液化石油氣汽車顆粒物數(shù)量排放特征的研究*

王軍方，丁 焰，尹 航，譚建偉，殷寶輝

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012; 2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，北京 100081)

前言

液化石油氣(LPG)是目前應(yīng)用最多的替代車用燃料之一。研究表明:一般情況下，氣體燃料汽車排放的常規(guī)污染物(HC、NOx、CO)比汽油車排放低［1-4］。由于傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為氣體燃料汽車排放的顆粒物質(zhì)量非常低，因此目前世界各國(guó)都沒(méi)有對(duì)氣體燃料汽車排放的顆粒物進(jìn)行限制，也很少有針對(duì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放特性的系統(tǒng)研究。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)［5-7］，柴油車顆粒物排放在質(zhì)量不斷降低的同時(shí)，顆粒物的數(shù)量排放尤其是超細(xì)顆粒物和納米顆粒物的數(shù)量濃度非常高，而這部分顆粒物對(duì)人類呼吸系統(tǒng)的危害更大。這一研究同時(shí)引起了對(duì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)汽車顆粒物排放的關(guān)注［8-12］。

依據(jù)顆粒物尺寸一般分為4類［13］:PM10(粒徑小于 10μm)，PM2.5(粒徑小于 2.5μm)，超細(xì)顆粒物(粒徑小于100nm)和納米顆粒物(粒徑小于50nm)。根據(jù)顆粒物形成機(jī)理，將顆粒分為成核模式、累積模式和大顆粒模式。成核模式顆粒物是5～50nm的微粒，主要由金屬化合物、元素碳和半揮發(fā)性有機(jī)物以及硫化物組成，通常在稀釋和冷卻過(guò)程形成。對(duì)于柴油機(jī)排放的顆粒物來(lái)講，成核模式的顆粒物占質(zhì)量的1% ～20%，但占數(shù)量的90%以上。累積態(tài)顆粒物是50nm～1μm的粒子，絕大部分微粒的質(zhì)量由這部分粒子組成，主要是含碳微粒及其吸附物。大顆粒模式由大于1μm的微粒組成，約為總質(zhì)量的5% ～20%，主要由顆粒物飛散沉積在氣缸內(nèi)壁或排氣管表面形成。

本文中利用先進(jìn)的顆粒物測(cè)量?jī)x器電子低壓沖擊器(electrical low-pressure impactor，ELPI)，系統(tǒng)研究了汽油車和液化石油氣汽車排放顆粒物的分布特性。研究發(fā)現(xiàn)，汽油車和液化石油氣汽車排放的顆粒數(shù)量大部分都在超細(xì)顆粒和納米顆粒范圍內(nèi)，因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)意義看，控制汽油車等點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車顆粒物排放是保護(hù)環(huán)境和公眾健康的一個(gè)手段。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)測(cè)試循環(huán)

試驗(yàn)測(cè)試車輛為一輛輕型液化石油氣和汽油雙燃料汽車。受測(cè)車輛放置在帶有負(fù)荷和慣量模擬的底盤測(cè)功機(jī)上，按照GB 18352.3—2005《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段)》［14］規(guī)定的運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)。單個(gè)循環(huán)持續(xù)1 180s，由兩部分組成:試驗(yàn)1部由4個(gè)城區(qū)循環(huán)ECE15組成，每個(gè)城區(qū)循環(huán)包含15個(gè)工況(怠速、加速、勻速、減速等);試驗(yàn)2部由1個(gè)城郊循環(huán)EUDC組成，包含13個(gè)工況(怠速、加速、勻速、減速等)。

1.2 顆粒物尺寸分布測(cè)量?jī)x器

顆粒物尺寸和數(shù)量分布采用ELPI進(jìn)行測(cè)量。該儀器通過(guò)電暈放電使顆粒物帶電，記錄帶電顆粒物電流，通過(guò)階式?jīng)_擊器對(duì)顆粒物進(jìn)行分級(jí)取樣。ELPI儀器能對(duì)7nm～10μm之間顆粒物進(jìn)行13級(jí)粒度分級(jí)，并對(duì)排放顆粒物進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量尺寸數(shù)量分布。顆粒物采樣分析示意圖見(jiàn)圖1。

2 結(jié)果和討論

2.1 常規(guī)污染物排放結(jié)果

常規(guī)污染物排放測(cè)量按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行，采用CVS系統(tǒng)連續(xù)采集并稀釋樣氣，用取樣泵收集到取樣袋中測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖可見(jiàn):與燃用汽油排放的常規(guī)污染物相比，燃用LPG排放的HC高50.00%，NOx高68.88%，CO低33.53%，燃用兩種燃料的汽車排放均未達(dá)到國(guó)家輕型汽車標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的第Ⅲ階段排放限值。

2.2 顆粒物數(shù)量排放

2.2.1 瞬態(tài)工況下顆粒物數(shù)量排放

圖3是燃料為汽油和LPG時(shí)汽車在瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)下ELPI實(shí)時(shí)測(cè)試的顆粒物排放結(jié)果。結(jié)果表明:燃用汽油時(shí)排放的顆粒物數(shù)量濃度明顯高于燃用LPG，顆粒物排放的數(shù)量濃度隨車速增大而增大，且均為郊區(qū)循環(huán)高于市區(qū)循環(huán);兩種燃料汽車的顆粒物的最大排放量均出現(xiàn)在120km/h處，汽油和LPG燃料的最高排放分別為3.03×107/cm3和4.17×106/cm3，兩種燃料汽車瞬態(tài)循環(huán)下顆粒物總數(shù)量分別為7.11×107/cm3和1.00×109/cm3。

為了解各個(gè)循環(huán)中顆粒物排放狀況，表1列出了4個(gè)循環(huán)排放的顆粒物數(shù)量百分比。由表可見(jiàn)，汽車顆粒物數(shù)量在冷起動(dòng)循環(huán)和高速EUDC循環(huán)排放較高。分析認(rèn)為在冷起動(dòng)循環(huán)和高速循環(huán)工況下，為保證汽車正常起動(dòng)和動(dòng)力性，混合氣處于濃混合氣狀態(tài)，燃燒狀況較差，因而排放較高。

表1 各個(gè)循環(huán)顆粒物排放百分比 %

2.2.2 冷起動(dòng)下顆粒物粒徑分布

圖4是燃用LPG時(shí)汽車?yán)淦饎?dòng)195循環(huán)和第2個(gè)195循環(huán)顆粒物粒徑分布對(duì)比。可以看出，不同粒徑大小的顆粒物數(shù)量在冷起動(dòng)循環(huán)下排放均高于第2個(gè)195循環(huán)工況。尤其對(duì)于粒徑小于39nm的顆粒物，冷起動(dòng)195循環(huán)為第2個(gè)195循環(huán)的30倍。粒徑小于70nm的顆粒物在冷起動(dòng)工況下占總數(shù)量的89.84%，在第2個(gè)195循環(huán)工況下占總數(shù)量的34.05%。粒徑大于490nm的顆粒物在冷起動(dòng)工況下占總數(shù)量的0.29%，在第2個(gè)195循環(huán)工況下占總數(shù)量的4.54%。分析認(rèn)為，冷起動(dòng)循環(huán)中排氣溫度較低，未達(dá)到三效催化轉(zhuǎn)化器的起燃溫度，因而碳?xì)浠衔锱欧泡^高，冷卻形成成核態(tài)和凝聚態(tài)的顆粒物數(shù)量也相應(yīng)較多，冷起動(dòng)循環(huán)中大量存在的粒徑小于39nm的顆粒物也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

2.2.3 不同車速下顆粒物數(shù)量排放

圖5為不同車速下顆粒物數(shù)量濃度和粒徑分布。可以看出，燃用汽油和LPG汽車的顆粒物數(shù)量總量均隨車速的增加而增加。不同車速下，燃用LPG汽車的顆粒物數(shù)量濃度均隨粒徑的增大而下降;在車速大于50km/h后，顆粒物排放數(shù)量隨車速的增加數(shù)量濃度劇烈增加;車速大于70km/h后，粒徑大于0.32μm的顆粒物數(shù)量濃度急劇下降;車速為50km/h和怠速時(shí)，粒徑大于490nm的顆粒物數(shù)量濃度急劇下降。車速在最高速度120km/h時(shí)，數(shù)量濃度達(dá)到最大，但粒徑大于770nm的顆粒物幾乎沒(méi)有，粒徑小于20nm的顆粒物比車速在100km/h時(shí)排放的相同粒徑的顆粒物高出近3個(gè)數(shù)量級(jí)。文中研究表明:車速越高，排放顆粒物的數(shù)量越多，尤其是粒徑小于320nm的顆粒物;粒徑大于490nm的顆粒物對(duì)車速的變化不敏感。

這個(gè)結(jié)果與文獻(xiàn)［15］和文獻(xiàn)［16］中的研究結(jié)果相同，在大功率下點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放的顆粒物數(shù)量濃度很高。主要原因可能是在大負(fù)荷工況時(shí)，為了保證車輛的動(dòng)力性，混合氣加濃，這就可能造成一些揮發(fā)性有機(jī)物排放升高，而這部分物質(zhì)在稀釋通道里冷卻凝核，形成新的顆粒物，這部分新形成的顆粒物屬于成核模式機(jī)理形成的顆粒物，粒徑一般小于50nm，因此在車速達(dá)到120km/h時(shí)，這部分顆粒物數(shù)量急劇加大，這也可以解釋粒徑較大(＞490nm)的顆粒物對(duì)車速不敏感的原因。

2.2.4 高車速工況粒徑分布結(jié)果

圖6為車速在120km/h高車速工況顆粒物粒徑分布。由圖可見(jiàn):不論燃用汽油還是LPG，粒徑小于70nm的顆粒物都占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，分別占總排放數(shù)量的93.33%和86.42%;粒徑小于20nm的顆粒物燃用汽油和LPG分別占汽車排放的總顆粒物數(shù)量的77.33%和63.13%。粒徑大于120nm的顆粒物在兩種燃料汽車排放的顆粒物數(shù)量中的份額都很小，燃用汽油和LPG分別占汽車顆粒物總數(shù)的2.32%和7.22%。對(duì)于燃用LPG汽車，粒徑大于1.23μm的顆粒物排放基本為零，因此燃用LPG汽車排放的顆粒物質(zhì)量非常低，另外也說(shuō)明燃用LPG汽車排放的顆粒物都屬于納米顆粒和超細(xì)顆粒物范疇之內(nèi)，產(chǎn)生機(jī)理屬于成核模式和凝聚模式［17-19］兩種。

3 結(jié)論

(1)燃用汽油時(shí)排放的顆粒物數(shù)量濃度要高于燃用LPG，兩種燃料汽車顆粒物排放均為郊區(qū)循環(huán)高于市區(qū)循環(huán)。

(2)在不同車速下，顆粒物數(shù)量濃度均隨粒徑的增大而下降，顆粒物數(shù)量濃度隨車速增加而增加，在120km/h處達(dá)到最大。

(3)燃用LPG汽車在冷起動(dòng)循環(huán)下，粒徑小于70nm的顆粒物占總數(shù)量的89.84%，第2個(gè)195循環(huán)下，粒徑小于70nm的顆粒物占總數(shù)量的34.05%。

(4)在車速為120km/h高車速工況下，燃用汽油和LPG汽車排放的粒徑小于20nm的顆粒物都占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，分別占汽車排放的總顆粒物數(shù)量的77.33%和63.13%。

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