邹振东 余雷雨 丁金山 刘锦慧 林倩云 鄢春华 黄婉彬 邱国玉
(北京大学深圳研究生院环境与能源学院,广东 深圳 518055)
截至2020年,我国机动车保有量已经达到3.72亿辆,其中汽车2.81亿辆[1]。随着汽车的普及,汽车行驶过程中排放的尾气已经成为空气污染的重要来源之一[2]。汽车排放的尾气主要可以分为4大类污染物：CO、总碳氢化合物(THC)、氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM),其中THC包括CH4和非甲烷总烃(NMHC)。这些污染物大量排入空气对生态环境和人体健康产生巨大危害。据报道,空气污染造成的人类死亡有大约一半是由于机动车尾气排放引起的[3]。据《2016—2019年全国生态环境统计公报》报道,全国废气排放中,NOx的排放量达到1 233.9万t,其中移动源排放655.6万t,占比超过50%;PM排放量达到1 088.5万t,其中移动源排放7.4万t。而移动源中,汽车排放的污染物超过了90%[4]。
为了降低汽车的尾气排放,国内外都进行了大量的研究。目前的汽车尾气减排技术可以分为机内净化技术和机外净化技术两类[5]。机内净化技术主要是在发动机内通过改善燃烧来减少污染物的生成[6-9]。机外净化技术则是在发动机后端,对已经生成的污染物进行进一步控制[10]。但少有从发动机前端探索汽车尾气的减排技术[11]。传统的空气滤清器只是去除进气中较大粒径的灰尘和砂粒,减少灰尘等对气缸壁与活塞、活塞环和气缸壁之间的磨料磨损,延长发动机寿命[12],并不能去除粒径较小的污染物。《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》(GB 18352.5—2013)(以下简称国五)、《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(GB 18352.6—2016)(以下简称国六)实施以后,碳罐技术[13-14]、文丘里管[15]等常被安装于空气滤清器干净侧用于吸附发动机中蒸发的油气,进而减少THC的排放量,但鲜见真正研究其污染物减排效果的报道。
基于碳系的导电填充材料广泛应用于合成具有抗静电和电磁屏蔽等性能的导电硅橡胶中[16],日本Tasin公司据此提出了一种Warp Air Clean(WAC)装置,核心材料是竹炭和硅橡胶,将其安装于空气滤清器表面,通过静电作用能够有效去除空气中的带电粒子,从而使进入发动机的空气更加清洁,促进燃料充分燃烧,从而实现降低污染物排放量,同时也可有效减少汽车油耗。此外,由于WAC装置主要作用于发动机进气,因此它对汽车其他零部件几乎不会有影响。因此,该装置具有较强的应用前景,但目前对于该装置的实际减排效果尚未有系统研究。
由于国六标准自2020年7月1日才正式实行,并且在2025年前国五轻型汽车的“在用符合性检验”仍执行国五标准,因此本研究暂仍基于国五Ⅰ型测试,以汽油车为例,对WAC装置在轻型汽车上的实际减排效果进行研究,探讨不同车型、不同车况下汽油车的减排效果差异,研究结果对于探索汽车发动机前端净化技术、减少汽车尾气排放、改善环境空气质量都具有重要意义。
1.1 实验方法
采用国五Ⅰ型测试方法,分别测量同一辆汽车未安装WAC装置与安装WAC装置两种情形下的排放情况,从而评价WAC装置的减排效果。
1.2 实验车辆
本研究的实验车辆包括不超过九座的载客车辆(M1)和最大设计总质量不超过3 500 kg的载货车辆(N1)两种不同类型的汽油车。根据行驶里程,又将车辆分为新车(初始里程<50 000 km)和旧车(初始里程≥50 000 km)。因此,共得到4组实验车辆,其中M1的新旧车各测试了两辆不同类型的汽车,实验车辆信息如表1所示。6辆汽车均委托国家机动车质量监督检验中心(广东)测试。由于国五Ⅰ型测试中,仅测量汽油直接喷射式(GDI)汽油车的PM排放,因此本研究中的PM排放仅测量了属于GDI汽油车的M1-a1和M1-a2。
表1 实验车辆信息Table 1 Information of test vehicles
2.1 WAC装置的综合工况减排效果
从图1可以看出,WAC装置在综合工况下对不同类型的汽油车呈现出不同的减排特征。对于M1新车,WAC装置除对CO减排效果不明显外,对其他4类污染物的平均减排率分别为13.10%(THC)、26.06%(NOx)、9.60%(CH4)、13.73%(NMHC);对于M1旧车,WAC装置对NOx的减排效果不明显,对其他4类污染物的平均减排率分别为18.99%(THC)、11.82%(CO)、7.37%(CH4)、19.62%(NMHC)。此外,WAC装置对于M1-a1和M1-a2的PM减排率分别为8.88%、19.63%。
对于N1新车,WAC装置对THC、CH4和NMHC的减排率分别为3.73%、0.03%、4.51%;对于N1旧车,WAC装置对THC、CH4和NMHC的减排率分别为22.27%、19.54%、22.38%。WAC装置导致N1新车排放的CO增加,而对旧车的CO仍有明显减排效果(19.84%)。然而,WAC装置对N1新车的NOx有一定的减排效果(4.64%),但会导致旧车NOx排放上升。
总体而言,在综合工况下,WAC装置对不同类型的汽油车有一定的污染物减排效果,其中对旧车的减排效果优于对新车的减排效果。
2.2 WAC装置的市区工况减排效果
从图2可以看出,WAC装置在市区工况下对汽油车的减排效果总体与综合工况相似,在减排幅度上有一定的变化。对于M1新车,WAC装置对CO的减排效果也不明显,对其他4类污染物的平均减排率分别为12.17%(THC)、12.63%(NOx)、7.21%(CH4)、13.08%(NMHC);对于M1旧车,WAC装置对NOx的减排效果也不明显,对其他4类污染物的减排率分别为20.07%(THC)、10.49%(CO)、11.57%(CH4)、20.53%(NMHC)。
图1 WAC装置的综合工况减排效果Fig.1 Emission reduction effects of WAC device under comprehensive condition
对于N1新车,WAC装置对THC、CH4和NMHC的减排率分别为4.45%、1.77%、4.96%;对于N1旧车,WAC装置对THC、CH4和NMHC的减排率分别为22.58%、18.74%、22.71%。WAC装置同样导致N1新车排放的CO增加,而对旧车的CO有明显的减排效果(16.97%),减排效果相对综合工况略小。WAC装置对N1新车的NOx减排效果(36.80%)相对综合工况更加明显,但也同样导致旧车的NOx排放有一定幅度的上升。
综合而言,WAC装置在市区工况下对M1各类污染物的减排效果同综合工况接近,对N1各类污染物的减排效果有些差异,对N1旧车的CO减排效果相对综合工况略小,对N1新车的NOx减排效果相对综合工况更加明显。
2.3 WAC装置的市郊工况减排效果
从图3可以看出,WAC装置在市郊工况下对汽油车的减排效果与综合工况、市区工况差别较大。对于M1新车,WAC装置的平均减排率分别为24.31%(THC)、7.94%(CO)、34.61%(NOx)、80.19%(CH4)、20.11%(NMHC);对于M1旧车,WAC装置的减排效果出现了一定幅度的下滑,甚至出现了安装WAC装置后反而排放量增大的现象,但WAC装置对CO和NOx的减排率仍有14.05%(CO)、6.50%(NOx)。
对于N1新车,安装WAC装置后,所有污染物指标均出现了不同程度的上升,尤其是3种有机物指标上升幅度较大;对于N1旧车,除NMHC在WAC装置安装前后排放量相同外,其他污染物都有一定的减排效果,CO、NOx和CH4的减排率都超过了20%。
对比而言,WAC装置对THC、CH4和NMHC的市区工况减排效果优于市郊工况,而对CO和NOx的市郊工况减排效果优于市区工况。
2.4 WAC装置对不同工况下不同车辆减排效果的差异分析
汽油发动机在燃烧过程中,THC产生的途径主要包括不完全燃烧、壁面淬熄效应、狭隙效应以及润滑油膜和沉积物对燃油蒸气的吸附与解吸[17]。市区工况下,冷起动、暖机过程、怠速、加速等过程中,过量空气系数较小且油气混合质量差,燃油无法完全燃烧,因此不完全燃烧产生的THC较多[18]。未安装WAC装置时,由于混合油气中的部分燃油与进气中的离子聚集成核无法燃烧,因此发动机需要喷射更多的燃油来满足运行负荷,使得该工况排出的未燃THC较多;在安装WAC装置后,混合油气中的燃油能够充分地燃烧,从而减少了未燃THC的排放。市郊工况下,发动机转速较高,燃烧室内的涡流扩散条件改善,油气混合条件较好,因此不完全燃烧产生的THC排放相对较少,此工况下壁面淬熄效应、狭隙效应等产生的THC可能相对较多,是导致WAC装置减排效果变差的重要原因。
图2 WAC装置的市区工况减排效果Fig.2 Emission reduction effects of WAC device under urban condition
汽车尾气排放中的CO是燃油不完全燃烧的产物。市郊工况下,虽然混合油气的过量空气系数较大,但未安装WAC装置时,燃油由于聚集成核无法完全燃烧导致一定量的CO排放,而安装WAC装置后,更多燃料能够完全燃烧,使得CO排放减少。在市区工况下,由于进气中的氧气不能完全氧化汽油中的碳,因此在安装WAC装置后,可供燃烧的燃料更多,混合油气的过量空气系数减小,导致生成的CO增多,所以本研究中市区工况下WAC装置对汽油车出现负减排效果。
汽车尾气中的NOx绝大部分是NO,且主要是热力型NO。热力型NO产生的条件是高温、富氧、长反应滞留时间。未安装WAC装置时,混合油气中的氧气无法被燃料充分消耗,因此导致了相对富氧的环境,使得N2被更多的氧化成为NO;安装WAC装置后,混合油气中的氧气被燃料充分消耗,生成的NO因此减少。在市区工况下,发动机内温度总体相对较高[19],因此即使可氧化N2的氧气减少,WAC装置对NO的减排效果也较弱;在市郊工况下,由于发动机内温度相对较低,因此当可氧化N2的氧气减少时,WAC装置对NO的减排效果更加突出。
图3 WAC装置的市郊工况减排效果Fig.3 Emission reduction effects of WAC device under suburban condition
积碳是影响旧车污染物排放的重要原因之一。对于旧车,发动机内的积碳会吸附未燃混合油气和燃料蒸气,在排气过程中又将它们释放出来,导致THC的排放增加[20],安装WAC装置能有效减少积碳对未燃混合油气和燃料蒸气的吸附,因此对THC的减排效果总体较新车更为突出。同时,发动机内的积碳吸附未燃混合油气和燃料蒸气后,可能引发扩散燃烧,导致CO排放量增加[21],未安装WAC装置时,这部分异常燃烧可能导致较多的CO排放;安装WAC装置后,虽然实际过量空气系数略有降低,导致不完全燃烧产生的CO排放略有增加,但大幅削减了异常燃烧产生的CO,因此仍能呈现出较为显著的减排效果。积碳同样对NO的排放存在影响,对于积碳较少的新车,安装WAC装置后,发动机内原本由带电粒子吸附的燃油充分燃烧消耗氧气,相对削弱了富氧环境,从而能够有效减少NOx的排放;但对于旧车,由于积碳不易传热,温度较高,在进气、压缩过程中不断加热混合油气,使得温度升高很快,创造了高温条件,而WAC装置对NOx减排影响就很小了。
此外,随着发动机压缩比的增大,狭隙效应和积碳层中未燃THC增多,削弱了WAC装置对THC的减排效果,同时该过程也导致不完全燃烧的CO排放增多,削弱了WAC装置对CO的减排效果。压缩比增大,也会导致压缩冲程最后混合油气的温度升高,削弱WAC装置对NOx的减排效果。因此,对于THC、CO和NOx,WAC装置对N1车型的减排效果总体弱于对M1车型。
总体而言,WAC装置对汽油车尾气排放的THC、CO、NOx、PM、CH4和NMHC都有一定的减排效果,对旧车的减排效果优于对新车的减排效果,但对NOx的减排效果则是新车优于旧车;对THC、CH4和NMHC的市区工况减排效果优于市郊工况,而对CO和NOx的市郊工况减排效果优于市区工况;对M1的减排效果优于N1。
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