Warp Air Clean產品特征及其減排效果研究

鄒振東 余雷雨 黃婉彬 丁金山 蔣先逞豪 邱國玉

摘要： 傳統機動車研究假設發動機進氣為新鮮空氣，但在實際道路環境中，大量污染物會改變發動機的進氣質量，從而影響燃燒。Warp Air Clean（WAC）技術通過在硅橡膠中填充碳顆粒，利用碳顆粒的導電性去除進氣中的帶電粒子，從而達到凈化進氣、改善燃燒進而減少尾氣排放的目的。本研究多種材料檢測技術，研究了WAC材料的基本特征，并基于實際道路測試及臺架測試，驗證了該技術的減排效果。研究結果表明，WAC技術能夠有效地減少機動車的THC、CO、NOx和顆粒物排放。

Abstract： The intake air was assumed to be pure in traditional vehicle research. However， lots of pollutants in the real road environment would change the quality of the intake air and thus affect the combustion. Warp Air Clean （WAC） technology could remove the charged particles in the air by filling carbon particles into silicon rubber. As a result， the intake air would be purified， the combustion would be improved， and the emission could be reduced. This research studied the characteristics of the WAC material， and verified its emission reduction effects by real road measurement and dynamometer test. The results showed that WAC technology could significant reduce the emission of THC， CO， NOx and particles.

關鍵詞： Warp Air Clean;掃描電鏡;紅外光譜儀;PEMS;臺架測試

Key words： Warp Air Clean;scanning electron microscope;infrared spectrometer;PEMs;bench test

中圖分類號：U46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0055-03

0 ?引言

Warp Air Clean技術由日本Tasin公司提出。該技術將導電體（碳顆粒）均勻分布于絕緣體（硅橡膠）中，當空氣中任意時刻陰離子或陽離子占優時，材料表面的導電體會吸附占優勢的離子，進而形成電場，排斥與之電荷相同的粒子，并吸附電荷相反的粒子，最終實現對帶電粒子的去除[1]。該技術已經在日本市場化，截止2019年，日本已有約2600輛卡車、800輛轎車裝備了WAC裝置。在日本應用時，可減排THC和CO80%，減排黑煙20%～80%，具有顯著的環境效益。本研究通過與Tasin公司的合作，將該技術引進國內，對其材料的基本特征進行檢測分析，并基于多種方法對其在中國的減排效果進行驗證，進而為該技術的國產化奠定基礎。

1 ?WAC材料的基本特征

1.1 WAC材料表面形態特征

WAC裝置通過安裝于空氣濾清器表面發揮其對進氣的凈化作用，根據空氣濾清器的不同，WAC裝置采用不同的裝置結構與固定方式。針對板式空氣濾清器，其采用長方形盒裝結構，通過卡扣固定于空氣濾清器表面;針對筒式空氣濾清器，其采用魔術貼的方式纏繞于空氣濾清器表面（圖1）。

但兩種結構的核心均是其中的片狀WAC材料（圖1）。通常有兩種，均為以硅橡膠為基地，填充碳顆粒的合成材料。兩種材料（A和B）的主要區別在于碳顆粒的濃度，因此兩種材料呈現出不同的顏色，根據汽車進氣量的不同，配置不同的材料。通常來說，發動機進氣量越大，材料B使用越多。

進一步，本研究通過場發射掃描電子顯微鏡（SEM，ZEISS SUPRA55，Carl Zeiss，Germany）觀察兩種材料的表面結構（圖2）。從圖2來看，在不同的放大倍數下，兩種材料的表面均呈現出明顯的多孔特征，小孔分布較為均勻，且孔徑基本一致。這說明WAC除了通過靜電作用去除帶電粒子外，可能還能通過表面的小孔吸附部分空氣中的污染物，進一步增強其對進氣的凈化作用。在10000的放大倍數下，表面并沒有明顯的碳顆粒凸起?；贓DX（掃描電鏡能譜儀）可以發現，碳顆粒在硅橡膠中分布較為均勻，沒有明顯的聚集。此外，材料A與材料B的表面形態沒有明顯區別。

本研究同樣對使用后的WAC表面進行了觀察。結果顯示，WAC材料在使用后（約半年）表面有較多灰塵顆粒，經SEM掃描發現其表面呈小坑狀，原多孔孔隙被阻塞且存在較多細顆粒物聚集于產品表面（圖3）。說明在使用過程中，空氣中的污染物會堵塞WAC表面的多孔孔隙，因此需要對其進行定期清潔以保證其對進氣的凈化效果。

1.2 WAC材料元素組成特征

進一步，同樣使用SEM-EDX（ZEISS SUPRA55，Carl Zeiss，Germany）對材料A和材料B的元素組成進行分析。結果表明，材料A和材料B的元素組成基本一致，均由Si、C和O組成，其中又以Si和C為主要成分（圖4）。對于材料A，其Si、C和O的質量濃度分別為36.32%、28.98%和34.70%，而材料B的Si、C和O的質量濃度分別為36.07%、28.90%和35.03%。材料B中C濃度更高，其靜電作用更強，凈化效果更好，同時材料本身顏色也就更深。

1.3 WAC材料官能團特征

本研究采用美國PerkinElmer公司Frontier型的紅外光譜儀，鑒別WAC材料的特征官能團。從圖5可以看出，兩種材料的表面官能團并沒有明顯的差別，材料正反面官能團也沒有明顯差別。兩種材料的特征波段與純硅橡膠制品的指紋區一致，即1800cm-1（1300cm-1）～600cm-1區域內。這表明，填充碳顆粒以后，對于硅橡膠的化學性質并沒有產生較大影響。

2 ?WAC材料減排效果的驗證

為了驗證WAC材料對于機動車尾氣的減排效果。本研究基于多種方法對其減排效果進行了驗證。首先，本研究委托國家機動車質量監督檢驗中心（廣東），依據國五I型測試方法，檢測了12輛不同的機動車在安裝與未安裝WAC裝置時的THC、CO、NOx、PM、CH4和NHMC排放。其次，項目組依靠PEMS裝置（車載尾氣檢測設備，Sensor， USA），在深圳和重慶分別設定20～35km的測試路線（市區路段：市郊路段：高速路段里程比例約為1：1：1），在實際道路行駛過程中測試了40輛不同機動車在安裝與未安裝WAC裝置時的THC、CO、NOx和PN排放。測試中，包含了M1、M2/M3、N1、N2/N3等不同類型的車輛，涉及汽油車與柴油車兩種不同的燃油類型，包含了新車（<2年，<50000km）和舊車（>2年，>50000km）[2]。

測試結果如圖6所示。其中一般城市為深圳的實際道路行駛測量結果，山地城市為重慶的實際道路行測量結果，臺架測試為國家機動車質量監督檢驗中心的測量結果?？梢园l現，WAC材料對各種尾氣污染物均具有較為顯著的減排效果。其中，WAC對THC的減排效果最好，在一般城市、山地城市和臺架測試的減排率分別達到46.96%、30.06%和15.03%。這與WAC的減排原理一致，即通過減少發動機內燃油顆粒的聚集，促進燃油充分燃燒，進而減少了未燃碳氫化合物的燃燒。

WAC對NOx的減排效果僅次于THC，在三種不同的測試環境下分別達到17.97%、7.66%和6.93%。汽車NOx的主要來源是熱力型NO，其產生條件需要高溫、富氧和長反應時間，安裝WAC后，更多的燃料得以充分燃燒，因此消耗了更多的氧氣，削弱了富氧環境，因此NOx得以減少。而WAC對CO的減排效果分別為10.47%、7.40%和4.51%。CO同樣是燃料不完全燃燒的產物，因此WAC對燃燒的改善依然能夠有效減少CO的排放。但由于CO是在碳氫化合物燃燒過程中生成的，WAC首先對THC起作用，其次才是CO，因此WAC對CO的減排率低于THC。顆粒物的主要成分是炭煙、可溶性有機物和硫酸鹽，其中可溶性有機物的主要成分是未燃燒的重餾分碳氫化合物[3]。因此，當WAC技術減少了THC的生成后，也自然導致了顆粒物排放的減少。在不同的環境下，WAC對顆粒物的減排效果分別達到了5.19%（PN）、5.76%（PN）和14.26%（PM）。此外，臺架測試中還測試了WAC對CH4和NMHC的減排效果，減排率分別達到了8.92%和15.60%，效果同樣突出。

對比WAC在三種不同環境下的減排效果可以發現，WAC的減排效果在一般城市比山地城市更為突出。主要原因可能是由于道路坡度引起，在重慶的測試中，測試路線的高差達到了200m，而深圳測試路線的海拔高度變化不大。頻繁的上坡使得發動機負荷較大，混合器偏濃。此時，盡管WAC能夠有效減少聚集，但由于氧氣并不充足，因此分散的燃油顆粒仍然無法充分燃燒，因此減排效果并不明顯。而兩種實際道路行駛條件下對THC的減排效果均優于臺架測試，這也與WAC技術的假設前提一致，即空氣中的污染物尤其是帶電粒子會降低發動機內的燃燒效率，進而增加排放。在實際道路條件下，空氣中污染物成分較多，WAC能夠更加充分地發揮作用;而在臺架測試中，由于環境空氣被控制在設定的范圍內，污染物濃度較低，因此WAC的減排作用相對降低。由于PEMS設備通常搭載PN模塊，因此實際道路過程中測試了顆粒物數量，在臺架測試中則是測試了顆粒物質量?？梢园l現，WAC對顆粒物數量的減排效果相對于顆粒物質量偏低，說明WAC可能對于顆粒物中質量較大的部分去除效果更好。

3 ?結論

本研究首先基于各種檢測手段分析了WAC材料的各項基本特征，進而通過不同的測試手段在不同的測試環境下驗證了WAC技術在國內的減排效果。研究結果表明：①WAC材料表面為均勻的多孔結構，因此除了靜電作用外，也能吸附一定數量的污染物;但這些小孔在長期使用后會被堵塞，需要及時進行清洗。②WAC材料由Si、O、

C三種材料組成，表面其僅通過在硅橡膠中填充碳顆粒制成。其中C元素的質量濃度在35%左右。填充碳顆粒并沒有改變硅橡膠的化學性質。③WAC材料能夠有效地減少國內機動車尾氣中的THC、NOx、CO、顆粒物、CH4和NMHC排放。其中對THC的減排效果最為突出，在一般城市、山地城市和臺架測試的減排率分別達到46.96%、30.06%和15.03%。④相比于臺架測試，WAC材料的減排效果在實際道路行駛過程中更加突出，進一步證明了WAC技術在實際道路環境下的應用價值。本研究的結果對于WAC技術的改進及國產化具有重要的意義。

參考文獻：

[1]和田元，田埜芳浩.離子捕捉片、離子捕捉模塊和潔凈空氣供給裝置：CN204247044U[P].2015-04-08.

[2]丁金山，鄒振東，余雷雨，等.基于實際道路監測的Warp Air Clean機動車減排技術效果及其影響因素研究[J].環境工程，2022（S40）. （in press）

[3]王建昕，帥石金.汽車發動機原理[M].清華大學出版社，2011.