鄒振東 黃婉彬 陳摯 邱國(guó)玉

摘要：傳統(tǒng)機(jī)動(dòng)車尾氣減排技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，取得了較好效果，但在短期難以獲得更大的突破。Warp Air Clean（WAC）技術(shù)通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣進(jìn)行凈化，提高發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒效率，從而減少尾氣排放，是解決機(jī)動(dòng)車尾氣排放的新途徑。本研究對(duì)比了四種不同合成方案WAC材料的減排效果，為該技術(shù)的進(jìn)一步完善優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)：采用加成型硅橡膠合成方案的合成材料效果最好，在怠速與高怠速工況下均能有效降低機(jī)動(dòng)車排放的CO、THC和NO。

Abstract： Traditional vehicle emission reduction technologies have achieved significant effects after long-term development. However， it is hard for them to achieve more improvements in short time. Warp Air Clean technology could improve the combustion efficiency of the engine by purifying the air intake， thus reduce pollutants emission. It has been a new way to solve the problem of vehicle emission. This research compared the reduction effects of different WAC materials synthesized by four different methods. It could support for the improvement of this technology. The results showed that the materials synthesized by addition cured silicone rubber method had the best reduction effects. It could significant reduce the emission of CO， THC and NO in idling condition and high idling condition.

關(guān)鍵詞：Warp Air Clean;尾氣減排;縮合型;加成型

Key words： ?Warp Air Clean;exhaust emission reduction;condensation type;addition type

中圖分類號(hào)：U473.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）04-0042-03

0 ?引言

機(jī)動(dòng)車尾氣污染一直以來(lái)被認(rèn)為是大氣污染的主要來(lái)源之一，2020年，全國(guó)機(jī)動(dòng)車共排放CO、THC、NOX和PM的達(dá)769.7萬(wàn)噸、190.2萬(wàn)噸、626.3萬(wàn)噸和6.8萬(wàn)噸[1]。這些污染物大量的排入空氣中，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康造成巨大的威脅，空氣污染造成的人類死亡有大約一半是由于機(jī)動(dòng)車尾氣排放引起[2]。為了減少機(jī)動(dòng)車尾氣排放，已經(jīng)發(fā)展出了大量的減排技術(shù)，主要可以分為機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外凈化技術(shù)[3]。其中機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)以通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)或運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整從而改善燃燒為主，而機(jī)外凈化技術(shù)主要是后處理技術(shù)及非排氣污染控制技術(shù)。但這些技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)較為成熟，難以在短時(shí)間內(nèi)取得更大突破;另一方面，大部分技術(shù)均為考慮發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量對(duì)于燃燒的影響，從而尚未發(fā)展出從發(fā)動(dòng)機(jī)前端減少污染物排放的技術(shù)。

日本Tasin公司研發(fā)的Warp Air Clean（WAC）裝置，提出從發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣凈化入手，提高燃燒效率，減少尾氣排放。該技術(shù)已經(jīng)在日本市場(chǎng)化，但尚未引入國(guó)內(nèi)。在此基礎(chǔ)上，本研究通過(guò)與Tasin公司的合作，提出了多種新的材料合成方案，并與日方產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比。

1 ?技術(shù)原理

傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究中，通常假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣為新鮮空氣，即主要由氧氣和氮?dú)饨M成，對(duì)其中的污染物質(zhì)關(guān)注較少，因此也較少關(guān)注進(jìn)氣質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒狀況的影響。但在實(shí)際道路交通環(huán)境下，尤其是在擁堵路段，汽車尾氣排放量大，導(dǎo)致道路區(qū)域的空氣相比于新鮮空氣含有更多的污染物質(zhì)。這些污染物質(zhì)難以被空氣濾清器去除，進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后，霧化的燃油顆粒會(huì)被其中的帶電粒子吸附聚集，從而難以實(shí)現(xiàn)完全燃燒，導(dǎo)致不完全燃燒產(chǎn)物增加，同時(shí)還可能改變?nèi)紵h(huán)境，進(jìn)而影響NOX和PM的生成與排放。

針對(duì)此問(wèn)題，日本Tasin公司提出Warp Air Clean技術(shù)。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[4]。（圖1）

實(shí)際使用過(guò)程中，WAC裝置通過(guò)不同的方式固定于不同類型的空氣濾清器外側(cè)（圖2）。其中，針對(duì)箱式空氣濾清器，采用夾子固定的方式;對(duì)于筒式空氣濾清器，采用魔術(shù)帶進(jìn)行固定。

2 ?改進(jìn)方案

為了進(jìn)一步提高WAC裝置的減排效果。本研究采用了三種不同的材料合成思路，包括兩種縮合型硅橡膠合成方案和一種加成型硅橡膠合成方案。選用了6種不同的導(dǎo)電體填料，每種填料設(shè)置了4個(gè)不同的濃度梯度。研究期間，累計(jì)試驗(yàn)了超過(guò)100種材料合成方案，最終成功合成了多種性能更優(yōu)的材料。

材料合成成功后，本研究基于GB18285-2018《汽油車污染物排放限值及測(cè)量方法》規(guī)定雙怠速法，對(duì)試驗(yàn)車輛安裝不同WAC材料后的污染物排放進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試儀器為MEXA-584L型尾氣分析儀（HORIBA，Japan），測(cè)試指標(biāo)為CO、THC和NO。每種材料測(cè)試三次，取三次結(jié)果的平均值作為最后結(jié)果。實(shí)驗(yàn)前，使用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)儀器進(jìn)行校正，隨后對(duì)儀器進(jìn)行5分鐘以上的預(yù)熱，以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性。需要說(shuō)明的是，試驗(yàn)共進(jìn)行了三個(gè)批次，每個(gè)批次分別對(duì)比一種試驗(yàn)方案改進(jìn)的產(chǎn)品與日方WAC產(chǎn)品的差異。三個(gè)批次使用的試驗(yàn)車輛不同，因此各污染物的排放濃度可能差別較大，而且由于車況不同可能會(huì)導(dǎo)致同樣的日方WAC產(chǎn)品呈現(xiàn)出略有不同的減排特征。

3 ?材料對(duì)比

3.1 縮合型硅橡膠合成方案1產(chǎn)品減排效果

如表1所示，怠速狀態(tài)下，日方WAC對(duì)THC具有顯著的減排效果，減排率高達(dá)77.36%，縮合1WAC產(chǎn)品同樣能夠顯著降低THC排放，但減排率相對(duì)日方WAC較低（24.59%）。由于怠速階段CO和NO排放較低，可能低于測(cè)試儀器的分辨率，因此測(cè)量結(jié)果可能顯示為0。而在高怠速階段，日方WAC和縮合1WAC均大幅度降低了THC的排放，縮合1WAC的效果相對(duì)日方WAC更好。同時(shí)，對(duì)于NO排放，日方WAC的減排率達(dá)到44.42%，而縮合1WAC的減排率高達(dá)75.58%。這說(shuō)明，在高怠速工況下，基于縮合型硅橡膠合成方案1改進(jìn)的WAC產(chǎn)品減排效果優(yōu)于日方WAC。

3.2 加成型硅橡膠合成方案產(chǎn)品減排效果

針對(duì)加成型硅橡膠合成方案，本研究做了更全面的對(duì)比。表2是同一濃度梯度（濃度4）不同填料的減排效果對(duì)比。結(jié)果顯示，在怠速狀態(tài)時(shí)，使用四種不同填料的改進(jìn)WAC均有效減少了試驗(yàn)車輛THC的排放，其中加成WAC（填料D）對(duì)THC的減排率達(dá)到了65.07%，而日方WAC反而增大了試驗(yàn)車輛THC的排放。對(duì)于NO，幾乎各個(gè)產(chǎn)品均對(duì)試驗(yàn)車輛有較好的減排效果，但日方WAC和加成WAC（填料D）效果最為突出，安裝后儀器未能測(cè)出NO排放。

而在高怠速工況下，各改進(jìn)產(chǎn)品和日方產(chǎn)品均對(duì)THC呈現(xiàn)出明顯的減排效果，但仍是加成WAC（填料D）效果最好，減排率達(dá)到55.06%，而日方WAC產(chǎn)品相對(duì)較弱，為11.49%。高怠速工況下，試驗(yàn)車輛的CO排放顯著增大，但在安裝各WAC產(chǎn)品后，排放濃度均出現(xiàn)了不同幅度的降低。其中日方WAC的減排率達(dá)到36.16%，而加成WAC（填料D）的減排效果達(dá)到了63.28%。而對(duì)于NO，各產(chǎn)品同樣具有顯著的減排效果，其中，安裝日方WAC、加成WAC（填料C）和加成WAC（填料D）后，NO排放均低于儀器檢測(cè)限。

綜合以上可以看出，加成WAC（填料D）的方案在不同工況下，對(duì)不同污染物的減排效果都極為突出。因此，進(jìn)一步對(duì)比不同使用不同濃度的填料D合成的產(chǎn)品減排效果差異。如表3所示，怠速工況下，不同濃度填料D改進(jìn)的產(chǎn)品均能夠有效地減少THC排放，其中濃度1減排效果最為突出，減排率高達(dá)96.70%。而對(duì)于CO和NO，由于本身排放濃度不高，因此在安裝不同的WAC后，大部分低于儀器檢測(cè)限，即均達(dá)到了較好的減排效果。

而在高怠速工況下，同樣是濃度1的減排效果最為突出，減排率達(dá)到了95.74%。其對(duì)CO的減排效果也最為顯著，減排率達(dá)到了86.44%。值得注意的是，無(wú)論是何種濃度，使用填料D合成的產(chǎn)品其對(duì)THC和CO的減排效果均優(yōu)于日方WAC，說(shuō)明填料D的性能優(yōu)于日方WAC所使用的填料。而對(duì)于NO，由于安裝各WAC后，均低于檢測(cè)限，因此認(rèn)為各產(chǎn)品效果相當(dāng)。

3.3 縮合型硅橡膠合成方案2產(chǎn)品減排效果

與縮合型硅橡膠合成方案1相比，方案2雖然同為縮合型硅橡膠合成原理，但使用了不同的填料，同時(shí)對(duì)其中部分環(huán)節(jié)進(jìn)行了調(diào)整，包括使用的藥劑以及各環(huán)節(jié)的持續(xù)時(shí)間，因此合成的材料與方案1存在一定差異。表4展示了縮合型硅橡膠合成方案2四種與日方WAC性能較為接近的產(chǎn)品。同時(shí)，為了避免前述兩次試驗(yàn)多次出現(xiàn)低于檢測(cè)限的問(wèn)題，此次驗(yàn)證使用了Sensor公司的PEMS設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，精度大幅度提高。

可以發(fā)現(xiàn)，怠速狀態(tài)下，安裝日方WAC與縮合方案2的不同產(chǎn)品均導(dǎo)致CO和NO出現(xiàn)了小幅度的上升，但對(duì)于THC均具有較為顯著的減排效果。其中，日方WAC的減排率達(dá)到15.82%，縮合2-1和縮合2-2的減排效果次之，均為13.39%。

高怠速狀態(tài)下，各WAC材料仍然導(dǎo)致試驗(yàn)車輛的CO出現(xiàn)了小幅度的上升。但對(duì)于THC和NO均具有較好的減排效果。對(duì)于THC，改進(jìn)產(chǎn)品中縮合2-2的減排效果最好，達(dá)到32.16%，這與日方產(chǎn)品的效果（32.99%）相當(dāng)接近。而對(duì)于NO，日方WAC的減排效果為9.73%，相比之下，縮合2-1和縮合2-2的減排效果分別達(dá)到了22.35%和18.81%。

以上結(jié)果說(shuō)明，縮合型硅橡膠合成方案2合成的材料減排特征與方案1合成的材料減排特征具有一定的相似性，即均在高怠速工況下更為明顯。但同樣，與日方產(chǎn)品相比，兩種方案合成的材料減排性能均沒(méi)有呈現(xiàn)出較大提升，總體性能相當(dāng)。

4 ?結(jié)論

以上研究結(jié)果表明，無(wú)論是日方WAC還是本研究研發(fā)的改進(jìn)WAC，在怠速和高怠速工況下，均能夠有效的減少機(jī)動(dòng)車的CO、THC和NOX排放，具有極大的應(yīng)用潛力。其中，兩種縮合型硅橡膠合成方案改進(jìn)的產(chǎn)品性能與日方WAC相當(dāng)，但基于填料D的加成型硅橡膠合成產(chǎn)品，在多種濃度下均能夠有效地提升WAC的減排性能。因此，未來(lái)的進(jìn)一步研發(fā)應(yīng)以加成型硅橡膠合成工藝為基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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