基于道路類型的國(guó)Ⅳ天然氣公交車微粒排放特性

樓狄明，成 偉，馮 謙，譚丕強(qiáng)，胡志遠(yuǎn)

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

機(jī)動(dòng)車作為石油資源的主要消費(fèi)者，其排氣是大氣污染的重要來源之一［1］。隨著世界范圍內(nèi)的能源短缺和環(huán)境污染問題不斷加劇，世界各國(guó)都相繼出臺(tái)了日益嚴(yán)格的排放法規(guī)［2］，節(jié)能減排逐漸成為汽車和發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，發(fā)展車用替代燃料技術(shù)［3－4］越來越受到重視。

壓縮天然氣（CNG）是經(jīng)加壓并以氣態(tài)儲(chǔ)存在容器中的天然氣，其主要成分是甲烷（CH4），作為替代燃料具有如下優(yōu)點(diǎn)：成分單一，不含硫、苯、烯烴等有害成分，排氣中無多環(huán)芳香烴（PAHs），排氣微粒毒性低；辛烷值高，抗爆性好；燃燒溫度低，利于降低NOx排放［5］；作為氣體燃料，易與空氣均勻混合，利于充分燃燒，排氣污染低。同時(shí)，天然氣資源豐富、價(jià)格便宜，是最為理想的車用替代燃料之一。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CNG發(fā)動(dòng)機(jī)微粒排放特性的研究已經(jīng)取得一定的成果，Z.D.Ristovski［6］等、Kris Quillen［7］等、周磊［8］等都對(duì) CNG 發(fā)動(dòng)機(jī)微粒數(shù)量、質(zhì)量排放特性及其粒徑分布等進(jìn)行了研究，但主要集中于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方面。而機(jī)動(dòng)車實(shí)際道路排放受行駛工況和交通狀況的影響較大［9－11］，為真實(shí)、可靠地反映車輛在實(shí)際道路上的排放狀況，近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)CNG車輛實(shí)際道路微粒排放進(jìn)行了研究［12－14］，但少見有針對(duì)不同道路類型進(jìn)行的微粒排放研究。本研究綜合考慮了道路類型和車流量的影響，采用車載便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）對(duì)1輛滿足國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的CNG公交車實(shí)際道路運(yùn)行時(shí)的微粒數(shù)量、質(zhì)量排放以及粒徑分布進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)車輛選取的是1輛滿足國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的CNG公交車，車輛的主要參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用公交車基本參數(shù)

1.2 微粒測(cè)試儀器

本研究采用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣微粒粒徑分析儀（EEPS 3090），該儀器可快速測(cè)取發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)工況的排氣微粒數(shù)量及粒徑分布，可測(cè)量的粒徑范圍為5.6～560nm，采樣和分析頻率高，0.1s內(nèi)即可測(cè)取一個(gè)完整的微粒數(shù)量濃度和粒徑分布圖譜，同步輸出32個(gè)數(shù)據(jù)通道的微粒數(shù)量濃度和粒徑分布數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)中，從CNG公交車尾氣中抽取的樣氣經(jīng)過兩級(jí)稀釋后進(jìn)入測(cè)試設(shè)備，總稀釋比為500∶1。第1級(jí)稀釋系統(tǒng)采用TSI公司的專用旋轉(zhuǎn)盤稀釋器，為防止在稀釋過程中高溫排氣遇冷空氣微粒發(fā)生沉積或聚集而影響測(cè)試結(jié)果，稀釋空氣進(jìn)入稀釋器前經(jīng)80℃恒溫加熱，稀釋比為200∶1；第2級(jí)稀釋采用一個(gè)流量計(jì)對(duì)進(jìn)氣流量進(jìn)行補(bǔ)償，并同時(shí)進(jìn)行稀釋，稀釋比為2.5∶1。

1.3 試驗(yàn)方案

車輛在不同類型道路上行駛時(shí)，排放差別很大，本試驗(yàn)選擇的路線覆蓋了上海公交車在市區(qū)行駛的典型道路類型，路線全程共22km，其中主干道10km，次干道6km，快速路6km，分別占總里程的46%，27%和27%。另外，為了對(duì)比CNG公交車在不同車流量時(shí)的微粒排放特性，試驗(yàn)分別在2個(gè)時(shí)間段進(jìn)行：第1次試驗(yàn)在早晨7：30至10：00，該時(shí)間段道路擁堵，定義為“高峰”；第2次試驗(yàn)在中午11：00至12：30，該時(shí)間段道路暢通，定義為“平峰”。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 運(yùn)行工況分析

結(jié)合道路試驗(yàn)結(jié)果，分析了CNG公交車在不同道路類型和不同車流量下的微粒排放特性。表2和表3分別列出高峰、平峰時(shí)段試驗(yàn)公交車在3種不同道路類型下的行駛工況。

表2 高峰時(shí)段不同道路類型下的行駛工況

表3 平峰時(shí)段不同道路類型下的行駛工況

由表2和表3可見：1）在高峰和平峰時(shí)段，CNG公交車在主干道、次干道和快速路上的平均車速均低于其設(shè)計(jì)行駛車速，其在主干道上的平均車速最 低，高 峰、平 峰時(shí) 段 分 別 為5.9km／h和15.2km／h，在快速路上的平均車速最高，高峰、平峰時(shí)分別為34.7km／h和49.2km／h；2）CNG公交車在次干道上的平均加速度和減速度均為最大，這是因?yàn)檐囕v在次干道上的車速比主干道高，但由于道路寬度較窄，并較多地受交通信號(hào)燈、機(jī)動(dòng)車和行人的影響，加減速比例都較高，且加速度和減速度較大；3）CNG公交車在主干道、次干道、快速路上的怠速比例依次降低，勻速比例依次升高；4）平峰時(shí)，CNG公交車在3種不同道路類型下以及全程的平均車速、平均加速度、平均減速度基本均高于高峰時(shí)段。

2.2 微粒排放因子

微粒按照其粒徑大小，通?？梢苑譃楹藨B(tài)微粒和聚集態(tài)微粒。一般將動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑Dp在5～50nm范圍內(nèi)的微粒稱為核態(tài)微粒，主要與排氣可溶有機(jī)組分（SOF）、硫化物等有關(guān)，可能也含部分固體炭煙微粒和金屬化合物。此部分微粒占柴油機(jī)排放微粒質(zhì)量總量的1%～20%，但占數(shù)量總量的90%以上。Dp在50～500nm范圍內(nèi)的微粒稱為聚集態(tài)微粒，主要由固體炭煙微粒及其吸附物質(zhì)組成［13－15］。本研究將Dp＜50nm 的微粒稱為核態(tài)微粒，Dp＞50nm的微粒稱為聚集態(tài)微粒。

汽油機(jī)、CNG發(fā)動(dòng)機(jī)等點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的微粒形成機(jī)理和排放特性與柴油機(jī)有很大差別。據(jù)文獻(xiàn)［6］報(bào)道，CNG發(fā)動(dòng)機(jī)排放的微粒中位數(shù)直徑在不同負(fù)荷下基本均在0.020～0.060μm，主要為核態(tài)微粒；文獻(xiàn)［7］的結(jié)果顯示，CNG發(fā)動(dòng)機(jī)排放的微粒幾何平均粒徑約為30nm，并認(rèn)為直徑為300nm以上的大微粒主要是由機(jī)油燃燒所產(chǎn)生，且對(duì)整個(gè)微粒質(zhì)量排放貢獻(xiàn)很大；文獻(xiàn)［13］顯示，Dp＜40nm的微粒占總微粒數(shù)的50%～60%，Dp＜70nm的微粒占80%～90%，且認(rèn)為天然氣車排放的微粒成核模式的微粒比例很大，主要是發(fā)動(dòng)機(jī)排氣在稀釋和冷卻過程中形成的，由金屬化合物、半揮發(fā)性有機(jī)物及硫化物組成。

在不同道路類型下公交車及其發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況受道路狀況、交通狀況等因素的影響，微粒排放水平相差很大。圖1分別示出CNG公交車在高峰、平峰時(shí)排氣微粒數(shù)量（PN）和微粒質(zhì)量（PM）隨道路類型的變化關(guān)系。

由圖1a可見，在高峰、平峰時(shí)段，CNG公交車在不同道路類型下的微粒數(shù)量排放因子規(guī)律相同，均為次干道最高，主干道次之，快速路最低，且車輛在主干道和次干道上的PN排放因子相差不大，快速路降幅較大。高峰時(shí)公交車在主干道和次干道上的PN排放因子較快速路分別高57.9%和64.9%；平峰時(shí)則較快速路分別高36.1%和50.4%。圖1b中，高峰時(shí)段，CNG公交車在主干道、次干道和快速路上的微粒質(zhì)量排放因子依次降低，其中快速路降幅較大，主干道和次干道相差不大，較快速路分別高90.3%和82.5%。平峰時(shí)段，公交車在次干道上的PM排放因子最高，主干道次之，快速路最低，且降幅較大，主干道和次干道上的PM排放因子分別是快速路的2.02倍和2.19倍。這是因?yàn)橐环矫嫦啾绕渌麅煞N道路類型，快速路上交叉路口及行人和非機(jī)動(dòng)車干擾較少，道路通暢，公交車平均速度顯著高于其他兩種道路類型，行駛相同里程所需要的時(shí)間較少，單位里程所排放出來的微粒數(shù)量較少，因此快速路上PN和PM排放因子明顯低于其他兩種道路類型；另一方面，由于道路通暢，所受干擾較少，公交車不需頻繁啟停，因而發(fā)動(dòng)機(jī)也不需經(jīng)常處于怠速、加速和減速的工況，轉(zhuǎn)速和輸出功率都較穩(wěn)定，運(yùn)行工況良好，缸內(nèi)燃燒狀況較好，減少了微粒的排放，尤其是減少了聚集態(tài)微粒的排放，因?yàn)榫奂瘧B(tài)微粒在微粒質(zhì)量上貢獻(xiàn)率較大，所以CNG公交車在快速路上PM排放降低更為顯著。

2.3 微粒數(shù)量濃度粒徑分布

對(duì)不同道路類型下公交車排氣各粒徑通道下的微粒數(shù)量濃度分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，即得不同道路類型下排氣微粒對(duì)數(shù)數(shù)量濃度［dN／d（log Dp）］粒徑分布 （見圖 2）。微粒對(duì)數(shù)數(shù)量濃度［dN／d（log Dp）］表示每個(gè)粒徑段范圍內(nèi)的數(shù)量濃度，dN為每個(gè)粒徑段內(nèi)的總數(shù)量濃度，d（log Dp）為對(duì)數(shù)化的粒徑范圍區(qū)間。

由圖2可見，CNG公交車在3種不同道路類型下行駛時(shí)，微粒數(shù)量濃度均呈較為明顯的多峰對(duì)數(shù)分布，且高峰、平峰時(shí)段排氣微粒數(shù)量濃度粒徑分布規(guī)律呈現(xiàn)良好的一致性。在3種不同道路類型下，CNG公交車排氣中核態(tài)范圍內(nèi)微粒數(shù)量濃度均在約10nm處達(dá)到峰值，這也是所用微粒粒徑分析儀EEPS 3090所能測(cè)得的整個(gè)微粒粒徑范圍內(nèi)的微粒數(shù)量濃度峰值。在主干道和次干道上，高峰、平峰時(shí)段排氣微粒數(shù)量濃度在核態(tài)范圍和聚集態(tài)范圍內(nèi)均相差不大；在快速路上，高峰時(shí)段排氣中50nm以下的核態(tài)范圍內(nèi)的微粒數(shù)量濃度顯著高于平峰時(shí)，50nm以上的聚集態(tài)范圍內(nèi)的微粒數(shù)量濃度基本相當(dāng)，相差很小。圖3示出高峰、平峰時(shí)段CNG公交車在3種不同道路類型下以及試驗(yàn)全程的總微粒、核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒數(shù)量濃度。

由圖3可見，高峰、平峰時(shí)段，CNG公交車在主干道、次干道和快速路上的排氣總微粒、核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒數(shù)量濃度均依次遞增。公交車在3種不同道路類型下排氣中核態(tài)微粒在總微粒數(shù)量中均占大部分比例，且其比例依次增大，高峰時(shí)其比例分別為81.2%，87.2%和91.8%，平峰時(shí)其比例分別為82.5%，87.1%和87.2%。這是因?yàn)槿加肅NG時(shí)，一方面，CNG燃燒速度較慢，缸內(nèi)最高燃燒溫度較低；另一方面，因?yàn)镃NG為短鏈烷烴，且不含苯、芳香烴類物質(zhì)，不會(huì)因長(zhǎng)鏈碳?xì)潆y以裂解而形成炭煙微粒，同時(shí)CNG作為氣體燃料，進(jìn)氣時(shí)易于與同為氣體的空氣均勻混合，有利于混合氣充分燃燒，聚集態(tài)微粒的形成很少，因此CNG公交車排氣微粒中聚集態(tài)微粒較少，核態(tài)微粒占主要比例，主要由金屬化合物、半揮發(fā)性有機(jī)物以及硫化物組成。此外，就整個(gè)試驗(yàn)路段而言，微粒數(shù)量濃度分布也呈現(xiàn)出一致的規(guī)律，高峰、平峰時(shí)段核態(tài)微粒占總微粒數(shù)量的比例分別為85.1%和85.0%。

2.4 車流量對(duì)全程微粒排放的影響

為直觀地了解CNG公交車在實(shí)際道路上的微粒排放以及車流量對(duì)CNG公交車微粒排放的影響，將高峰、平峰時(shí)段全程微粒排放率和排放因子進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表4。

表4 高峰、平峰時(shí)段全程微粒排放率及排放因子

由表4可見，平峰時(shí)段CNG公交車全程PN和PM排放率均顯著高于高峰時(shí)段，分別比高峰時(shí)高26.3%和62.8%；平峰時(shí)段CNG公交車全程PN和PM排放因子均明顯低于高峰時(shí)段，分別比高峰時(shí)低32.2%和12.6%。這是因?yàn)橄鄬?duì)于高峰時(shí)段，平峰時(shí)段各道路類型上的車流量都較小，道路相對(duì)通暢，車輛處于怠速或低速工況的時(shí)間較少，在3種不同道路類型下以及試驗(yàn)全程的平均車速均高于高峰。隨著車速的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷均上升，循環(huán)噴氣量增加，單位時(shí)間噴入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的CNG量增多，混合氣不再保持當(dāng)量空燃比，可能導(dǎo)致某些揮發(fā)性有機(jī)物排放的升高［13］，微粒排放也相應(yīng)增多，所以平峰時(shí)PN和PM排放率較高峰時(shí)都高。但行駛相同的試驗(yàn)路線，車輛在平峰時(shí)段僅需約1.2h，遠(yuǎn)低于高峰時(shí)段的2.5h，所以平峰時(shí)微粒排放因子反而較低。從排放控制的角度看，應(yīng)該合理地規(guī)避或錯(cuò)開高峰，保證車輛行駛順暢，減少車輛在怠速或低速工況的運(yùn)行，避免急加速、急減速，是減少污染物排放的有效途徑之一。

3 結(jié)論

a）高峰、平峰時(shí)段，CNG公交車在主干道和次干道上的微粒數(shù)量和質(zhì)量排放因子均相差不大，并均顯著高于快速路；

b）3種不同道路類型下，高峰時(shí)CNG公交車PN和PM排放因子均明顯高于平峰；

c）3種不同道路類型下，CNG公交車排氣微粒數(shù)量濃度均呈多峰對(duì)數(shù)分布，且高峰、平峰時(shí)呈現(xiàn)良好的一致性；微粒數(shù)量濃度均在約10nm處達(dá)到峰值；

d）公交車在主干道、次干道和快速路上的排氣總微粒、核態(tài)微粒和聚集態(tài)微粒數(shù)量濃度均依次遞增，且核態(tài)微粒在總微粒數(shù)量中均占大部分比例；

e）就CNG公交車全程微粒排放水平來看，平峰時(shí)段PN和PM排放率均顯著高于高峰，分別比高峰時(shí)高26.3%和62.8%；排放因子均明顯低于高峰，分別比高峰時(shí)低32.2%和12.6%。

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