轻型CNG车颗粒物排放特性研究

曹磊， 王振宠， 郭红松

(中国汽车技术研究中心， 天津 300300)



轻型CNG车颗粒物排放特性研究

曹磊， 王振宠， 郭红松

(中国汽车技术研究中心， 天津 300300)

对同一台轻型两用燃料(CNG和汽油)车使用同一批次基准天然气和基准汽油，在底盘测功机上进行NEDC，FTP75和WLTC循环对比试验，使用CVS定容取样系统和ELPI设备分析颗粒物等排放。研究发现：3种循环中，试验车辆燃用CNG和汽油，排放颗粒物在Dp=40nm和Dp=330 nm附近均出现峰值，Dp=40nm处汽油峰值远高于CNG，Dp=330 nm处CNG峰值略高于汽油；CNG的PN和PM的排放率随车速的升高而增大，在较低的匀速工况下增长幅度较小，高速工况下增长幅度较大；CNG在NEDC循环中排放的核态和聚集态颗粒物各占50%左右，FTP75和WLTC循环中排放的聚集态颗粒物占比高于NEDC；CNG在NEDC循环中单位里程颗粒数和颗粒总数最多，FTP75和WLTC循环中单位里程颗粒数基本相同；WLTC循环中排放的颗粒物质量总量最多，FTP75和NEDC循环中排放的颗粒物质量总量基本相同；FTP75和WLTC循环中单位里程排放的颗粒物质量基本相同，约为NEDC循环的2倍。

压缩天然气； 颗粒； 粒径分布； 排放测量

汽车采用天然气作为替代燃料，在具备低廉价格的同时，也可降低排放，抑制温室效应，降低对石油的依赖度。且由于天然气成分比较单一，燃用天然气不会大量产生硫、铅、苯这些有毒有害的物质。目前，轻型双燃料(汽油和压缩天然气CNG)车和轻型单燃料天然气车的市场保有量仍然比较小，但是随着各地政府的推广，在有些地区出租车市场上双燃料车和改装天然气车比例已经非常高，加之出租车每年运行里程一般为普通家用车的4倍至8倍，且双燃料车使用过程中基本都是以天然气为主要燃料运行，使得轻型天然气车污染物排放已经不容忽视。

目前，国内外学者对CNG 发动机颗粒物排放特性已经进行了一些研究，Ristovski 等[1]、Quillen 等[2]都对CNG发动机颗粒物数量、质量排放特性及其粒径分布等进行了研究，但主要集中于台架试验方面，在轻型气体机的整车试验方面鲜有研究。由于不同的行驶工况对整车颗粒物排放的影响较大[3-5]，基于此，为了研究循环对轻型气体机的颗粒物排放影响，本研究基于ELPI(Electrical Low Pressure Impactor)和底盘测功机、CVS等设备，对整车在不同驾驶循环下的颗粒物排放特性开展了试验研究。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

在底盘测功机上模拟道路行驶工况进行车辆磨合和排放试验，颗粒物测试设备使用DEKATI电子低压冲击仪ELPI，底盘测功机为AVL48″，CVS取样系统为HORIBA CVS-7400T，微克天平为Sartorius SE2-F。

ELPI具有测量粒径范围广、响应快、可以实时测量等优点，在各行驶工况下该仪器可以同时测量12个粒径范围内气溶胶的质量和数量，二级总稀释比为64(8×8)∶1，一级为热稀释，稀释空气温度设为200±10 ℃；二级为冷稀释，稀释气体为过滤后的环境压缩空气。其结构见图1。

1.2 试验车辆

试验选取1台两用燃料(CNG和汽油)轻型车，里程在3 000 km左右，标记为G&N。后处理系统均为2级三效氧化还原型，其他主要参数见表1。

表1 试验车辆参数

1.3 试验方案

首先将试验车G&N使用基准汽油磨合3 000 km，使用基准天然气磨合300 km(磨合循环使用SRC[6]循环)，然后将该车在燃用汽油和CNG的状态下进行排放试验：1) 根据GB 18352.5《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》中Ⅰ型试验要求进行排放试验，试验循环为NEDC循环；2) 根据EPA 40 《Control of Air Pollution From Motor Vehicles：Tier 3 Motor Vehicle Emission and Fuel Standards；Proposed Rule》中试验要求进行排放试验，试验循环为FTP75循环；3) 根据欧盟将要在2017年实施的WLTP(World Light Vehicle Test Procedure)新体系的测试规程进行排放试验，试验循环为WLTC循环。在3种循环下试验车辆底盘测功机加载一致，并在车辆2级后处理器后端打孔，进行排气取样和颗粒排放测量。

为了保证数据的可靠性，以上所有试验均进行3次，下文讨论的试验结果均取3次结果的算术平均值。

1.4 循环工况介绍

本研究选用的测试循环为NEDC，FTP75和WLTC(见图2)，它们的循环特性见表2。相对于NEDC，FTP75 速率变化更加频繁、剧烈；相对于FTP75，WLTC 最高车速和平均速度均有明显增加。

图2 NEDC,FTP75,WLTC循环曲线

循环周期/s行驶里程/km平均时速/km·h-1最高车速/km·h-1NEDC118011.0133.6120.0WLTC180023.2746.5131.3FTP75187417.8634.291.2

1.5 试验用燃料

本研究采用基准汽油和基准天然气燃料，其主要参数见表3和表4。

表3 试验用基准汽油理化参数

表4 试验用基准天然气理化参数

2 试验结果和分析

2.1 CNG颗粒物粒径分布特性

2.1.1 颗粒物粒径分布和瞬态响应

颗粒物以生成机理分类,可以分为核态颗粒、聚集态颗粒和粗粒子核态颗粒。粒径Dp(diameterofparticles)在5～50nm范围内的颗粒被称为核态颗粒，核态颗粒一般是由缸内燃烧过程的未完全燃烧碳核、挥发性碳氢、含硫化合物以及部分金属化合物组成的。Dp在50～1 000 nm范围内的颗粒物被称为聚集态颗粒，主要来自燃油严重不完全燃烧形成的碳质初生核态粒子，核态粒子继续集聚成团并在表面吸附了一些半挥发性物质形成了聚集态微粒。Dp大于 1 000nm的颗粒物被称为粗粒子核态颗粒，一般是被气流带出的燃烧室内积炭,占比不多，本研究不予讨论。核态颗粒物一般占柴油机排放微粒质量总量的1%～20%。占数量总量90%以上的是Dp在50～500 nm范围的聚集态颗粒，主要由固体炭烟颗粒及其吸附物质组成[7-9]。

燃用CNG和汽油的点燃式发动机的微粒形成机理和排放特性与柴油机有很大差别。据文献[1]报道,CNG发动机排放的颗粒中位数直径在不同负荷下基本均在20～60 nm，主要为核态微粒；文献[2]的结果显示CNG发动机排放的颗粒几何平均粒径约为30 nm，并认为直径为300 nm以上的大颗粒主要是由润滑油燃烧所产生，且对整个颗粒质量排放贡献很大；文献[8]显示Dp<40nm的颗粒占总微粒数的50%～60%，Dp<70 nm的颗粒占80%～90%，且认为CNG车排放的颗粒中核态颗粒比例很大，主要是发动机排气在稀释和冷却过程中形成的，由金属化合物、半挥发性有机物及硫化物组成。

在NEDC，FTP75和WLTC循环中G&N排放的颗粒物粒径分布见图3至图5。从图3至图5中可以看出，在3种循环中G&N使用两种燃料排放的颗粒物数量浓度在Dp为40nm和330nm左右都出现了峰值。其原因可能是在车辆冷起动阶段，无论使用哪种燃料，车辆为了正常起动，混合气加浓，混合不充分难以形成均质混合气，燃烧较差，产生较多碳氢化合物，同时催化器并未达到起燃温度，碳氢化合物转化效率低，增加了形成核态颗粒的趋势；另一方面，在加速的过程中，两种燃料混合气空加浓，处于缺氧状态，使得燃烧不完全，增加了产生soot(炭黑)的趋势，使得聚集态颗粒物增多。

以NEDC循环为例，将图3中G&N使用CNG时ELPI测得的CH1(ELPI第一级，颗粒物粒径Dp=40nm)和CH5(ELPI第一级，颗粒物粒径Dp=330nm)颗粒数单独抽取出来，这两个粒径的颗粒物浓度随NEDC循环时间和速度瞬态排放的曲线见图6。

图3 G&N使用CNG和汽油在NEDC中的粒径分布

图4 G&N使用CNG和汽油在FTP75中的粒径分布

图5 G&N使用CNG和汽油在WLTC中的粒径分布

图6 燃用CNG时40，330 nm粒径颗粒物瞬态排放

从图6中可以看出，CNG在冷起动阶段Dp=40nm的颗粒物出现了较高的峰值，在高速的加速阶段Dp=330 nm的颗粒物出现了较高的峰值，这种现象也与前面所述现象是一致的。

从图3至图5中还可以看出，试验车辆在3种循环中燃用汽油的颗粒数浓度在Dp=40nm处的峰值远高于燃用CNG，在Dp=330 nm处的峰值燃用CNG略高于燃用汽油。这可能是由于，同一辆车使用CNG作为燃料时，相对于汽油而言，CNG为气体燃料，易与空气均匀混合，利于充分燃烧，起动阶段较汽油燃烧更充分，产生颗粒少，对核态颗粒物浓度贡献减少，且CNG中不含金属元素、硫、苯、烯烃等物质，排放的颗粒中核态颗粒物SOF、硫化物和金属化合物明显少于汽油，故3种循环中在40 nm处的峰值燃用CNG远低于燃用汽油。此外，CNG与空气的混合气热值较汽油低且充量系数小，燃用CNG时，汽油-CNG两用燃料发动机动力性能下降12%～16%[10]，在同样的加速工况下需要较大功率时，CNG混合气单位体积热值低于汽油混合气，为了获得同样的动力性，需要喷射更多的CNG，导致催化器处的排气空速增加，后处理效率下降，使得某些挥发性有机物的排放升高，形成新的颗粒物。另一方面，文献[2]认为CNG发动机排放的颗粒物中直径为300 nm以上的大颗粒主要是由润滑油燃烧所产生，在3种循环中使用CNG时在330 nm处的峰值也可能与此有关，但导致使用CNG时的峰值略高于汽油的原因需要后续研究。

以CNG为燃料时，NEDC循环中两个峰值高度基本相同，核态和聚集态颗粒物各占总颗粒数的50%左右；在FTP75和WLTC循环中，颗粒物浓度在颗粒物粒径300 nm处的峰值高于40 nm处的峰值，聚集态颗粒占总颗粒数的70%以上。这可能是由于FTP75和WLTC循环相对于NEDC循环，包含了更多的加速工况(见图2)，使得排放的颗粒物中聚集态颗粒物占比更多。

2.1.2 不同车速下颗粒物粒径分布

为了研究燃用CNG在不同车速下颗粒物粒径分布规律，选择NEDC循环的匀速段颗粒物排放结果进行分析。为了保证试验结果的稳定，怠速工况选择ECE和EUDC间的怠速段，低速和中速工况选择ECE最后一个循环中32 km/h和70 km/h的匀速段，高速工况选择EUDC的120 km/h匀速段。

图7示出怠速、低速、中速和高速工况下总颗粒数浓度、核态颗粒数浓度和聚集态颗粒数浓度。从图7可看出，G&N在燃用CNG时，4个车速工况下的总颗粒数浓度、核态颗粒数浓度和聚集态颗粒数浓度均呈上升趋势，在高速工况下，聚集态颗粒数浓度和总颗粒数浓度上升较为明显，说明在怠速、低速和中速工况下，核态颗粒数和聚集态颗粒数在总颗粒数中比例大致相同，在高速工况下，聚集态颗粒数占比升高。

图7 不同速度下颗粒物浓度

2.2 CNG颗粒物的数量和质量排放特性

2.2.1 不同循环颗粒物排放特性

在NEDC，FTP75和WLTC循环中，G&N燃用CNG时的颗粒物数量(PN)和颗粒物质量(PM)的结果见表5。从表5可以看出，NEDC循环的颗粒总数和单位里程的颗粒数最多，比其他两个循环约高出一个数量级，FTP75和WLTC循环单位里程的颗粒数基本相同。WLTC循环排放的颗粒物质量最多，FTP75和NEDC循环排放的颗粒物质量总量较为接近；FTP75和WLTC循环单位里程排放的颗粒物质量基本相同，约为NEDC的2倍。

表5 G&N颗粒物排放的PN和PM

这一结果与图3至图5所示3种循环中燃用CNG时的颗粒物粒径分布是一致的，由于FP75和WLTC循环与NEDC循环相比聚集态颗粒物占比更高，虽然平均单位里程的颗粒数少于NEDC，但是单位里程的颗粒物质量较高。

为了进一步研究燃用CNG时的颗粒物PN和PM在不同循环的瞬态响应，对ELPI采集的PN和PM的秒采数据随速度、时间的响应规律进行分析(见图8至图10)。

从图8至图10可以看出，PN和PM与车速均有良好的对应关系。总体来看，在冷起动阶段PN的排放率均较高；当试验车辆车速较低时，PN和PM的排放率较低；车辆加速时，PN和PM的排放率有增加的趋势，在急加速时还会出现峰值；减速时，PN和PM排放率均较低。另外，从图中还可见，当试验车辆连续加速或减速时，PN和PM排放率的变化较为剧烈，这可能是因为加减速过程中，转速和输出功率都不稳定，在较复杂的工况下，缸内燃烧状况较差，增加了颗粒物排放，尤其是聚集态颗粒物的排放，使得PM和PN的曲线产生了一些振荡的峰值。同时，发动机工况变化剧烈时瞬时排气流量和压力变化较大且较快，再经过一定长度的排放系统和消声器的影响，采样设备的采样处气流变化较为剧烈。

图8 NEDC中PN和PM的瞬态响应

图9 FTP75中PN和PM的瞬态响应

图10 WLTC中PN和PM的瞬态响应

2.2.2 不同车速下颗粒物排放特性

为了研究不同车速下的颗粒物PN和PM的排放特性，选取图7中4个工况下的PN和PM排放结果进行比较，结果见图11。 从图11可以看出，PN和PM的排放率在较低的速度工况下随速度的增加变化不明显，而在高速工况下PN和PM都快速增高。说明在较低的匀速工况下，PN和PM的排放率对速度不敏感；在高速工况下，PN和PM的排放率都有较大幅度的增加，PM增幅大于PN。

图11 不同车速下颗粒物排放的PN和PM

3 结论

a) 在NEDC，FTP75和WLTC循环中，车辆燃用CNG和汽油排放颗粒物在Dp=40nm和Dp=330 nm附近均出现峰值，Dp=40nm处燃用汽油的峰值远高于燃用CNG，Dp=330 nm处燃用CNG的峰值略高于燃用汽油；

b) 车辆燃用CNG排放的颗粒物在NEDC循环中核态和聚集态颗粒物各占50%左右，FTP75和WLTC循环中的聚集态颗粒物占比高于NEDC，在70%以上；

c) 车辆燃用CNG排放的颗粒物PN和PM的排放率随车速的升高而增大，在较低的匀速工况下增长幅度较小，高速工况下增长幅度较大；燃用CNG时在NEDC循环中单位里程排放的颗粒数和颗粒总数最多，FTP75和WLTC循环中单位里程排放的颗粒数基本相同；WLTC循环中排放的颗粒物质量总量最多，FTP75和NEDC循环中排放的颗粒物质量总量基本相同；FTP75和WLTC循环中单位里程排放的颗粒物质量基本相同，约为NEDC循环的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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[编辑： 潘丽丽]

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，助理工程师，主要研究方向为轻型车的排放及燃油消耗；caolei@catarc.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.02.008

TK433.52

B

1001-2222(2016)02-0040-06