直喷汽油机轿车燃用不同比例甲醇汽油时的颗粒物排放特性

丁 焰， 尹 航， 王军方， 王宏丽， 钱立运， 王鲁昕

(中国环境科学研究院，北京100012)

直喷汽油机轿车燃用不同比例甲醇汽油时的颗粒物排放特性

丁 焰， 尹 航， 王军方， 王宏丽， 钱立运， 王鲁昕

(中国环境科学研究院，北京100012)

为了研究燃用不同掺混比的甲醇汽油对装备有直喷汽油机的整车颗粒物排放的影响，对一辆帕萨特轿车在新欧洲驾驶循环条件下燃用93#国IV汽油,以及以其为母油配制的M15、M25、M40三种甲醇汽油时的颗粒物质量和数量浓度进行了测试.结果表明，随着燃料中甲醇比例的增加，颗粒物质量呈明显下降趋势，而颗粒物数量却呈快速上升趋势.相比燃用市售汽油时，燃用M15、M25、M40三种甲醇汽油的颗粒物质量分别下降了33.2%、36.5%和40.2%，而颗粒物数量则分别增加了14.4%、15.7%和23.6%.

甲醇汽油；直喷汽油机；颗粒物

近年来，随着化石能源价格的不断攀升以及环境污染问题的日益凸显，国内外许多研究机构都将目光投向了包括天然气、醇类等清洁、廉价的代用燃料.贫油、少气、多煤是我国能源分布的主要特点.作为煤化工的重要产品，甲醇及甲醇汽油在车用燃料上的应用受到了格外的重视.目前，国家已经相继出台了纯甲醇(M100)及高比例甲醇汽油(M85)的车用燃料标准.与此同时，至少有15个省市正着手制定低比例甲醇汽油(M15)的地方性标准.

使用较低比例甲醇汽油的一个优势在于其可以避免对发动机现有标定参数进行改变，甲醇汽油对供油系统的影响相对也较小.综合性能及价格等多方面因素，目前质量分数低于40%的甲醇汽油在我国的研究和应用均有报道，其中以M15最为常见.随着石油价格的持续上涨和CO2排放法规的加严，直喷汽油机(GDI，Gasoline Direct Injection)在乘用车上的应用愈加普遍.相比于传统的气道喷射(PFI，Port Fuel Injection)机型，直喷汽油机虽可以有效地提升车辆经济性但会加剧汽油机的颗粒物排放.而燃用甲醇汽油有助于减少汽油机的颗粒物排放.梁宾等人分别在装配有PFI和GDI发动机的两辆帕萨特轿车上燃用93#市售汽油和M15甲醇汽油，并对比了其在新欧洲驾驶循环(NEDC，New European Driving Cycle)下的PM和PN排放[1].结果表明，装备有GDI发动机的整车PM和PN排放均高于装备PFI发动机的车型；在两种车型上，燃用M15甲醇汽油都可以显著地降低车辆的PM和PN排放.印度学者Agarwal等人在一台1.0L汽油发动机上开展了燃用M10和M20甲醇汽油的实验[2].结果表明，燃用低比例甲醇汽油可以在不改变原有标定参数的前提下改善缸内燃烧过程，提高发动机热效率并减少CO、NO和PM排放.天津大学李翔等人也对直喷汽油机燃用M20、M25和M100进行了发动机台架试验，并得到了相似的结论[3].

现阶段，国内针对燃用甲醇汽油的应用研究方法主要以发动机台架试验为主，整车的性能研究虽能更直接地反映实际效果，但国内在相关领域的研究尚不十分充分.为了研究燃用不同掺混比的甲醇汽油对装备有直喷汽油机的整车颗粒物排放的影响，本研究基于NEDC循环对一辆帕萨特轿车在燃用市售汽油及M15、M25和M40三种甲醇汽油时的PM和PN排放进行了对比研究.

1 试验设备及方法

研究选用一辆大众帕萨特SVW71810DJ型轿车作为试验车辆，其基本性能参数如表1中所示.试验开始时，车辆已行驶里程为48 882 km.参照GB 18352.3-2005中对I型排放实验的要求[4]，使用日本小野测器(Ono Sokki)PECD 9400型底盘测功机模拟道路及其它外部阻力，设定测功机当量惯量为1 620 kg.排气采样及分析分别采用日本崛场(HORIBA)CVS-7400型定容稀释系统(CVS，Constant Volume Sampling)及Mexa-7200型排放分析仪.在试验前后，用于颗粒物质量排放测试的滤纸均被置于(22.0±0.2)℃、45.0±0.5%RH的环境条件下稳定2小时以上，以便进行充分的温湿度交换，微量天平型号为赛多利斯(Sartorius) CPA2P-F，测量精度为1微克.颗粒物数量利用Dekati公司生产的低压电荷冲击器(ELPI，Electrical Low Pressure Impactor)进行实时测量.ELPI可以将粒径在7 nm到10 μm之间的颗粒按照粒径分为12级并给出逐秒的数量分布数据.ELPI的采样探头布置在CVS系统中主文丘里管前约30 cm处.CVS系统中稀释空气对发动机排气的平均稀释比约为25∶1.

试验开始前，试验车辆已在25-27℃的环境中静置12小时以上.试验过程中，车辆按照NEDC工况行驶，环境温度和湿度分别被控制在(26.1±0.5)℃和21±2%RH.为了使车辆更好地适应不同种类的燃料，在进行每种油品试验的前一天即完成新燃料的置换并上路行驶150-200 km后再进行预实验.

试验所用的市售汽油为满足国IV标准的市售93#汽油，其余三种甲醇汽油均以该种市售汽油为母油配制.试验完成后，对三种不同比例的甲醇汽油中的实际甲醇含量进行了测定，结果表明，研究中所用M15、M25和M40三种甲醇汽油的实际甲醇质量分数分别为13.08%、22.33%和37.53%.

表1 试验车辆的基本性能参数

2 试验结果及分析

图1中给出了燃用不同比例甲醇汽油时的颗粒物质量排放量.实验结果表明，随着燃油中甲醇所占质量分数的增加，排气中的颗粒物质量呈明显下降的趋势.相比于燃用市售汽油时，燃用M15、M25和M40甲醇汽油时所产生的颗粒物质量排放分别降低了33.2%、36.5%和40.2%.然而值得注意的是，尽管在市售汽油中掺入甲醇后，颗粒物排放显著减少，但随着甲醇添加比例的进一步增加，颗粒物排放下降的速度明显放缓.

甲醇是一种含氧燃料，其理论空燃比仅为6.5，低于汽油，因此在汽油中混入一定比例的甲醇可以有效减少对空气中氧的需求，进而减少出现局部过浓混合区的可能，这有利于抑制直喷汽油机中的颗粒物的生成.与传统气道喷射汽油机中油气混合物的形成方式不同，直喷汽油机的油气混合过程发生在缸内，混合时间相对短且更容易在燃油喷雾的核心区等位置出现过浓区域，在缸内高温的作用下，过浓区域中的燃油易发生热裂解，生成大量的不饱和烃，该部分物质将进一步反应生成多环芳烃(PAHs，Polycyclic Aromatic Hydrocarbons).PAHs被认为是颗粒物中有机成分在缸内生成的前体物[5].然而，由于甲醇(CH3OH)的分子结构中不含有C-C键，这大大降低了缸内不饱和烃生成的可能性，进而抑制了PAHs在缸内的合成[6].因此，随着甲醇汽油中甲醇比例的升高，颗粒物的质量呈现下降趋势.

尽管使用含氧燃料可以有效地降低直喷汽油机颗粒物排放的生成，但是除了燃烧产生的有机颗粒物外，发动机排气中还含有相当部分的无机颗粒物.其中主要包括由燃油中硫份转化而来的硫酸盐、由于发动机磨损和润滑油消耗而产生的金属成分等.这些无机颗粒物的形成几乎与燃料以及缸内的氧含量无关.故而，燃料中甲醇含量的增加只能抑制有机颗粒物的形成而无难以影响无机颗粒物的产生，进而致使在燃料中甲醇比例进一步升高时，颗粒物质量的下降速度明显放缓.

图1 燃用不同比例甲醇汽油时的颗粒物质量

图2 燃用不同比例甲醇汽油时的颗粒物总数量

除称重法外，研究还使用ELPI对颗粒物排放的数量浓度进行了测试.图2中给出了燃用不同比例的甲醇汽油时，试验车辆的颗粒物数量浓度结果.与颗粒物质量结论截然相反的是，随着燃料中甲醇比例的逐渐增加，排气中颗粒物的数量浓度呈快速上升趋势.相比于燃用市售汽油时，燃用M15、M25和M40甲醇汽油所产生的颗粒物数量分别增加了14.4%、15.7%和23.6%.

观察图3中给出的4种燃料颗粒物数量分布对比可知，燃用甲醇汽油时，被ELPI第1、2两级(中位直径21-39 nm)以及第8-12级(中位直径0.766-6.317 μm)捕获的颗粒物数量明显多于汽油，这是造成甲醇汽油颗粒物数量浓度相对偏高的根本原因.该现象还表明，随着甲醇汽油中甲醇比例的升高，直喷汽油机生成核态颗粒物的趋势增强.与此同时，由于甲醇的分子结构中只含有C-O键而没有C-C键，在燃烧过程中缸内PAHs的合成途径受到抑制，进而使得凝聚态颗粒物的生成量减少，这与图3中ELPI第3-7级中颗粒物数量随燃料中甲醇比例的增加而减少的规律一致.

此外，对于ELPI第8-12级中较大颗粒数量增加的现象，一个可能的原因是随着甲醇比例的增加，发动机排气中所含的水分增加，鉴于研究在测量颗粒物数量浓度时采用了冷稀释的采样方法，即排气样本在CVS稀释通道后不经加热直接进入ELPI分析，排气中所含的部分水分可能会在稀释通道内凝结并形成带电小液滴，这些小液滴一旦进入各级后也会被当作颗粒物计数，进而引起较大颗粒的数量增加.并且，这一现象将随着燃油中甲醇比例的增加而加剧.不过，水分并不会对前述的质量量排放造成影响.

图3 燃用不同比例甲醇汽油时的颗粒物数量分布

3 结 论

对一台大众帕萨特轿车在使用市售93#国IV汽油及以其为母油配制的M15、M25、M40三种甲醇汽油时颗粒物排放进行了测量，以研究不同比例甲醇汽油对装备有直喷汽油机车辆的颗粒物质量和数量排放的影响.结果表明：

1)颗粒物质量排放随着燃料中甲醇比例的增加而呈明显下降趋势.相比燃用市售汽油时，燃用M15、M25和M40三种甲醇汽油时的颗粒物质量分别减少了33.2%、36.5%和40.2%.

2)颗粒物数量排放随燃料中甲醇比例的增加而增加，燃用M15、M25和M40三种甲醇汽油时的颗粒物数量相比汽油分别增加了14.4%、15.7%和23.6%.

3)随着甲醇汽油中甲醇比例的增加，核态颗粒的生成趋势增加而形成凝聚态颗粒的趋势减弱.

4)与目前的排放法规限值相比，现有技术直喷汽油车已经可以满足其中对颗粒物质量的要求，但值得注意的是，在颗粒物数量上，未装备颗粒捕集器的直喷汽油车大大超出了欧盟6×1011#/km的限值.这表明，直喷汽油机的颗粒物数量仍将是未来排放法规的重点控制对象.

[1] Liang B, Ge Y, Tan J, et al. Comparison of PM emissions from a gasoline direct injected (GDI) vehicle and a port fuel injected (PFI) vehicle measured by electrical low pressure impactor (ELPI) with two fuels: Gasoline and M15 methanol gasoline[J]. Journal of Aerosol Science,2013,57(3):22-31.

[2] Agarwal A K, Karare H, Dhar A. Combustion, performance, emissions and particulate characterization of a methanol-gasoline blend (gasohol) fuelled medium duty spark ignition transportation engine[J]. Fuel Processing Technology,2014,121(5):16-24.

[3] 李 翔, 裴毅强, 秦 静, 等. GDI发动机燃用甲醇及甲醇汽油混合燃料的微粒排放特征研究[J/OL]. 内燃机工程, http://www.cnki.net/kcms/detail/31.1255.TK.20130521.1419.002.html

[4] GB 18352.3-2005 轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第III、IV阶段)[S].

[5] John B. Heywood. Internal Combustion Engine Fundamentals[M]. New York:McGraw-Hill, 1988.

[6] 蒋德明, 黄佐华. 内燃机替代燃料燃烧学[M]. 西安: 西安交通大学出版社,2007

Characteristics of Particulate Matter from a GDI-powered Passenger Car Fuelled with Methanol/gasoline Blends

DING Yan, YIN Hang, WANG Jun-fang, WANG Hong-li,QIAN Li-yun, WANG Lu-xin

(Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012 ,China)

In order to evaluate the effects of methanol addition on the particulate matter (PM) emissions of a GDI-powered vehicle, its PM and particulate number (PN) were measured of a 1.8TSI Passat, Volkswagen, fuelled with the conventional gasoline and three kinds of methanol/gasoline blends (M15, M25, M40) over New European Driving Cycle respectively. It was found that the PM formation was restricted while the PN increased by intensifying methanol content in the blends. Compared to fuel with gasoline, the quality of the particles fueled with M25, M40 and M15 decreased by 33.2%, 36.5% and 40.2%, but the number of the particles increased respectively 14.4%, 15.7% and 23.6%.

Methanol/gasoline blends; GDI; Particulate matter

1009-4687(2014)04-0054-04

2014-06-24

丁 焰(1974-)，男，副研究员，研究方向为机动车污染防治.

TK418.9

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