张 凡 李兰云 田冬莲

（中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300162）

引言

随着法规限制的常规污染物排放日益降低，汽车尾气中的非常规污染物排放日益受到人们的重视。美国在1990年开始实施的《洁净空气修正案》规定了更严格的机动车尾气排放标准，其中9种醛酮（包括甲醛、乙醛、丙醛、丙烯醛等）、19种单环及多环芳香烃（包括苯、甲苯、乙苯等）被列为有害空气污染[1]。日本在2000年4月29日颁布的《大气污染防治法》以法律的形式将234种物质列为有害大气污染物，其中优先污染物22种，包括苯、甲苯、1，3-丁二烯、乙醛等物质[2]。欧洲的英国、法国、德国等多个国家通过发布和执行《欧洲空气质量准则》、《关于欧洲空气质量及更加清洁的空气指令》等一系列的法规标准对SO2、苯、多环芳香烃、1，3-丁二烯等非常规污染物进行了限制[3]。中国的环境质量标准及排放标准中也包括了对甲醛、苯、总挥发性有机物等物质的规定[4]。这些多环芳烃、醛酮等非常规污染物对环境及人类健康的危害是不容忽视的。

文献研究表明，针对纯汽油燃料发动机和汽车非常规污染物排放的研究较少，北京理工大学[5]、宁波市环境监测中心[6]、天津大学[7-8]、南开大学[9]、北京大学[10]和暨南大学[11]主要通过发动机台架试验、整车转鼓试验和实际道路测试等手段展开。主要的测试方法包括高效液相色谱仪、气相色谱仪-氢火焰离子化检测器、气相色谱-质谱联用仪。主要测量的污染物种类包括甲醛、乙醛、丙酮等醛酮类化合物和苯、甲苯、二甲苯等芳香烃类挥发性有机物。总的来说，汽油燃料非常规污染物排放的研究主要集中在苯系化合物的实际道路测试，醛酮类、烯烃类污染物的发动机台架和整车转鼓试验工作还需要进一步加强。

本文在底盘测功机上进行了新欧洲行驶循环（NEDC）工况的排放测试，使用傅里叶变换红外光谱方法（FTIR）测量了不同轻型汽车在燃用不同油品的纯汽油燃料时的非常规污染物排放。本文重点分析了试验车辆和汽油品质对汽车尾气中甲醇、甲醛、乙醛、苯、甲苯、二甲苯、乙烯、丙烯、1，3-丁二烯和异丁烯排放的影响。

1 试验装置及仪器

本研究进行的试验为GB 18352.5—2013规定的Ⅰ型排放试验，循环曲线如图1所示。

图1 Ⅰ型排放试验循环曲线

试验测试系统主要包括德国MAHA公司的ECDM-48L-4WD型四驱底盘测功机、德国IMTECH公司的排放环境试验仓、日本HORIBA公司的CVS-7400定容稀释系统、MEXA-7400LE排放分析仪、MEXA-6000FT多组分排放分析仪。

试验中使用MEXA-6000FT连续测量了稀释前排气中的甲醇、甲醛、苯、甲苯、丙烯、1，3-丁二烯等非常规污染物的瞬时排放值，根据稀释系数将直排浓度转换为稀释排气的浓度，然后与稀释排气的瞬时流量进行积分计算，得出在整个NEDC工况下的平均排放水平。该分析仪采用的是傅立叶变换红外光谱技术，在出厂前使用各种不同浓度的样气分别对测量组分进行了标定，相对误差不超过2%。

2 试验车辆和汽油品质参数

2.1 试验车辆参数

本试验选取了8辆典型的汽油车，统一使用同一种汽油，在转鼓试验台上进行了Ⅰ型排放试验，对比分析了不同试验车辆的非常规污染物排放水平。

试验车辆包括德系车2辆（A#、B#）、国产车1辆（C#）、美系车 2辆（D#、E#）、日系车 3辆（F#、G#、H#），里程数均不超过5×104km，排放水平能达到国Ⅴ标准，具体参数示于表1。

表1 试验车辆相关参数

2.2 汽油品质参数

本试验在同一辆轻型车上分别使用0#基准油和8种市售汽油进行了I型排放试验，对比分析了不同汽油的油品参数对汽车非常规污染物排放的影响，9种汽油的油品参数如表2所示。

3 试验结果及分析

3.1 不同试验车辆的排放结果分析

图2、表3分别给出了上述8辆汽油车在NEDC工况的非常规和常规污染物平均排放水平。

从图2中可以看出，8辆汽油车的非常规污染物平均排放水平都在同一数量级，数值差别不超过10倍。其中，甲醇排放变化区间为2.80～5.55 mg/km，甲醛排放为1.06～2.08 mg/km，乙醛排放为0.10～1.06 mg/km，苯排放为1.45～3.65 mg/km，甲苯排放为3.27～8.40 mg/km，乙烯排放为 1.70～7.14 mg/km，丙烯排放为 0.88～3.40 mg/km，1，3-丁二烯排放为 2.50～5.69 mg/km，异丁烯排放为10.47～18.07 mg/km。

表2 试验用汽油品质参数

图2 不同试验车辆的非常规污染物排放水平

表3 不同试验车辆的常规污染物排放水平g/km

综合来说，G#车和C#的非常规污染物排放水平最低，而D#和B#的常规污染物排放水平最高，这与表3所示的不同试验车辆的常规污染物排放规律基本相同。结果说明，试验车辆的常规污染物和非常规污染物排放水平具有较好的一致性。

3.2 不同汽油品质的排放结果分析

9种不同汽油的试验结果显示，甲醇排放变化区间为 3.65～5.22 mg/km，甲醛排放为 0.75～1.10 mg/km，乙醛排放为0.06～0.38 mg/km，苯排放为1.19～3.64 mg/km，甲苯排放为1.59～5.17 mg/km，乙烯排放为2.61～5.83 mg/km，丙烯排放为 1.17～3.16 mg/km，1，3-丁二烯排放为0.09～0.49 mg/km，异丁烯排放为7.23～20.56 mg/km，甲烷排放为 3.06～11.24 mg/km，乙烷排放为0.11～1.63 mg/km，二氧化硫排放为0.22～0.51 mg/km。

以0#油样的非常规污染物排放水平为基准，分别计算了1#～8#市售汽油的甲醇、甲醛、乙醛、苯、乙烯、丙烯、1，3-丁二烯、二氧化硫排放相对于0#基准油的变化，如图3～图10所示。

从图3中可以看出，7种汽油的甲醇排放水平增加，最大的为7#油样，约增加25%，只有3#油样的甲醇排放降低了10%左右。一般来说，市售汽油中都会添加MTBE来提高辛烷值，使得油样的氧含量增加。试验结果说明在燃烧过程中MTBE产生分解反应，使得尾气的甲醇排放增加。

图3 市售汽油的甲醇排放相对于0#基准油的变化

图4 显示5种市售汽油的甲醛排放水平降低，变化幅度最大的为3#油样，约为25%。图5显示6种市售汽油的乙醛排放水平降低，变化幅度最大的为1#油样，约为60%。试验结果表明，市售汽油的高氧含量有助于醛类物质的完全氧化，使得尾气中的甲醛和乙醛排放有降低的趋势。

图4 市售汽油的甲醛排放相对于0#基准油的变化

图5 市售汽油的乙醛排放相对于0#基准油的变化

从图6中可以看出，8种市售汽油的苯排放水平增加，最大的为1#油样，约为200%。

图7和图8显示，除了1#油样的乙烯和丙烯排放水平有明显增加（变化量约为120%）之外，其它7种市售汽油的乙烯和丙烯排放变化量都在±20%范围之内。结果说明，相对于0#基准油，市售汽油的乙烯和丙烯排放水平没有显著变化。

图6 市售汽油的苯排放相对于0#基准油的变化

图7 市售汽油的乙烯排放相对于0#基准油的变化

图8 市售汽油的丙烯排放相对于0#基准油的变化

从图9中可以看出，除了1#油样的1，3-丁二烯排放水平略有增加（变化量约为20%）之外，其它7种市售汽油的排放水平都有降低的趋势，变化量最大的为3#油样，约为80%。试验结果表明，市售汽油的高氧含量有助于1，3-丁二烯的完全氧化，使得尾气中的丁二烯排放有降低的趋势。

图9 市售汽油的丁二烯排放相对于0#基准油的变化

从图10中可以看出，1#、6#、7#油样的SO2排放均高于0#基准油，而其它5种油样的SO2排放却有降低的趋势。试验结果说明，由于1#、6#、7#油样的硫含量明显高于0#基准油，使得尾气的SO2排放也有增加的趋势。

图10 市售汽油的SO2排放相对于0#基准油的变化

从上述各图中可以看出，随着汽油品质的变化，试验车辆的非常规污染物平均排放水平也会随着改变，但是变化幅度都不大。其中，甲醇排放的最大变化量为1.4倍，甲醛排放的最大变化量为1.5倍，乙醛排放的最大变化量为5.9倍，苯排放的最大变化量为3.1倍，乙烯排放的最大变化量为2.2倍，丙烯排放的最大排放量为2.7倍，1，3-丁二烯的最大变化量为5.4倍，二氧化硫的最大变化量为2.3倍。

表4给出了不同汽油油样的常规污染物排放水平。根据表4可以计算出针对同一辆汽车，CO排放的最大变化量为1.6倍，HC排放的最大变化量为2.7倍，NOx排放的最大变化量为3.3倍，CH4排放的最大变化量为3.7倍。

表4 不同汽油油样的常规污染物排放水平g/km

试验结果说明，不同汽油品质对非常规污染物排放与常规污染物排放的影响程度基本一致，其中乙醛、1，3-丁二烯、CH4排放随油样参数改变的幅度较大。

4 结论

1）各辆汽油车的非常规污染物平均排放水平都在同一数量级。各辆试验车辆的常规污染物和非常规污染物排放水平具有较好的一致性。

2）随着汽油品质的变化，试验车辆的非常规污染物平均排放水平也会随着改变，但是变化幅度都不大。不同汽油品质对非常规污染物与常规污染物排放的影响程度基本一致，其中乙醛、1，3-丁二烯、CH4排放随油样参数改变的幅度较大。

3）当市售汽油的硫含量明显高于基准值时，尾气中甲醇、苯、烯烃、二氧化硫等非常规污染物的排放水平显著增加。

4）相对于0#基准油，市售汽油（正常硫含量）的甲醇、苯排放略有增加，甲醛、乙醛、1，3-丁二烯排放略有降低，乙烯和丙烯排放没有显著变化。