。

        對不合格報告單數據中包含的NOx超標數據進行整理,統(tǒng)計NOx各超標類型分布情況,統(tǒng)計結果如表2所示。

        表2 NOx超標類型分布

        由表2可知:NOx的主要超標形式為NOx單項超標,占NOx總超標量的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致NOx排放增加。其次為NOx與HC兩項超標,占NOx總超標量的27%,其原因也與混合氣濃度較稀有關。三項超標和NOx與CO兩項超標較少,分別占4%和2%。

        1.3HC超標原因和超標類型分布統(tǒng)計分析

        HC超標是因空燃比不佳或點火系統(tǒng)故障導致燃料未被點燃、火焰中斷和未來得及燃燒而引發(fā)。當混合氣濃度過稀或過濃時,燃燒會變慢,當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致燃燒中斷,引起HC排放增高。關于點火系統(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致HC排放增加。因此,在穩(wěn)態(tài)工況ASM5025時,HC超標與火花塞間隙和點火提前角故障有關。

        將不合格報告單數據中包含的HC超標數據進行整理,統(tǒng)計HC各超標類型分布情況,統(tǒng)計結果如表3所示。

        表3 HC超標類型分布

        由表3可知:HC的主要超標類型為HC與NOx兩項超標、HC與CO兩項超標,分別占HC超標總量的42%、40%,說明HC通常伴隨和另外兩項同時超標。HC和NOx同時超標,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,主要原因為混合氣濃度較濃,出現了火焰中斷現象。HC單項超標占比為12%,積碳、活塞間隙、點火系統(tǒng)故障是導致HC單項超標的主要原因。

        2 污染物超標程度特征分析

        根據上述統(tǒng)計結果,各污染物超標之間存在一定相關性。由超標原因分析可知,導致其中一項污染物超標達到一定程度后,會影響其他污染物排放。因此,對各污染物按照超標程度劃分,研究污染物超標程度特征和相互關系,探究超標主要原因和治理技術方法。

        2.1CO超標程度特征分析

        用CO超標倍數來表征其超標程度,并以1倍為單位,將CO各超標數據按照超標倍數劃分區(qū)間,統(tǒng)計在各倍數區(qū)間中CO主要超標類型數量所占該超標區(qū)間CO超標總量的比例。由1.1節(jié)可知,CO與HC兩項超標和CO單項超標為CO的主要超標類型,其超標程度分析結果如表4所示。

        表4 CO各超標程度區(qū)間主要超標類型分布

        由表4可知:CO超標倍數為1~2時,CO與HC兩項超標量略高于CO單項超標量,隨著超標倍數的增加,CO單項超標占比呈明顯下降趨勢,CO與HC兩項超標的占比則逐漸增加。超標倍數超過4倍后,超標程度已較為嚴重,CO與HC兩項超標占比高達93.3%,混合氣濃度過濃、噴油嘴霧化效果差是其主要超標原因。

        進一步分析CO與HC兩項超標占比隨CO超標程度增加的變化情況,并進行線性擬合,結果如圖1所示。

        圖1 CO與HC兩項超標占比隨CO超標程度的變化

        從圖1可看出:CO與HC兩項超標的占比與CO超標程度有明顯的相關性,CO與HC兩項同時超標的概率隨CO超標程度增加而增大。當CO超標4倍以上時,HC和CO同時超標占比達93.3%,幾乎同時超標。故障診斷時應優(yōu)先考慮導致二者同時超標的故障。

        2.2NOx超標程度特征分析

        用NOx超標倍數來表征其超標程度,將NOx各超標數據按照超標倍數劃分區(qū)間。由于NOx超標樣本相對較大,以0.5倍為單位,統(tǒng)計在各倍數區(qū)間中NOx的主要超標類型數量占該超標區(qū)間NOx超標總量的比例。由1.2節(jié)可知,NOx單項超標和NOx與HC兩項超標為NOx的主要超標類型,其超標程度分析結果如表5所示。

        表5 NOx各超標程度區(qū)間的主要超標類型分布

        由表5可知:當NOx超標倍數為1~3時,NOx單項超標為主要超標類型,但NOx與HC兩項超標占比呈上升趨勢,NOx單項超標占比呈下降趨勢。NOx超標倍數達到3倍以上時,NOx與HC兩項超標占比達到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兩項超標占比隨NOx超標程度增加的變化情況,并進行線性擬合,結果如圖2所示。

        圖2 NOx與HC兩項超標占比隨NOx超標程度的變化

        從圖2可看出:NOx與HC兩項超標的占比與NOx超標程度有明顯的相關性,NOx與HC兩項同時超標的可能性隨NOx超標程度的增加而增大。NOx超標3倍以上時,NOx和HC同時超標的占比達71.4%,同時超標的可能性很大。故障診斷時應優(yōu)先考慮導致二者同時超標的故障,如混合氣較稀。

        2.3HC超標程度特征分析

        用HC超標倍數來表征其超標程度,以0.5倍為單位,將HC各超標數據按照超標倍數劃分區(qū)間,統(tǒng)計在各倍數區(qū)間中HC主要超標類型數量占該超標區(qū)間HC超標總量的比例。由1.3節(jié)可知,HC 與NOx兩項超標和HC與CO兩項超標為HC的主要超標類型,其超標程度分析結果如表6所示。

        表6 HC各超標程度區(qū)間的主要超標類型分布

        由表6可知:HC排放超標倍數為1.0~1.5時,HC與NOx兩項超標量高于HC與CO兩項超標量,HC單項超標、HC與CO兩項超標所占比例相近。因此,混合氣濃度偏稀為該超標范圍的主要原因。HC排放超標倍數為1.5~2.0時,HC與CO兩項超標量高于HC與NOx兩項超標量,在該超標倍數范圍內,因混合氣濃度偏濃所產生的HC超標量已超過因混合氣濃度偏稀而產生的HC超標量,混合氣偏濃成為主要影響因素。當HC排放超標倍數超過3倍時,HC與CO兩項超標占比為75%。因此,當HC超標嚴重時,混合氣偏濃為其主要原因。

        分別分析HC與NOx兩項超標、HC與CO兩項超標占比與HC超標程度的關系,結果如圖3、圖4所示。

        圖3 HC與NOx兩項超標占比隨HC超標程度的變化

        圖4 HC與CO兩項超標占比隨HC超標程度的變化

        圖3、圖4表明:隨著HC超標程度的增加,HC 與NOx兩項超標占比呈現明顯下降趨勢,HC與CO兩項超標占比呈現明顯上升趨勢??梢?,HC輕微超標的原因多為混合氣較稀,超標達到3倍以上時其原因為混合氣較濃。

        3 結論

        (1)CO與HC兩項超標和CO單項超標為CO的主要超標類型;NOx單項超標和NOx與HC兩項超標為NOx的主要超標類型;HC與NOx兩項超標和HC與CO兩項超標為HC的主要超標類型。

        (2)CO與HC兩項超標的占比同HC、CO超標程度成正相關,即某故障導致HC或CO超標程度越高,越容易導致CO與HC兩項同時超標;NOx與HC兩項超標的占比和NOx超標程度負相關、和HC超標程度正相關,即某故障導致NOx超標程度越高,越不容易同時導致HC超標,而導致HC超標程度越高,也越容易導致NOx同時超標。

        (3)當CO超標達到限值4倍以上時,與HC同時超標的占比達93.3%,幾乎同時超標;當NOx達到限值3倍以上時,與HC同時超標的占比為71.4%,同時超標的可能性很大;當HC超標達到限值3倍以上時,與CO幾乎同時超標,與NOx同時超標的概率很小。

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        由表1可知:CO超標主要形式為CO與HC兩項超標,占CO總超標量的54%,導致CO超標的主要原因為混合氣濃度較濃,而混合氣較濃也是HC超標的原因之一,故該超標類型原因為混合氣濃度較濃;其次為CO單項超標,占CO總超標量的33%,所占比例也較大,需通過分析各故障對超標程度的影響,研究CO單項超標的原因;三項污染物同時超標占8%;CO與NOx兩項超標也存在,但所占比例較小,僅5%。

        中圖分類號:U467.4

        文獻標志碼: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

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