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【汽车与环境】北京理工大学葛蕴珊:轻型车非常规污染物排放研究动态

盖世直播 2019-09-21 17:23:42
核心提示:2019(第七届)汽车与环境创新论坛现场嘉宾演讲实录,敬请关注!

9月20-21日,由中国人才研究会汽车人才专业委员会指导,国家特聘专家汽车组及盖世汽车主办的"2019(第七届)汽车与环境创新论坛"隆重举办,论坛以一个主论坛加四个平行论坛的形式,携百名行业权威嘉宾,共同探讨中国汽车产业在转型升级的新形势和新常态下,整车厂与零部件企业协同创新、升级做强、共同应对严峻市场和产业变革挑战之发展路径。以下为北京理工大学教授葛蕴珊演讲内容实录:

汽车与环境,机动车排放法规

北京理工大学教授葛蕴珊

很高兴有机会参加今年的汽车环境论坛,这次给大家分享的是汽车非常规污染物,或者非法规污染物的研究进展,这是我的研究团队最近关注的研究内容之一。

今天所说的非常规污染物,主要指与汽车排放相关的,包括气体污染物和颗粒物排放,气体污染物之一是氨排放,大家之前关注是柴油车SCR系统的氨逃逸,但是研究发现汽油车也会排放比较多的氨,第二类气体污染物是甲醛和甲醇排放,主要和甲醇车有关。

关于颗粒物排放,无论是汽油车,还是柴油车标准,现在法规测量的都是23nm以上的固态颗粒物,测量系统会把23nm以下的颗粒物取出,当前国际上,主要是欧盟PMP计划 重点关注小于23nm颗粒物的测量方法,研究小于23nm的颗粒物测量技术,重点是10nm以上的颗粒物的测量技术。另外,我们之前关心是内燃机燃烧排放的颗粒物,但除了内燃机燃烧产生的颗粒物,汽车刹车时,以及行驶过程中,轮胎与路面磨损时也产生颗粒物。上述有关颗粒物的内容, 我们主要还是关注欧盟PMP项目的研究进展,分享给各位嘉宾。

我们课题组对非常规污染物已经进行了多年的研究,问题研究的起源同我们制定的车内空气质量标准有关,为了制定车内空气质量标准,需要测量车内材料释放出来的甲醛、乙醛等挥发性污染物,在标准的制定过程中,我们不断开发新的污染物测试方法。后来发现相关的测量方法可以用来进一步分析排气污染物的成分,就这样慢慢发展成为在排气当中进行甲醛、乙醛、苯、甲苯、二甲苯和甲醇等物质的测量方法。这张片子右下角是测甲醇和甲醛的测量分析系统,因为上述污染物排放量非常小,虽然可以用FTIR定性测量,但是现在FTIR没有办法进行标定。所以实际上精确定量分析都是先用采样管进行采样,然后用高效液相进行分析,这种方法,能够定量测量到多种醛类物质,取决于所用的标样成分。

片子左下角表示的是氨排放测量系统,实际上测量排气中的氨非常困难,因为氨可以任何比例溶于水,所以如果测试过程当中如果排气中出现冷凝水,氨就溶解到水中测不到了,我们经过不同的努力,最后确定采用氨分析仪,直接从排气管进行采样。甲醛、甲醇都可以在CVS之后采到气袋里的的气体,进行采样测试。但是这样测量不到氨,我们采用的方法是在排气管中直接采样的方法,并且需要把采样管加到130度以上,以防止产生冷凝。

为什么关注氨?我国大城市,特别是京津冀PM2.5是主要大气污染物,大气化学的研究成果认为胺是大气当中阳离子的主要成分,我们在高中学习的化学知识就可以知道,氨可以和硝酸根、硫酸根进一步进行反应,形成硝酸盐和硫酸盐,这是PM2.5的重要要成分。特别北方冬季的时候烧煤产生硫酸盐比较多,机动车燃烧的时候产生的氮氧化物,这个是硫酸根和硝酸根的主要来源,但是没有阳离子,这些PM2.5难以形成,所以氨是重要的PM2.5的前提无之一。

2015年1、4、7和10月份细颗粒物月均浓度研究发现,氨的贡献量达到了20、12、13、14µg/m3,这个贡献是非常大的,大气化学研究发现,在2017-2018年采暖期间京津冀周边的空气污染传输通道,空气传输到北京对北京污染铵盐占细颗粒物浓度的11%,铵盐是大气分析的重点,但他们分析的重点是农业源,之前对交通源关注不够。

这个是我们做的实验的结果,左边的图是用的NEDC循环,实际上在启动的、或者是加速的时候,最后120公里加速的时候都产生比较高的氨的浓度的排放,那三条桔红色、蓝色、黄色是氨的浓度比例。有催化剂的汽油车排放的氨浓度可能更高一点。这边是WLTC循环,比NEDC循环排放的氨更高,右下角的图是NEDC和WLTC的实际车辆结果的比较,这是同一辆车,走不通的循环的试验结果,可以看到WLTC循环更高一点,还有对同一辆车烧乙醇汽油的对比,1、2、3、4、5车表示试验车的代号,烧汽油的时候排放的氨比烧乙醇汽油车的时排放要多的氨。

氨排放还与汽车公司的标定有关系,因为排放法规,以前规定进行实验验证的温度都是25度+-5度。结果导致有的是在高温和低温的时候标定比较粗糙,这是在23度、14度的时候,同一辆车氨的排放基本相当,但是-7度氨的排放量分别为常温23度氨的20倍和5倍,这不见得是和汽车燃烧有关的,但是和肯定和标定有关,因为氨的产生和空燃比的控制有很大的关系。

这片子分析了WLTC循环的低、中、高、超高速段,可以看到加速度比较大的时候产生了更多的,或者是更高的氨浓度,这里桔红色的或者是橘黄色的是氨的浓度曲线,在加速过程当中,混合气偏浓的时候产生更多的氨,我们同样看到WLTC循环产生的氨会更多。

实验发现同一辆车无论是NEDC和WLTC循环,很多的氨都是在催化剂后产生的,前面的低,后面的很高。我们分析了一些原因,找了很多的资料,发现氨主要是氮氧化物和氢发生了化学反应生成,但是氢主要是一氧化碳跟水发生反应生成的,因此浓混合器当中生成氨比较多。

我们和催化剂的公司合作进行了催化剂小样实验,发现催化剂的配方甚至括催化剂的覆涂覆工艺对氨的形成都有很大的关系,改变催化剂的工艺和配方都可以有效地降低氨排放。

我们进行了100多辆车的氨排放的实验,根据汽车的保有量和活动水平估算了中国机动车氨排放总量,横坐标是不同的研究者算出来的中国机动车的氨排放总量,因为我国家之前没有人测机动车的氨排放,他们引用的都是国外发表的机动车氨排放因子。

这里红色表示的是我们根据国3、国4、国5车的实验结果计算出来的氨排放总量,按照我们的计算,中国机动车氨排放量每年在4万吨左右,右边上边的图是表示的3.8万吨是轻型汽油车和CNG车排放的氨,国五重型柴油车也有氨的泄露,轻型汽油车产生的氨占86%左右。下面的图引用的是美国的研究结果,他们也认为道路机动车是排放氨的源头,90%也是轻型汽油车产生的,移动源产生的氨在10万吨左右。我们计算中国机动车的氨排放是4万吨左右,这个数据误差肯eng比较大,因为不同车实际使用情况相差比较大。

其他的研究发现,中国每年的氨排放总量大概是千万吨左右,机动车在4万吨左右,占比不到1%,比例还是很少的。

这里表示的是甲醇车排放的甲醛和甲醇,左边的图是同一辆车的实验结果,因为既能烧汽油也能烧甲醇,烧甲醇时排放的一氧化碳和碳氢,相对比汽油稍稍低点,氮氧化物根据车的标定情况,甲醇和汽油相比,有的稍微高有的稍微低,一般认为就是烧甲醇和烧汽油时氮氧化物的排放基本相当。烧甲醇的时候会产生甲醛排放, 烧汽油的时候也会有,甲醇车的甲醛排放稍微高一点,实验结果的数量级都是毫克级的,因为数非常小,所以实验中的偏差需要考虑,我们的实验方法可以分析出来有8种污染物质,具体跟我们用的标样有关系,如果用更多的标样可以分析出来更多的污染物质。

我们发现对催化剂进行16万公里老化之后,烧甲醇的车仍然能够满足排放限值,图中右边的是表示标准的限值,老化之后离限值还是比较远,老化之后甲醛排放会有所增加,比例可能有一倍,但是实际上绝对值增加了不到1毫克,因此增加的数实际上是非常非常的小。中间的图表示的是未燃甲醇, 八部委发的文件规定轻型车甲醇排放是2.5毫克每公里。经过半年多的时间,到上周为止,我们基本上把实验方法给搞好了,相关的汽车公司也把车的排放控制技术进一步提高了,中间的这个图是前几年的试验结果,我们看前几年催化剂老化前后甲醇排放的未燃甲醇是2点几到5点几之间,跟现在的相比还是高很多,有了八部委文件后,整车厂重视了对巍然甲醇的控制,甲醇能控制到原来甲醇排放的十分之一左右,最新的测试的结果是0点几毫克每公里,完全支持八部委的文件要求。

我们看,右边的图比较有意思,同一辆车烧汽油和烧甲醇的时候颗粒物排放,甲醇车纯滤纸收集的颗粒物相比汽油车相比还是明显的降低。

刚刚说的是气体污染物。我们关心的另外一类是颗粒物,现在无论是法规重型和轻型车测量的都是23nm以上的颗粒物,主要是跟当时测试的技术有关,当时的技术没有办法测量到,或者是无法准确测量到23纳米以下的颗粒物的数量,但是数量测量起来偏差比较大, PMP的项目经过多年的努力,现在认为测量小于23纳米颗粒物的数量的技术基本成熟,现在可以测到10纳米,所以未来非常有可能把10纳米到23纳米的颗粒物纳入到欧7的法规当中去。

不同的车辆产生的颗粒物不一样的,总的来讲,如果我们测10纳米以上的颗粒物,同时也测23纳米以上的, 10纳米以上的颗粒物的数量至少是23纳米颗粒物数量的2倍以上,个别能达到10倍以上。欧7项目组正在考虑,从欧6到欧7,维持颗粒物的数量限值不变,但是测量颗粒物的粒径从23降到10,目前欧盟PMP正在进行比对实验,10-11月会在中国进行比对实验。研究证实在10-23纳米之间还是有大量的固体颗粒物, GDI和CNG汽车可能排放更多的小颗粒物,需要用专门的设备。

除了排气排放颗粒物以外还有非排气产生的颗粒物,主要来源是刹车制动和轮胎磨损,刹车制动主要是涉及到车的摩擦片,但轮胎磨损与轮胎和路面的相互作用有很大的关系,欧盟相关机构做了些基础的实验,但每年的发表文献不很多,有研究表明在城市道路上非排气产生的颗粒物能达到汽车产生总颗粒物的50%以上,已经达到了很高的比例。机动车的颗粒物法规要求越来越严格,总体下降速度很快,特别是我国主要城市的PM2.5主要来源都跟汽车有关,因此控制刹车和轮胎磨损产生的颗粒物非常重要。

因为轮胎的磨损颗粒相对更加复杂,刹车制动的的测量相对比较简单, PMP项目当中对刹车制动产生的颗粒物研究比较多,可以在专门刹车的试验台上进行实验,不是在整车进行实验,因为整车实验,有4个轮胎,相对比较难收集到刹车产生的所有颗粒物,很多的实验装置是专门的刹车实验台,还有专门的研究机构提出了专门的适合制动的实验台,开发专门的测试循环是研究的第一部分,第二部分研究包括通过大量的流行病调查,研究刹车和轮胎磨损的颗粒物对人类健康的影响。欧盟在研究确定摩擦片,主要是摩擦片和轮胎当中禁用物质,现在明确的是限制PAHs的使用。

这个是国外研究的刹车制动产生颗粒物的特征,质量上大颗粒为主,因为大颗粒一个颗粒顶很多个小颗粒,粒径是在4-6um,但是在数量分布上, 80纳米以下的颗粒物是数量分布的主体,在300-500nm之间还有一个峰值。相关文献报道,刹车产生的PM10的排放因子一般的是1-8毫克每公里,现在法规限制颗粒物的是3毫克每公里,所以刹车产生的颗粒物占的比例还是相当大的。刹车制动当中产生的细颗粒物主要是跟刹车片的成分有关系。

轮胎磨损颗粒是另外一种重要的颗粒物,占尾气排放PM10的10-20%,与路面的特征、车辆的特征都有关系,除了轮胎自身的磨损也会把路面磨损一部分的细颗粒物搅到大气当中去,小的颗粒物会排到大气当中去。

国外的研究结果看到,大颗粒物对颗粒物质量贡献作用比较大,小颗粒物30-60纳米为主,对颗粒物数量影响比较大,轮胎产生的颗粒物当中有轮胎的成分有贵金属的成分,轮胎磨损的颗粒物轻型车是4-13毫克每公里,重型车会更大一点,和路面的关系比较密切,这个图表示的是在乡村道路上进行的实验,可以使用专门的轮胎的实验台,模拟不同路面。

最后总结一下,除了CO、THC、NOx之外的非常规气体污染物,现在大家比较关注的是氨,除了柴油车由于氨逃逸会产生氨排放以外,还有汽油车的和天然气车的也会产生氨。对甲醇车,八部委的文件里面明确提出了甲醇和甲醛的限值要求,另外小于23纳米,10以上颗粒物数量测量技术已经逐渐成熟了,测量刹车制动和轮胎磨损产生的颗粒物首先需要开发测量方法和工况,注意新的测量技术需要满足计量溯源要求。

这是我今天给大家的汇报,谢谢大家!


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