侯獻軍，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)湖北省重點試驗室，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年中國全面實施GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段標準)》，相比國五標準，增加了汽油機顆粒物數(shù)量(particle number,PN)濃度限值，對天然氣發(fā)動機的PN限值也將在國六的第二階段實施。目前中國多個省市已提前實施國六排放標準，國六排放標準的實施對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)汽油機存在未燃碳氫化合物和一氧化碳排放，對環(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)動機中作為燃料使用。

機動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]。已有試驗研究表明，顆粒物會對人體的呼吸系統(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]，因此對發(fā)動機顆粒物排放特性的研究至關(guān)重要。文獻[6]中研究了汽油直噴(gasoline direct injection, GDI)發(fā)動機負荷特性下的顆粒物排放特性，發(fā)現(xiàn)在中低負荷下顆粒物排放隨負荷增加而逐漸降低，但在高負荷或全負荷工況下顆粒物排放急劇增加。文獻[7]中測量了某款公交車用柴油發(fā)動機在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)動機轉(zhuǎn)速變化對大顆粒物排放濃度的影響更大。

文獻[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。文獻[9]中在一款柴油機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[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，高負荷時顆粒排放物濃度降低。文獻[11]中對壓縮天然氣(compressed natural gas, CNG)和富氫壓縮天然氣(hydrogen compressed natural gas, HCNG)燃料發(fā)動機進行試驗，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的納米顆粒大多來自于潤滑油的部分燃燒。文獻[12]中測試了全負荷運行條件下某CNG發(fā)動機的顆粒排放物，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機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)者對柴油機和汽油機的顆粒物排放已經(jīng)進行了大量研究，但對于燃用CNG發(fā)動機的顆粒物排放研究較少。本研究主要比較了以汽油和CNG分別作為燃料時發(fā)動機顆粒物排放特性，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)角度對總體的PN和PM貢獻做出對比分析，可基本明確兩種燃用發(fā)動機顆粒排放物不同模態(tài)對PN、PM的影響，這為控制汽油和CNG發(fā)動機的顆粒物排放提供了新的角度。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試驗設(shè)備

在PowerLink CAC110KW電力測功機上進行發(fā)動機排放試驗，使用PowerLink FC2212-L1油耗儀測定燃油消耗。燃油溫度調(diào)節(jié)和機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快速顆粒分析儀對發(fā)動機排放顆粒物數(shù)量濃度、質(zhì)量濃度及粒徑分布等進行測定。

DMS500快速顆粒分析儀是一臺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。在試驗過程中，將DMS500的采樣口接到發(fā)動機排氣管后，通過儀器內(nèi)的二級稀釋通道對排氣進行稀釋。二級稀釋后的氣溶膠進入22級分級靜電計進行分級統(tǒng)計。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電場的分級圓柱中，不同帶電量的粒子在電場中的漂移不同，最后對22個靜電檢測器的輸出進行實時處理，得到測試數(shù)據(jù)。本次試驗設(shè)定在每個工況的采樣時間為20 s，數(shù)據(jù)處理時取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 試驗臺架

試驗選用1.4 L兩用燃料(汽油和CNG)發(fā)動機進行測試，圖3為發(fā)動機試驗臺架。表1為測試發(fā)動機技術(shù)參數(shù)。臺架試驗系統(tǒng)示意如圖4所示。進行試驗前，在發(fā)動機排氣管路的前端打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)動機試驗臺架

表1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)

圖4 試驗臺架示意圖

1.3 試驗方案

試驗臺架在AVL電力測功機上進行，汽油的供給方式為進氣道噴射，CNG形成混合氣后進入氣道。測試時為了方便記錄測點，通過設(shè)定不同進氣壓力(40 kPa、60 kPa、80 kPa和100 kPa)來表征發(fā)動機的不同負荷。分別以汽油和CNG作為動力燃料，在轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時改變進氣壓力的大小，由DMS500記錄各個工況下發(fā)動機的顆粒物排放特性。為了確保廢氣排放的試驗精度，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)動機在穩(wěn)定運行3 min后開始采集數(shù)據(jù)，以確保試驗數(shù)據(jù)的精確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 進氣壓力與發(fā)動機轉(zhuǎn)矩

本試驗通過改變進氣壓力大小表征不同負荷下的發(fā)動機運行工況。圖5為發(fā)動機燃料分別為CNG和汽油時，進氣壓力與發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩關(guān)系圖。CNG燃料進氣混合時會影響進氣壓力，而汽油作為液體燃料形成混合氣時基本不影響進氣壓力，因此在相同工況下燃用汽油時的轉(zhuǎn)矩稍大。在測試范圍內(nèi)，進氣壓力和轉(zhuǎn)矩有很好的線性關(guān)系，因此用進氣壓力來表征不同負荷下的發(fā)動機工況是合理的。

圖5 進氣壓力與發(fā)動機轉(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排放隨進氣壓力變化影響較小，而對汽油燃料的PN排放的影響明顯更大。在相同進氣壓力下，汽油燃料產(chǎn)生的顆粒物排放數(shù)量整體比CNG的高出一個數(shù)量級。

圖6 汽油和CNG燃料的顆粒物數(shù)量濃度分布

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

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。對于汽油燃料，除進氣壓力為60 kPa時顆粒物的核態(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，尤其在進氣壓力為100 kPa時積聚態(tài)占比達73.32%。對于CNG燃料，顆粒物中主要以核態(tài)的形式存在，尤其在進氣壓力為60 kPa時，核態(tài)的占比達76.46%。

2.2.3 核態(tài)和積聚態(tài)顆粒濃度

圖8為不同進氣壓力下核態(tài)和積聚態(tài)顆粒濃度對比。采用CNG作為燃料時，發(fā)動機的廢氣排放中兩種形態(tài)的PN幾乎不隨負荷變化，表明兩種試驗燃料本身差異對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。對比汽油的兩種形態(tài)排放情況，在中高負荷時兩種形態(tài)的PN都急劇增加：對于核態(tài)，進氣壓力為100 kPa時PN約2.74×106個/cm3，是40 kPa時PN(約2.1×105個/cm3)的13倍；對于積聚態(tài)，進氣壓力為100 kPa時PN約7.53×106個/cm3，是40 kPa時PN(約2.25×105個/cm3)的33倍。因此在中高負荷時，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 不同進氣壓力下燃料的核態(tài)和積聚態(tài)PN濃度對比

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)的動力學(xué)特性，部分潤滑油在活塞環(huán)和缸套運動的過程中進入燃燒室[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氫化合物和顆粒物。潤滑油中存在的高分子量碳氫化合物不完全燃燒也會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)動機低負荷時缸內(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；在高負荷時，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 總體計數(shù)平均直徑

圖9為測試燃料在不同發(fā)動機進氣壓力下的排放顆粒物的計數(shù)平均直徑(count mean diameter, CMD)變化趨勢圖。CMD的計算公式如式(1)所示。

(1)

式中,Dcm為總體顆粒物的計數(shù)平均直徑；ni為直徑為di的納米顆粒對應(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，而汽油燃料的顆粒物CMD隨進氣壓力的增大而增大。在中負荷時，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。隨著負荷的繼續(xù)增大，缸內(nèi)的溫度和壓力升高，促進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，低負荷時相對較低的氣缸壓力使顆粒物的凝聚機會降低，顆粒物主要以核態(tài)的形式存在，降低顆粒的CMD；另一方面，低負荷時缸內(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。兩種因素同時影響，使得汽油燃料的顆粒物CMD隨進氣壓力升高呈整體緩慢增長趨勢。

圖9 不同進氣壓力下顆粒排放物計數(shù)平均直徑

2.3 PM分析

2.3.1 PM濃度分布

實際發(fā)動機運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，為方便計算，設(shè)定顆粒物密度為1 g/cm3，排氣管中所測得顆粒物都是球形，以顆粒體積計算得到顆粒物質(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遠高于核態(tài)，核態(tài)顆粒對PM的貢獻幾乎可以忽略不計。

2.3.2 積聚態(tài)PM

因為核態(tài)的PM對總體的PM貢獻基本可以忽略不計，因此僅針對積聚態(tài)PM濃度進行分析。圖11為兩種燃料的積聚態(tài)顆粒物質(zhì)量濃度對比圖。對比圖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)量遠不及積聚態(tài)的質(zhì)量，PM主要由積聚態(tài)的顆粒物貢獻。兩種燃料的PM均隨進氣壓力的增大而增大，汽油燃料在低負荷時燃燒產(chǎn)生的PM略低于CNG燃料，在高負荷時燃燒產(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)的影響相對較小，隨著進氣壓力的增大，在較高的發(fā)動機負荷下，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。在低負荷時，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。因而在高負荷時，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，假設(shè)不同大小的顆粒都是球形的，顆粒物表面積濃度計算公式如式(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。實際發(fā)動機排放的顆粒大多為支化團聚體，因此計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氣壓力變化影響較大，在高負荷時，10～100 nm間的顆粒物相比低負荷增長尤其明顯，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，這主要是由于此時顆粒物的平均粒徑大。對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大一個數(shù)量級，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。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CNG燃料的PN貢獻很大。在高負荷時，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。隨著進氣壓力的增大，兩種燃料的顆粒排放物計數(shù)平均直徑整體呈上升趨勢。

(2) 隨著進氣壓力的增大，兩種燃料的PM均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。進氣壓力的變化導(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。高負荷時，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。