直噴汽油機(jī)轎車燃用不同比例甲醇汽油時(shí)的顆粒物排放特性

丁 焰， 尹 航， 王軍方， 王宏麗， 錢立運(yùn)， 王魯昕

(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012)

直噴汽油機(jī)轎車燃用不同比例甲醇汽油時(shí)的顆粒物排放特性

丁 焰， 尹 航， 王軍方， 王宏麗， 錢立運(yùn)， 王魯昕

(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012)

為了研究燃用不同摻混比的甲醇汽油對(duì)裝備有直噴汽油機(jī)的整車顆粒物排放的影響，對(duì)一輛帕薩特轎車在新歐洲駕駛循環(huán)條件下燃用93#國(guó)IV汽油,以及以其為母油配制的M15、M25、M40三種甲醇汽油時(shí)的顆粒物質(zhì)量和數(shù)量濃度進(jìn)行了測(cè)試.結(jié)果表明，隨著燃料中甲醇比例的增加，顆粒物質(zhì)量呈明顯下降趨勢(shì)，而顆粒物數(shù)量卻呈快速上升趨勢(shì).相比燃用市售汽油時(shí)，燃用M15、M25、M40三種甲醇汽油的顆粒物質(zhì)量分別下降了33.2%、36.5%和40.2%，而顆粒物數(shù)量則分別增加了14.4%、15.7%和23.6%.

甲醇汽油；直噴汽油機(jī)；顆粒物

近年來，隨著化石能源價(jià)格的不斷攀升以及環(huán)境污染問題的日益凸顯，國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)都將目光投向了包括天然氣、醇類等清潔、廉價(jià)的代用燃料.貧油、少氣、多煤是我國(guó)能源分布的主要特點(diǎn).作為煤化工的重要產(chǎn)品，甲醇及甲醇汽油在車用燃料上的應(yīng)用受到了格外的重視.目前，國(guó)家已經(jīng)相繼出臺(tái)了純甲醇(M100)及高比例甲醇汽油(M85)的車用燃料標(biāo)準(zhǔn).與此同時(shí)，至少有15個(gè)省市正著手制定低比例甲醇汽油(M15)的地方性標(biāo)準(zhǔn).

使用較低比例甲醇汽油的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于其可以避免對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)現(xiàn)有標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行改變，甲醇汽油對(duì)供油系統(tǒng)的影響相對(duì)也較小.綜合性能及價(jià)格等多方面因素，目前質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于40%的甲醇汽油在我國(guó)的研究和應(yīng)用均有報(bào)道，其中以M15最為常見.隨著石油價(jià)格的持續(xù)上漲和CO2排放法規(guī)的加嚴(yán)，直噴汽油機(jī)(GDI，Gasoline Direct Injection)在乘用車上的應(yīng)用愈加普遍.相比于傳統(tǒng)的氣道噴射(PFI，Port Fuel Injection)機(jī)型，直噴汽油機(jī)雖可以有效地提升車輛經(jīng)濟(jì)性但會(huì)加劇汽油機(jī)的顆粒物排放.而燃用甲醇汽油有助于減少汽油機(jī)的顆粒物排放.梁賓等人分別在裝配有PFI和GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的兩輛帕薩特轎車上燃用93#市售汽油和M15甲醇汽油，并對(duì)比了其在新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC，New European Driving Cycle)下的PM和PN排放[1].結(jié)果表明，裝備有GDI發(fā)動(dòng)機(jī)的整車PM和PN排放均高于裝備PFI發(fā)動(dòng)機(jī)的車型；在兩種車型上，燃用M15甲醇汽油都可以顯著地降低車輛的PM和PN排放.印度學(xué)者Agarwal等人在一臺(tái)1.0L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)上開展了燃用M10和M20甲醇汽油的實(shí)驗(yàn)[2].結(jié)果表明，燃用低比例甲醇汽油可以在不改變?cè)袠?biāo)定參數(shù)的前提下改善缸內(nèi)燃燒過程，提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率并減少CO、NO和PM排放.天津大學(xué)李翔等人也對(duì)直噴汽油機(jī)燃用M20、M25和M100進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，并得到了相似的結(jié)論[3].

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)針對(duì)燃用甲醇汽油的應(yīng)用研究方法主要以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)為主，整車的性能研究雖能更直接地反映實(shí)際效果，但國(guó)內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的研究尚不十分充分.為了研究燃用不同摻混比的甲醇汽油對(duì)裝備有直噴汽油機(jī)的整車顆粒物排放的影響，本研究基于NEDC循環(huán)對(duì)一輛帕薩特轎車在燃用市售汽油及M15、M25和M40三種甲醇汽油時(shí)的PM和PN排放進(jìn)行了對(duì)比研究.

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

研究選用一輛大眾帕薩特SVW71810DJ型轎車作為試驗(yàn)車輛，其基本性能參數(shù)如表1中所示.試驗(yàn)開始時(shí)，車輛已行駛里程為48 882 km.參照GB 18352.3-2005中對(duì)I型排放實(shí)驗(yàn)的要求[4]，使用日本小野測(cè)器(Ono Sokki)PECD 9400型底盤測(cè)功機(jī)模擬道路及其它外部阻力，設(shè)定測(cè)功機(jī)當(dāng)量慣量為1 620 kg.排氣采樣及分析分別采用日本崛場(chǎng)(HORIBA)CVS-7400型定容稀釋系統(tǒng)(CVS，Constant Volume Sampling)及Mexa-7200型排放分析儀.在試驗(yàn)前后，用于顆粒物質(zhì)量排放測(cè)試的濾紙均被置于(22.0±0.2)℃、45.0±0.5%RH的環(huán)境條件下穩(wěn)定2小時(shí)以上，以便進(jìn)行充分的溫濕度交換，微量天平型號(hào)為賽多利斯(Sartorius) CPA2P-F，測(cè)量精度為1微克.顆粒物數(shù)量利用Dekati公司生產(chǎn)的低壓電荷沖擊器(ELPI，Electrical Low Pressure Impactor)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量.ELPI可以將粒徑在7 nm到10 μm之間的顆粒按照粒徑分為12級(jí)并給出逐秒的數(shù)量分布數(shù)據(jù).ELPI的采樣探頭布置在CVS系統(tǒng)中主文丘里管前約30 cm處.CVS系統(tǒng)中稀釋空氣對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣的平均稀釋比約為25∶1.

試驗(yàn)開始前，試驗(yàn)車輛已在25-27℃的環(huán)境中靜置12小時(shí)以上.試驗(yàn)過程中，車輛按照NEDC工況行駛，環(huán)境溫度和濕度分別被控制在(26.1±0.5)℃和21±2%RH.為了使車輛更好地適應(yīng)不同種類的燃料，在進(jìn)行每種油品試驗(yàn)的前一天即完成新燃料的置換并上路行駛150-200 km后再進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn).

試驗(yàn)所用的市售汽油為滿足國(guó)IV標(biāo)準(zhǔn)的市售93#汽油，其余三種甲醇汽油均以該種市售汽油為母油配制.試驗(yàn)完成后，對(duì)三種不同比例的甲醇汽油中的實(shí)際甲醇含量進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明，研究中所用M15、M25和M40三種甲醇汽油的實(shí)際甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為13.08%、22.33%和37.53%.

表1 試驗(yàn)車輛的基本性能參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1中給出了燃用不同比例甲醇汽油時(shí)的顆粒物質(zhì)量排放量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著燃油中甲醇所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，排氣中的顆粒物質(zhì)量呈明顯下降的趨勢(shì).相比于燃用市售汽油時(shí)，燃用M15、M25和M40甲醇汽油時(shí)所產(chǎn)生的顆粒物質(zhì)量排放分別降低了33.2%、36.5%和40.2%.然而值得注意的是，盡管在市售汽油中摻入甲醇后，顆粒物排放顯著減少，但隨著甲醇添加比例的進(jìn)一步增加，顆粒物排放下降的速度明顯放緩.

甲醇是一種含氧燃料，其理論空燃比僅為6.5，低于汽油，因此在汽油中混入一定比例的甲醇可以有效減少對(duì)空氣中氧的需求，進(jìn)而減少出現(xiàn)局部過濃混合區(qū)的可能，這有利于抑制直噴汽油機(jī)中的顆粒物的生成.與傳統(tǒng)氣道噴射汽油機(jī)中油氣混合物的形成方式不同，直噴汽油機(jī)的油氣混合過程發(fā)生在缸內(nèi)，混合時(shí)間相對(duì)短且更容易在燃油噴霧的核心區(qū)等位置出現(xiàn)過濃區(qū)域，在缸內(nèi)高溫的作用下，過濃區(qū)域中的燃油易發(fā)生熱裂解，生成大量的不飽和烴，該部分物質(zhì)將進(jìn)一步反應(yīng)生成多環(huán)芳烴(PAHs，Polycyclic Aromatic Hydrocarbons).PAHs被認(rèn)為是顆粒物中有機(jī)成分在缸內(nèi)生成的前體物[5].然而，由于甲醇(CH3OH)的分子結(jié)構(gòu)中不含有C-C鍵，這大大降低了缸內(nèi)不飽和烴生成的可能性，進(jìn)而抑制了PAHs在缸內(nèi)的合成[6].因此，隨著甲醇汽油中甲醇比例的升高，顆粒物的質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢(shì).

盡管使用含氧燃料可以有效地降低直噴汽油機(jī)顆粒物排放的生成，但是除了燃燒產(chǎn)生的有機(jī)顆粒物外，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中還含有相當(dāng)部分的無(wú)機(jī)顆粒物.其中主要包括由燃油中硫份轉(zhuǎn)化而來的硫酸鹽、由于發(fā)動(dòng)機(jī)磨損和潤(rùn)滑油消耗而產(chǎn)生的金屬成分等.這些無(wú)機(jī)顆粒物的形成幾乎與燃料以及缸內(nèi)的氧含量無(wú)關(guān).故而，燃料中甲醇含量的增加只能抑制有機(jī)顆粒物的形成而無(wú)難以影響無(wú)機(jī)顆粒物的產(chǎn)生，進(jìn)而致使在燃料中甲醇比例進(jìn)一步升高時(shí)，顆粒物質(zhì)量的下降速度明顯放緩.

圖1 燃用不同比例甲醇汽油時(shí)的顆粒物質(zhì)量

圖2 燃用不同比例甲醇汽油時(shí)的顆粒物總數(shù)量

除稱重法外，研究還使用ELPI對(duì)顆粒物排放的數(shù)量濃度進(jìn)行了測(cè)試.圖2中給出了燃用不同比例的甲醇汽油時(shí)，試驗(yàn)車輛的顆粒物數(shù)量濃度結(jié)果.與顆粒物質(zhì)量結(jié)論截然相反的是，隨著燃料中甲醇比例的逐漸增加，排氣中顆粒物的數(shù)量濃度呈快速上升趨勢(shì).相比于燃用市售汽油時(shí)，燃用M15、M25和M40甲醇汽油所產(chǎn)生的顆粒物數(shù)量分別增加了14.4%、15.7%和23.6%.

觀察圖3中給出的4種燃料顆粒物數(shù)量分布對(duì)比可知，燃用甲醇汽油時(shí)，被ELPI第1、2兩級(jí)(中位直徑21-39 nm)以及第8-12級(jí)(中位直徑0.766-6.317 μm)捕獲的顆粒物數(shù)量明顯多于汽油，這是造成甲醇汽油顆粒物數(shù)量濃度相對(duì)偏高的根本原因.該現(xiàn)象還表明，隨著甲醇汽油中甲醇比例的升高，直噴汽油機(jī)生成核態(tài)顆粒物的趨勢(shì)增強(qiáng).與此同時(shí)，由于甲醇的分子結(jié)構(gòu)中只含有C-O鍵而沒有C-C鍵，在燃燒過程中缸內(nèi)PAHs的合成途徑受到抑制，進(jìn)而使得凝聚態(tài)顆粒物的生成量減少，這與圖3中ELPI第3-7級(jí)中顆粒物數(shù)量隨燃料中甲醇比例的增加而減少的規(guī)律一致.

此外，對(duì)于ELPI第8-12級(jí)中較大顆粒數(shù)量增加的現(xiàn)象，一個(gè)可能的原因是隨著甲醇比例的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中所含的水分增加，鑒于研究在測(cè)量顆粒物數(shù)量濃度時(shí)采用了冷稀釋的采樣方法，即排氣樣本在CVS稀釋通道后不經(jīng)加熱直接進(jìn)入ELPI分析，排氣中所含的部分水分可能會(huì)在稀釋通道內(nèi)凝結(jié)并形成帶電小液滴，這些小液滴一旦進(jìn)入各級(jí)后也會(huì)被當(dāng)作顆粒物計(jì)數(shù)，進(jìn)而引起較大顆粒的數(shù)量增加.并且，這一現(xiàn)象將隨著燃油中甲醇比例的增加而加劇.不過，水分并不會(huì)對(duì)前述的質(zhì)量量排放造成影響.

圖3 燃用不同比例甲醇汽油時(shí)的顆粒物數(shù)量分布

3 結(jié) 論

對(duì)一臺(tái)大眾帕薩特轎車在使用市售93#國(guó)IV汽油及以其為母油配制的M15、M25、M40三種甲醇汽油時(shí)顆粒物排放進(jìn)行了測(cè)量，以研究不同比例甲醇汽油對(duì)裝備有直噴汽油機(jī)車輛的顆粒物質(zhì)量和數(shù)量排放的影響.結(jié)果表明：

1)顆粒物質(zhì)量排放隨著燃料中甲醇比例的增加而呈明顯下降趨勢(shì).相比燃用市售汽油時(shí)，燃用M15、M25和M40三種甲醇汽油時(shí)的顆粒物質(zhì)量分別減少了33.2%、36.5%和40.2%.

2)顆粒物數(shù)量排放隨燃料中甲醇比例的增加而增加，燃用M15、M25和M40三種甲醇汽油時(shí)的顆粒物數(shù)量相比汽油分別增加了14.4%、15.7%和23.6%.

3)隨著甲醇汽油中甲醇比例的增加，核態(tài)顆粒的生成趨勢(shì)增加而形成凝聚態(tài)顆粒的趨勢(shì)減弱.

4)與目前的排放法規(guī)限值相比，現(xiàn)有技術(shù)直噴汽油車已經(jīng)可以滿足其中對(duì)顆粒物質(zhì)量的要求，但值得注意的是，在顆粒物數(shù)量上，未裝備顆粒捕集器的直噴汽油車大大超出了歐盟6×1011#/km的限值.這表明，直噴汽油機(jī)的顆粒物數(shù)量仍將是未來排放法規(guī)的重點(diǎn)控制對(duì)象.

[1] Liang B, Ge Y, Tan J, et al. Comparison of PM emissions from a gasoline direct injected (GDI) vehicle and a port fuel injected (PFI) vehicle measured by electrical low pressure impactor (ELPI) with two fuels: Gasoline and M15 methanol gasoline[J]. Journal of Aerosol Science,2013,57(3):22-31.

[2] Agarwal A K, Karare H, Dhar A. Combustion, performance, emissions and particulate characterization of a methanol-gasoline blend (gasohol) fuelled medium duty spark ignition transportation engine[J]. Fuel Processing Technology,2014,121(5):16-24.

[3] 李 翔, 裴毅強(qiáng), 秦 靜, 等. GDI發(fā)動(dòng)機(jī)燃用甲醇及甲醇汽油混合燃料的微粒排放特征研究[J/OL]. 內(nèi)燃機(jī)工程, http://www.cnki.net/kcms/detail/31.1255.TK.20130521.1419.002.html

[4] GB 18352.3-2005 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第III、IV階段)[S].

[5] John B. Heywood. Internal Combustion Engine Fundamentals[M]. New York:McGraw-Hill, 1988.

[6] 蔣德明, 黃佐華. 內(nèi)燃機(jī)替代燃料燃燒學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社,2007

Characteristics of Particulate Matter from a GDI-powered Passenger Car Fuelled with Methanol/gasoline Blends

DING Yan, YIN Hang, WANG Jun-fang, WANG Hong-li,QIAN Li-yun, WANG Lu-xin

(Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012 ,China)

In order to evaluate the effects of methanol addition on the particulate matter (PM) emissions of a GDI-powered vehicle, its PM and particulate number (PN) were measured of a 1.8TSI Passat, Volkswagen, fuelled with the conventional gasoline and three kinds of methanol/gasoline blends (M15, M25, M40) over New European Driving Cycle respectively. It was found that the PM formation was restricted while the PN increased by intensifying methanol content in the blends. Compared to fuel with gasoline, the quality of the particles fueled with M25, M40 and M15 decreased by 33.2%, 36.5% and 40.2%, but the number of the particles increased respectively 14.4%, 15.7% and 23.6%.

Methanol/gasoline blends; GDI; Particulate matter

1009-4687(2014)04-0054-04

2014-06-24

丁 焰(1974-)，男，副研究員，研究方向?yàn)闄C(jī)動(dòng)車污染防治.

TK418.9

A