车辆污染排放分析

路边

前言
机动车辆污染排放一度主要是发达国家的问题，但是近些年来，它已成为发展中国家的一个令人关注的环境问题。城市人口增长过快，车辆过多和经济的增长，过时的技术，污染增加以及对权力的追求都导致多数城市空气污染严重。研究显示，如果不能有效控制空气污染问题，在未来的十年里，发展中国家将有3-4亿人口面临严重的卫生和空气污染问题。作为发展中国家经济增长较快的国家之一，中国的大城市同样面临着相似的环境威胁。中国多数城市和许多农村地区的空气质量不好。车辆污染增加快，尤其是颗粒物污染。数以百万计的早死和损伤，高额的医疗费用，福利紧张和生产下降都与此有关。运输行业产生的污染约占中国城市环境污染的30-50%。一些大城市最近的统计数据显示，机动车量造成的污染比以前要高，如图显示：中国几个城市交通污染情况。

车辆污染已成为北京、上海和广州城市空气污染中最主要的污染源之一。
车辆污染排放现况
2.1 影响车辆污染排放的因素
1). 冷车起动
国内使用车辆每曰平均行驶里程数在10公里以下的占约50~60%，显示车辆使用主要以中短途运输为主，也都是冷车起动，这对车辆的污染排放不利。因为车辆的主要污染都是在引擎与触媒转化器尚未达到工作温度时所产生的。
本文即是从冷车起动与热车起动的行车型态测试数据中，参照车辆行驶距离及行驶过程中的温度变化来推估适当的污染排放数据。由于行车型态测试所用的ECE-15循环的总行驶距离为4.052km，相当于每一阶段行走距离1公里，由每一阶段的污染产生比例及冷车测试与热车测试污染排放值的比例可计算出各行驶距离的排放系数修正值。车辆每个旅次的行驶距离越短，冷车起动的影响越显着，而排放系数的修正值也就越大。

利用各排气量车辆行驶里程分布的资料可计算各排气量车辆的冷起动修正值，如表2所示。这是各排气量的四行程车辆与二行程车辆在冷起动时所应进行的修正值，由表可看出冷起动的修正值都非常大，这是因为相当高比例的车辆单一旅次的行驶距离都非常短，引擎与触媒转化器尚未达到工作温度，所产生的污染相当严重。再考虑各排气量车辆中二行程与四行程的比例，可算出二行程车辆与四行程车辆的污染排放修正值，分别为二行程车辆CO为4.0倍，HC+NOx为5.15倍；四行程车辆则CO为3.85倍，HC+NOx为2.11倍。此修正值为实际车辆行驶时，因冷起动的因素，使其污染排放会比法规测试的污染排放值高，所需乘上的修正系数。由此修正系数的数值来看，过去有关车辆污染排放的推估都严重低估。
2). 耐久保证里程之外的劣化
目前车辆的耐久保证里程在二期车为6000公里，三期车为15000公里，以车辆的年行驶里程来推估，使用一年之后即可到达6000公里，而三年之后就超出15000公里，故大部份的使用中车辆都在耐久保证里程之外行驶。但目前车辆污染劣化资料都只做到耐久保证里程，超过耐久保证里程以后的污染劣化情况就少有资料可以参考。有关部门曾进行过车辆的30000公里耐久测试，以了解超过耐久保证里程以后的污染劣化情形。在该研究＝进行四家车辆厂商6种车型的测试，其中包括四辆二行程车辆及两辆四行程车辆。测试结果发现在15000公里以内，车辆排气污染的劣化情况较缓慢，这就是一般在计算污染排放总量时采用的劣化系数。但超过15000公里以后，CO与HC大幅增加，虽然在进行定期保养后排气污染都有下降，但在下次保养以前CO与HC又大幅增加。在100cc的二行程车辆上也发现排气污染加速劣化的现象，但较不明显。至于四行程车辆的排气污染变化则较连续，没有大幅增加的现象，显示这些车辆的耐久性能较佳。
由于四行程车辆没有加速劣化的情况，本文只针对二行程车辆来讨论。二行程车辆占总车辆数的55%，其中40%为50c.c.车辆，正是加速劣化最严重的族群。另外15%为90c.c.~150c.c. 车辆，也会发生加速劣化，但较不严重的族群。因15000公里是车辆排气污染劣化的一个明显分界点，在本文中将15000公里以内及15000公里以后的劣化分开来处理。在第一阶段的劣化仍沿用目前有关劣化系数计算方式的规定，第二阶段的劣化则以15000-30000公里的污染测试数据来进行线性回归。若车辆的劣化情况很稳定，则第一阶段与第二阶段的劣化系数应是连续的；而若车辆有加速劣化的情况，则第二阶段的劣化系数会比第一阶段的劣化系数高很多。
2.2. 车辆白烟排放现况
白烟是二行程车辆所特有的问题，四行程车辆并不严重。但因国内的车辆多是二行程车辆，白烟就成了不容忽视的污染问题。一般二行程车辆引擎为简化设计，是采用曲轴箱驱气的进气方式(Crankcase scavenging type)，空气是由进气管经簧片阀进入曲轴箱，再以活塞运动将空气自曲轴箱挤压入汽缸。由于曲轴箱是用来储存空气，就无法像四行程引擎一样将机油储存在曲轴箱内，故二行程引擎的机油是随汽油进入汽缸，并没有一套独立的润滑油路。早期的二行程引擎必须事先将机油与汽油混合好，称为二行程汽油或喷合油，目前的二行程车辆已可直接加无铅汽油，不需要加混合油，但仍需在进入曲轴箱前将机油与汽油混合好，才可润滑轴承及活塞，否则会有轴承烧毁及卡缸等现象。由于机油与汽油已混合在一起，机油会随着汽油进入气缸内燃烧，但因机油的分子量远高于汽油，不容易裂解，燃烧速度慢，没有燃烧或燃烧不完全的机油颗粒会随排气一起排出，形成了二行程车辆特有的蓝白烟，简称白烟。
车辆白烟不通光率的量测采用连续六次的无负载急加速，记录测试过程中排气不通光率的变化，再以所记录的数据来计算平均的不通光率。在受测车辆中其不通光率的最大峰值以0%-10%所占的比例最高，占44%，显示大部份的二行程车辆白烟排放都不严重。车辆的数量随着不通光率增加而下降，且下降的速度很快，显示白烟排放严重的车辆不多，但仍有少部份车辆的不通光率最大峰值超过90%，约占全部受测车辆的5%。
图1所示为以峰值最大值计算车辆不通光率时，改变排放标准时车辆不合格率与排放标准的关系。由图可看出排放标准越严格，也就是标准的不通光率越低，则车辆不合格的数目会增加，当排放标准加严为15%时，若以最大峰值为依据，则不合格率可高达40.8%。而若排放标准放宽为50%时，则不合格率可降至10%。

图2所示为车辆不通光率与其惰转状态下CO排放的关系，由图可看出不通光率与CO的浓度关系并不明显，也就是冒白烟的车辆其CO排放也可能很低。这是因为CO主要是油气太浓所造成，与白烟生成的原因并不相同，故两者间没有关系。

图3所示为车辆不通光率与其惰转状态下HC排放的关系，由图可看出不通光率与HC的浓度关系并不明显。虽然白烟主要成份是没有燃烧的机油，也是碳氢化合物的一种，但其分子量很高，在排气中以液态存在，与气态的HC不同，两者间也没有关系。

2.3. 车辆白烟产生分析
机油是影响二行程车辆排烟生成的重要原因，特别是当车辆的oil/fuel ratio越高时，车辆排烟会明显的增加，只是排烟增加究竟是引擎物理性质如负载、转速或温度造成排烟增加，或是因为供给过量的机油造成排烟增加，仍然无法清楚的了解，因此本研究利用车辆惰速时引擎转速、温度与排烟都很稳定，当机油供给量改变时引擎状态并没有太大的影响，有助于了解机油量过多时白烟产生的机制。
实验时先让车辆维持惰转，待车辆到达热车状态排烟稳定后，再调即机油泵以控制机油量，机油量的调即是以螺帽来卡住原本是油门线拉住机油泵的位置，机油泵位置有二中开度，分别为最小开度与最大开度，当以螺帽来卡住时，相当于机油泵为最大开度位置，所供应的机油量则相当于将油门线拉到底时机油的供给量，当把螺帽移除时，相当于机油泵为最小开度，所供应的机油量相当于车辆惰速时机油的供给量。机油成分也会影响白烟的产生，一般含有聚异丁烯或者全合成的机油降低白烟有较佳的效果。
图4所示为改变机油供应量后白烟的变化曲线，此时引擎转速与负载维持不变，机油供应量是唯一的变数。由图可看出不同情况下不通光率的上升曲线变化情况，都是刚开始上升速度较慢，然后以线性上升，最后上升速度又变慢。白烟下降的曲线也很相似，都是刚开始与快结束时变化速度较慢，中间过程变化速度较快，显示白烟产生与减少的机制是相同的。

这种刚开始与快结束时变化速度较慢，而中间过程变化速度较快的系统可以用连续气室的模式来说明。假设有一单独的气室，气室入口的气体浓度(Ci)与气室内的浓度(C0)不同，若流入气体与气室内气体均匀混合，则气室出口的浓度变化为：

(1)其中C1为气室出口浓度，τ为时间常数，t为时间。
但若将该气室分隔为两个相等的小气室，在每个小气室内流入气体都与气室内气体均匀混合，则第二个气室出口的浓度变化(C2)为：

(2)
而若将该气室分隔为三个相等的小气室，在每个小气室内流入气体都与气室内气体均匀混合，则第三个气室出口的浓度变化(C3)为：

(3)
在单一气室模式中，气体浓度变化为指数型式，但在连续气室的模式中，气体浓度变化刚开始与快结束时较慢，中间过程则较快，与我们所观察到不通光率的变化很类似。故本研究尝试以连续气室模式对实验2的白烟上升曲线做回归分析。
图5所示为回归分析的结果，图中以实验的排气初始不通光率C0=2(%)当作初始浓度与最后的排气不通光率Ci=12(%)当作平衡浓度，回归分析在时间常数τ=11(min)有最好的结果，由图可看出白烟上升的曲线虽然并没有和任何一条曲线完全吻合，但白烟上升的曲线介于排气管为两个气室与十个气室的曲线之间，变化也是刚开始与快结束时变化速度较慢，中间过程变化速度较快，与连续气室模式出口浓度的变化相同。

由以上探讨可知瞬间增加机油量并不会使白烟增加，可能是因为引擎转速不高以致大部分机油都没有燃烧，而当排气管中积油逐渐增加后白烟会逐渐提高，因此白烟产生的机制与排气管中的积油有很大的关系，此外，使用全合成机油所产生的白烟较矿物机油少。
结论
本文以连续气室的模式来进行回归分析结果，虽然分析结果不错，但仍无法说明白烟产生的确实机制。机油从机油泵注入后，首先会进入曲轴箱，其中一部分会沉积在曲轴箱内，一部分会被气流带入气缸。而曲轴箱内的机油也会被气流及转动的曲轴卷起，带入汽缸中。在汽缸中，一部分机油会参加燃烧，一部分机油则会被短路的油气带入排气管。在排气管中，一部分机油会吸附在吸音棉上，一部分机油会沉积在排气管的角落处，另一部分则随着废气排出。而吸音棉吸附的机油也会因受热而挥发。整个白烟产生的机制相当复杂，其中曲轴箱，汽缸，及排气管都具有积聚与储存机油的功能，相当于连续气室模式中的气室。目前只能确定以连续气室模式来进行回归分析可以获得不错的结果，但这些气室模型与曲轴箱，汽缸，及排气管的关系仍有待将来做更进一步的探讨。

sunjiapeng

谢谢了，就是图片怎么看布道啊

hanlizhen_q

谢谢！