基于國(guó)五Ⅰ型測(cè)試的Warp Air Clean裝置對(duì)汽油車(chē)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(guó)玉

(北京大學(xué)深圳研究生院環(huán)境與能源學(xué)院,廣東 深圳 518055)

截至2020年,我國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量已經(jīng)達(dá)到3.72億輛,其中汽車(chē)2.81億輛[1]。隨著汽車(chē)的普及,汽車(chē)行駛過(guò)程中排放的尾氣已經(jīng)成為空氣污染的重要來(lái)源之一[2]。汽車(chē)排放的尾氣主要可以分為4大類(lèi)污染物：CO、總碳?xì)浠衔?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(duì)生態(tài)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生巨大危害。據(jù)報(bào)道,空氣污染造成的人類(lèi)死亡有大約一半是由于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放引起的[3]。據(jù)《2016—2019年全國(guó)生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)》報(bào)道,全國(guó)廢氣排放中,NOx的排放量達(dá)到1 233.9萬(wàn)t,其中移動(dòng)源排放655.6萬(wàn)t,占比超過(guò)50%;PM排放量達(dá)到1 088.5萬(wàn)t,其中移動(dòng)源排放7.4萬(wàn)t。而移動(dòng)源中,汽車(chē)排放的污染物超過(guò)了90%[4]。

為了降低汽車(chē)的尾氣排放,國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了大量的研究。目前的汽車(chē)尾氣減排技術(shù)可以分為機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外凈化技術(shù)兩類(lèi)[5]。機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)通過(guò)改善燃燒來(lái)減少污染物的生成[6-9]。機(jī)外凈化技術(shù)則是在發(fā)動(dòng)機(jī)后端,對(duì)已經(jīng)生成的污染物進(jìn)行進(jìn)一步控制[10]。但少有從發(fā)動(dòng)機(jī)前端探索汽車(chē)尾氣的減排技術(shù)[11]。傳統(tǒng)的空氣濾清器只是去除進(jìn)氣中較大粒徑的灰塵和砂粒,減少灰塵等對(duì)氣缸壁與活塞、活塞環(huán)和氣缸壁之間的磨料磨損,延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命[12],并不能去除粒徑較小的污染物?！遁p型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第五階段)》(GB 18352.5—2013)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)五)、《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》(GB 18352.6—2016)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)六)實(shí)施以后,碳罐技術(shù)[13-14]、文丘里管[15]等常被安裝于空氣濾清器干凈側(cè)用于吸附發(fā)動(dòng)機(jī)中蒸發(fā)的油氣,進(jìn)而減少THC的排放量,但鮮見(jiàn)真正研究其污染物減排效果的報(bào)道。

基于碳系的導(dǎo)電填充材料廣泛應(yīng)用于合成具有抗靜電和電磁屏蔽等性能的導(dǎo)電硅橡膠中[16],日本Tasin公司據(jù)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(guò)靜電作用能夠有效去除空氣中的帶電粒子,從而使進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣更加清潔,促進(jìn)燃料充分燃燒,從而實(shí)現(xiàn)降低污染物排放量,同時(shí)也可有效減少汽車(chē)油耗。此外,由于WAC裝置主要作用于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣,因此它對(duì)汽車(chē)其他零部件幾乎不會(huì)有影響。因此,該裝置具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景,但目前對(duì)于該裝置的實(shí)際減排效果尚未有系統(tǒng)研究。

由于國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)自2020年7月1日才正式實(shí)行,并且在2025年前國(guó)五輕型汽車(chē)的“在用符合性檢驗(yàn)”仍執(zhí)行國(guó)五標(biāo)準(zhǔn),因此本研究暫仍基于國(guó)五Ⅰ型測(cè)試,以汽油車(chē)為例,對(duì)WAC裝置在輕型汽車(chē)上的實(shí)際減排效果進(jìn)行研究,探討不同車(chē)型、不同車(chē)況下汽油車(chē)的減排效果差異,研究結(jié)果對(duì)于探索汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)前端凈化技術(shù)、減少汽車(chē)尾氣排放、改善環(huán)境空氣質(zhì)量都具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法與實(shí)驗(yàn)車(chē)輛

1.1 實(shí)驗(yàn)方法

采用國(guó)五Ⅰ型測(cè)試方法,分別測(cè)量同一輛汽車(chē)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(píng)價(jià)WAC裝置的減排效果。

1.2 實(shí)驗(yàn)車(chē)輛

本研究的實(shí)驗(yàn)車(chē)輛包括不超過(guò)九座的載客車(chē)輛(M1)和最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量不超過(guò)3 500 kg的載貨車(chē)輛(N1)兩種不同類(lèi)型的汽油車(chē)。根據(jù)行駛里程,又將車(chē)輛分為新車(chē)(初始里程<50 000 km)和舊車(chē)(初始里程≥50 000 km)。因此,共得到4組實(shí)驗(yàn)車(chē)輛,其中M1的新舊車(chē)各測(cè)試了兩輛不同類(lèi)型的汽車(chē),實(shí)驗(yàn)車(chē)輛信息如表1所示。6輛汽車(chē)均委托國(guó)家機(jī)動(dòng)車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(廣東)測(cè)試。由于國(guó)五Ⅰ型測(cè)試中,僅測(cè)量汽油直接噴射式(GDI)汽油車(chē)的PM排放,因此本研究中的PM排放僅測(cè)量了屬于GDI汽油車(chē)的M1-a1和M1-a2。

表1 實(shí)驗(yàn)車(chē)輛信息Table 1 Information of test vehicles

2 結(jié)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(duì)不同類(lèi)型的汽油車(chē)呈現(xiàn)出不同的減排特征。對(duì)于M1新車(chē),WAC裝置除對(duì)CO減排效果不明顯外,對(duì)其他4類(lèi)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(duì)于M1舊車(chē),WAC裝置對(duì)NOx的減排效果不明顯,對(duì)其他4類(lèi)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(duì)于M1-a1和M1-a2的PM減排率分別為8.88%、19.63%。

對(duì)于N1新車(chē),WAC裝置對(duì)THC、CH4和NMHC的減排率分別為3.73%、0.03%、4.51%;對(duì)于N1舊車(chē),WAC裝置對(duì)THC、CH4和NMHC的減排率分別為22.27%、19.54%、22.38%。WAC裝置導(dǎo)致N1新車(chē)排放的CO增加,而對(duì)舊車(chē)的CO仍有明顯減排效果(19.84%)。然而,WAC裝置對(duì)N1新車(chē)的NOx有一定的減排效果(4.64%),但會(huì)導(dǎo)致舊車(chē)NOx排放上升。

總體而言,在綜合工況下,WAC裝置對(duì)不同類(lèi)型的汽油車(chē)有一定的污染物減排效果,其中對(duì)舊車(chē)的減排效果優(yōu)于對(duì)新車(chē)的減排效果。

2.2 WAC裝置的市區(qū)工況減排效果

從圖2可以看出,WAC裝置在市區(qū)工況下對(duì)汽油車(chē)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(duì)于M1新車(chē),WAC裝置對(duì)CO的減排效果也不明顯,對(duì)其他4類(lèi)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(duì)于M1舊車(chē),WAC裝置對(duì)NOx的減排效果也不明顯,對(duì)其他4類(lèi)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(duì)于N1新車(chē),WAC裝置對(duì)THC、CH4和NMHC的減排率分別為4.45%、1.77%、4.96%;對(duì)于N1舊車(chē),WAC裝置對(duì)THC、CH4和NMHC的減排率分別為22.58%、18.74%、22.71%。WAC裝置同樣導(dǎo)致N1新車(chē)排放的CO增加,而對(duì)舊車(chē)的CO有明顯的減排效果(16.97%),減排效果相對(duì)綜合工況略小。WAC裝置對(duì)N1新車(chē)的NOx減排效果(36.80%)相對(duì)綜合工況更加明顯,但也同樣導(dǎo)致舊車(chē)的NOx排放有一定幅度的上升。

綜合而言,WAC裝置在市區(qū)工況下對(duì)M1各類(lèi)污染物的減排效果同綜合工況接近,對(duì)N1各類(lèi)污染物的減排效果有些差異,對(duì)N1舊車(chē)的CO減排效果相對(duì)綜合工況略小,對(duì)N1新車(chē)的NOx減排效果相對(duì)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(duì)汽油車(chē)的減排效果與綜合工況、市區(qū)工況差別較大。對(duì)于M1新車(chē),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(duì)于M1舊車(chē),WAC裝置的減排效果出現(xiàn)了一定幅度的下滑,甚至出現(xiàn)了安裝WAC裝置后反而排放量增大的現(xiàn)象,但WAC裝置對(duì)CO和NOx的減排率仍有14.05%(CO)、6.50%(NOx)。

對(duì)于N1新車(chē),安裝WAC裝置后,所有污染物指標(biāo)均出現(xiàn)了不同程度的上升,尤其是3種有機(jī)物指標(biāo)上升幅度較大;對(duì)于N1舊車(chē),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(guò)了20%。

對(duì)比而言,WAC裝置對(duì)THC、CH4和NMHC的市區(qū)工況減排效果優(yōu)于市郊工況,而對(duì)CO和NOx的市郊工況減排效果優(yōu)于市區(qū)工況。

2.4 WAC裝置對(duì)不同工況下不同車(chē)輛減排效果的差異分析

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在燃燒過(guò)程中,THC產(chǎn)生的途徑主要包括不完全燃燒、壁面淬熄效應(yīng)、狹隙效應(yīng)以及潤(rùn)滑油膜和沉積物對(duì)燃油蒸氣的吸附與解吸[17]。市區(qū)工況下,冷起動(dòng)、暖機(jī)過(guò)程、怠速、加速等過(guò)程中,過(guò)量空氣系數(shù)較小且油氣混合質(zhì)量差,燃油無(wú)法完全燃燒,因此不完全燃燒產(chǎn)生的THC較多[18]。未安裝WAC裝置時(shí),由于混合油氣中的部分燃油與進(jìn)氣中的離子聚集成核無(wú)法燃燒,因此發(fā)動(dòng)機(jī)需要噴射更多的燃油來(lái)滿(mǎn)足運(yùn)行負(fù)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(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高,燃燒室內(nèi)的渦流擴(kuò)散條件改善,油氣混合條件較好,因此不完全燃燒產(chǎn)生的THC排放相對(duì)較少,此工況下壁面淬熄效應(yīng)、狹隙效應(yīng)等產(chǎn)生的THC可能相對(duì)較多,是導(dǎo)致WAC裝置減排效果變差的重要原因。

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

汽車(chē)尾氣排放中的CO是燃油不完全燃燒的產(chǎn)物。市郊工況下,雖然混合油氣的過(guò)量空氣系數(shù)較大,但未安裝WAC裝置時(shí),燃油由于聚集成核無(wú)法完全燃燒導(dǎo)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(qū)工況下,由于進(jìn)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(guò)量空氣系數(shù)減小,導(dǎo)致生成的CO增多,所以本研究中市區(qū)工況下WAC裝置對(duì)汽油車(chē)出現(xiàn)負(fù)減排效果。

汽車(chē)尾氣中的NOx絕大部分是NO,且主要是熱力型NO。熱力型NO產(chǎn)生的條件是高溫、富氧、長(zhǎng)反應(yīng)滯留時(shí)間。未安裝WAC裝置時(shí),混合油氣中的氧氣無(wú)法被燃料充分消耗,因此導(dǎo)致了相對(duì)富氧的環(huán)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(qū)工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度總體相對(duì)較高[19],因此即使可氧化N2的氧氣減少,WAC裝置對(duì)NO的減排效果也較弱;在市郊工況下,由于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度相對(duì)較低,因此當(dāng)可氧化N2的氧氣減少時(shí),WAC裝置對(duì)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(chē)污染物排放的重要原因之一。對(duì)于舊車(chē),發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的積碳會(huì)吸附未燃混合油氣和燃料蒸氣,在排氣過(guò)程中又將它們釋放出來(lái),導(dǎo)致THC的排放增加[20],安裝WAC裝置能有效減少積碳對(duì)未燃混合油氣和燃料蒸氣的吸附,因此對(duì)THC的減排效果總體較新車(chē)更為突出。同時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的積碳吸附未燃混合油氣和燃料蒸氣后,可能引發(fā)擴(kuò)散燃燒,導(dǎo)致CO排放量增加[21],未安裝WAC裝置時(shí),這部分異常燃燒可能導(dǎo)致較多的CO排放;安裝WAC裝置后,雖然實(shí)際過(guò)量空氣系數(shù)略有降低,導(dǎo)致不完全燃燒產(chǎn)生的CO排放略有增加,但大幅削減了異常燃燒產(chǎn)生的CO,因此仍能呈現(xiàn)出較為顯著的減排效果。積碳同樣對(duì)NO的排放存在影響,對(duì)于積碳較少的新車(chē),安裝WAC裝置后,發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)原本由帶電粒子吸附的燃油充分燃燒消耗氧氣,相對(duì)削弱了富氧環(huán)境,從而能夠有效減少NOx的排放;但對(duì)于舊車(chē),由于積碳不易傳熱,溫度較高,在進(jìn)氣、壓縮過(guò)程中不斷加熱混合油氣,使得溫度升高很快,創(chuàng)造了高溫條件,而WAC裝置對(duì)NOx減排影響就很小了。

此外,隨著發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比的增大,狹隙效應(yīng)和積碳層中未燃THC增多,削弱了WAC裝置對(duì)THC的減排效果,同時(shí)該過(guò)程也導(dǎo)致不完全燃燒的CO排放增多,削弱了WAC裝置對(duì)CO的減排效果。壓縮比增大,也會(huì)導(dǎo)致壓縮沖程最后混合油氣的溫度升高,削弱WAC裝置對(duì)NOx的減排效果。因此,對(duì)于THC、CO和NOx,WAC裝置對(duì)N1車(chē)型的減排效果總體弱于對(duì)M1車(chē)型。

3 結(jié) 論

總體而言,WAC裝置對(duì)汽油車(chē)尾氣排放的THC、CO、NOx、PM、CH4和NMHC都有一定的減排效果,對(duì)舊車(chē)的減排效果優(yōu)于對(duì)新車(chē)的減排效果,但對(duì)NOx的減排效果則是新車(chē)優(yōu)于舊車(chē);對(duì)THC、CH4和NMHC的市區(qū)工況減排效果優(yōu)于市郊工況,而對(duì)CO和NOx的市郊工況減排效果優(yōu)于市區(qū)工況;對(duì)M1的減排效果優(yōu)于N1。