輕型CNG車顆粒物排放特性研究

曹磊， 王振寵， 郭紅松

(中國汽車技術(shù)研究中心， 天津 300300)

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輕型CNG車顆粒物排放特性研究

曹磊， 王振寵， 郭紅松

(中國汽車技術(shù)研究中心， 天津 300300)

對同一臺輕型兩用燃料(CNG和汽油)車使用同一批次基準(zhǔn)天然氣和基準(zhǔn)汽油，在底盤測功機(jī)上進(jìn)行NEDC，F(xiàn)TP75和WLTC循環(huán)對比試驗(yàn)，使用CVS定容取樣系統(tǒng)和ELPI設(shè)備分析顆粒物等排放。研究發(fā)現(xiàn)：3種循環(huán)中，試驗(yàn)車輛燃用CNG和汽油，排放顆粒物在Dp=40nm和Dp=330 nm附近均出現(xiàn)峰值，Dp=40nm處汽油峰值遠(yuǎn)高于CNG，Dp=330 nm處CNG峰值略高于汽油；CNG的PN和PM的排放率隨車速的升高而增大，在較低的勻速工況下增長幅度較小，高速工況下增長幅度較大；CNG在NEDC循環(huán)中排放的核態(tài)和聚集態(tài)顆粒物各占50%左右，F(xiàn)TP75和WLTC循環(huán)中排放的聚集態(tài)顆粒物占比高于NEDC；CNG在NEDC循環(huán)中單位里程顆粒數(shù)和顆粒總數(shù)最多，F(xiàn)TP75和WLTC循環(huán)中單位里程顆粒數(shù)基本相同；WLTC循環(huán)中排放的顆粒物質(zhì)量總量最多，F(xiàn)TP75和NEDC循環(huán)中排放的顆粒物質(zhì)量總量基本相同；FTP75和WLTC循環(huán)中單位里程排放的顆粒物質(zhì)量基本相同，約為NEDC循環(huán)的2倍。

壓縮天然氣； 顆粒； 粒徑分布； 排放測量

汽車采用天然氣作為替代燃料，在具備低廉價格的同時，也可降低排放，抑制溫室效應(yīng)，降低對石油的依賴度。且由于天然氣成分比較單一，燃用天然氣不會大量產(chǎn)生硫、鉛、苯這些有毒有害的物質(zhì)。目前，輕型雙燃料(汽油和壓縮天然氣CNG)車和輕型單燃料天然氣車的市場保有量仍然比較小，但是隨著各地政府的推廣，在有些地區(qū)出租車市場上雙燃料車和改裝天然氣車比例已經(jīng)非常高，加之出租車每年運(yùn)行里程一般為普通家用車的4倍至8倍，且雙燃料車使用過程中基本都是以天然氣為主要燃料運(yùn)行，使得輕型天然氣車污染物排放已經(jīng)不容忽視。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對CNG 發(fā)動機(jī)顆粒物排放特性已經(jīng)進(jìn)行了一些研究，Ristovski 等[1]、Quillen 等[2]都對CNG發(fā)動機(jī)顆粒物數(shù)量、質(zhì)量排放特性及其粒徑分布等進(jìn)行了研究，但主要集中于臺架試驗(yàn)方面，在輕型氣體機(jī)的整車試驗(yàn)方面鮮有研究。由于不同的行駛工況對整車顆粒物排放的影響較大[3-5]，基于此，為了研究循環(huán)對輕型氣體機(jī)的顆粒物排放影響，本研究基于ELPI(Electrical Low Pressure Impactor)和底盤測功機(jī)、CVS等設(shè)備，對整車在不同駕駛循環(huán)下的顆粒物排放特性開展了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

在底盤測功機(jī)上模擬道路行駛工況進(jìn)行車輛磨合和排放試驗(yàn)，顆粒物測試設(shè)備使用DEKATI電子低壓沖擊儀ELPI，底盤測功機(jī)為AVL48″，CVS取樣系統(tǒng)為HORIBA CVS-7400T，微克天平為Sartorius SE2-F。

ELPI具有測量粒徑范圍廣、響應(yīng)快、可以實(shí)時測量等優(yōu)點(diǎn)，在各行駛工況下該儀器可以同時測量12個粒徑范圍內(nèi)氣溶膠的質(zhì)量和數(shù)量，二級總稀釋比為64(8×8)∶1，一級為熱稀釋，稀釋空氣溫度設(shè)為200±10 ℃；二級為冷稀釋，稀釋氣體為過濾后的環(huán)境壓縮空氣。其結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)選取1臺兩用燃料(CNG和汽油)輕型車，里程在3 000 km左右，標(biāo)記為G&N。后處理系統(tǒng)均為2級三效氧化還原型，其他主要參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)車輛參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案

首先將試驗(yàn)車G&N使用基準(zhǔn)汽油磨合3 000 km，使用基準(zhǔn)天然氣磨合300 km(磨合循環(huán)使用SRC[6]循環(huán))，然后將該車在燃用汽油和CNG的狀態(tài)下進(jìn)行排放試驗(yàn)：1) 根據(jù)GB 18352.5《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》中Ⅰ型試驗(yàn)要求進(jìn)行排放試驗(yàn)，試驗(yàn)循環(huán)為NEDC循環(huán)；2) 根據(jù)EPA 40 《Control of Air Pollution From Motor Vehicles：Tier 3 Motor Vehicle Emission and Fuel Standards；Proposed Rule》中試驗(yàn)要求進(jìn)行排放試驗(yàn)，試驗(yàn)循環(huán)為FTP75循環(huán)；3) 根據(jù)歐盟將要在2017年實(shí)施的WLTP(World Light Vehicle Test Procedure)新體系的測試規(guī)程進(jìn)行排放試驗(yàn)，試驗(yàn)循環(huán)為WLTC循環(huán)。在3種循環(huán)下試驗(yàn)車輛底盤測功機(jī)加載一致，并在車輛2級后處理器后端打孔，進(jìn)行排氣取樣和顆粒排放測量。

為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，以上所有試驗(yàn)均進(jìn)行3次，下文討論的試驗(yàn)結(jié)果均取3次結(jié)果的算術(shù)平均值。

1.4 循環(huán)工況介紹

本研究選用的測試循環(huán)為NEDC，F(xiàn)TP75和WLTC(見圖2)，它們的循環(huán)特性見表2。相對于NEDC，F(xiàn)TP75 速率變化更加頻繁、劇烈；相對于FTP75，WLTC 最高車速和平均速度均有明顯增加。

圖2 NEDC,FTP75,WLTC循環(huán)曲線

循環(huán)周期/s行駛里程/km平均時速/km·h-1最高車速/km·h-1NEDC118011.0133.6120.0WLTC180023.2746.5131.3FTP75187417.8634.291.2

1.5 試驗(yàn)用燃料

本研究采用基準(zhǔn)汽油和基準(zhǔn)天然氣燃料，其主要參數(shù)見表3和表4。

表3 試驗(yàn)用基準(zhǔn)汽油理化參數(shù)

表4 試驗(yàn)用基準(zhǔn)天然氣理化參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 CNG顆粒物粒徑分布特性

2.1.1 顆粒物粒徑分布和瞬態(tài)響應(yīng)

顆粒物以生成機(jī)理分類,可以分為核態(tài)顆粒、聚集態(tài)顆粒和粗粒子核態(tài)顆粒。粒徑Dp(diameterofparticles)在5～50nm范圍內(nèi)的顆粒被稱為核態(tài)顆粒，核態(tài)顆粒一般是由缸內(nèi)燃燒過程的未完全燃燒碳核、揮發(fā)性碳?xì)?、含硫化合物以及部分金屬化合物組成的。Dp在50～1 000 nm范圍內(nèi)的顆粒物被稱為聚集態(tài)顆粒，主要來自燃油嚴(yán)重不完全燃燒形成的碳質(zhì)初生核態(tài)粒子，核態(tài)粒子繼續(xù)集聚成團(tuán)并在表面吸附了一些半揮發(fā)性物質(zhì)形成了聚集態(tài)微粒。Dp大于 1 000nm的顆粒物被稱為粗粒子核態(tài)顆粒，一般是被氣流帶出的燃燒室內(nèi)積炭,占比不多，本研究不予討論。核態(tài)顆粒物一般占柴油機(jī)排放微粒質(zhì)量總量的1%～20%。占數(shù)量總量90%以上的是Dp在50～500 nm范圍的聚集態(tài)顆粒，主要由固體炭煙顆粒及其吸附物質(zhì)組成[7-9]。

燃用CNG和汽油的點(diǎn)燃式發(fā)動機(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)[1]報(bào)道,CNG發(fā)動機(jī)排放的顆粒中位數(shù)直徑在不同負(fù)荷下基本均在20～60 nm，主要為核態(tài)微粒；文獻(xiàn)[2]的結(jié)果顯示CNG發(fā)動機(jī)排放的顆粒幾何平均粒徑約為30 nm，并認(rèn)為直徑為300 nm以上的大顆粒主要是由潤滑油燃燒所產(chǎn)生，且對整個顆粒質(zhì)量排放貢獻(xiàn)很大；文獻(xiàn)[8]顯示Dp<40nm的顆粒占總微粒數(shù)的50%～60%，Dp<70 nm的顆粒占80%～90%，且認(rèn)為CNG車排放的顆粒中核態(tài)顆粒比例很大，主要是發(fā)動機(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NEDC，F(xiàn)TP75和WLTC循環(huán)中G&N排放的顆粒物粒徑分布見圖3至圖5。從圖3至圖5中可以看出，在3種循環(huán)中G&N使用兩種燃料排放的顆粒物數(shù)量濃度在Dp為40nm和330nm左右都出現(xiàn)了峰值。其原因可能是在車輛冷起動階段，無論使用哪種燃料，車輛為了正常起動，混合氣加濃，混合不充分難以形成均質(zhì)混合氣，燃燒較差，產(chǎn)生較多碳?xì)浠衔?，同時催化器并未達(dá)到起燃溫度，碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化效率低，增加了形成核態(tài)顆粒的趨勢；另一方面，在加速的過程中，兩種燃料混合氣空加濃，處于缺氧狀態(tài)，使得燃燒不完全，增加了產(chǎn)生soot(炭黑)的趨勢，使得聚集態(tài)顆粒物增多。

以NEDC循環(huán)為例，將圖3中G&N使用CNG時ELPI測得的CH1(ELPI第一級，顆粒物粒徑Dp=40nm)和CH5(ELPI第一級，顆粒物粒徑Dp=330nm)顆粒數(shù)單獨(dú)抽取出來，這兩個粒徑的顆粒物濃度隨NEDC循環(huán)時間和速度瞬態(tài)排放的曲線見圖6。

圖3 G&N使用CNG和汽油在NEDC中的粒徑分布

圖4 G&N使用CNG和汽油在FTP75中的粒徑分布

圖5 G&N使用CNG和汽油在WLTC中的粒徑分布

圖6 燃用CNG時40，330 nm粒徑顆粒物瞬態(tài)排放

從圖6中可以看出，CNG在冷起動階段Dp=40nm的顆粒物出現(xiàn)了較高的峰值，在高速的加速階段Dp=330 nm的顆粒物出現(xiàn)了較高的峰值，這種現(xiàn)象也與前面所述現(xiàn)象是一致的。

從圖3至圖5中還可以看出，試驗(yàn)車輛在3種循環(huán)中燃用汽油的顆粒數(shù)濃度在Dp=40nm處的峰值遠(yuǎn)高于燃用CNG，在Dp=330 nm處的峰值燃用CNG略高于燃用汽油。這可能是由于，同一輛車使用CNG作為燃料時，相對于汽油而言，CNG為氣體燃料，易與空氣均勻混合，利于充分燃燒，起動階段較汽油燃燒更充分，產(chǎn)生顆粒少，對核態(tài)顆粒物濃度貢獻(xiàn)減少，且CNG中不含金屬元素、硫、苯、烯烴等物質(zhì)，排放的顆粒中核態(tài)顆粒物SOF、硫化物和金屬化合物明顯少于汽油，故3種循環(huán)中在40 nm處的峰值燃用CNG遠(yuǎn)低于燃用汽油。此外，CNG與空氣的混合氣熱值較汽油低且充量系數(shù)小，燃用CNG時，汽油-CNG兩用燃料發(fā)動機(jī)動力性能下降12%～16%[10]，在同樣的加速工況下需要較大功率時，CNG混合氣單位體積熱值低于汽油混合氣，為了獲得同樣的動力性，需要噴射更多的CNG，導(dǎo)致催化器處的排氣空速增加，后處理效率下降，使得某些揮發(fā)性有機(jī)物的排放升高，形成新的顆粒物。另一方面，文獻(xiàn)[2]認(rèn)為CNG發(fā)動機(jī)排放的顆粒物中直徑為300 nm以上的大顆粒主要是由潤滑油燃燒所產(chǎn)生，在3種循環(huán)中使用CNG時在330 nm處的峰值也可能與此有關(guān)，但導(dǎo)致使用CNG時的峰值略高于汽油的原因需要后續(xù)研究。

以CNG為燃料時，NEDC循環(huán)中兩個峰值高度基本相同，核態(tài)和聚集態(tài)顆粒物各占總顆粒數(shù)的50%左右；在FTP75和WLTC循環(huán)中，顆粒物濃度在顆粒物粒徑300 nm處的峰值高于40 nm處的峰值，聚集態(tài)顆粒占總顆粒數(shù)的70%以上。這可能是由于FTP75和WLTC循環(huán)相對于NEDC循環(huán)，包含了更多的加速工況(見圖2)，使得排放的顆粒物中聚集態(tài)顆粒物占比更多。

2.1.2 不同車速下顆粒物粒徑分布

為了研究燃用CNG在不同車速下顆粒物粒徑分布規(guī)律，選擇NEDC循環(huán)的勻速段顆粒物排放結(jié)果進(jìn)行分析。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定，怠速工況選擇ECE和EUDC間的怠速段，低速和中速工況選擇ECE最后一個循環(huán)中32 km/h和70 km/h的勻速段，高速工況選擇EUDC的120 km/h勻速段。

圖7示出怠速、低速、中速和高速工況下總顆粒數(shù)濃度、核態(tài)顆粒數(shù)濃度和聚集態(tài)顆粒數(shù)濃度。從圖7可看出，G&N在燃用CNG時，4個車速工況下的總顆粒數(shù)濃度、核態(tài)顆粒數(shù)濃度和聚集態(tài)顆粒數(shù)濃度均呈上升趨勢，在高速工況下，聚集態(tài)顆粒數(shù)濃度和總顆粒數(shù)濃度上升較為明顯，說明在怠速、低速和中速工況下，核態(tài)顆粒數(shù)和聚集態(tài)顆粒數(shù)在總顆粒數(shù)中比例大致相同，在高速工況下，聚集態(tài)顆粒數(shù)占比升高。

圖7 不同速度下顆粒物濃度

2.2 CNG顆粒物的數(shù)量和質(zhì)量排放特性

2.2.1 不同循環(huán)顆粒物排放特性

在NEDC，F(xiàn)TP75和WLTC循環(huán)中，G&N燃用CNG時的顆粒物數(shù)量(PN)和顆粒物質(zhì)量(PM)的結(jié)果見表5。從表5可以看出，NEDC循環(huán)的顆粒總數(shù)和單位里程的顆粒數(shù)最多，比其他兩個循環(huán)約高出一個數(shù)量級，F(xiàn)TP75和WLTC循環(huán)單位里程的顆粒數(shù)基本相同。WLTC循環(huán)排放的顆粒物質(zhì)量最多，F(xiàn)TP75和NEDC循環(huán)排放的顆粒物質(zhì)量總量較為接近；FTP75和WLTC循環(huán)單位里程排放的顆粒物質(zhì)量基本相同，約為NEDC的2倍。

表5 G&N顆粒物排放的PN和PM

這一結(jié)果與圖3至圖5所示3種循環(huán)中燃用CNG時的顆粒物粒徑分布是一致的，由于FP75和WLTC循環(huán)與NEDC循環(huán)相比聚集態(tài)顆粒物占比更高，雖然平均單位里程的顆粒數(shù)少于NEDC，但是單位里程的顆粒物質(zhì)量較高。

為了進(jìn)一步研究燃用CNG時的顆粒物PN和PM在不同循環(huán)的瞬態(tài)響應(yīng)，對ELPI采集的PN和PM的秒采數(shù)據(jù)隨速度、時間的響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行分析(見圖8至圖10)。

從圖8至圖10可以看出，PN和PM與車速均有良好的對應(yīng)關(guān)系?？傮w來看，在冷起動階段PN的排放率均較高；當(dāng)試驗(yàn)車輛車速較低時，PN和PM的排放率較低；車輛加速時，PN和PM的排放率有增加的趨勢，在急加速時還會出現(xiàn)峰值；減速時，PN和PM排放率均較低。另外，從圖中還可見，當(dāng)試驗(yàn)車輛連續(xù)加速或減速時，PN和PM排放率的變化較為劇烈，這可能是因?yàn)榧訙p速過程中，轉(zhuǎn)速和輸出功率都不穩(wěn)定，在較復(fù)雜的工況下，缸內(nèi)燃燒狀況較差，增加了顆粒物排放，尤其是聚集態(tài)顆粒物的排放，使得PM和PN的曲線產(chǎn)生了一些振蕩的峰值。同時，發(fā)動機(jī)工況變化劇烈時瞬時排氣流量和壓力變化較大且較快，再經(jīng)過一定長度的排放系統(tǒng)和消聲器的影響，采樣設(shè)備的采樣處氣流變化較為劇烈。

圖8 NEDC中PN和PM的瞬態(tài)響應(yīng)

圖9 FTP75中PN和PM的瞬態(tài)響應(yīng)

圖10 WLTC中PN和PM的瞬態(tài)響應(yīng)

2.2.2 不同車速下顆粒物排放特性

為了研究不同車速下的顆粒物PN和PM的排放特性，選取圖7中4個工況下的PN和PM排放結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見圖11。 從圖11可以看出，PN和PM的排放率在較低的速度工況下隨速度的增加變化不明顯，而在高速工況下PN和PM都快速增高。說明在較低的勻速工況下，PN和PM的排放率對速度不敏感；在高速工況下，PN和PM的排放率都有較大幅度的增加，PM增幅大于PN。

圖11 不同車速下顆粒物排放的PN和PM

3 結(jié)論

a) 在NEDC，F(xiàn)TP75和WLTC循環(huán)中，車輛燃用CNG和汽油排放顆粒物在Dp=40nm和Dp=330 nm附近均出現(xiàn)峰值，Dp=40nm處燃用汽油的峰值遠(yuǎn)高于燃用CNG，Dp=330 nm處燃用CNG的峰值略高于燃用汽油；

b) 車輛燃用CNG排放的顆粒物在NEDC循環(huán)中核態(tài)和聚集態(tài)顆粒物各占50%左右，F(xiàn)TP75和WLTC循環(huán)中的聚集態(tài)顆粒物占比高于NEDC，在70%以上；

c) 車輛燃用CNG排放的顆粒物PN和PM的排放率隨車速的升高而增大，在較低的勻速工況下增長幅度較小，高速工況下增長幅度較大；燃用CNG時在NEDC循環(huán)中單位里程排放的顆粒數(shù)和顆粒總數(shù)最多，F(xiàn)TP75和WLTC循環(huán)中單位里程排放的顆粒數(shù)基本相同；WLTC循環(huán)中排放的顆粒物質(zhì)量總量最多，F(xiàn)TP75和NEDC循環(huán)中排放的顆粒物質(zhì)量總量基本相同；FTP75和WLTC循環(huán)中單位里程排放的顆粒物質(zhì)量基本相同，約為NEDC循環(huán)的2倍。

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[編輯： 潘麗麗]

Characteristics of Particle Emission for Light Duty CNG Vehicle

CAO Lei，WANG Zhenchong， GUO Hongsong

(China Automotive Technology and Research Center， Tianjin 300300, China)

For a light duty dual fuel vehicle, the NEDC, FTP75 and WLTC experiments of standard natural gas and gasoline were conducted on a chassis dynamometer and the analysis of particle emission was completed through the CVS sampling system and ELPI equipment. The results show that the particle emissions of vehicle fueled with CNG and gasoline reach the peak at the particle diameter of 40 nm and 330 nm in all three driving cycles. The peak of gasoline is higher than that of CNG at 40 nm and the peak of CNG is higher than that of gasoline at 330 nm. The PN and PM emission rate of CNG increase with the increase of vehicle velocity and the increase is small at low and uniform speed conditions and large at high speed conditions. The nuclear and accumulation mode particles of CNG take up 50% respectively in NEDC cycle and the accumulation mode particle of FTP75 and WLTC is higher than that of NEDC. The total number of particles and particle number per kilometer in NEDC and the total particulate mass in WLTC cycle are the largest. The particle number per kilometer in FTP75 and WLTC cycle are mainly the same, while the same result for the total particulate mass in FTP75 and NEDC cycle. In addition, the particulate mass per kilometer in FTP75 and WLTC cycle are mainly the same, which is twice of that in NEDC cycle.

CNG； particle; size distribution; emission measurement

2015-07-29；

2016-01-11

曹磊(1983—)，男，助理工程師，主要研究方向?yàn)檩p型車的排放及燃油消耗；caolei@catarc.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.008

TK433.52

B

1001-2222(2016)02-0040-06