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。

參考文獻：

［1］ 張秀麗，吳丹，張世秋.北京市淘汰高污染排放車輛政策研究［J］.北京大學學報：自然科學版，2013，49（2）.

［2］ 李新興，孫國金，王孝文，等.杭州市區(qū)機動車污染物排放特征及分擔率［J］.中國環(huán)境科學，2013，33（9）.

［3］ 王岐東，姚志良，霍紅，等.中國城市輕型車的排放特性［J］.環(huán)境科學學報，2008，28（9）.

［4］ 俞世光.控制在用汽車排放的FM制度體系的研究［D］.北京：北京工業(yè)大學，2001.

［5］ 藺宏良.西安市實施在用汽車檢測與維護（I/M）制度方案與技術研究［D］.西安：長安大學，2007.

［6］ 王岐東.基于工況的城市機動車排放因子研究［D］.北京：清華大學，2005.

［7］ 方茂東，李菁元，李孟良.在用車排放影響因素試驗研究［J］.武漢理工大學學報，2010，32（10）.

［8］ 陳泳釗，劉永紅，黃晶，等.在用輕型汽油車排放隨行駛里程劣化規(guī)律分析［J］.環(huán)境污染與防治，2015，37（4）.

［9］ 盧云鶴，孫龍林，黃文偉，等.城市道路工況下汽車排放特征的影響因素研究［J］.環(huán)境污染與防治，2013，35 （10）.

［10］ 彭美春，張效剛，黃新平，等.在用汽油車簡易測試工況排放特性研究［J］.環(huán)境污染與防治，2004，26（3）.

［11］ 錢人一.點燃式發(fā)動機在用汽車排放測試之穩(wěn)態(tài)工況法［J］.汽車與配件，2012（16）.

［12］ 陶健，郭竹玲.在用汽油車排氣污染物排放現狀分析［J］.山西交通科技，2013（2）.

［13］ 李岳林，王生昌.交通運輸環(huán)境污染與控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

［14］ 李興虎.汽車環(huán)境污染與控制［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011.

［15］ 傅立新，賀克斌，吳燁.城市機動車排放污染控制［M］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2001.

［16］ 陳慶樟，劉仲國，王海林.點火系統(tǒng)使用因素對發(fā)動機HC及CO排放影響規(guī)律研究［J］.內燃機，2006（2）.

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