环境科学  2014, Vol. 35 Issue (12): 4489-4494   PDF    
引用本文
何立强, 宋敬浩, 胡京南, 解淑霞, 祖雷. 轻型汽油车CH4和N2O排放因子研究[J]. 环境科学, 2014, 35(12): 4489-4494.
HE Li-qiang, SONG Jing-hao, HU Jing-nan, XIE Shu-xia, ZU Lei. An Investigation of the CH4 and N2O Emission Factors of Light-duty Gasoline Vehicles[J]. Environmental Science, 2014, 35(12): 4489-4494.
轻型汽油车CH4和N2O排放因子研究
何立强 , 宋敬浩, 胡京南 , 解淑霞, 祖雷    
中国环境科学研究院国家环境保护机动车污染控制与模拟重点实验室, 北京 100012
收稿日期: 2014-5-6; 修订日期: 2014-7-3.
基金项目： 美国能源基金会项目（G1111-15209）；中国环境科学研究院改革专项启动经费项目（2011KYYW04）；环境保护公益性行业科研专项（201209002）
作者简介：何立强（1988~），男，硕士研究生，主要研究方向为机动车污染控制，E-mail：heliqiang4@163.com
通讯联系人,何立强,E-mail: heliqiang4@163.com;胡京南,hujn@craes.org.cn
摘要：我国的机动车温室气体排放研究多集中于CO2排放，而CH4和N2O排放的相关研究主要是依据欧美开发的模型进行的，缺乏CH4和N2O实车测试的研究. 本研究选取22辆轻型汽油车，利用底盘测功机开展了整车台架测试和采样分析，获得了车辆在NEDC工况下的CH4和N2O排放因子. 结果表明，国Ⅰ~国Ⅳ阶段轻型汽油车CH4平均排放因子分别为0.048、0.048、0.038和0.028 g·km-1，N2O则分别为0.045、0.039、0.026和0.021 g·km-1. 在轻型汽油车单车排放的CO2、CH4和N2O三类温室气体（以CO2当量计）中，CH4和N2O排放的分担率均随排放标准的加严而逐渐降低，其中CH4排放在温室气体排放中不足0.5%，N2O排放分担率在3.03%~6.35%之间. 因此，排放标准的加严可以有效减少CH4和N2O的排放，以减缓机动车排放带来的温室效应.
关键词： 机动车     温室气体     CH4     N2O     排放因子    
An Investigation of the CH4 and N2O Emission Factors of Light-duty Gasoline Vehicles
HE Li-qiang , SONG Jing-hao, HU Jing-nan , XIE Shu-xia, ZU Lei    
State Environmental Protection Key Laboratory of Vehicle Emission Control and Simulation, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
Abstract: In China, most of the studies of vehicular greenhouse gas (GHG) emissions have been focused on CO2 emissions.The investigation of non-CO2 GHGs, e.g. CH4 and N2O, are mainly carried out based on models developed in Europe and the US, and there are few vehicle emission tests for CH4 and N2O.In this study, 22 light-duty gasoline vehicles (LDGVs) were selected for tailpipe CH4 and N2O tests using chassis dynamometer, and their emission factors were obtained based on the NEDC driving cycle. The results showed that the CH4 emission factors of China Ⅰto China Ⅳ LDGVs were 0.048 g·km-1, 0.048 g·km-1, 0.038 g·km-1 and 0.028 g·km-1, respectively. For N2O, the emission factors of China Ⅰto China Ⅳ were 0.045 g·km-1, 0.039 g·km-1, 0.026 g·km-1 and 0.021 g·km-1, respectively. In the GHGs emissions (in terms of CO2 Eq.) per LDGV, the percentage of CH4 and N2O emissions decreased gradually with tightening of emission standards. The contribution of CH4 emissions was lower than 0.5% in the total emissions, and N2O share rate was between 3.03% and 6.35%. Therefore, tightening emission standards can effectively reduce the CH4 and N2O emissions, to mitigate the greenhouse effects caused by vehicle emissions.
Key words: motor vehicle     greenhouse gas     CH4     N2O     emission factor    

近年来，中国汽车工业保持高速发展,2013年中国汽车产销量双双超过2000万辆，连续五年蝉联全球第一. 机动车污染排放已成为城市和区域空气污染的主要来源之一，也是温室气体排放增长最快的领域之一[1,2]. 国内外有关研究表明，在某些国家或城市，机动车已成为CO2的第二大人为排放源[3,4,5]. 而对于CH4和N2 O等非CO2类温室气体，机动车的排放贡献同样不容忽视. 美国环保署公布的2010年温室气体排放清单报告指出，移动源是美国第三大N2 O排放源，而CH4排放量则排在第十二位[4].

目前，国外已有学者利用模型[6,7]、 台架测试[8,9,10,11,12]、 车载测试[8]和隧道实验[12,13]等方法获得了机动车尾气的CH4和N2 O的排放特征. 与国外相比，国内大部分机动车温室气体排放研究都集中于CO2排放[14,15,16,17,18,19]，CH4和N2 O排放的相关研究主要是依据国外开发的模型[20,21,22]进行的，缺乏本地的实测数据的支持. 何立强等[23]基于文献调研和实地调查获得的数据测算了2010年中国机动车CH4和N2 O的排放清单，指出轻型汽油车是削减机动车CH4和N2 O排放的重点车型. 因此，本研究利用底盘测功机对轻型汽油车开展了整车台架测试，获得了轻型汽油车在法规工况下CH4和N2 O的单车排放因子，以期为决策者开展轻型汽油车CH4和N2 O排放控制提供数据支持和参考依据.

1 材料与方法 1.1 测试车辆

本研究测试的轻型汽油车共22辆，基本属于我国目前在用轻型汽油车的主流车型，车辆的详细信息如表 1所示. 它们均处于正常的运行状态，发动机工作良好，品牌以大众、 北京现代、 上汽通用、 东风等为主，包括国产车及合资车，行驶里程一般低于20×104 km. 测试车辆生产年份为2000~2011年，排放控制水平处于国Ⅰ~国Ⅳ阶段，使用燃料为93号或京92号汽油.

表 1 测试轻型汽油车的基本信息 1) Table 1 General information of tested light-duty gasoline vehicls
1.2 测试分析方法

车辆测试在中国环境科学研究院的汽车性能试验室进行，将轻型汽油车置于底盘测功机上按照GB 18352.3-2005[24]中规定的试验方法，采用NEDC(new european driving cycle，新欧洲驾驶循环)作为测试车辆的测试循环. 整个NEDC测试循环共持续1180 s，由市区测试循环和市郊测试循环两部分组成，平均车速为33.35 km ·h-1，理论行驶距离10.93 km. 所有车辆在测试过程中均为冷启动.

测试循环结束后利用Tedlar气体采样袋采集全流定容稀释系统(constant volume sampling，CVS)中的机动车尾气样品(CH4浓度范围一般为1.5×10-6~5×10-6，N2 O浓度为500×10-9~1500×10-9)，同时收集背景气(CH4浓度一般为0.9×10-6~3×10-6，N2 O浓度为100×10-9~800×10-9). N2 O虽然是相对稳定的化合物，但加州空气资源局(CARB)的研究结果表明其在Tedlar气体采样袋中静置96 h后浓度会有不超过2%的降幅. 因此，采集的机动车尾气样品需要在96 h内完成检测分析. 机动车尾气样品和背景样品均不需预处理，可直接选用Agilent 7890A气相色谱仪(GC)进行分析，其中CH4浓度用气相色谱/氢离子火焰检测器(GC/FID)进行测定[8,25,26]，N2 O则使用气相色谱/电子捕获检测器(GC/ECD)来定量分析[8,12]. 在分析样品时，使用中国科学院大气物理研究所研发的CA-5气体样品进样仪进样，该进样仪可通过微机程序发出指令控制电磁阀开关，改变管线中压缩空气的方向，用以驱动汽缸转动进样阀，达到气相色谱仪分析气路系统自动进样、 分析和清洗，从而在短时间内完成CH4和N2 O的同时分析. 系统载气为氮气. 色谱配置与分析条件见表 2.

表 2 色谱配置与分析条件 Table 2 GC configuration and analytical conditions

1.3 排放因子计算方法

测试分析得到CH4和N2 O的浓度数据

可根据式(1)进行计算，得到CH4和N2 O排放因子(以g ·km-1计)，式(1)的各项参数见表 3.

式中,EF为排放因子g ·km-1； cs为样品气体浓度，×10-6； ca为背景气浓度，×10-6； DF为稀释因子； Dist.为测试过程中车辆所行驶的距离，km； M为摩尔质量，g ·mol-1； Pa、 Ta为测试实验室的大气压力和温度，单位分别为kPa和K； P0、 T0为标准状况下的大气压力和温度，分别为101.325 kPa和273.15 K； 22.4为标准状况下气体的摩尔体积，L ·mol-1； Vmix为CVS采样体积，m3.
表 3 测算排放因子所需的参数 Table 3 Parameters for the calculation of emission factors
2 结果与讨论2.1 测试车辆CH4和N2 O排放因子 2.1 测试车辆CH4和N2 O排放因子

CH4是机动车尾气排放的总碳氢化合物(total hydrocarbons,THC)中的主要污染物之一，其中天然气车排放的THC约有90%以上是CH4[27,28]. 由于CH4是最稳定的烃类化合物，比较难以发生氧化反应，所以致使尾气催化器对其转化效率较低[29]. 轻型汽油车CH4排放因子如图 1所示. 从测试结果来看，自国Ⅰ阶段起至国Ⅳ阶段轻型汽油车CH4排放因子呈现下降趋势，平均排放因子依次为0.048、 0.048、 0.038和0.028 g ·km-1. 可见尽管CH4比较难以被催化转化，但是排放法规的加严仍然能够在一定程度上对机动车CH4排放进行有效控制. 这是因为排放法规的加严需要通过提升发动机燃烧技术和尾气后处理技术来实现，而上述技术的提升也会同时减少CH4排放.

图 1 轻型汽油车CH4排放因子 Fig. 1 CH4 emission factors of light-duty gasoline vehicles

N2 O是机动车排放的气态污染物在特定条件下催化转化的副产品[7,11]，因此与无催化装置的车辆(国Ⅰ前)相比，轻型汽油车的N2 O排放量可能会由于三元催化(three-way catalyst,TWC)技术的引入而显著上升[30,31]. 同时，随着选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)技术将来在重型柴油车上的广泛使用，N2 O排放也可能会有所升高[32]. 虽然尾气后处理技术的引入可能会导致N2 O排放升高，但是随着技术的不断改进升级其排放仍然会逐步降低[10,33]. 轻型汽油车N2 O排放测试结果见图 2，国Ⅰ阶段N2 O平均排放因子为0.045 g ·km-1，随着排放标准的加严(标志着发动机技术和尾气后处理技术的提升)，排放因子逐渐降低. 与国Ⅰ轻型汽油车相比，国Ⅱ~国Ⅳ阶段N2 O平均排放因子分别下降14.16%、 42.41%和54.00%.

图 2 轻型汽油车N2 O排放因子 Fig. 2 N2 O emission factors of light-duty gasoline vehicles
2.2 与其他研究结果的比较分析

将测试结果与其他研究结果进行比较分析可知，本研究测试得到的轻型汽油车CH4排放因子与D'Angiola等利用COPERT Ⅳ模型计算得到的结果[6]最为相近. 而比Nam等[9]和Heeb等[34]的测试结果略高，这可能是由于测试工况不同所导致的，也可能是因为国内外尾气排放控制技术存在差异； 但稍低于蔡皓等[21]的模型计算结果. 与姚志良等[20]利用IVE模型计算的2007年中国在用轻型客车的排放因子相比，本研究得出的国Ⅰ和国Ⅱ阶段的平均排放因子仅约为其计算结果的1/3~1/5. 对于轻型汽油车N2 O排放因子而言，本研究测试得到的排放因子与国内外模型计算、 实车测试和隧道实验得出的结果均较为吻合. 各研究详细结果如表 4所示.

表 4 轻型汽油车CH4和N2 O排放因子的比较 1) Table 4 Comparison of CH4 and N2 O emission factors of light-duty gasoline vehicles between this study and other studies
2.3 轻型汽油车单车排放的温室效应分析

与CH4和N2 O相比，机动车尾气排放CO2所产生的温室效应更为显著. 轻型汽油车在NEDC工况下的CO2排放测试结果如图 3所示，CO2排放因子为163~254 g ·km-1，平均排放因子为205 g ·km-1. 由于机动车CO2排放状况和燃油消耗量直接相关，而车主通常会比较关注车辆的维护保养，以使车辆的燃油消耗处于相对较低的水平[36,37]，因此CO2排放在各阶段的变化幅度较小.

图 3 轻型汽油车CO2排放因子 Fig. 3 CO2 emission factors of light-duty gasoline vehicles

CH4和N2 O的全球变暖潜势(global warming potential,GWP)分别为21和310[38]. 本研究中，从国Ⅰ~国Ⅳ阶段， 轻型汽油车CH4排放因子折算成CO2当量分别为1.00、 1.01、 0.80和0.59 g ·km-1； N2 O排放因子折算成CO2当量则依次为13.93、 11.96、 8.03和6.41 g ·km-1. 由此可评估轻型汽油车尾气CO2、CH4和N2 O三类温室气体的排放分担率，如图 4所示. 在各排放阶段轻型汽油车单车排放的温室气体(以CO2当量计)中，CO2的排放分担率最高，均在93%以上. 而CH4和N2O的排放分担率不足7%，其中N2 O的排放分担率从国Ⅰ~国Ⅳ阶段分别为6.35%、 5.50%、 3.76%和3.03%； CH4排放分担率最小，均低于0.5%.

图 4 不同阶段轻型汽油车的温室气体排放构成 Fig. 4 Profile of greenhouse gases from light-duty gasoline vehicles meeting different emission standards
3 结论

(1)利用底盘测功机对轻型汽油车开展了整车台架测试，获得了轻型汽油车在NEDC工况下CH4和N2 O的单车排放水平，二者排放因子随着排放标准的加严均呈现降低的趋势. 国Ⅰ~国Ⅳ阶段轻型汽油车CH4平均排放因子分别为0.048、 0.048、 0.038和0.028 g ·km-1； N2 O则分别为0.045、 0.039、 0.026和0.021 g ·km-1. 本研究测试所得的CH4排放因子与国内外研究结果相比略有不同，而N2 O排放因子基本一致.

(2)本研究测试结果表明，国Ⅰ~国Ⅳ阶段轻型汽油车在NEDC工况下CO2平均排放因子为205 g ·km-1. 综合评价轻型汽油车单车排放的CO2、 CH4和N2 O三类温室气体排放水平(以CO2当量计)得出，在各排放阶段轻型汽油车中，CO2的排放分担率最高，均在93%以上. 而CH4和N2 O的排放分担率均随排放标准的加严而逐渐降低，其中N2 O的排放分担率从国Ⅰ~国Ⅳ阶段分别为6.35%、 5.50%、 3.76%和3.03%； CH4排放分担率最小，均低于0.5%.

参考文献
[1] Montzka S A, Dlugokencky E J, Butler J H. Non-CO2 greenhouse gases and climate change[J]. Nature, 2011, 476 (7358): 43-50.
[2] Kendall A, Price L. Incorporating time-corrected life cycle greenhouse gas emissions in vehicle regulations[J]. Environmental Science & Technology, 2012, 46 (5): 2557-2563.
[3] Yu W, Pagani R, Huang L. CO2 emission inventories for Chinese cities in highly urbanized areas compared with European cities[J]. Energy Policy, 2012, 47: 298-308.
[4] US Environmental Protection Agency. Trends in Greenhouse Gas Emissions, Inventory of U. S. greenhouse gas emissions and sinks: 1990-2010[R]. EPA 430-R-12-001, 2012. 1-27.
[5] European Environmental Agency. Annual European Community greenhouse gas inventory 1990-2005 and inventory report 2007 (Submission to the UNFCCC Secretariat)[R]. Copenhagen, European Environmental Agency, 2007. 1-464.
[6] D'Angiola A, Dawidowski L E, Gómez D R, et al. On-road traffic emissions in a megacity[J]. Atmospheric Environment, 2010, 44 (4): 483-493.
[7] Beer T, Grant T, Williams D, et al. Fuel-cycle greenhouse gas emissions from alternative fuels in Australian heavy vehicles[J]. Atmospheric Environment, 2002, 36 (4): 753-763.
[8] Graham L A, Rideout G, Rosenblatt D, et al. Greenhouse gas emissions from heavy-duty vehicles[J]. Atmospheric Environment, 2008, 42 (19): 4665-4681.
[9] Nam E K, Jensen T E, Wallington T J. Methane emissions from vehicles[J]. Environmental Science & Technology, 2004, 38 (7): 2005-2010.
[10] Huai T, Durbin T D, Wayne Miller J, et al. Estimates of the emission rates of nitrous oxide from light-duty vehicles using different chassis dynamometer test cycles[J]. Atmospheric Environment, 2004, 38 (38): 6621-6629.
[11] Behrentz E, Ling R, Rieger P, et al. Measurements of nitrous oxide emissions from light-duty motor vehicles: a pilot study[J]. Atmospheric Environment, 2004, 38 (26): 4291-4303.
[12] Becker K H, Wiesen P, Kurtenbach R, et al. Nitrous oxide (N2O) emissions from vehicles[J]. Environmental Science & Technology, 1999, 33 (22): 4134-4139.
[13] Becker K H, Lörzer J C, Kurtenbach R, et al. Contribution of vehicle exhaust to the global N2O budget[J]. Chemosphere-Global Change Science, 2000, 2 (3-4): 387-395.
[14] He K B, Huo H, Zhang Q, et al. Oil consumption and CO2 emissions in China's road transport: current status, future trends, and policy implications[J]. Energy Policy, 2005, 33 (12): 1499-1507.
[15] Liu Y, Wang Y, Huo H. Temporal and spatial variations in on-road energy use and CO2 emissions in China, 1978–2008[J]. Energy Policy, 2013, 61: 544-550.
[16] Huo H, Wang M, Zhang X L, et al. Projection of energy use and greenhouse gas emissions by motor vehicles in China: Policy options and impacts[J]. Energy Policy, 2012, 43: 37-48.
[17] Yao Z L, Huo H, Zhang Q, et al. Gaseous and particulate emissions from rural vehicles in China[J]. Atmospheric Environment, 2011, 45 (18): 3055-3061.
[18] 张清宇, 魏玉梅, 田伟利. 机动车排放控制标准对污染物排放因子的影响[J]. 环境科学研究, 2010, 23 (5): 606-612.
[19] 何春玉, 王歧东. 运用CMEM模型计算北京市机动车排放因子[J]. 环境科学研究, 2006, 19 (1): 109-112.
[20] 姚志良, 王岐东, 王新彤, 等. 典型城市机动车非常规污染物排放清单[J]. 环境污染与防治, 2011, 33 (3): 96-101.
[21] 蔡皓, 谢绍东. 中国不同排放标准机动车排放因子的确定[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2010, 46 (3): 319-326.
[22] 李伟, 傅立新, 郝吉明, 等. 中国道路机动车10种污染物的排放量[J]. 城市环境与城市生态, 2003, 16 (2): 36-38.
[23] 何立强, 胡京南, 解淑霞, 等. 2010 年中国机动车CH4和N2O排放清单[J]. 环境科学研究, 2014, 27 (1): 28-35.
[24] GB 18352.3-2005 轻型汽车污染物排放限值及测量方法 (中国Ⅲ, Ⅳ阶段)[S].
[25] McGaughey G R, Desai N R, Allen D T, et al. Analysis of motor vehicle emissions in a Houston tunnel during the Texas Air Quality Study 2000[J]. Atmospheric Environment, 2004, 38 (20): 3363-3372.
[26] Graham L. Chemical characterization of emissions from advanced technology light-duty vehicles[J]. Atmospheric Environment, 2005, 39 (13): 2385-2398.
[27] Motta R C, Kelly K J, Warnock W W. Compressed natural gas and liquefied petroleum gas conversions: The national renewable energy laboratory's experience[R]. National Renewable Energy Laboratory, Golden, CO (United States), 1996. 1-15.
[28] Dondero L, Goldemberg J. Environmental implications of converting light gas vehicles: the Brazilian experience[J]. Energy Policy, 2005, 33 (13): 1703-1708.
[29] 解淑霞, 胡京南, 鲍晓峰, 等. 天然气-汽油双燃料车实际道路排放特性研究[J]. 环境科学学报, 2011, 31 (11): 2347-2353.
[30] Dasch J M. Nitrous oxide emissions from vehicles[J]. Journal of the Air & Waste Management Association, 1992, 42 (1): 63-67.
[31] Graham L A, Belisle S L, Rieger P. Nitrous oxide emissions from light duty vehicles[J]. Atmospheric Environment, 2009, 43 (12): 2031-2044.
[32] Watling T C, Ravenscroft M R, Avery G. Development, validation and application of a model for an SCR catalyst coated diesel particulate filter[J]. Catalysis Today, 2012, 188 (1): 32-41.
[33] Jimenez J L, McManus J B, Shorter J H, et al. Cross road and mobile tunable infrared laser measurements of nitrous oxide emissions from motor vehicles[J]. Chemosphere-Global Change Science, 2000, 2 (3-4): 397-412.
[34] Heeb N V, Forss A M, Saxer C J, et al. Methane, benzene and alkyl benzene cold start emission data of gasoline-driven passenger cars representing the vehicle technology of the last two decades[J]. Atmospheric Environment, 2003, 37 (37): 5185-5195.
[35] Karlsson H L. Ammonia, nitrous oxide and hydrogen cyanide emissions from five passenger vehicles[J]. Science of the Total Environment, 2004, 334-335: 125-132.
[36] 蔡朝波. 机动车燃油消耗的人为影响因素及控制措施探讨[J]. 当代农机, 2013, (7): 79-80.
[37] 蔡凤田, 谢元芒. 汽车运行油耗的影响因素与汽车节能技术[J]. 交通节能与环保, 2006, (1): 28-33.
[38] Houghtion J T, Meiro Filho L G, Callander B A, et al. Climate change 1995: The science of climate change Contribution of working group I to the second assessment report of the intergovernmental panel on climate change[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1996.