汽油/压缩天然气两用燃料发动机颗粒物排放特性研究

侯献军，熊 纳，王友恒,刘志恩

(1．武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点试验室，武汉 430070；2．武汉理工大学 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉 430070；3．武汉理工大学 湖北省新能源与智能网联车工程技术中心，武汉 430070)

0 概述

2020年中国全面实施GB18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段标准)》，相比国五标准，增加了汽油机颗粒物数量(particle number,PN)浓度限值，对天然气发动机的PN限值也将在国六的第二阶段实施。目前中国多个省市已提前实施国六排放标准，国六排放标准的实施对降低汽车尾气污染物的排放和提高汽车制造水平具有重要意义。传统汽油机存在未燃碳氢化合物和一氧化碳排放，对环境构成威胁[1]。天然气作为一种重要的气态燃料，与汽油相比，燃烧产物更加清洁，经技术处理成压缩天然气后可以在发动机中作为燃料使用。

机动车的颗粒排放物作为中国大气污染的主要来源之一，已经引起了广泛关注[2-4]。已有试验研究表明，颗粒物会对人体的呼吸系统、心血管系统、中枢神经系统、消化系统及其他人体系统和器官造成损害[5]，因此对发动机颗粒物排放特性的研究至关重要。文献[6]中研究了汽油直喷(gasoline direct injection, GDI)发动机负荷特性下的颗粒物排放特性，发现在中低负荷下颗粒物排放随负荷增加而逐渐降低，但在高负荷或全负荷工况下颗粒物排放急剧增加。文献[7]中测量了某款公交车用柴油发动机在15种稳态工况下排放的颗粒物的数量及颗粒物质量(particle mass, PM)浓度，结果表明颗粒物尺寸主要分布在28 nm～259 nm之间，且发动机转速变化对大颗粒物排放浓度的影响更大。

文献[8]中发现在汽油燃料中掺比15%体积比的甲醇后，颗粒物排放的数量浓度和质量浓度均呈降低趋势。文献[9]中在一款柴油机上研究汽油压燃颗粒物的排放特性，发现改变喷油参数后，颗粒排放物中的积聚态颗粒数量浓度变化明显，而核态颗粒浓度受喷油参数变化影响较小。文献[10]中发现在汽油中添加乙醇后，含氧的乙醇有利于颗粒物的氧化，高负荷时颗粒排放物浓度降低。文献[11]中对压缩天然气(compressed natural gas, CNG)和富氢压缩天然气(hydrogen compressed natural gas, HCNG)燃料发动机进行试验，发现发动机燃烧产生的纳米颗粒大多来自于润滑油的部分燃烧。文献[12]中测试了全负荷运行条件下某CNG发动机的颗粒排放物，发现发动机排放了大量小颗粒物，粒径分布图表明CNG颗粒物的几何平均直径约为30 nm。

目前国内学者对柴油机和汽油机的颗粒物排放已经进行了大量研究，但对于燃用CNG发动机的颗粒物排放研究较少。本研究主要比较了以汽油和CNG分别作为燃料时发动机颗粒物排放特性，从颗粒物的核态(一般指粒径为5～40 nm的颗粒物)和积聚态(一般指粒径为40～1 000 nm的颗粒物)角度对总体的PN和PM贡献做出对比分析，可基本明确两种燃用发动机颗粒排放物不同模态对PN、PM的影响，这为控制汽油和CNG发动机的颗粒物排放提供了新的角度。

1 试验设备及方法

1.1 试验设备

在PowerLink CAC110KW电力测功机上进行发动机排放试验，使用PowerLink FC2212-L1油耗仪测定燃油消耗。燃油温度调节和机油温度控制分别采用PowerLink FC2440A和PowerLink FC2430T2装置。中冷恒温控制系统使用PowerLink FC249T2。用DMS500快速颗粒分析仪对发动机排放颗粒物数量浓度、质量浓度及粒径分布等进行测定。

DMS500快速颗粒分析仪是一台纳米微粒尺寸光谱仪，设备如图1所示，工作原理如图2所示。在试验过程中，将DMS500的采样口接到发动机排气管后，通过仪器内的二级稀释通道对排气进行稀释。二级稀释后的气溶胶进入22级分级静电计进行分级统计。通过电晕放电原理使排气中的不同表面积的颗粒物带上相应的电荷，表面积越大，带的电荷也就越大，然后将带电粒子通过强电场的分级圆柱中，不同带电量的粒子在电场中的漂移不同，最后对22个静电检测器的输出进行实时处理，得到测试数据。本次试验设定在每个工况的采样时间为20 s，数据处理时取5—15 s的数据。

图1 DMS500快速颗粒分析仪

图2 DMS500快速颗粒分析仪的工作原理图

1.2 试验台架

试验选用1.4 L两用燃料(汽油和CNG)发动机进行测试，图3为发动机试验台架。表1为测试发动机技术参数。台架试验系统示意如图4所示。进行试验前，在发动机排气管路的前端打6 mm的孔用于采样头收集排气样品。试验过程中，取样在DMS500内经过两道稀释，分别为环式的初级稀释器和旋转碟切割式的高倍稀释器，设定其稀释比为 5∶1和20∶1。

图3 发动机试验台架

表1 发动机技术参数

图4 试验台架示意图

1.3 试验方案

试验台架在AVL电力测功机上进行，汽油的供给方式为进气道喷射，CNG形成混合气后进入气道。测试时为了方便记录测点，通过设定不同进气压力(40 kPa、60 kPa、80 kPa和100 kPa)来表征发动机的不同负荷。分别以汽油和CNG作为动力燃料，在转速为4 000 r/min时改变进气压力的大小，由DMS500记录各个工况下发动机的颗粒物排放特性。为了确保废气排放的试验精度，采用截流微孔垫片来防止颗粒的凝聚，使DMS500能在稳定的压力下工作。发动机在稳定运行3 min后开始采集数据，以确保试验数据的精确性。

2 结果与讨论

2.1 进气压力与发动机转矩

本试验通过改变进气压力大小表征不同负荷下的发动机运行工况。图5为发动机燃料分别为CNG和汽油时，进气压力与发动机的转矩关系图。CNG燃料进气混合时会影响进气压力，而汽油作为液体燃料形成混合气时基本不影响进气压力，因此在相同工况下燃用汽油时的转矩稍大。在测试范围内，进气压力和转矩有很好的线性关系，因此用进气压力来表征不同负荷下的发动机工况是合理的。

图5 进气压力与发动机转矩的关系

2.2 PN分析

2.2.1 颗粒物数量浓度-粒径分布

图6为汽油、CNG在不同进气压力下的PN分布图。图中，Dp为颗粒物平均直径，N为颗粒物数量浓度。从图中可以看到，CNG燃料的PN排放随进气压力变化影响较小，而对汽油燃料的PN排放的影响明显更大。在相同进气压力下，汽油燃料产生的颗粒物排放数量整体比CNG的高出一个数量级。

图6 汽油和CNG燃料的颗粒物数量浓度分布

随着进气压力的增大，汽油燃料PN排放呈现先下降后上升的趋势。在较低负荷下，核态的颗粒物数量较多，在中高负荷下，积聚态的颗粒物数量与核态相当。与汽油燃料的变化趋势相似，CNG的PN排放也呈先减小后增大的趋势。

2.2.2 核态和积聚态区域所占比例

图7为两种燃料的核态和积聚态区域所占比例。随着进气压力的增大，两种燃料中的积聚态的占比均呈先下降后上升趋势。对于汽油燃料，除进气压力为60 kPa时颗粒物的核态占比高于积聚态，其他工况下都是积聚态占主导地位，尤其在进气压力为100 kPa时积聚态占比达73.32%。对于CNG燃料，颗粒物中主要以核态的形式存在，尤其在进气压力为60 kPa时，核态的占比达76.46%。

2.2.3 核态和积聚态颗粒浓度

图8为不同进气压力下核态和积聚态颗粒浓度对比。采用CNG作为燃料时，发动机的废气排放中两种形态的PN几乎不随负荷变化，表明两种试验燃料本身差异对颗粒物的形成影响不明显，这与此前的颗粒物数量分布图相符合。对比汽油的两种形态排放情况，在中高负荷时两种形态的PN都急剧增加：对于核态，进气压力为100 kPa时PN约2.74×106个/cm3，是40 kPa时PN(约2.1×105个/cm3)的13倍；对于积聚态，进气压力为100 kPa时PN约7.53×106个/cm3，是40 kPa时PN(约2.25×105个/cm3)的33倍。因此在中高负荷时，汽油燃料PN排放增大主要是积聚态颗粒物急剧升高造成的。

图8 不同进气压力下燃料的核态和积聚态PN浓度对比

两种燃料在PN排放上存在差异。理论上CNG自身燃烧产生的颗粒物很少，主要来源于润滑油的部分燃烧。由于活塞环的动力学特性，部分润滑油在活塞环和缸套运动的过程中进入燃烧室[13-14]。在燃烧室高压高温条件下，润滑油不完全燃烧形成未燃烧的碳氢化合物和颗粒物。润滑油中存在的高分子量碳氢化合物不完全燃烧也会在燃烧室中形成纳米颗粒。与CNG的气态特性相比，汽油在发动机低负荷时缸内温度较低，雾化效果较差，形成较大的液滴，燃烧不完全，导致颗粒物排放浓度较大；随着负荷的升高，缸内温度升高，雾化条件得到改善，生成的颗粒物又有所减少；在高负荷时，为了获得足够的转矩，混合气加浓，燃烧条件再次恶化，燃油裂解，PN排放增大[15]。

2.2.4 总体计数平均直径

图9为测试燃料在不同发动机进气压力下的排放颗粒物的计数平均直径(count mean diameter, CMD)变化趋势图。CMD的计算公式如式(1)所示。

(1)

式中,Dcm为总体颗粒物的计数平均直径；ni为直径为di的纳米颗粒对应的粒子数浓度。CNG燃料的颗粒物CMD呈先降低后上升的趋势，而汽油燃料的颗粒物CMD随进气压力的增大而增大。在中负荷时，燃烧CNG产生颗粒物的CMD较小，其主要原因是在300 nm～1 000 nm范围内的积聚态颗粒物数量较低。随着负荷的继续增大，缸内的温度和压力升高，促进了润滑油的热解和燃烧，导致PN生成增多，颗粒物凝聚概率变大，从而增大了CMD。汽油颗粒物的CMD与它和空气的混合均匀程度紧密相关。一方面，低负荷时相对较低的气缸压力使颗粒物的凝聚机会降低，颗粒物主要以核态的形式存在，降低颗粒的CMD；另一方面，低负荷时缸内温度和压力较低，燃料雾化效果差，不完全燃烧生成碳烟，使颗粒物CMD变高。两种因素同时影响，使得汽油燃料的颗粒物CMD随进气压力升高呈整体缓慢增长趋势。

图9 不同进气压力下颗粒排放物计数平均直径

2.3 PM分析

2.3.1 PM浓度分布

实际发动机运行中排放的颗粒物具有不同的形状和尺寸，主要以聚附物的形式存在，因而其密度一般不是定值，有研究表明其密度在0.8～2.3 g/cm3之间[16]。本研究中，假设颗粒密度不随颗粒大小的变化而变化，为方便计算，设定颗粒物密度为1 g/cm3，排气管中所测得颗粒物都是球形，以颗粒体积计算得到颗粒物质量。大颗粒物在大气中更易沉降，质量较小的颗粒物由于悬浮在空气中的时间长，更易被人体吸收。汽油、CNG的PM浓度分布如图10所示，m为颗粒物质量。积聚态颗粒物的PM远高于核态，核态颗粒对PM的贡献几乎可以忽略不计。

2.3.2 积聚态PM

因为核态的PM对总体的PM贡献基本可以忽略不计，因此仅针对积聚态PM浓度进行分析。图11为两种燃料的积聚态颗粒物质量浓度对比图。对比图7、图10和图11可以看到，尽管CNG的核态颗粒物数量很大，但是其质量远不及积聚态的质量，PM主要由积聚态的颗粒物贡献。两种燃料的PM均随进气压力的增大而增大，汽油燃料在低负荷时燃烧产生的PM略低于CNG燃料，在高负荷时燃烧产生的PM又超过CNG。由于CNG燃料的颗粒排放可能主要来自于润滑油燃烧，受燃料本身性质的影响相对较小，随着进气压力的增大，在较高的发动机负荷下，较高的缸内压力和温度促使更多的润滑油热解，从而导致PM增大。在低负荷时，汽油燃料颗粒物排放主要以核态的形式存在，因而此工况下的PM较低，随着进气压力的增大，喷油量增大，存在油液雾化不良问题，加重液滴的炭化现象，使排放物中积聚态的颗粒物增加。因而在高负荷时，其PM大量增加，超过了CNG燃料燃烧产生的PM。

2.4 颗粒物表面积浓度分布

同样地，在研究两种燃料的颗粒物表面积浓度分布时，假设不同大小的颗粒都是球形的，颗粒物表面积浓度计算公式如式(2)所示。

(2)

式中，S为平均直径为Dp的颗粒物表面积浓度；N为平均直径为Dp的颗粒物数量浓度。实际发动机排放的颗粒大多为支化团聚体，因此计算得到的颗粒物表面积浓度分布图存在一定误差。

图12为两种燃料的颗粒物表面积浓度分布图。由图12可见，在不同进气压力下，CNG燃料的颗粒物表面积变化幅度较小，在粒径约200 nm时颗粒物的表面积出现最大值。汽油燃料的颗粒物表面积受进气压力变化影响较大，在高负荷时，10～100 nm间的颗粒物相比低负荷增长尤其明显，这主要与其颗粒物数量相关，在粒径约100 nm处颗粒物的表面积出现最大值。300～1 000 nm间的颗粒物数量低，但是表面积依然较高，这主要是由于此时颗粒物的平均粒径大。对比两种燃料的颗粒物表面积浓度分布图，汽油的排放颗粒物的表面积约比CNG大一个数量级，这些颗粒物具有更高的表面能，尺寸更小，在空气中的存在时间更长。

图12 汽油和CNG燃料的颗粒物表面积浓度分布

3 结论

(1) 随着进气压力的增大，燃用汽油和CNG燃料的PN排放均呈现先降低后升高的趋势。汽油燃料的颗粒排放物中积聚态颗粒为主要成分，而核态的颗粒物对CNG燃料的PN贡献很大。在高负荷时，积聚态颗粒物的PN急剧上升是造成汽油燃料PN排放较大的主要原因。CNG的PN排放可能主要来自于润滑油的热解和不完全燃烧，因而其颗粒物排放较为稳定。随着进气压力的增大，两种燃料的颗粒排放物计数平均直径整体呈上升趋势。

(2) 随着进气压力的增大，两种燃料的PM均呈现先降低后升高的趋势。进气压力的变化导致汽油燃料的PM排放不稳定，主要与颗粒物中积聚态的颗粒物占比较大有关。CNG的颗粒物中由于积聚态占比较低，其PM排放特性较为稳定。

(3) 随着进气压力的增大，两种燃料的颗粒物表面积浓度均呈现先降低后增大的趋势。高负荷时，CNG排放的10 nm～100 nm间的颗粒物较汽油的低很多。CNG排放颗粒物表面积浓度峰值出现在约200 nm处，汽油排放颗粒物表面积浓度峰值出现在约100 nm处。