不同燃料对重型天然气发动机细小颗粒物数量排放影响研究

施佳能 张佑源 李粟 汪晓伟 高涛

【摘 要】文章选取一台10.4 L的重型天然气发动机，分别使用高热值和低热值两种燃料在发动机台架上运行冷热态WHTC（世界统一瞬态循环），并采用能够同时测量PN10（10 nm以上颗粒物数量）和PN23（23 nm以上颗粒物数量）的颗粒计数器测量了颗粒物排放。结果表明：PN10和PN23的瞬态排放的变化规律基本一致。PN10加权比排放远高于PN23加权比排放。冷启动时，PN排放占比较大。燃料对天然气发动机PN排放有很大的影响。燃料中含碳燃料如甲烷、乙烷的增加，会导致冷启动过程中的PN排放迅速增加。

【关键词】重型天然气发动机;燃料;细颗粒物;颗粒物数量;排放

【中图分类号】TK433 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2022）03-0067-04

生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报（2021）》数据显示[1]，2020年中國机动车颗粒物排放量达6.8万t，其中柴油车颗粒物排放量占比超过90%。颗粒物排放对环境和人体健康均构成危害，颗粒物的环境危害主要源于其光学特性，粒子通过吸收与散射光，降低能见度，导致雾霾天气的发生[2]。同粒径较大的大气颗粒物相比，机动车排放的颗粒物粒径小，在大气中的停留时间长且输送距离远。颗粒物的比表面积较大，有可能吸附更多有毒有害物质，细颗粒物穿透力更强，可深入人的呼吸系统甚至脑部组织[3]。

目前，《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（简称重型国六排放法规）除了对颗粒物质量进行限制，还对粒径为23 nm～2.5 μm的粒子进行测量计数（PN排放）[4]，其中世界统一稳态循环（WHSC）下的发动机PN排放限值为8×1011 #/kW·h，世界统一瞬态循环（WHTC）下的发动机PN排放限值为6×1011 #/kW·h。

学者对颗粒物数量排放的深入研究发现，小于23 nm的粒子数量排放也很严重[5-8]。有研究表明，目前的颗粒物测试方法，30%～50%的GDI（缸内直喷）发动机的颗粒物，50%～100%的PFI（进气道喷射）发动机的颗粒物，并没有进行管控。欧盟专门成立了DTT（Down to Ten）工作组，正在讨论将颗粒物数量测量的范围由现在的23 nm以上扩展到10 nm以上。生态环境部排污监控中心也成立了工作组开展相关的预研工作。

目前，针对10 nm以上颗粒物的研究主要集中在汽油车和柴油车，但对天然气发动机的研究很少。由于天然气具有价格优势，因此搭载燃气发动机的重型卡车日趋火爆。据统计，2020年1～9月天然气重卡累计销售11.65万辆，同比增长近29%。天然气被认为是一种清洁燃料，有报告指出，使用天然气的汽车HC排放值可降低40%，CO排放值可降低50%，并且没有碳烟排放[9]。实际上，尽管天然气发动机颗粒物质量很低，但是其排放物中包含大量小颗粒物，几何平均直径仅为30 nm[10]。因此，本研究选取一台10.4 L的重型燃气机，采用能够同时测量PN10（10 nm以上颗粒物数量）和PN23（23 nm以上颗粒物数量）的AVL公司生产的颗粒计数器，开展了冷热态WHTC的测试，获得了两种不同燃料下的重型燃气机PN10和PN23的排放特性。

1 试验系统

1.1 试验设备

试验在发动机全流稀释取样台架上（CVS）进行，采用AVL最新针对未来法规开发的颗粒计数器，可以同时测量PN10和PN23。该设备在VPR中增加了一个催化器，氧化后处理蒸发的碳氢化合物并吸附存储硫化物，最大限度地降低对颗粒数量测试的影响，同时升级了CPC。该套设备的PN10的计数效率大于50%，PN15（15 nm以上颗粒物数量）的计数效率大于90%。

除了颗粒物计数器，本研究使用的设备还包括AVL电力测功机、气体排放分析仪、颗粒质量采样设备AVL PSS i60等，主要的测试设备见表1。

1.2 试验发动机

试验发动机为一台10.4 L的重型燃气机，额定功率为235 kW，最大扭矩为1 450 N·m，满足重型国六排放法规要求。发动机的具体参数见表2。

1.3 试验用燃料

在测试中，按照重型国六排放法规要求使用了两种类型的天然气，第一种是由体积分数占85.45%的甲烷和14.54%的氮气混合而成的低热值天然气（NG1），第二种是由体积分数占94.11%的甲烷、3.5%的乙烷、1.2%的CO2和1%的氮气混合而成的高热值天然气（NG2）。

1.4 试验方案

按照重型国六排放法规要求，分别使用两种燃料运行循环冷态WHTC（WHTC-C）、热态WHTC（WHTC-H），测量颗粒物质量PM、PN10、PN23。

2 试验结果及分析

2.1 PN10和PN23排放结果

表3是冷热态WHTC循环下的PN10和PN23的排放及加权比排放。

从加权的结果来看，对于两种燃料，其最终的加权比排放结果均低于法规要求的6×1011 #/kW·h。其中，NG1的PN23的加权比排放为1.48×109 #/kW·h，PN10的加权比排放为3.2×1010 #/kW·h。PN10的加权比排放是PN23的21.6倍。在冷态WHTC循环下，NG1的PN23的加权比排放为4.04×109 #/kW·h，PN10的加权比排放为8.71×1010 #/kW·h。在热态WHTC循环下，NG1的PN23的加权比排放为1.07×109 #/kW·h，PN10的加权比排放为2.31×1010 #/kW·h。冷热态WHTC循环下，PN10的加权比排放均是PN23的21.6倍。对于PN23，冷态WHTC循环加权比排放是热态WHTC循环比排放的3.78倍;对于PN10，冷态WHTC循环加权比排放是热态WHTC循环加权比排放的3.77倍。NG2的PN23的加权比排放为1.06×1010 #/kW·h，PN10的加权比排放为2.27×1011 #/kW·h。PN10的加权比排放是PN23的21.5倍。在冷态WHTC循环下，NG2的PN23的加权比排放为6.97×1010 #/kW·h，PN10的加权比排放为1.5×1012 #/kW·h。在热态WHTC循环下，NG2的PN23的加权比排放为9.53×108 #/kW·h，PN10的加权比排放为2.06×1010 #/kW·h。冷热态WHTC循环下，PN10的加权比排放均是PN23的加权比排放的21.5倍。对于PN23，冷态WHTC循环加权比排放是热态WHTC循环加权比排放的72.99倍;对于PN10，冷态WHTC循环加权比排放是热态WHTC循环加权比排放的72.64倍。C07FE95F-CF58-4D75-ADC1-B718617454A0

从这些结果可以看出，对于重型天然气发动机，PN10的排放要远高于PN23的排放，其主要原因是天然气发动机生成的颗粒物粒径更小。Hora、候献军等研究发现，天然气燃料的颗粒物中主要以核态的形式存在[11-12]。说明天然气发动机对粒径更小的颗粒物排放的管控更为迫切。

2.2 PN瞬态排放特性

图1为燃用NG1燃料的冷态WHTC的PN10和PN23的瞬态排放和累积排放。PN10和PN23的变化趋势非常一致，在冷启动阶段有一个较高的峰值。主要原因是当时排气温度较低，三元催化器的催化效率不高。还有两个较大的峰值出现在700 s和1 250 s处。在700 s处，发动机处于从减速到怠速运行，引起排温下降，催化效率降低。在1 200 s处，发动机处于从加速到减速运行，过程中的空燃比控制不稳定，导致出现了不完全燃烧，引起颗粒物增加。在循环的最后的稳定高速阶段，PN10和PN23的排放较低，其主要原因是此时排温高，颗粒物容易被氧化掉。

图2为燃用NG2燃料的冷态WHTC的PN10和PN23的瞬态排放和累积排放。与NG1燃料相似，PN10和PN23的变化趋势非常一致，并且最大的峰值出现在冷启动阶段，较大的峰值出现在减速至长怠速及加速至减速的阶段。但是，与NG1燃料相比，NG2燃料在冷启动阶段的PN排放非常严重，尤其是对于PN10。从累积排放来看，95%以上的PN排放均在这阶段产生。

从以上的分析可以看出，对于天然气发动机，在排气温度尚未达到三元催化器的最佳工作温度时，PN排放占比很高。当排气温度上升后，工况成为主要的影响因素，在加减速的过程中，空燃比控制不好会导致产生局部过浓的混合气，从而增加了颗粒物的排放量。此外，燃料对颗粒物的数量排放有很大的影响。

2.3 燃料对PN排放的影响

两种不同燃料在冷热态WHTC循环下的PN加权比排放如图3所示。在冷态WHTC循环下，高热值的NG2燃料的PN10和PN23加权比排放分别是低热值NG1燃料的17.25倍和17.2倍。在热态WHTC循环下，高热值的NG2燃料的PN10和PN23加权比排放均是低热值NG1燃料的0.89倍。也就是说，NG2燃料在冷态WHTC的循环下的PN排放要远高于NG1燃料，但对热态WHTC的PN排放影响不大。结合图2可知，NG2燃料对PN排放的影响主要集中在冷启动阶段。Amirante等以不同比例的甲烷和丙烷的混合气探寻燃料对排放的影响，发现丙烷的加入会导致5～30 nm粒径范围内的颗粒物数目的增加[13]。McTaggart-Cowan等研究发现，添加乙烷和丙烷会导致碳烟颗粒物排放量的增加[14]。在本研究中，NG1燃料主要成分是甲烷和氮气，而在NG2燃料中，除了甲烷的含量，还加入了一定量的乙烷。含碳燃料的增加，导致PN排放的增加。

NG2燃料对PN排放的影响主要集中在冷态WHTC循环的冷启动阶段，为分析原因，对两种燃料冷态WHTC循环前150 s的其他污染物和排温进行了对比（如圖4所示）。从图4可以看到，两种燃料的排温基本没有差异，在不到100 s时就升温至300 ℃左右。NG2燃料的总碳氢（THC）和甲烷（CH4）排放要略高于NG1燃料，但差别不大。NG2燃料的一氧化碳（CO）排放要远高于NG1燃料，而NG1燃料的氮氧化物（NOx）排放要高于NG2燃料。因此可以判断，对于高热值的NG2燃料，在冷启动阶段的不完全燃烧要比NG1燃料严重，CO的排放量增加，这也是NG2燃料在冷启动阶段的PN排放要远高于NG1燃料的主要原因。

3 结论

对该试验用重型天然气发动机运行冷热态WHTC循环，得到以下结论。

（1）对于该重型天然气发动机，PN10的排放要远高于PN23的排放，需要加强对天然气发动机粒径更小的颗粒物排放的管控。

（2）天然气发动机PN10和PN23的瞬态排放的变化规律基本一致。冷启动PN排放非常严重。当排气温度上升后，在加减速的过程中，会增加PN的排放。

（3）燃料对天然气发动机颗粒物的数量排放有很大的影响。燃料中含碳燃料如甲烷、乙烷的增加，会导致冷启动过程中的PN排放迅速增加。

参 考 文 献

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