輕型CNG車顆粒物排放特性研究

曹磊， 王振寵， 郭紅松

(中國汽車技術研究中心， 天津 300300)

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輕型CNG車顆粒物排放特性研究

曹磊， 王振寵， 郭紅松

(中國汽車技術研究中心， 天津 300300)

對同一臺輕型兩用燃料(CNG和汽油)車使用同一批次基準天然氣和基準汽油，在底盤測功機上進行NEDC，FTP75和WLTC循環對比試驗，使用CVS定容取樣系統和ELPI設備分析顆粒物等排放。研究發現：3種循環中，試驗車輛燃用CNG和汽油，排放顆粒物在Dp=40nm和Dp=330 nm附近均出現峰值，Dp=40nm處汽油峰值遠高于CNG，Dp=330 nm處CNG峰值略高于汽油；CNG的PN和PM的排放率隨車速的升高而增大，在較低的勻速工況下增長幅度較小，高速工況下增長幅度較大；CNG在NEDC循環中排放的核態和聚集態顆粒物各占50%左右，FTP75和WLTC循環中排放的聚集態顆粒物占比高于NEDC；CNG在NEDC循環中單位里程顆粒數和顆粒總數最多，FTP75和WLTC循環中單位里程顆粒數基本相同；WLTC循環中排放的顆粒物質量總量最多，FTP75和NEDC循環中排放的顆粒物質量總量基本相同；FTP75和WLTC循環中單位里程排放的顆粒物質量基本相同，約為NEDC循環的2倍。

壓縮天然氣； 顆粒； 粒徑分布； 排放測量

汽車采用天然氣作為替代燃料，在具備低廉價格的同時，也可降低排放，抑制溫室效應，降低對石油的依賴度。且由于天然氣成分比較單一，燃用天然氣不會大量產生硫、鉛、苯這些有毒有害的物質。目前，輕型雙燃料(汽油和壓縮天然氣CNG)車和輕型單燃料天然氣車的市場保有量仍然比較小，但是隨著各地政府的推廣，在有些地區出租車市場上雙燃料車和改裝天然氣車比例已經非常高，加之出租車每年運行里程一般為普通家用車的4倍至8倍，且雙燃料車使用過程中基本都是以天然氣為主要燃料運行，使得輕型天然氣車污染物排放已經不容忽視。

目前，國內外學者對CNG 發動機顆粒物排放特性已經進行了一些研究，Ristovski 等[1]、Quillen 等[2]都對CNG發動機顆粒物數量、質量排放特性及其粒徑分布等進行了研究，但主要集中于臺架試驗方面，在輕型氣體機的整車試驗方面鮮有研究。由于不同的行駛工況對整車顆粒物排放的影響較大[3-5]，基于此，為了研究循環對輕型氣體機的顆粒物排放影響，本研究基于ELPI(Electrical Low Pressure Impactor)和底盤測功機、CVS等設備，對整車在不同駕駛循環下的顆粒物排放特性開展了試驗研究。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗設備

在底盤測功機上模擬道路行駛工況進行車輛磨合和排放試驗，顆粒物測試設備使用DEKATI電子低壓沖擊儀ELPI，底盤測功機為AVL48″，CVS取樣系統為HORIBA CVS-7400T，微克天平為Sartorius SE2-F。

ELPI具有測量粒徑范圍廣、響應快、可以實時測量等優點，在各行駛工況下該儀器可以同時測量12個粒徑范圍內氣溶膠的質量和數量，二級總稀釋比為64(8×8)∶1，一級為熱稀釋，稀釋空氣溫度設為200±10 ℃；二級為冷稀釋，稀釋氣體為過濾后的環境壓縮空氣。其結構見圖1。

1.2 試驗車輛

試驗選取1臺兩用燃料(CNG和汽油)輕型車，里程在3 000 km左右，標記為G&N。后處理系統均為2級三效氧化還原型，其他主要參數見表1。

表1 試驗車輛參數

1.3 試驗方案

首先將試驗車G&N使用基準汽油磨合3 000 km，使用基準天然氣磨合300 km(磨合循環使用SRC[6]循環)，然后將該車在燃用汽油和CNG的狀態下進行排放試驗：1) 根據GB 18352.5《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》中Ⅰ型試驗要求進行排放試驗，試驗循環為NEDC循環；2) 根據EPA 40 《Control of Air Pollution From Motor Vehicles：Tier 3 Motor Vehicle Emission and Fuel Standards；Proposed Rule》中試驗要求進行排放試驗，試驗循環為FTP75循環；3) 根據歐盟將要在2017年實施的WLTP(World Light Vehicle Test Procedure)新體系的測試規程進行排放試驗，試驗循環為WLTC循環。在3種循環下試驗車輛底盤測功機加載一致，并在車輛2級后處理器后端打孔，進行排氣取樣和顆粒排放測量。

為了保證數據的可靠性，以上所有試驗均進行3次，下文討論的試驗結果均取3次結果的算術平均值。

1.4 循環工況介紹

本研究選用的測試循環為NEDC，FTP75和WLTC(見圖2)，它們的循環特性見表2。相對于NEDC，FTP75 速率變化更加頻繁、劇烈；相對于FTP75，WLTC 最高車速和平均速度均有明顯增加。

圖2 NEDC,FTP75,WLTC循環曲線

循環周期/s行駛里程/km平均時速/km·h-1最高車速/km·h-1NEDC118011.0133.6120.0WLTC180023.2746.5131.3FTP75187417.8634.291.2

1.5 試驗用燃料

本研究采用基準汽油和基準天然氣燃料，其主要參數見表3和表4。

表3 試驗用基準汽油理化參數

表4 試驗用基準天然氣理化參數

2 試驗結果和分析

2.1 CNG顆粒物粒徑分布特性

2.1.1 顆粒物粒徑分布和瞬態響應

顆粒物以生成機理分類,可以分為核態顆粒、聚集態顆粒和粗粒子核態顆粒。粒徑Dp(diameterofparticles)在5～50nm范圍內的顆粒被稱為核態顆粒，核態顆粒一般是由缸內燃燒過程的未完全燃燒碳核、揮發性碳氫、含硫化合物以及部分金屬化合物組成的。Dp在50～1 000 nm范圍內的顆粒物被稱為聚集態顆粒，主要來自燃油嚴重不完全燃燒形成的碳質初生核態粒子，核態粒子繼續集聚成團并在表面吸附了一些半揮發性物質形成了聚集態微粒。Dp大于 1 000nm的顆粒物被稱為粗粒子核態顆粒，一般是被氣流帶出的燃燒室內積炭,占比不多，本研究不予討論。核態顆粒物一般占柴油機排放微粒質量總量的1%～20%。占數量總量90%以上的是Dp在50～500 nm范圍的聚集態顆粒，主要由固體炭煙顆粒及其吸附物質組成[7-9]。

燃用CNG和汽油的點燃式發動機的微粒形成機理和排放特性與柴油機有很大差別。據文獻[1]報道,CNG發動機排放的顆粒中位數直徑在不同負荷下基本均在20～60 nm，主要為核態微粒；文獻[2]的結果顯示CNG發動機排放的顆粒幾何平均粒徑約為30 nm，并認為直徑為300 nm以上的大顆粒主要是由潤滑油燃燒所產生，且對整個顆粒質量排放貢獻很大；文獻[8]顯示Dp<40nm的顆粒占總微粒數的50%～60%，Dp<70 nm的顆粒占80%～90%，且認為CNG車排放的顆粒中核態顆粒比例很大，主要是發動機排氣在稀釋和冷卻過程中形成的，由金屬化合物、半揮發性有機物及硫化物組成。

在NEDC，FTP75和WLTC循環中G&N排放的顆粒物粒徑分布見圖3至圖5。從圖3至圖5中可以看出，在3種循環中G&N使用兩種燃料排放的顆粒物數量濃度在Dp為40nm和330nm左右都出現了峰值。其原因可能是在車輛冷起動階段，無論使用哪種燃料，車輛為了正常起動，混合氣加濃，混合不充分難以形成均質混合氣，燃燒較差，產生較多碳氫化合物，同時催化器并未達到起燃溫度，碳氫化合物轉化效率低，增加了形成核態顆粒的趨勢；另一方面，在加速的過程中，兩種燃料混合氣空加濃，處于缺氧狀態，使得燃燒不完全，增加了產生soot(炭黑)的趨勢，使得聚集態顆粒物增多。

以NEDC循環為例，將圖3中G&N使用CNG時ELPI測得的CH1(ELPI第一級，顆粒物粒徑Dp=40nm)和CH5(ELPI第一級，顆粒物粒徑Dp=330nm)顆粒數單獨抽取出來，這兩個粒徑的顆粒物濃度隨NEDC循環時間和速度瞬態排放的曲線見圖6。

圖3 G&N使用CNG和汽油在NEDC中的粒徑分布

圖4 G&N使用CNG和汽油在FTP75中的粒徑分布

圖5 G&N使用CNG和汽油在WLTC中的粒徑分布

圖6 燃用CNG時40，330 nm粒徑顆粒物瞬態排放

從圖6中可以看出，CNG在冷起動階段Dp=40nm的顆粒物出現了較高的峰值，在高速的加速階段Dp=330 nm的顆粒物出現了較高的峰值，這種現象也與前面所述現象是一致的。

從圖3至圖5中還可以看出，試驗車輛在3種循環中燃用汽油的顆粒數濃度在Dp=40nm處的峰值遠高于燃用CNG，在Dp=330 nm處的峰值燃用CNG略高于燃用汽油。這可能是由于，同一輛車使用CNG作為燃料時，相對于汽油而言，CNG為氣體燃料，易與空氣均勻混合，利于充分燃燒，起動階段較汽油燃燒更充分，產生顆粒少，對核態顆粒物濃度貢獻減少，且CNG中不含金屬元素、硫、苯、烯烴等物質，排放的顆粒中核態顆粒物SOF、硫化物和金屬化合物明顯少于汽油，故3種循環中在40 nm處的峰值燃用CNG遠低于燃用汽油。此外，CNG與空氣的混合氣熱值較汽油低且充量系數小，燃用CNG時，汽油-CNG兩用燃料發動機動力性能下降12%～16%[10]，在同樣的加速工況下需要較大功率時，CNG混合氣單位體積熱值低于汽油混合氣，為了獲得同樣的動力性，需要噴射更多的CNG，導致催化器處的排氣空速增加，后處理效率下降，使得某些揮發性有機物的排放升高，形成新的顆粒物。另一方面，文獻[2]認為CNG發動機排放的顆粒物中直徑為300 nm以上的大顆粒主要是由潤滑油燃燒所產生，在3種循環中使用CNG時在330 nm處的峰值也可能與此有關，但導致使用CNG時的峰值略高于汽油的原因需要后續研究。

以CNG為燃料時，NEDC循環中兩個峰值高度基本相同，核態和聚集態顆粒物各占總顆粒數的50%左右；在FTP75和WLTC循環中，顆粒物濃度在顆粒物粒徑300 nm處的峰值高于40 nm處的峰值，聚集態顆粒占總顆粒數的70%以上。這可能是由于FTP75和WLTC循環相對于NEDC循環，包含了更多的加速工況(見圖2)，使得排放的顆粒物中聚集態顆粒物占比更多。

2.1.2 不同車速下顆粒物粒徑分布

為了研究燃用CNG在不同車速下顆粒物粒徑分布規律，選擇NEDC循環的勻速段顆粒物排放結果進行分析。為了保證試驗結果的穩定，怠速工況選擇ECE和EUDC間的怠速段，低速和中速工況選擇ECE最后一個循環中32 km/h和70 km/h的勻速段，高速工況選擇EUDC的120 km/h勻速段。

圖7示出怠速、低速、中速和高速工況下總顆粒數濃度、核態顆粒數濃度和聚集態顆粒數濃度。從圖7可看出，G&N在燃用CNG時，4個車速工況下的總顆粒數濃度、核態顆粒數濃度和聚集態顆粒數濃度均呈上升趨勢，在高速工況下，聚集態顆粒數濃度和總顆粒數濃度上升較為明顯，說明在怠速、低速和中速工況下，核態顆粒數和聚集態顆粒數在總顆粒數中比例大致相同，在高速工況下，聚集態顆粒數占比升高。

圖7 不同速度下顆粒物濃度

2.2 CNG顆粒物的數量和質量排放特性

2.2.1 不同循環顆粒物排放特性

在NEDC，FTP75和WLTC循環中，G&N燃用CNG時的顆粒物數量(PN)和顆粒物質量(PM)的結果見表5。從表5可以看出，NEDC循環的顆粒總數和單位里程的顆粒數最多，比其他兩個循環約高出一個數量級，FTP75和WLTC循環單位里程的顆粒數基本相同。WLTC循環排放的顆粒物質量最多，FTP75和NEDC循環排放的顆粒物質量總量較為接近；FTP75和WLTC循環單位里程排放的顆粒物質量基本相同，約為NEDC的2倍。

表5 G&N顆粒物排放的PN和PM

這一結果與圖3至圖5所示3種循環中燃用CNG時的顆粒物粒徑分布是一致的，由于FP75和WLTC循環與NEDC循環相比聚集態顆粒物占比更高，雖然平均單位里程的顆粒數少于NEDC，但是單位里程的顆粒物質量較高。

為了進一步研究燃用CNG時的顆粒物PN和PM在不同循環的瞬態響應，對ELPI采集的PN和PM的秒采數據隨速度、時間的響應規律進行分析(見圖8至圖10)。

從圖8至圖10可以看出，PN和PM與車速均有良好的對應關系。總體來看，在冷起動階段PN的排放率均較高；當試驗車輛車速較低時，PN和PM的排放率較低；車輛加速時，PN和PM的排放率有增加的趨勢，在急加速時還會出現峰值；減速時，PN和PM排放率均較低。另外，從圖中還可見，當試驗車輛連續加速或減速時，PN和PM排放率的變化較為劇烈，這可能是因為加減速過程中，轉速和輸出功率都不穩定，在較復雜的工況下，缸內燃燒狀況較差，增加了顆粒物排放，尤其是聚集態顆粒物的排放，使得PM和PN的曲線產生了一些振蕩的峰值。同時，發動機工況變化劇烈時瞬時排氣流量和壓力變化較大且較快，再經過一定長度的排放系統和消聲器的影響，采樣設備的采樣處氣流變化較為劇烈。

圖8 NEDC中PN和PM的瞬態響應

圖9 FTP75中PN和PM的瞬態響應

圖10 WLTC中PN和PM的瞬態響應

2.2.2 不同車速下顆粒物排放特性

為了研究不同車速下的顆粒物PN和PM的排放特性，選取圖7中4個工況下的PN和PM排放結果進行比較，結果見圖11。 從圖11可以看出，PN和PM的排放率在較低的速度工況下隨速度的增加變化不明顯，而在高速工況下PN和PM都快速增高。說明在較低的勻速工況下，PN和PM的排放率對速度不敏感；在高速工況下，PN和PM的排放率都有較大幅度的增加，PM增幅大于PN。

圖11 不同車速下顆粒物排放的PN和PM

3 結論

a) 在NEDC，FTP75和WLTC循環中，車輛燃用CNG和汽油排放顆粒物在Dp=40nm和Dp=330 nm附近均出現峰值，Dp=40nm處燃用汽油的峰值遠高于燃用CNG，Dp=330 nm處燃用CNG的峰值略高于燃用汽油；

b) 車輛燃用CNG排放的顆粒物在NEDC循環中核態和聚集態顆粒物各占50%左右，FTP75和WLTC循環中的聚集態顆粒物占比高于NEDC，在70%以上；

c) 車輛燃用CNG排放的顆粒物PN和PM的排放率隨車速的升高而增大，在較低的勻速工況下增長幅度較小，高速工況下增長幅度較大；燃用CNG時在NEDC循環中單位里程排放的顆粒數和顆粒總數最多，FTP75和WLTC循環中單位里程排放的顆粒數基本相同；WLTC循環中排放的顆粒物質量總量最多，FTP75和NEDC循環中排放的顆粒物質量總量基本相同；FTP75和WLTC循環中單位里程排放的顆粒物質量基本相同，約為NEDC循環的2倍。

[1] Ristovski Z D,Morawska L,Hitchins J,et al.Particle emissions from compressed natural gas engines[J].Journal of Aerosol Science,2000,31(4):403-413.

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[編輯： 潘麗麗]

Characteristics of Particle Emission for Light Duty CNG Vehicle

CAO Lei，WANG Zhenchong， GUO Hongsong

(China Automotive Technology and Research Center， Tianjin 300300, China)

For a light duty dual fuel vehicle, the NEDC, FTP75 and WLTC experiments of standard natural gas and gasoline were conducted on a chassis dynamometer and the analysis of particle emission was completed through the CVS sampling system and ELPI equipment. The results show that the particle emissions of vehicle fueled with CNG and gasoline reach the peak at the particle diameter of 40 nm and 330 nm in all three driving cycles. The peak of gasoline is higher than that of CNG at 40 nm and the peak of CNG is higher than that of gasoline at 330 nm. The PN and PM emission rate of CNG increase with the increase of vehicle velocity and the increase is small at low and uniform speed conditions and large at high speed conditions. The nuclear and accumulation mode particles of CNG take up 50% respectively in NEDC cycle and the accumulation mode particle of FTP75 and WLTC is higher than that of NEDC. The total number of particles and particle number per kilometer in NEDC and the total particulate mass in WLTC cycle are the largest. The particle number per kilometer in FTP75 and WLTC cycle are mainly the same, while the same result for the total particulate mass in FTP75 and NEDC cycle. In addition, the particulate mass per kilometer in FTP75 and WLTC cycle are mainly the same, which is twice of that in NEDC cycle.

CNG； particle; size distribution; emission measurement

2015-07-29；

2016-01-11

曹磊(1983—)，男，助理工程師，主要研究方向為輕型車的排放及燃油消耗；caolei@catarc.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.008

TK433.52

B

1001-2222(2016)02-0040-06