Warp Air Clean產(chǎn)品特征及其減排效果研究

鄒振東 余雷雨 黃婉彬 丁金山 蔣先逞豪 邱國(guó)玉

摘要： 傳統(tǒng)機(jī)動(dòng)車(chē)研究假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣為新鮮空氣，但在實(shí)際道路環(huán)境中，大量污染物會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣質(zhì)量，從而影響燃燒。Warp Air Clean（WAC）技術(shù)通過(guò)在硅橡膠中填充碳顆粒，利用碳顆粒的導(dǎo)電性去除進(jìn)氣中的帶電粒子，從而達(dá)到凈化進(jìn)氣、改善燃燒進(jìn)而減少尾氣排放的目的。本研究多種材料檢測(cè)技術(shù)，研究了WAC材料的基本特征，并基于實(shí)際道路測(cè)試及臺(tái)架測(cè)試，驗(yàn)證了該技術(shù)的減排效果。研究結(jié)果表明，WAC技術(shù)能夠有效地減少機(jī)動(dòng)車(chē)的THC、CO、NOx和顆粒物排放。

Abstract： The intake air was assumed to be pure in traditional vehicle research. However， lots of pollutants in the real road environment would change the quality of the intake air and thus affect the combustion. Warp Air Clean （WAC） technology could remove the charged particles in the air by filling carbon particles into silicon rubber. As a result， the intake air would be purified， the combustion would be improved， and the emission could be reduced. This research studied the characteristics of the WAC material， and verified its emission reduction effects by real road measurement and dynamometer test. The results showed that WAC technology could significant reduce the emission of THC， CO， NOx and particles.

關(guān)鍵詞： Warp Air Clean;掃描電鏡;紅外光譜儀;PEMS;臺(tái)架測(cè)試

Key words： Warp Air Clean;scanning electron microscope;infrared spectrometer;PEMs;bench test

中圖分類(lèi)號(hào)：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）05-0055-03

0 ?引言

Warp Air Clean技術(shù)由日本Tasin公司提出。該技術(shù)將導(dǎo)電體（碳顆粒）均勻分布于絕緣體（硅橡膠）中，當(dāng)空氣中任意時(shí)刻陰離子或陽(yáng)離子占優(yōu)時(shí)，材料表面的導(dǎo)電體會(huì)吸附占優(yōu)勢(shì)的離子，進(jìn)而形成電場(chǎng)，排斥與之電荷相同的粒子，并吸附電荷相反的粒子，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電粒子的去除[1]。該技術(shù)已經(jīng)在日本市場(chǎng)化，截止2019年，日本已有約2600輛卡車(chē)、800輛轎車(chē)裝備了WAC裝置。在日本應(yīng)用時(shí)，可減排THC和CO80%，減排黑煙20%～80%，具有顯著的環(huán)境效益。本研究通過(guò)與Tasin公司的合作，將該技術(shù)引進(jìn)國(guó)內(nèi)，對(duì)其材料的基本特征進(jìn)行檢測(cè)分析，并基于多種方法對(duì)其在中國(guó)的減排效果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而為該技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。

1 ?WAC材料的基本特征

1.1 WAC材料表面形態(tài)特征

WAC裝置通過(guò)安裝于空氣濾清器表面發(fā)揮其對(duì)進(jìn)氣的凈化作用，根據(jù)空氣濾清器的不同，WAC裝置采用不同的裝置結(jié)構(gòu)與固定方式。針對(duì)板式空氣濾清器，其采用長(zhǎng)方形盒裝結(jié)構(gòu)，通過(guò)卡扣固定于空氣濾清器表面;針對(duì)筒式空氣濾清器，其采用魔術(shù)貼的方式纏繞于空氣濾清器表面（圖1）。

但兩種結(jié)構(gòu)的核心均是其中的片狀WAC材料（圖1）。通常有兩種，均為以硅橡膠為基地，填充碳顆粒的合成材料。兩種材料（A和B）的主要區(qū)別在于碳顆粒的濃度，因此兩種材料呈現(xiàn)出不同的顏色，根據(jù)汽車(chē)進(jìn)氣量的不同，配置不同的材料。通常來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量越大，材料B使用越多。

進(jìn)一步，本研究通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，ZEISS SUPRA55，Carl Zeiss，Germany）觀(guān)察兩種材料的表面結(jié)構(gòu)（圖2）。從圖2來(lái)看，在不同的放大倍數(shù)下，兩種材料的表面均呈現(xiàn)出明顯的多孔特征，小孔分布較為均勻，且孔徑基本一致。這說(shuō)明WAC除了通過(guò)靜電作用去除帶電粒子外，可能還能通過(guò)表面的小孔吸附部分空氣中的污染物，進(jìn)一步增強(qiáng)其對(duì)進(jìn)氣的凈化作用。在10000的放大倍數(shù)下，表面并沒(méi)有明顯的碳顆粒凸起?；贓DX（掃描電鏡能譜儀）可以發(fā)現(xiàn)，碳顆粒在硅橡膠中分布較為均勻，沒(méi)有明顯的聚集。此外，材料A與材料B的表面形態(tài)沒(méi)有明顯區(qū)別。

本研究同樣對(duì)使用后的WAC表面進(jìn)行了觀(guān)察。結(jié)果顯示，WAC材料在使用后（約半年）表面有較多灰塵顆粒，經(jīng)SEM掃描發(fā)現(xiàn)其表面呈小坑狀，原多孔孔隙被阻塞且存在較多細(xì)顆粒物聚集于產(chǎn)品表面（圖3）。說(shuō)明在使用過(guò)程中，空氣中的污染物會(huì)堵塞WAC表面的多孔孔隙，因此需要對(duì)其進(jìn)行定期清潔以保證其對(duì)進(jìn)氣的凈化效果。

1.2 WAC材料元素組成特征

進(jìn)一步，同樣使用SEM-EDX（ZEISS SUPRA55，Carl Zeiss，Germany）對(duì)材料A和材料B的元素組成進(jìn)行分析。結(jié)果表明，材料A和材料B的元素組成基本一致，均由Si、C和O組成，其中又以Si和C為主要成分（圖4）。對(duì)于材料A，其Si、C和O的質(zhì)量濃度分別為36.32%、28.98%和34.70%，而材料B的Si、C和O的質(zhì)量濃度分別為36.07%、28.90%和35.03%。材料B中C濃度更高，其靜電作用更強(qiáng)，凈化效果更好，同時(shí)材料本身顏色也就更深。

1.3 WAC材料官能團(tuán)特征

本研究采用美國(guó)PerkinElmer公司Frontier型的紅外光譜儀，鑒別WAC材料的特征官能團(tuán)。從圖5可以看出，兩種材料的表面官能團(tuán)并沒(méi)有明顯的差別，材料正反面官能團(tuán)也沒(méi)有明顯差別。兩種材料的特征波段與純硅橡膠制品的指紋區(qū)一致，即1800cm-1（1300cm-1）～600cm-1區(qū)域內(nèi)。這表明，填充碳顆粒以后，對(duì)于硅橡膠的化學(xué)性質(zhì)并沒(méi)有產(chǎn)生較大影響。

2 ?WAC材料減排效果的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證WAC材料對(duì)于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的減排效果。本研究基于多種方法對(duì)其減排效果進(jìn)行了驗(yàn)證。首先，本研究委托國(guó)家機(jī)動(dòng)車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（廣東），依據(jù)國(guó)五I型測(cè)試方法，檢測(cè)了12輛不同的機(jī)動(dòng)車(chē)在安裝與未安裝WAC裝置時(shí)的THC、CO、NOx、PM、CH4和NHMC排放。其次，項(xiàng)目組依靠PEMS裝置（車(chē)載尾氣檢測(cè)設(shè)備，Sensor， USA），在深圳和重慶分別設(shè)定20～35km的測(cè)試路線(xiàn)（市區(qū)路段：市郊路段：高速路段里程比例約為1：1：1），在實(shí)際道路行駛過(guò)程中測(cè)試了40輛不同機(jī)動(dòng)車(chē)在安裝與未安裝WAC裝置時(shí)的THC、CO、NOx和PN排放。測(cè)試中，包含了M1、M2/M3、N1、N2/N3等不同類(lèi)型的車(chē)輛，涉及汽油車(chē)與柴油車(chē)兩種不同的燃油類(lèi)型，包含了新車(chē)（<2年，<50000km）和舊車(chē)（>2年，>50000km）[2]。

測(cè)試結(jié)果如圖6所示。其中一般城市為深圳的實(shí)際道路行駛測(cè)量結(jié)果，山地城市為重慶的實(shí)際道路行測(cè)量結(jié)果，臺(tái)架測(cè)試為國(guó)家機(jī)動(dòng)車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的測(cè)量結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，WAC材料對(duì)各種尾氣污染物均具有較為顯著的減排效果。其中，WAC對(duì)THC的減排效果最好，在一般城市、山地城市和臺(tái)架測(cè)試的減排率分別達(dá)到46.96%、30.06%和15.03%。這與WAC的減排原理一致，即通過(guò)減少發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃油顆粒的聚集，促進(jìn)燃油充分燃燒，進(jìn)而減少了未燃碳?xì)浠衔锏娜紵?/p>

WAC對(duì)NOx的減排效果僅次于THC，在三種不同的測(cè)試環(huán)境下分別達(dá)到17.97%、7.66%和6.93%。汽車(chē)NOx的主要來(lái)源是熱力型NO，其產(chǎn)生條件需要高溫、富氧和長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，安裝WAC后，更多的燃料得以充分燃燒，因此消耗了更多的氧氣，削弱了富氧環(huán)境，因此NOx得以減少。而WAC對(duì)CO的減排效果分別為10.47%、7.40%和4.51%。CO同樣是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，因此WAC對(duì)燃燒的改善依然能夠有效減少CO的排放。但由于CO是在碳?xì)浠衔锶紵^(guò)程中生成的，WAC首先對(duì)THC起作用，其次才是CO，因此WAC對(duì)CO的減排率低于THC。顆粒物的主要成分是炭煙、可溶性有機(jī)物和硫酸鹽，其中可溶性有機(jī)物的主要成分是未燃燒的重餾分碳?xì)浠衔颷3]。因此，當(dāng)WAC技術(shù)減少了THC的生成后，也自然導(dǎo)致了顆粒物排放的減少。在不同的環(huán)境下，WAC對(duì)顆粒物的減排效果分別達(dá)到了5.19%（PN）、5.76%（PN）和14.26%（PM）。此外，臺(tái)架測(cè)試中還測(cè)試了WAC對(duì)CH4和NMHC的減排效果，減排率分別達(dá)到了8.92%和15.60%，效果同樣突出。

對(duì)比WAC在三種不同環(huán)境下的減排效果可以發(fā)現(xiàn)，WAC的減排效果在一般城市比山地城市更為突出。主要原因可能是由于道路坡度引起，在重慶的測(cè)試中，測(cè)試路線(xiàn)的高差達(dá)到了200m，而深圳測(cè)試路線(xiàn)的海拔高度變化不大。頻繁的上坡使得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較大，混合器偏濃。此時(shí)，盡管WAC能夠有效減少聚集，但由于氧氣并不充足，因此分散的燃油顆粒仍然無(wú)法充分燃燒，因此減排效果并不明顯。而兩種實(shí)際道路行駛條件下對(duì)THC的減排效果均優(yōu)于臺(tái)架測(cè)試，這也與WAC技術(shù)的假設(shè)前提一致，即空氣中的污染物尤其是帶電粒子會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒效率，進(jìn)而增加排放。在實(shí)際道路條件下，空氣中污染物成分較多，WAC能夠更加充分地發(fā)揮作用;而在臺(tái)架測(cè)試中，由于環(huán)境空氣被控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，污染物濃度較低，因此WAC的減排作用相對(duì)降低。由于PEMS設(shè)備通常搭載PN模塊，因此實(shí)際道路過(guò)程中測(cè)試了顆粒物數(shù)量，在臺(tái)架測(cè)試中則是測(cè)試了顆粒物質(zhì)量?？梢园l(fā)現(xiàn)，WAC對(duì)顆粒物數(shù)量的減排效果相對(duì)于顆粒物質(zhì)量偏低，說(shuō)明WAC可能對(duì)于顆粒物中質(zhì)量較大的部分去除效果更好。

3 ?結(jié)論

本研究首先基于各種檢測(cè)手段分析了WAC材料的各項(xiàng)基本特征，進(jìn)而通過(guò)不同的測(cè)試手段在不同的測(cè)試環(huán)境下驗(yàn)證了WAC技術(shù)在國(guó)內(nèi)的減排效果。研究結(jié)果表明：①WAC材料表面為均勻的多孔結(jié)構(gòu)，因此除了靜電作用外，也能吸附一定數(shù)量的污染物;但這些小孔在長(zhǎng)期使用后會(huì)被堵塞，需要及時(shí)進(jìn)行清洗。②WAC材料由Si、O、

C三種材料組成，表面其僅通過(guò)在硅橡膠中填充碳顆粒制成。其中C元素的質(zhì)量濃度在35%左右。填充碳顆粒并沒(méi)有改變硅橡膠的化學(xué)性質(zhì)。③WAC材料能夠有效地減少?lài)?guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣中的THC、NOx、CO、顆粒物、CH4和NMHC排放。其中對(duì)THC的減排效果最為突出，在一般城市、山地城市和臺(tái)架測(cè)試的減排率分別達(dá)到46.96%、30.06%和15.03%。④相比于臺(tái)架測(cè)試，WAC材料的減排效果在實(shí)際道路行駛過(guò)程中更加突出，進(jìn)一步證明了WAC技術(shù)在實(shí)際道路環(huán)境下的應(yīng)用價(jià)值。本研究的結(jié)果對(duì)于WAC技術(shù)的改進(jìn)及國(guó)產(chǎn)化具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

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[2]丁金山，鄒振東，余雷雨，等.基于實(shí)際道路監(jiān)測(cè)的Warp Air Clean機(jī)動(dòng)車(chē)減排技術(shù)效果及其影響因素研究[J].環(huán)境工程，2022（S40）. （in press）

[3]王建昕，帥石金.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原理[M].清華大學(xué)出版社，2011.