侯獻(xiàn)軍，熊 納，王友恒,劉志恩

(1．武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430070；2．武漢理工大學(xué) 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070；3．武漢理工大學(xué) 湖北省新能源與智能網(wǎng)聯(lián)車工程技術(shù)中心，武漢 430070)

0 概述

2020年中國全面實(shí)施GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第六階段標(biāo)準(zhǔn))》，相比國五標(biāo)準(zhǔn)，增加了汽油機(jī)顆粒物數(shù)量(particle number,PN)濃度限值，對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的PN限值也將在國六的第二階段實(shí)施。目前中國多個(gè)省市已提前實(shí)施國六排放標(biāo)準(zhǔn)，國六排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施對(duì)降低汽車尾氣污染物的排放和提高汽車制造水平具有重要意義。傳統(tǒng)汽油機(jī)存在未燃碳?xì)浠衔锖鸵谎趸寂欧牛瑢?duì)環(huán)境構(gòu)成威脅[1]。天然氣作為一種重要的氣態(tài)燃料，與汽油相比，燃燒產(chǎn)物更加清潔，經(jīng)技術(shù)處理成壓縮天然氣后可以在發(fā)動(dòng)機(jī)中作為燃料使用。

機(jī)動(dòng)車的顆粒排放物作為中國大氣污染的主要來源之一，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注[2-4]。已有試驗(yàn)研究表明，顆粒物會(huì)對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)及其他人體系統(tǒng)和器官造成損害[5]，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放特性的研究至關(guān)重要。文獻(xiàn)[6]中研究了汽油直噴(gasoline direct injection, GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性下的顆粒物排放特性，發(fā)現(xiàn)在中低負(fù)荷下顆粒物排放隨負(fù)荷增加而逐漸降低，但在高負(fù)荷或全負(fù)荷工況下顆粒物排放急劇增加。文獻(xiàn)[7]中測(cè)量了某款公交車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在15種穩(wěn)態(tài)工況下排放的顆粒物的數(shù)量及顆粒物質(zhì)量(particle mass, PM)濃度，結(jié)果表明顆粒物尺寸主要分布在28 nm～259 nm之間，且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化對(duì)大顆粒物排放濃度的影響更大。

文獻(xiàn)[8]中發(fā)現(xiàn)在汽油燃料中摻比15%體積比的甲醇后，顆粒物排放的數(shù)量濃度和質(zhì)量濃度均呈降低趨勢(shì)。文獻(xiàn)[9]中在一款柴油機(jī)上研究汽油壓燃顆粒物的排放特性，發(fā)現(xiàn)改變噴油參數(shù)后，顆粒排放物中的積聚態(tài)顆粒數(shù)量濃度變化明顯，而核態(tài)顆粒濃度受噴油參數(shù)變化影響較小。文獻(xiàn)[10]中發(fā)現(xiàn)在汽油中添加乙醇后，含氧的乙醇有利于顆粒物的氧化，高負(fù)荷時(shí)顆粒排放物濃度降低。文獻(xiàn)[11]中對(duì)壓縮天然氣(compressed natural gas, CNG)和富氫壓縮天然氣(hydrogen compressed natural gas, HCNG)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的納米顆粒大多來自于潤滑油的部分燃燒。文獻(xiàn)[12]中測(cè)試了全負(fù)荷運(yùn)行條件下某CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒排放物，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排放了大量小顆粒物，粒徑分布圖表明CNG顆粒物的幾何平均直徑約為30 nm。

目前國內(nèi)學(xué)者對(duì)柴油機(jī)和汽油機(jī)的顆粒物排放已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，但對(duì)于燃用CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放研究較少。本研究主要比較了以汽油和CNG分別作為燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放特性，從顆粒物的核態(tài)(一般指粒徑為5～40 nm的顆粒物)和積聚態(tài)(一般指粒徑為40～1 000 nm的顆粒物)角度對(duì)總體的PN和PM貢獻(xiàn)做出對(duì)比分析，可基本明確兩種燃用發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒排放物不同模態(tài)對(duì)PN、PM的影響，這為控制汽油和CNG發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放提供了新的角度。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

在PowerLink CAC110KW電力測(cè)功機(jī)上進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)排放試驗(yàn)，使用PowerLink FC2212-L1油耗儀測(cè)定燃油消耗。燃油溫度調(diào)節(jié)和機(jī)油溫度控制分別采用PowerLink FC2440A和PowerLink FC2430T2裝置。中冷恒溫控制系統(tǒng)使用PowerLink FC249T2。用DMS500快速顆粒分析儀對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度及粒徑分布等進(jìn)行測(cè)定。

DMS500快速顆粒分析儀是一臺(tái)納米微粒尺寸光譜儀，設(shè)備如圖1所示，工作原理如圖2所示。在試驗(yàn)過程中，將DMS500的采樣口接到發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管后，通過儀器內(nèi)的二級(jí)稀釋通道對(duì)排氣進(jìn)行稀釋。二級(jí)稀釋后的氣溶膠進(jìn)入22級(jí)分級(jí)靜電計(jì)進(jìn)行分級(jí)統(tǒng)計(jì)。通過電暈放電原理使排氣中的不同表面積的顆粒物帶上相應(yīng)的電荷，表面積越大，帶的電荷也就越大，然后將帶電粒子通過強(qiáng)電場(chǎng)的分級(jí)圓柱中，不同帶電量的粒子在電場(chǎng)中的漂移不同，最后對(duì)22個(gè)靜電檢測(cè)器的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到測(cè)試數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)設(shè)定在每個(gè)工況的采樣時(shí)間為20 s，數(shù)據(jù)處理時(shí)取5—15 s的數(shù)據(jù)。

圖1 DMS500快速顆粒分析儀

圖2 DMS500快速顆粒分析儀的工作原理圖

1.2 試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)選用1.4 L兩用燃料(汽油和CNG)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架。表1為測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)。臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)示意如圖4所示。進(jìn)行試驗(yàn)前，在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管路的前端打6 mm的孔用于采樣頭收集排氣樣品。試驗(yàn)過程中，取樣在DMS500內(nèi)經(jīng)過兩道稀釋，分別為環(huán)式的初級(jí)稀釋器和旋轉(zhuǎn)碟切割式的高倍稀釋器，設(shè)定其稀釋比為 5∶1和20∶1。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖4 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)臺(tái)架在AVL電力測(cè)功機(jī)上進(jìn)行，汽油的供給方式為進(jìn)氣道噴射，CNG形成混合氣后進(jìn)入氣道。測(cè)試時(shí)為了方便記錄測(cè)點(diǎn)，通過設(shè)定不同進(jìn)氣壓力(40 kPa、60 kPa、80 kPa和100 kPa)來表征發(fā)動(dòng)機(jī)的不同負(fù)荷。分別以汽油和CNG作為動(dòng)力燃料，在轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)改變進(jìn)氣壓力的大小，由DMS500記錄各個(gè)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放特性。為了確保廢氣排放的試驗(yàn)精度，采用截流微孔墊片來防止顆粒的凝聚，使DMS500能在穩(wěn)定的壓力下工作。發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行3 min后開始采集數(shù)據(jù)，以確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)氣壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩

本試驗(yàn)通過改變進(jìn)氣壓力大小表征不同負(fù)荷下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況。圖5為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料分別為CNG和汽油時(shí)，進(jìn)氣壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖。CNG燃料進(jìn)氣混合時(shí)會(huì)影響進(jìn)氣壓力，而汽油作為液體燃料形成混合氣時(shí)基本不影響進(jìn)氣壓力，因此在相同工況下燃用汽油時(shí)的轉(zhuǎn)矩稍大。在測(cè)試范圍內(nèi)，進(jìn)氣壓力和轉(zhuǎn)矩有很好的線性關(guān)系，因此用進(jìn)氣壓力來表征不同負(fù)荷下的發(fā)動(dòng)機(jī)工況是合理的。

圖5 進(jìn)氣壓力與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的關(guān)系

2.2 PN分析

2.2.1 顆粒物數(shù)量濃度-粒徑分布

圖6為汽油、CNG在不同進(jìn)氣壓力下的PN分布圖。圖中，Dp為顆粒物平均直徑，N為顆粒物數(shù)量濃度。從圖中可以看到，CNG燃料的PN排放隨進(jìn)氣壓力變化影響較小，而對(duì)汽油燃料的PN排放的影響明顯更大。在相同進(jìn)氣壓力下，汽油燃料產(chǎn)生的顆粒物排放數(shù)量整體比CNG的高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖6 汽油和CNG燃料的顆粒物數(shù)量濃度分布

隨著進(jìn)氣壓力的增大，汽油燃料PN排放呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。在較低負(fù)荷下，核態(tài)的顆粒物數(shù)量較多，在中高負(fù)荷下，積聚態(tài)的顆粒物數(shù)量與核態(tài)相當(dāng)。與汽油燃料的變化趨勢(shì)相似，CNG的PN排放也呈先減小后增大的趨勢(shì)。

2.2.2 核態(tài)和積聚態(tài)區(qū)域所占比例

圖7為兩種燃料的核態(tài)和積聚態(tài)區(qū)域所占比例。隨著進(jìn)氣壓力的增大，兩種燃料中的積聚態(tài)的占比均呈先下降后上升趨勢(shì)。對(duì)于汽油燃料，除進(jìn)氣壓力為60 kPa時(shí)顆粒物的核態(tài)占比高于積聚態(tài)，其他工況下都是積聚態(tài)占主導(dǎo)地位，尤其在進(jìn)氣壓力為100 kPa時(shí)積聚態(tài)占比達(dá)73.32%。對(duì)于CNG燃料，顆粒物中主要以核態(tài)的形式存在，尤其在進(jìn)氣壓力為60 kPa時(shí)，核態(tài)的占比達(dá)76.46%。

2.2.3 核態(tài)和積聚態(tài)顆粒濃度

圖8為不同進(jìn)氣壓力下核態(tài)和積聚態(tài)顆粒濃度對(duì)比。采用CNG作為燃料時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣排放中兩種形態(tài)的PN幾乎不隨負(fù)荷變化，表明兩種試驗(yàn)燃料本身差異對(duì)顆粒物的形成影響不明顯，這與此前的顆粒物數(shù)量分布圖相符合。對(duì)比汽油的兩種形態(tài)排放情況，在中高負(fù)荷時(shí)兩種形態(tài)的PN都急劇增加：對(duì)于核態(tài)，進(jìn)氣壓力為100 kPa時(shí)PN約2.74×106個(gè)/cm3，是40 kPa時(shí)PN(約2.1×105個(gè)/cm3)的13倍；對(duì)于積聚態(tài)，進(jìn)氣壓力為100 kPa時(shí)PN約7.53×106個(gè)/cm3，是40 kPa時(shí)PN(約2.25×105個(gè)/cm3)的33倍。因此在中高負(fù)荷時(shí)，汽油燃料PN排放增大主要是積聚態(tài)顆粒物急劇升高造成的。

圖8 不同進(jìn)氣壓力下燃料的核態(tài)和積聚態(tài)PN濃度對(duì)比

兩種燃料在PN排放上存在差異。理論上CNG自身燃燒產(chǎn)生的顆粒物很少，主要來源于潤滑油的部分燃燒。由于活塞環(huán)的動(dòng)力學(xué)特性，部分潤滑油在活塞環(huán)和缸套運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)入燃燒室[13-14]。在燃燒室高壓高溫條件下，潤滑油不完全燃燒形成未燃燒的碳?xì)浠衔锖皖w粒物。潤滑油中存在的高分子量碳?xì)浠衔锊煌耆紵矔?huì)在燃燒室中形成納米顆粒。與CNG的氣態(tài)特性相比，汽油在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度較低，霧化效果較差，形成較大的液滴，燃燒不完全，導(dǎo)致顆粒物排放濃度較大；隨著負(fù)荷的升高，缸內(nèi)溫度升高，霧化條件得到改善，生成的顆粒物又有所減少；在高負(fù)荷時(shí)，為了獲得足夠的轉(zhuǎn)矩，混合氣加濃，燃燒條件再次惡化，燃油裂解，PN排放增大[15]。

2.2.4 總體計(jì)數(shù)平均直徑

圖9為測(cè)試燃料在不同發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力下的排放顆粒物的計(jì)數(shù)平均直徑(count mean diameter, CMD)變化趨勢(shì)圖。CMD的計(jì)算公式如式(1)所示。

(1)

式中,Dcm為總體顆粒物的計(jì)數(shù)平均直徑；ni為直徑為di的納米顆粒對(duì)應(yīng)的粒子數(shù)濃度。CNG燃料的顆粒物CMD呈先降低后上升的趨勢(shì)，而汽油燃料的顆粒物CMD隨進(jìn)氣壓力的增大而增大。在中負(fù)荷時(shí)，燃燒CNG產(chǎn)生顆粒物的CMD較小，其主要原因是在300 nm～1 000 nm范圍內(nèi)的積聚態(tài)顆粒物數(shù)量較低。隨著負(fù)荷的繼續(xù)增大，缸內(nèi)的溫度和壓力升高，促進(jìn)了潤滑油的熱解和燃燒，導(dǎo)致PN生成增多，顆粒物凝聚概率變大，從而增大了CMD。汽油顆粒物的CMD與它和空氣的混合均勻程度緊密相關(guān)。一方面，低負(fù)荷時(shí)相對(duì)較低的氣缸壓力使顆粒物的凝聚機(jī)會(huì)降低，顆粒物主要以核態(tài)的形式存在，降低顆粒的CMD；另一方面，低負(fù)荷時(shí)缸內(nèi)溫度和壓力較低，燃料霧化效果差，不完全燃燒生成碳煙，使顆粒物CMD變高。兩種因素同時(shí)影響，使得汽油燃料的顆粒物CMD隨進(jìn)氣壓力升高呈整體緩慢增長趨勢(shì)。

圖9 不同進(jìn)氣壓力下顆粒排放物計(jì)數(shù)平均直徑

2.3 PM分析

2.3.1 PM濃度分布

實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中排放的顆粒物具有不同的形狀和尺寸，主要以聚附物的形式存在，因而其密度一般不是定值，有研究表明其密度在0.8～2.3 g/cm3之間[16]。本研究中，假設(shè)顆粒密度不隨顆粒大小的變化而變化，為方便計(jì)算，設(shè)定顆粒物密度為1 g/cm3，排氣管中所測(cè)得顆粒物都是球形，以顆粒體積計(jì)算得到顆粒物質(zhì)量。大顆粒物在大氣中更易沉降，質(zhì)量較小的顆粒物由于懸浮在空氣中的時(shí)間長，更易被人體吸收。汽油、CNG的PM濃度分布如圖10所示，m為顆粒物質(zhì)量。積聚態(tài)顆粒物的PM遠(yuǎn)高于核態(tài)，核態(tài)顆粒對(duì)PM的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略不計(jì)。

2.3.2 積聚態(tài)PM

因?yàn)楹藨B(tài)的PM對(duì)總體的PM貢獻(xiàn)基本可以忽略不計(jì)，因此僅針對(duì)積聚態(tài)PM濃度進(jìn)行分析。圖11為兩種燃料的積聚態(tài)顆粒物質(zhì)量濃度對(duì)比圖。對(duì)比圖7、圖10和圖11可以看到，盡管CNG的核態(tài)顆粒物數(shù)量很大，但是其質(zhì)量遠(yuǎn)不及積聚態(tài)的質(zhì)量，PM主要由積聚態(tài)的顆粒物貢獻(xiàn)。兩種燃料的PM均隨進(jìn)氣壓力的增大而增大，汽油燃料在低負(fù)荷時(shí)燃燒產(chǎn)生的PM略低于CNG燃料，在高負(fù)荷時(shí)燃燒產(chǎn)生的PM又超過CNG。由于CNG燃料的顆粒排放可能主要來自于潤滑油燃燒，受燃料本身性質(zhì)的影響相對(duì)較小，隨著進(jìn)氣壓力的增大，在較高的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷下，較高的缸內(nèi)壓力和溫度促使更多的潤滑油熱解，從而導(dǎo)致PM增大。在低負(fù)荷時(shí)，汽油燃料顆粒物排放主要以核態(tài)的形式存在，因而此工況下的PM較低，隨著進(jìn)氣壓力的增大，噴油量增大，存在油液霧化不良問題，加重液滴的炭化現(xiàn)象，使排放物中積聚態(tài)的顆粒物增加。因而在高負(fù)荷時(shí)，其PM大量增加，超過了CNG燃料燃燒產(chǎn)生的PM。

2.4 顆粒物表面積濃度分布

同樣地，在研究兩種燃料的顆粒物表面積濃度分布時(shí)，假設(shè)不同大小的顆粒都是球形的，顆粒物表面積濃度計(jì)算公式如式(2)所示。

(2)

式中，S為平均直徑為Dp的顆粒物表面積濃度；N為平均直徑為Dp的顆粒物數(shù)量濃度。實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒大多為支化團(tuán)聚體，因此計(jì)算得到的顆粒物表面積濃度分布圖存在一定誤差。

圖12為兩種燃料的顆粒物表面積濃度分布圖。由圖12可見，在不同進(jìn)氣壓力下，CNG燃料的顆粒物表面積變化幅度較小，在粒徑約200 nm時(shí)顆粒物的表面積出現(xiàn)最大值。汽油燃料的顆粒物表面積受進(jìn)氣壓力變化影響較大，在高負(fù)荷時(shí)，10～100 nm間的顆粒物相比低負(fù)荷增長尤其明顯，這主要與其顆粒物數(shù)量相關(guān)，在粒徑約100 nm處顆粒物的表面積出現(xiàn)最大值。300～1 000 nm間的顆粒物數(shù)量低，但是表面積依然較高，這主要是由于此時(shí)顆粒物的平均粒徑大。對(duì)比兩種燃料的顆粒物表面積濃度分布圖，汽油的排放顆粒物的表面積約比CNG大一個(gè)數(shù)量級(jí)，這些顆粒物具有更高的表面能，尺寸更小，在空氣中的存在時(shí)間更長。

圖12 汽油和CNG燃料的顆粒物表面積濃度分布

3 結(jié)論

(1) 隨著進(jìn)氣壓力的增大，燃用汽油和CNG燃料的PN排放均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。汽油燃料的顆粒排放物中積聚態(tài)顆粒為主要成分，而核態(tài)的顆粒物對(duì)CNG燃料的PN貢獻(xiàn)很大。在高負(fù)荷時(shí)，積聚態(tài)顆粒物的PN急劇上升是造成汽油燃料PN排放較大的主要原因。CNG的PN排放可能主要來自于潤滑油的熱解和不完全燃燒，因而其顆粒物排放較為穩(wěn)定。隨著進(jìn)氣壓力的增大，兩種燃料的顆粒排放物計(jì)數(shù)平均直徑整體呈上升趨勢(shì)。

(2) 隨著進(jìn)氣壓力的增大，兩種燃料的PM均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。進(jìn)氣壓力的變化導(dǎo)致汽油燃料的PM排放不穩(wěn)定，主要與顆粒物中積聚態(tài)的顆粒物占比較大有關(guān)。CNG的顆粒物中由于積聚態(tài)占比較低，其PM排放特性較為穩(wěn)定。

(3) 隨著進(jìn)氣壓力的增大，兩種燃料的顆粒物表面積濃度均呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢(shì)。高負(fù)荷時(shí)，CNG排放的10 nm～100 nm間的顆粒物較汽油的低很多。CNG排放顆粒物表面積濃度峰值出現(xiàn)在約200 nm處，汽油排放顆粒物表面積濃度峰值出現(xiàn)在約100 nm處。