基于整车台架试验的柴油车尾气排放研究

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柴油车尾气是氮氧化物、颗粒物、羰基化合物等大气污染物的重要来源,这些污染物在大气中形成一次和二次污染,严重威胁空气质量。目前我国柴油车尾气的排放因子、排放组成和排放清单存在较大不确定性,羰基化合物与颗粒物的研究不足。  本研究借鉴和采用了国外标准化的重型整车台架测试方法,依托柴油客车工况VECC-Bus、柴油货车工况VECC-Truck以及重型油耗工况C-WTVC等,对15辆在用柴油车进行排放测试,并对尾气中的一氧化碳(CO)、碳氢(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM),以及细分组分的非甲烷碳氢化合物(NMHCs)和羰基化合物(OVOCs)等挥发性有机物(VOCs)进行采样分析。识别出柴油车尾气排放的主要特征和影响因素,更新和验证我国柴油车尾气排放因子、源成分谱与排放清单,并提出柴油车尾气控制建议。  本研究测试得到的CO、HC、NOx、PM排放因子受到各种因素的影响,其结果是:不同车辆类型下,大(重)型柴油车的各污染物排放因子平均是中型柴油车的1.4~2.2倍;不同工况下,平均速度由15~24km/h提高至41km/h,各污染物排放因子降低13%~65%,其中HC下降幅度平均达到53%;不同负载下,客车排放因子基本不受影响,但对于货车,满载相比半载NOx、PM排放上升12%~15%;不同排放标准下,国三车辆的PM、HC、CO排放因子平均降低至国二车辆的43%~49%,但NOx仍然保持约为国二排放因子83%的高排放。因此,本文认为影响柴油车排放因子的主要因素是车型、行驶速度、排放标准。在此基础上,综合得到我国中型、重型柴油车尾气HC、NOx、PM、CO平均排放因子分别为0.66±0.48g/km、9.91±6.30g/km、0.40±0.25g/km、2.93±1.91g/km。  由于OVOCs、NMHCs等挥发性有机物在大气化学中的重要作用,本研究在获得HC排放因子的同时,测定得到各VOCs细分组分的排放因子。柴油尾气中检出实际排放的NMHCs54种,VECC工况与C-WTVC工况下的总排放因子分别为114.0±75.2、45.5±31.0mg/km,乙烯、丙烯、乙炔排放因子最高。柴油尾气中检出实际排放的OVOCs23种,VECC工况与C-WTVC工况下的总排放因子分别为109.1、66.0mg/km。甲醛、乙醛、丙酮、丙醛等排放因子最高,低分子量的醛酮约占排放总量的40%。本研究定量的VOCs排放因子呈现出与HC相似的影响因素。  根据排放因子获得的柴油车尾气VOCs源成分谱显示,NMHCs与OVOCs分别约占所测VOCs组分的50%,贡献最高的物种分别为乙烯8.8%、甲醛7.6%、丙烯6.1%、辛醛5.O%、乙醛4.6%、正十一烷4.5%,呈现出低碳烯烃、高碳烷烃、醛酮化合物三大组成特征。影响排放组成的主要因素是行驶工况与排放标准,提高排放标准(国二至国三)或提高车速(20km/h至40km/h),可降低烯烃、炔烃的排放组成,但会增加羰基化合物组成比例,而负载与车重等对排放组成没有明显影响。与已有研究相比,本研究所得的乙烯、乙炔源谱比例显著高于以往源谱,但芳香烃含量显著减少。另外,柴油车尾气表现出部分特征物种比值,如甲苯/苯0.18、苯/乙炔0.20,间对二甲苯/邻二甲苯1.82,均明显低于汽油车尾气。  基于所测排放因子和行驶里程数据,获得了2011年我国柴油车尾气污染物排放清单。低速下(平均行驶速度约20km/h),我国柴油车尾气排放量为PM186±98Gg、HC298±171Gg、NOx4793±2109Gg、 CO1671±895Gg,估算误差约为60%。除NOx以外,排放清单总体上小于以往清单结果。由低速工况提高至平均行驶速度40km/h的高速工况,HC、CO排放量可以分别削减约40%、30%,PM、NOx减少10%~15%。本文还比较了基于里程与基于油耗的排放清单计算,基于油耗的柴油车排放清单约为基于里程的75%,高速下基于油耗的排放清单误差小于基于里程的排放清单,即车速较高时基于油耗计算清单对清单不确定性有所改善。另外,考虑排放清单的车型分担率,重型货车的分担率对于所有污染物均为最高,分别分担了CO、NOx、PM、HC排放量的43%、60%、45%、30%,是柴油车污染控制的关键,中型车和大型客车的HC排放水平也需要重点控制。  基于所测VOCs与所测HC的比值,结合源成分谱,本研究还获得了2011年我国柴油车尾气VOCs细分组分清单。低速工况下(平均行驶速度约20km/h),我国柴油车尾气VOCs排放量为80.9±89.6Gg,排放量最大的物种是乙烯9.4±8.1Gg、甲醛6.2±6.2Gg、丙烯5.0±4.2Gg。其中,羰基化合物总排放量达到了43.6±52.8Gg,约占总VOCs排放量的54%。
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