基于國五Ⅰ型測試的Warp Air Clean裝置對汽油車尾氣減排效果研究*

鄒振東 余雷雨 丁金山 劉錦慧 林倩云 鄢春華 黃婉彬 邱國玉

(北京大學深圳研究生院環境與能源學院,廣東 深圳 518055)

截至2020年,我國機動車保有量已經達到3.72億輛,其中汽車2.81億輛[1]。隨著汽車的普及,汽車行駛過程中排放的尾氣已經成為空氣污染的重要來源之一[2]。汽車排放的尾氣主要可以分為4大類污染物：CO、總碳氫化合物(THC)、氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM),其中THC包括CH4和非甲烷總烴(NMHC)。這些污染物大量排入空氣對生態環境和人體健康產生巨大危害。據報道,空氣污染造成的人類死亡有大約一半是由于機動車尾氣排放引起的[3]。據《2016—2019年全國生態環境統計公報》報道,全國廢氣排放中,NOx的排放量達到1 233.9萬t,其中移動源排放655.6萬t,占比超過50%;PM排放量達到1 088.5萬t,其中移動源排放7.4萬t。而移動源中,汽車排放的污染物超過了90%[4]。

為了降低汽車的尾氣排放,國內外都進行了大量的研究。目前的汽車尾氣減排技術可以分為機內凈化技術和機外凈化技術兩類[5]。機內凈化技術主要是在發動機內通過改善燃燒來減少污染物的生成[6-9]。機外凈化技術則是在發動機后端,對已經生成的污染物進行進一步控制[10]。但少有從發動機前端探索汽車尾氣的減排技術[11]。傳統的空氣濾清器只是去除進氣中較大粒徑的灰塵和砂粒,減少灰塵等對氣缸壁與活塞、活塞環和氣缸壁之間的磨料磨損,延長發動機壽命[12],并不能去除粒徑較小的污染物。《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》(GB 18352.5—2013)(以下簡稱國五)、《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB 18352.6—2016)(以下簡稱國六)實施以后,碳罐技術[13-14]、文丘里管[15]等常被安裝于空氣濾清器干凈側用于吸附發動機中蒸發的油氣,進而減少THC的排放量,但鮮見真正研究其污染物減排效果的報道。

基于碳系的導電填充材料廣泛應用于合成具有抗靜電和電磁屏蔽等性能的導電硅橡膠中[16],日本Tasin公司據此提出了一種Warp Air Clean(WAC)裝置,核心材料是竹炭和硅橡膠,將其安裝于空氣濾清器表面,通過靜電作用能夠有效去除空氣中的帶電粒子,從而使進入發動機的空氣更加清潔,促進燃料充分燃燒,從而實現降低污染物排放量,同時也可有效減少汽車油耗。此外,由于WAC裝置主要作用于發動機進氣,因此它對汽車其他零部件幾乎不會有影響。因此,該裝置具有較強的應用前景,但目前對于該裝置的實際減排效果尚未有系統研究。

由于國六標準自2020年7月1日才正式實行,并且在2025年前國五輕型汽車的“在用符合性檢驗”仍執行國五標準,因此本研究暫仍基于國五Ⅰ型測試,以汽油車為例,對WAC裝置在輕型汽車上的實際減排效果進行研究,探討不同車型、不同車況下汽油車的減排效果差異,研究結果對于探索汽車發動機前端凈化技術、減少汽車尾氣排放、改善環境空氣質量都具有重要意義。

1 實驗方法與實驗車輛

1.1 實驗方法

采用國五Ⅰ型測試方法,分別測量同一輛汽車未安裝WAC裝置與安裝WAC裝置兩種情形下的排放情況,從而評價WAC裝置的減排效果。

1.2 實驗車輛

本研究的實驗車輛包括不超過九座的載客車輛(M1)和最大設計總質量不超過3 500 kg的載貨車輛(N1)兩種不同類型的汽油車。根據行駛里程,又將車輛分為新車(初始里程<50 000 km)和舊車(初始里程≥50 000 km)。因此,共得到4組實驗車輛,其中M1的新舊車各測試了兩輛不同類型的汽車,實驗車輛信息如表1所示。6輛汽車均委托國家機動車質量監督檢驗中心(廣東)測試。由于國五Ⅰ型測試中,僅測量汽油直接噴射式(GDI)汽油車的PM排放,因此本研究中的PM排放僅測量了屬于GDI汽油車的M1-a1和M1-a2。

表1 實驗車輛信息Table 1 Information of test vehicles

2 結果與討論

2.1 WAC裝置的綜合工況減排效果

從圖1可以看出,WAC裝置在綜合工況下對不同類型的汽油車呈現出不同的減排特征。對于M1新車,WAC裝置除對CO減排效果不明顯外,對其他4類污染物的平均減排率分別為13.10%(THC)、26.06%(NOx)、9.60%(CH4)、13.73%(NMHC);對于M1舊車,WAC裝置對NOx的減排效果不明顯,對其他4類污染物的平均減排率分別為18.99%(THC)、11.82%(CO)、7.37%(CH4)、19.62%(NMHC)。此外,WAC裝置對于M1-a1和M1-a2的PM減排率分別為8.88%、19.63%。

對于N1新車,WAC裝置對THC、CH4和NMHC的減排率分別為3.73%、0.03%、4.51%;對于N1舊車,WAC裝置對THC、CH4和NMHC的減排率分別為22.27%、19.54%、22.38%。WAC裝置導致N1新車排放的CO增加,而對舊車的CO仍有明顯減排效果(19.84%)。然而,WAC裝置對N1新車的NOx有一定的減排效果(4.64%),但會導致舊車NOx排放上升。

總體而言,在綜合工況下,WAC裝置對不同類型的汽油車有一定的污染物減排效果,其中對舊車的減排效果優于對新車的減排效果。

2.2 WAC裝置的市區工況減排效果

從圖2可以看出,WAC裝置在市區工況下對汽油車的減排效果總體與綜合工況相似,在減排幅度上有一定的變化。對于M1新車,WAC裝置對CO的減排效果也不明顯,對其他4類污染物的平均減排率分別為12.17%(THC)、12.63%(NOx)、7.21%(CH4)、13.08%(NMHC);對于M1舊車,WAC裝置對NOx的減排效果也不明顯,對其他4類污染物的減排率分別為20.07%(THC)、10.49%(CO)、11.57%(CH4)、20.53%(NMHC)。

圖1 WAC裝置的綜合工況減排效果Fig.1 Emission reduction effects of WAC device under comprehensive condition

對于N1新車,WAC裝置對THC、CH4和NMHC的減排率分別為4.45%、1.77%、4.96%;對于N1舊車,WAC裝置對THC、CH4和NMHC的減排率分別為22.58%、18.74%、22.71%。WAC裝置同樣導致N1新車排放的CO增加,而對舊車的CO有明顯的減排效果(16.97%),減排效果相對綜合工況略小。WAC裝置對N1新車的NOx減排效果(36.80%)相對綜合工況更加明顯,但也同樣導致舊車的NOx排放有一定幅度的上升。

綜合而言,WAC裝置在市區工況下對M1各類污染物的減排效果同綜合工況接近,對N1各類污染物的減排效果有些差異,對N1舊車的CO減排效果相對綜合工況略小,對N1新車的NOx減排效果相對綜合工況更加明顯。

2.3 WAC裝置的市郊工況減排效果

從圖3可以看出,WAC裝置在市郊工況下對汽油車的減排效果與綜合工況、市區工況差別較大。對于M1新車,WAC裝置的平均減排率分別為24.31%(THC)、7.94%(CO)、34.61%(NOx)、80.19%(CH4)、20.11%(NMHC);對于M1舊車,WAC裝置的減排效果出現了一定幅度的下滑,甚至出現了安裝WAC裝置后反而排放量增大的現象,但WAC裝置對CO和NOx的減排率仍有14.05%(CO)、6.50%(NOx)。

對于N1新車,安裝WAC裝置后,所有污染物指標均出現了不同程度的上升,尤其是3種有機物指標上升幅度較大;對于N1舊車,除NMHC在WAC裝置安裝前后排放量相同外,其他污染物都有一定的減排效果,CO、NOx和CH4的減排率都超過了20%。

對比而言,WAC裝置對THC、CH4和NMHC的市區工況減排效果優于市郊工況,而對CO和NOx的市郊工況減排效果優于市區工況。

2.4 WAC裝置對不同工況下不同車輛減排效果的差異分析

汽油發動機在燃燒過程中,THC產生的途徑主要包括不完全燃燒、壁面淬熄效應、狹隙效應以及潤滑油膜和沉積物對燃油蒸氣的吸附與解吸[17]。市區工況下,冷起動、暖機過程、怠速、加速等過程中,過量空氣系數較小且油氣混合質量差,燃油無法完全燃燒,因此不完全燃燒產生的THC較多[18]。未安裝WAC裝置時,由于混合油氣中的部分燃油與進氣中的離子聚集成核無法燃燒,因此發動機需要噴射更多的燃油來滿足運行負荷,使得該工況排出的未燃THC較多;在安裝WAC裝置后,混合油氣中的燃油能夠充分地燃燒,從而減少了未燃THC的排放。市郊工況下,發動機轉速較高,燃燒室內的渦流擴散條件改善,油氣混合條件較好,因此不完全燃燒產生的THC排放相對較少,此工況下壁面淬熄效應、狹隙效應等產生的THC可能相對較多,是導致WAC裝置減排效果變差的重要原因。

圖2 WAC裝置的市區工況減排效果Fig.2 Emission reduction effects of WAC device under urban condition

汽車尾氣排放中的CO是燃油不完全燃燒的產物。市郊工況下,雖然混合油氣的過量空氣系數較大,但未安裝WAC裝置時,燃油由于聚集成核無法完全燃燒導致一定量的CO排放,而安裝WAC裝置后,更多燃料能夠完全燃燒,使得CO排放減少。在市區工況下,由于進氣中的氧氣不能完全氧化汽油中的碳,因此在安裝WAC裝置后,可供燃燒的燃料更多,混合油氣的過量空氣系數減小,導致生成的CO增多,所以本研究中市區工況下WAC裝置對汽油車出現負減排效果。

汽車尾氣中的NOx絕大部分是NO,且主要是熱力型NO。熱力型NO產生的條件是高溫、富氧、長反應滯留時間。未安裝WAC裝置時,混合油氣中的氧氣無法被燃料充分消耗,因此導致了相對富氧的環境,使得N2被更多的氧化成為NO;安裝WAC裝置后,混合油氣中的氧氣被燃料充分消耗,生成的NO因此減少。在市區工況下,發動機內溫度總體相對較高[19],因此即使可氧化N2的氧氣減少,WAC裝置對NO的減排效果也較弱;在市郊工況下,由于發動機內溫度相對較低,因此當可氧化N2的氧氣減少時,WAC裝置對NO的減排效果更加突出。

圖3 WAC裝置的市郊工況減排效果Fig.3 Emission reduction effects of WAC device under suburban condition

積碳是影響舊車污染物排放的重要原因之一。對于舊車,發動機內的積碳會吸附未燃混合油氣和燃料蒸氣,在排氣過程中又將它們釋放出來,導致THC的排放增加[20],安裝WAC裝置能有效減少積碳對未燃混合油氣和燃料蒸氣的吸附,因此對THC的減排效果總體較新車更為突出。同時,發動機內的積碳吸附未燃混合油氣和燃料蒸氣后,可能引發擴散燃燒,導致CO排放量增加[21],未安裝WAC裝置時,這部分異常燃燒可能導致較多的CO排放;安裝WAC裝置后,雖然實際過量空氣系數略有降低,導致不完全燃燒產生的CO排放略有增加,但大幅削減了異常燃燒產生的CO,因此仍能呈現出較為顯著的減排效果。積碳同樣對NO的排放存在影響,對于積碳較少的新車,安裝WAC裝置后,發動機內原本由帶電粒子吸附的燃油充分燃燒消耗氧氣,相對削弱了富氧環境,從而能夠有效減少NOx的排放;但對于舊車,由于積碳不易傳熱,溫度較高,在進氣、壓縮過程中不斷加熱混合油氣,使得溫度升高很快,創造了高溫條件,而WAC裝置對NOx減排影響就很小了。

此外,隨著發動機壓縮比的增大,狹隙效應和積碳層中未燃THC增多,削弱了WAC裝置對THC的減排效果,同時該過程也導致不完全燃燒的CO排放增多,削弱了WAC裝置對CO的減排效果。壓縮比增大,也會導致壓縮沖程最后混合油氣的溫度升高,削弱WAC裝置對NOx的減排效果。因此,對于THC、CO和NOx,WAC裝置對N1車型的減排效果總體弱于對M1車型。

3 結 論

總體而言,WAC裝置對汽油車尾氣排放的THC、CO、NOx、PM、CH4和NMHC都有一定的減排效果,對舊車的減排效果優于對新車的減排效果,但對NOx的減排效果則是新車優于舊車;對THC、CH4和NMHC的市區工況減排效果優于市郊工況,而對CO和NOx的市郊工況減排效果優于市區工況;對M1的減排效果優于N1。