尹黛霖,艾力力,溫 溢 (中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)

隨著全球氣候變化問題的日益突出,減少溫室氣體排放已成為環(huán)境保護(hù)的重要目標(biāo).交通運輸是影響我國碳達(dá)峰、優(yōu)化空氣質(zhì)量的重點領(lǐng)域[1-5].隨著國民經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長,汽車行業(yè)快速發(fā)展.根據(jù)官方統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,到2022 年底我國汽車的保有量已達(dá)到3.19 億輛[6].與車輛活動密切相關(guān)的溫室氣體有CO2、CH4和N2O[7].全球交通運輸行業(yè)排放的CO2占所有能源相關(guān)CO2排放的23%[8].研究表明,機動車排放的N2O 僅占溫室氣體的1%～2%[14],N2O 可能來自NH3與NO 或NO2之間的反應(yīng)或是在催化器中生成的NH4NO3的分解[10-14].國六法規(guī)GB 18352.6-2016 中要求每臺車輛在常溫下的N2O 排放不得超過20mg/km[15].CH4可以通過汽油燃料的部分氧化形成[16],與CO2和N2O 相比,CH4在大氣中的停留時間較短,約8～9 年[17].

目前,國內(nèi)外對車輛溫室氣體排放的研究主要是采用臺架試驗,車載測試和模型估算3 種方法.近年來,大量學(xué)者針對車輛溫室氣體的排放特征進(jìn)行了研究:國內(nèi)何立強等[18],鐘瀚程等[19]對實車在不同工況下進(jìn)行測試,得到CH4和N2O 的排放因子;唐偉等[20],李光華等[21],Zeng 等[22]利用IVE, MOVES,Gompertz 等計算模型建立了不同基準(zhǔn)年的溫室氣體排放清單,Zeng 等[22]還對未來溫室氣體排放量進(jìn)行了預(yù)測;王亞超等[23]利用WLTC 循環(huán)測試了車輛在不同溫度點下的CO2排放特征.國外學(xué)者也開展了眾多研究:Clairotte 等[24]監(jiān)測到歐5b 至歐6d 的輕型車輛CH4和N2O 平均排放因子均為7mg/km;Sirithian 等[25]測量了泰國輕型車的CO2和CH4平均排放系數(shù)分別為 232.25g/km 和9.50mg/km; Selleri等[26]利用全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)工況(World Light Vehicle Test Cycle,WLTC)和實際行駛排放(Real Drive Emission,RDE)測試程序,對3 種插電式混合動力汽車進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)混合動力汽車的污染物和二氧化碳排放都明顯減少.國內(nèi)車輛目前在駕駛過程中的溫室氣體產(chǎn)生水平仍有待進(jìn)一步研究.

為了量化國六車輛溫室氣體排放情況,本文在試驗室工況下對車輛的溫室氣體排放進(jìn)行研究,選用WLTC 作為測試循環(huán),選用傳統(tǒng)燃油輕型車與混合動力輕型車,分析其溫室氣體排放特性,旨在為下階段制定溫室氣體有關(guān)的法規(guī)政策提供參考.

1 試驗設(shè)備與方法

1.1 試驗車輛

本文共選擇了33 輛1.5L 排量傳統(tǒng)燃油車(ICE)以及45 輛2.0L 排量的傳統(tǒng)燃油車,其中包括了不同技術(shù)路線的車輛,1.5L 排量車輛的整備質(zhì)量區(qū)間為1000～ 2000kg,2.0L 排量車輛的整備質(zhì)量區(qū)間為1500～ 2500kg,此外,還選取了6 輛不可插電式混合動力車輛(HEV)進(jìn)行對比.測試車輛涵蓋市售主流品牌,如表1 所示,為試驗車輛的具體參數(shù),所有車輛均滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn),各車的行駛里程均在2 萬km以內(nèi).

表1 試驗車輛參數(shù)Table 1 Parameters of the test vehicle

1.2 試驗設(shè)備

CH4分析儀為非甲烷截止器(NMC)+氫火焰離子化(FID)型,NMC 組件包含一個加熱的催化劑,可去除樣氣中除甲烷以外的所有碳?xì)浠衔?再用火焰離子化檢測器來測定甲烷的濃度.N2O 采用量子級聯(lián)激光N2O 分析儀(QCL).表2 中為本研究使用的主要測試設(shè)備,所有設(shè)備均符合國六標(biāo)準(zhǔn)的測試要求.需在底盤測功機上依照WLTC 曲線駕駛車輛,將車輛尾氣通入稀釋通道,通過排放分析系統(tǒng)測量稀釋后的氣體得到CO2、CH4、N2O 3 種氣體濃度,再根據(jù)排氣容積、污染物密度、測試循環(huán)的實際行駛距離等參數(shù)計算出各污染物的排放量(mg/km).

表2 試驗設(shè)備Table 2 Equipment

1.3 折算方法

每種溫室氣體都有其引起全球變暖的不同能力,為了更好地衡量各物質(zhì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)的指數(shù)大小,引入全球變暖潛能值(GWP).因CO2對全球變暖的影響最大,將CO2作為參照氣體,各種溫室氣體的溫室效應(yīng)對應(yīng)于相同效應(yīng)的CO2的質(zhì)量,全球變暖潛能值表示這些氣體在不同時間內(nèi)在大氣中保持綜合影響及其吸收外逸熱紅外輻射的相對作用,通常以20 年、100 年、500 年來衡量,如表3 所示.本研究中采用100 年的GWP 值,CH4的GWP 值為25,N2O 的GWP 值為296[27].

表3 全球變暖潛值(GWP)Table 3 Global warming potential (GWP)

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗車輛排放情況

2.1.1 A 組車輛 如圖1 所示,試驗車輛的CO2、CH4、N2O 3 種溫室氣體分布在1.4×105～1.5×105,2.0～3.0,0.5～1.0mg/km 區(qū)間的數(shù)量最多,分別占總數(shù)量的27.3%、48.5%、39.4%,可以看出,CH4、N2O 兩種氣體的排放值結(jié)果相對集中,而 CO2的排放值結(jié)果各車輛的差異性較大,因為不同車輛的CO2排放差異主要取決于燃料燃燒效率,而CH4和N2O 的生成受催化器的活性影響較大,本文選用的車輛均為低里程車輛,催化器能力較強,因此CH4和N2O 的差異不顯著.

圖1 A 組各區(qū)間車輛數(shù)量分布Fig.1 Distribution of vehicle quantity in each section of group A

其中CO2排放的最大值為204100.41mg/km,最小值為135911.68mg/km,平均159820.49mg/km;CH4排放的最大值為4.80mg/km,最小值為0.43mg/km,平均2.27mg/km;N2O 排放的最大值為4.18mg/km,最小值為0.37mg/km,平均1.09mg/km.車輛尾氣中的CO2排放仍是溫室氣體的主要來源,CH4和N2O的排放量級相對較小,但其對環(huán)境的影響還將進(jìn)一步考慮其全球變暖潛能值的影響.

1～27 號車輛均為渦輪增壓車輛,28～33 號車輛均為自然吸氣車輛,自然吸氣進(jìn)氣方式的車輛的CO2、CH4、N2O 3 種溫室氣體排放均保持在較低水平.

2.1.2 B 組車輛 如圖 2 所示,試驗車輛的CO2、CH4、N2O 3 種溫室氣體排放量分布在1.4×105～1.6×105、2.0～2.5、0.6～0.8mg/km 區(qū)間的數(shù)量最多,分別占總數(shù)量的37.8%、24.4%、24.4%.與圖1 相比,3 種溫室氣體高密度分布區(qū)間大致相同,CH4、N2O 兩種氣體的排放值結(jié)果較1.5L 排量車輛相對分散,因大排量車輛通常具有更復(fù)雜的發(fā)動機設(shè)計,增加了CH4和N2O 的排放不確定性.

圖2 B 組車輛溫室氣體排放分布Fig.2 Distribution of vehicle quantity in each section of group B

其中CO2排放的最大值為252852.89mg/km,最小值為124508.86mg/km,平均值為174674.32mg/km;CH4排放的最大值為5.60mg/km,最小值為0.85mg/km,平均2.14mg/km;N2O 排放的最大值為2.35mg/km,最小值為0.11mg/km,平均0.77mg/km.

與圖1 中1.5L 排量的車輛對比可知,CO2排放基本呈現(xiàn)隨排量增大而上升的趨勢,平均排放增加了9.3%,但CH4和N2O 的規(guī)律不明顯.此外,隨著排量增大,自然吸氣方式的車輛對溫室氣體的減排效果也削減,其中CO2和CH42 種進(jìn)氣方式差異不大,但自然吸氣車輛的N2O 甚至高于渦輪增壓車輛.

目前國六排放標(biāo)準(zhǔn)中只針對N2O 設(shè)置了限值,國六的N2O 排放限值為20mg/km,可以看出本研究所有車輛的N2O 排放遠(yuǎn)小于限值,最高的排放值也僅為限值的20.9%,裕度較大.現(xiàn)階段針對溫室氣體并未形成嚴(yán)格的法規(guī),為緩解全球變暖的趨勢,后續(xù)有進(jìn)一步完善和加嚴(yán)的必要.

與何立強等[16]的研究結(jié)果相比,可以發(fā)現(xiàn)國六車輛的CH4和N2O 排放水平較國四及國四以前車輛下減小了10 倍左右,CO2平均的排放因子也降低約20%.國六標(biāo)準(zhǔn)要求車輛采用更高效的燃燒技術(shù),通過改進(jìn)尾氣處理系統(tǒng),有效降低了溫室氣體的排放量,但后續(xù)仍要持續(xù)進(jìn)行監(jiān)管.

2.2 全球變暖潛值折算量

利用全球變暖潛值將CH4、N2O 折算為CO2當(dāng)量,得到了折算后各試驗車輛的CO2相對增長率,增長率按照式(1)進(jìn)行計算:

式中:RCO2為相對增長率,Mi為各車CH4或N2O 的排放,MCO2為各車CO2的排放.

從圖3 中可以看出,雖然各車CH4、N2O 兩者的排放相當(dāng),但由于N2O 的GWP 值較大,N2O 引起的CO2增長明顯高于CH4,CH4引起的CO2增長率為0.01%～0.06%,N2O 引起的CO2增長率為0.07%～0.64%,總的CO2增長率為0.10%～0.68%.因車輛CO2排放的基數(shù)較大,CH4、N2O 兩者折算后的CO2相對增長率數(shù)值均小于1%,但根據(jù)折算值看,N2O 排放最高的18 號車輛CO2折算值也達(dá)到了1245.6mg/km,其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)影響也不容小覷.折算后A 組車輛總的CO2排放范圍為136178.7～204770.1mg/km.

圖3 A 組車輛折算后CO2 增長率Fig.3 CO2 growth rate after conversion of group A vehicles

如圖4 所示,CH4引起的CO2增長率為0.01%～0.08%,N2O 引起的CO2增長率為0.02%～0.31%,總的CO2增長率為0.04%～0.34%.整體上看,2.0L 排量車輛的CH4、N2O 折算成后的增長率較1.5L 排量的車輛有所下降.折算后B 組車輛總的CO2排放范圍為124696.9～252957.6mg/km.

圖4 B 組車輛折算后CO2 增長率Fig.4 CO2 growth rate after conversion of groupB vehicles

2.3 溫室氣體排放影響因素分析

2.3.1 單位質(zhì)量的CO2排放 從車輛的排放數(shù)據(jù)來看,隨著整備質(zhì)量的增大,車輛產(chǎn)生高溫室氣體排放的概率也隨之增大.因為較大的車重導(dǎo)致更大的阻力和能量損失,從而增加了溫室氣體的產(chǎn)生.為研究在單位車重下的溫室氣體排放情況,將CH4和N2O 利用全球變暖潛值折算后的CO2排放總量(g)除以車輛的整備質(zhì)量(kg),得到了單位質(zhì)量下的CO2排放系數(shù),如圖5 所示,2 種類型車輛單位質(zhì)量下的CO2排放的最大值相近,但1.5L 排量車輛的最小值高于2.0L 排量車輛,此外,1.5L 車輛單位質(zhì)量CO2排放系數(shù)的均值和中位數(shù)也高于2.0L 排量車輛.一般來說,排量越大,發(fā)動機的功率和扭矩也會相應(yīng)增加,較大的排量車輛發(fā)動機的輸出能力更強,排量較大的車輛往往具有更高的動力性能,因此2.0L 排量車輛單位質(zhì)量CO2排放系數(shù)略小.

圖5 單位質(zhì)量的CO2 排放系數(shù)Fig.5 CO2 emission coefficient per unit mass

2.3.2 進(jìn)氣方式 如圖6 所示,車輛的噴油方式均為缸內(nèi)直噴,其中21 號和34 號車輛為同一品牌,14號和33 號車輛為同一品牌.可以發(fā)現(xiàn),自然吸氣車輛的溫室氣體排放量較渦輪增壓車輛有明顯的降低,其中第一組車輛降低了39.9%,第二組車輛降低了28.9%.自然吸氣技術(shù)是利用大氣壓將空氣壓入燃燒室,而增壓技術(shù)是利用廢氣能量驅(qū)動渦輪帶動壓氣機工作,提升進(jìn)氣壓力和充氣量,大幅提升汽油機的動力性[28].渦輪增壓發(fā)動機消耗了更多的燃料,也導(dǎo)致缸內(nèi)溫度較高,為溫室氣體的生成創(chuàng)造了有利條件.

圖6 不同進(jìn)氣方式車輛的溫室氣體排放對比Fig.6 Comparison of greenhouse gas emissions with different intake methods

2.3.2 噴油方式 如圖7 所示,車輛的進(jìn)氣方式均為渦輪增壓,其中22 號和29 號車輛為同一品牌,27號和28 號車輛為同一品牌.GDI 為直接將燃油噴到燃燒缸內(nèi),噴油和油氣混合都在缸內(nèi)進(jìn)行,使得噴油時間和油量以及油氣混合的控制更加精準(zhǔn),GDI 可以提高發(fā)動機效率并減少燃料消耗,從而減少CO2的排放,因此,GDI 發(fā)動機原則上較PFI 發(fā)動機排放更少的CO2.但從圖7可以看出,兩組車輛的PFI發(fā)動機都比GDI 發(fā)動機產(chǎn)生更少的溫室氣體,其中第一組車輛降低了25.0%,第二組車輛降低了41.4%.雖然同組車輛為相同品牌,但車輛的各項配置差異較大,GDI 的發(fā)動機的優(yōu)勢并不能抵消溫室氣體的增加量,出現(xiàn)了搭載GDI 發(fā)動機的車輛CO2總量更高的現(xiàn)象.未來對溫室氣體的監(jiān)管中,還應(yīng)多考慮不同車輛技術(shù)路線的差異,繼續(xù)深入研究影響溫室氣體的各項因素.

圖7 不同噴油方式車輛的溫室氣體排放對比Fig.7 Comparison of greenhouse gas emissions with different fuel injection methods

2.4 混合動力車輛的減碳效益

混合動力車輛有電量平衡(CS)、電量消耗(CD)、電量增加(CI)3 種模式,CS 模式下的電池電量在某個SOC 平衡點附近波動,從整個測試循環(huán)看,電池的能量基本不參與驅(qū)動,因此本研究的混動車輛均在CS 模式下進(jìn)行測試.選擇與混合動力車輛的各項參數(shù)盡量接近的傳統(tǒng)燃油車進(jìn)行對比,選擇A 組中的16 號、20 號、23 號車輛與C 組中的1～3 號渦輪增壓直噴車輛對比,選擇A 組中的31 號、32 號、33 號車輛與C 組中的4～6 號自然吸氣進(jìn)氣道噴射車輛對比,如圖8 所示.

圖8 混動車輛與燃油車溫室氣體排放對比Fig.8 Comparison of greenhouse gas emissions between hybrid vehicles and fuel vehicles

對于相同發(fā)動機排量的車輛,混合動力車輛的整備質(zhì)量平均重約20%,而溫室氣體排放量則降低約23.4%～27.9%,其中渦輪增壓直噴車輛的CO2降低38.8%,CH4降低107.6%,N2O 降低12.6%,自然吸氣進(jìn)氣道噴射車輛的CO2降低23.4%,CH4降低37.8%,N2O 降低53.4%.無論何種進(jìn)氣方式或噴油方式,混合動力車輛的溫室氣體排放均有較大幅度的降低,未來大力發(fā)展新能源汽車有助于實現(xiàn)減碳目標(biāo).

3 結(jié)論

3.1 CO2排放隨著排量增大而上升,2.0L 排量的平均排放量比1.5L 排量車輛增加了9.3%;但CH4和N2O 的規(guī)律不明顯,因大排量車輛有更復(fù)雜的發(fā)動機設(shè)計增加了CH4和N2O 的排放不確定性.

3.2 1.5L 排量和2.0L 排量車輛的CH4和N2O 經(jīng)溫室氣體變暖潛值轉(zhuǎn)換后引起的CO2增長率都小于1%,CO2排放仍是輕型車溫室氣體的主要來源,CH4和N2O 的占比較小.

3.3 相同發(fā)動機排量的車輛,混合動力車輛的整備質(zhì)量重約20%,而溫室氣體排放量則降低23.4%～27.9%.

3.4 隨著整備質(zhì)量的增大,車輛產(chǎn)生高溫室氣體排放的概率也隨之增大.但2.0L 排量車輛單位質(zhì)量CO2排放系數(shù)略小.

3.5 自然吸氣車輛的溫室氣體排放量較渦輪增壓車輛降低,PFI發(fā)動機與GDI發(fā)動機的減碳效應(yīng)還應(yīng)繼續(xù)研究.