基于道路類型的國Ⅳ天然氣公交車微粒排放特性

樓狄明，成 偉，馮 謙，譚丕強，胡志遠

（同濟大學汽車學院，上海 201804）

機動車作為石油資源的主要消費者，其排氣是大氣污染的重要來源之一［1］。隨著世界范圍內的能源短缺和環境污染問題不斷加劇，世界各國都相繼出臺了日益嚴格的排放法規［2］，節能減排逐漸成為汽車和發動機領域的研究熱點，發展車用替代燃料技術［3－4］越來越受到重視。

壓縮天然氣（CNG）是經加壓并以氣態儲存在容器中的天然氣，其主要成分是甲烷（CH4），作為替代燃料具有如下優點：成分單一，不含硫、苯、烯烴等有害成分，排氣中無多環芳香烴（PAHs），排氣微粒毒性低；辛烷值高，抗爆性好；燃燒溫度低，利于降低NOx排放［5］；作為氣體燃料，易與空氣均勻混合，利于充分燃燒，排氣污染低。同時，天然氣資源豐富、價格便宜，是最為理想的車用替代燃料之一。

國內外學者對CNG發動機微粒排放特性的研究已經取得一定的成果，Z.D.Ristovski［6］等、Kris Quillen［7］等、周磊［8］等都對 CNG 發動機微粒數量、質量排放特性及其粒徑分布等進行了研究，但主要集中于發動機臺架試驗方面。而機動車實際道路排放受行駛工況和交通狀況的影響較大［9－11］，為真實、可靠地反映車輛在實際道路上的排放狀況，近年來國內外學者對CNG車輛實際道路微粒排放進行了研究［12－14］，但少見有針對不同道路類型進行的微粒排放研究。本研究綜合考慮了道路類型和車流量的影響，采用車載便攜式排放測試系統（PEMS）對1輛滿足國Ⅳ排放標準的CNG公交車實際道路運行時的微粒數量、質量排放以及粒徑分布進行了試驗研究。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗車輛

試驗車輛選取的是1輛滿足國Ⅳ排放標準的CNG公交車，車輛的主要參數見表1。

表1 試驗用公交車基本參數

1.2 微粒測試儀器

本研究采用發動機尾氣微粒粒徑分析儀（EEPS 3090），該儀器可快速測取發動機瞬態工況的排氣微粒數量及粒徑分布，可測量的粒徑范圍為5.6～560nm，采樣和分析頻率高，0.1s內即可測取一個完整的微粒數量濃度和粒徑分布圖譜，同步輸出32個數據通道的微粒數量濃度和粒徑分布數據。本試驗中，從CNG公交車尾氣中抽取的樣氣經過兩級稀釋后進入測試設備，總稀釋比為500∶1。第1級稀釋系統采用TSI公司的專用旋轉盤稀釋器，為防止在稀釋過程中高溫排氣遇冷空氣微粒發生沉積或聚集而影響測試結果，稀釋空氣進入稀釋器前經80℃恒溫加熱，稀釋比為200∶1；第2級稀釋采用一個流量計對進氣流量進行補償，并同時進行稀釋，稀釋比為2.5∶1。

1.3 試驗方案

車輛在不同類型道路上行駛時，排放差別很大，本試驗選擇的路線覆蓋了上海公交車在市區行駛的典型道路類型，路線全程共22km，其中主干道10km，次干道6km，快速路6km，分別占總里程的46%，27%和27%。另外，為了對比CNG公交車在不同車流量時的微粒排放特性，試驗分別在2個時間段進行：第1次試驗在早晨7：30至10：00，該時間段道路擁堵，定義為“高峰”；第2次試驗在中午11：00至12：30，該時間段道路暢通，定義為“平峰”。

2 試驗結果及分析

2.1 運行工況分析

結合道路試驗結果，分析了CNG公交車在不同道路類型和不同車流量下的微粒排放特性。表2和表3分別列出高峰、平峰時段試驗公交車在3種不同道路類型下的行駛工況。

表2 高峰時段不同道路類型下的行駛工況

表3 平峰時段不同道路類型下的行駛工況

由表2和表3可見：1）在高峰和平峰時段，CNG公交車在主干道、次干道和快速路上的平均車速均低于其設計行駛車速，其在主干道上的平均車速最 低，高 峰、平 峰時 段 分 別 為5.9km／h和15.2km／h，在快速路上的平均車速最高，高峰、平峰時分別為34.7km／h和49.2km／h；2）CNG公交車在次干道上的平均加速度和減速度均為最大，這是因為車輛在次干道上的車速比主干道高，但由于道路寬度較窄，并較多地受交通信號燈、機動車和行人的影響，加減速比例都較高，且加速度和減速度較大；3）CNG公交車在主干道、次干道、快速路上的怠速比例依次降低，勻速比例依次升高；4）平峰時，CNG公交車在3種不同道路類型下以及全程的平均車速、平均加速度、平均減速度基本均高于高峰時段。

2.2 微粒排放因子

微粒按照其粒徑大小，通?？梢苑譃楹藨B微粒和聚集態微粒。一般將動力學當量直徑Dp在5～50nm范圍內的微粒稱為核態微粒，主要與排氣可溶有機組分（SOF）、硫化物等有關，可能也含部分固體炭煙微粒和金屬化合物。此部分微粒占柴油機排放微粒質量總量的1%～20%，但占數量總量的90%以上。Dp在50～500nm范圍內的微粒稱為聚集態微粒，主要由固體炭煙微粒及其吸附物質組成［13－15］。本研究將Dp＜50nm 的微粒稱為核態微粒，Dp＞50nm的微粒稱為聚集態微粒。

汽油機、CNG發動機等點燃式發動機的微粒形成機理和排放特性與柴油機有很大差別。據文獻［6］報道，CNG發動機排放的微粒中位數直徑在不同負荷下基本均在0.020～0.060μm，主要為核態微粒；文獻［7］的結果顯示，CNG發動機排放的微粒幾何平均粒徑約為30nm，并認為直徑為300nm以上的大微粒主要是由機油燃燒所產生，且對整個微粒質量排放貢獻很大；文獻［13］顯示，Dp＜40nm的微粒占總微粒數的50%～60%，Dp＜70nm的微粒占80%～90%，且認為天然氣車排放的微粒成核模式的微粒比例很大，主要是發動機排氣在稀釋和冷卻過程中形成的，由金屬化合物、半揮發性有機物及硫化物組成。

在不同道路類型下公交車及其發動機的運行工況受道路狀況、交通狀況等因素的影響，微粒排放水平相差很大。圖1分別示出CNG公交車在高峰、平峰時排氣微粒數量（PN）和微粒質量（PM）隨道路類型的變化關系。

由圖1a可見，在高峰、平峰時段，CNG公交車在不同道路類型下的微粒數量排放因子規律相同，均為次干道最高，主干道次之，快速路最低，且車輛在主干道和次干道上的PN排放因子相差不大，快速路降幅較大。高峰時公交車在主干道和次干道上的PN排放因子較快速路分別高57.9%和64.9%；平峰時則較快速路分別高36.1%和50.4%。圖1b中，高峰時段，CNG公交車在主干道、次干道和快速路上的微粒質量排放因子依次降低，其中快速路降幅較大，主干道和次干道相差不大，較快速路分別高90.3%和82.5%。平峰時段，公交車在次干道上的PM排放因子最高，主干道次之，快速路最低，且降幅較大，主干道和次干道上的PM排放因子分別是快速路的2.02倍和2.19倍。這是因為一方面相比其他兩種道路類型，快速路上交叉路口及行人和非機動車干擾較少，道路通暢，公交車平均速度顯著高于其他兩種道路類型，行駛相同里程所需要的時間較少，單位里程所排放出來的微粒數量較少，因此快速路上PN和PM排放因子明顯低于其他兩種道路類型；另一方面，由于道路通暢，所受干擾較少，公交車不需頻繁啟停，因而發動機也不需經常處于怠速、加速和減速的工況，轉速和輸出功率都較穩定，運行工況良好，缸內燃燒狀況較好，減少了微粒的排放，尤其是減少了聚集態微粒的排放，因為聚集態微粒在微粒質量上貢獻率較大，所以CNG公交車在快速路上PM排放降低更為顯著。

2.3 微粒數量濃度粒徑分布

對不同道路類型下公交車排氣各粒徑通道下的微粒數量濃度分別進行統計平均，即得不同道路類型下排氣微粒對數數量濃度［dN／d（log Dp）］粒徑分布 （見圖 2）。微粒對數數量濃度［dN／d（log Dp）］表示每個粒徑段范圍內的數量濃度，dN為每個粒徑段內的總數量濃度，d（log Dp）為對數化的粒徑范圍區間。

由圖2可見，CNG公交車在3種不同道路類型下行駛時，微粒數量濃度均呈較為明顯的多峰對數分布，且高峰、平峰時段排氣微粒數量濃度粒徑分布規律呈現良好的一致性。在3種不同道路類型下，CNG公交車排氣中核態范圍內微粒數量濃度均在約10nm處達到峰值，這也是所用微粒粒徑分析儀EEPS 3090所能測得的整個微粒粒徑范圍內的微粒數量濃度峰值。在主干道和次干道上，高峰、平峰時段排氣微粒數量濃度在核態范圍和聚集態范圍內均相差不大；在快速路上，高峰時段排氣中50nm以下的核態范圍內的微粒數量濃度顯著高于平峰時，50nm以上的聚集態范圍內的微粒數量濃度基本相當，相差很小。圖3示出高峰、平峰時段CNG公交車在3種不同道路類型下以及試驗全程的總微粒、核態微粒和聚集態微粒數量濃度。

由圖3可見，高峰、平峰時段，CNG公交車在主干道、次干道和快速路上的排氣總微粒、核態微粒和聚集態微粒數量濃度均依次遞增。公交車在3種不同道路類型下排氣中核態微粒在總微粒數量中均占大部分比例，且其比例依次增大，高峰時其比例分別為81.2%，87.2%和91.8%，平峰時其比例分別為82.5%，87.1%和87.2%。這是因為燃用CNG時，一方面，CNG燃燒速度較慢，缸內最高燃燒溫度較低；另一方面，因為CNG為短鏈烷烴，且不含苯、芳香烴類物質，不會因長鏈碳氫難以裂解而形成炭煙微粒，同時CNG作為氣體燃料，進氣時易于與同為氣體的空氣均勻混合，有利于混合氣充分燃燒，聚集態微粒的形成很少，因此CNG公交車排氣微粒中聚集態微粒較少，核態微粒占主要比例，主要由金屬化合物、半揮發性有機物以及硫化物組成。此外，就整個試驗路段而言，微粒數量濃度分布也呈現出一致的規律，高峰、平峰時段核態微粒占總微粒數量的比例分別為85.1%和85.0%。

2.4 車流量對全程微粒排放的影響

為直觀地了解CNG公交車在實際道路上的微粒排放以及車流量對CNG公交車微粒排放的影響，將高峰、平峰時段全程微粒排放率和排放因子進行了對比，結果見表4。

表4 高峰、平峰時段全程微粒排放率及排放因子

由表4可見，平峰時段CNG公交車全程PN和PM排放率均顯著高于高峰時段，分別比高峰時高26.3%和62.8%；平峰時段CNG公交車全程PN和PM排放因子均明顯低于高峰時段，分別比高峰時低32.2%和12.6%。這是因為相對于高峰時段，平峰時段各道路類型上的車流量都較小，道路相對通暢，車輛處于怠速或低速工況的時間較少，在3種不同道路類型下以及試驗全程的平均車速均高于高峰。隨著車速的提高，發動機轉速和負荷均上升，循環噴氣量增加，單位時間噴入發動機氣缸內的CNG量增多，混合氣不再保持當量空燃比，可能導致某些揮發性有機物排放的升高［13］，微粒排放也相應增多，所以平峰時PN和PM排放率較高峰時都高。但行駛相同的試驗路線，車輛在平峰時段僅需約1.2h，遠低于高峰時段的2.5h，所以平峰時微粒排放因子反而較低。從排放控制的角度看，應該合理地規避或錯開高峰，保證車輛行駛順暢，減少車輛在怠速或低速工況的運行，避免急加速、急減速，是減少污染物排放的有效途徑之一。

3 結論

a）高峰、平峰時段，CNG公交車在主干道和次干道上的微粒數量和質量排放因子均相差不大，并均顯著高于快速路；

b）3種不同道路類型下，高峰時CNG公交車PN和PM排放因子均明顯高于平峰；

c）3種不同道路類型下，CNG公交車排氣微粒數量濃度均呈多峰對數分布，且高峰、平峰時呈現良好的一致性；微粒數量濃度均在約10nm處達到峰值；

d）公交車在主干道、次干道和快速路上的排氣總微粒、核態微粒和聚集態微粒數量濃度均依次遞增，且核態微粒在總微粒數量中均占大部分比例；

e）就CNG公交車全程微粒排放水平來看，平峰時段PN和PM排放率均顯著高于高峰，分別比高峰時高26.3%和62.8%；排放因子均明顯低于高峰，分別比高峰時低32.2%和12.6%。

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