液化石油气汽车颗粒物数量排放特征的研究.pdf

2 0 1 3年 第 3 5卷 第 7期 汽车工程 A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 7 2 01 31 2 1 液化石油气汽车颗粒物数量排放特征的研究 水 王军方 ， 丁焰 ， 尹航 ， 谭建伟 ， 殷宝辉 1 ．中国环境科 学研 究院 ， 北京1 0 0 0 1 2 ； 2 ．北京理工大学机械 与车辆工程 学院， 北京1 0 0 0 8 1 [ 摘要] 利用颗粒物数量测试仪器 E L P I 对瞬态循环下的汽油车和液化石油气汽车进行颗粒物排放测量。结 果表明， 两种车辆排放的颗粒物中， 粒径小于 7 0 n m的颗粒物均占绝对优势 ， 占总排放的 8 0 ％ 一9 0 ％； 大于4 9 0 n m的 颗粒物在总排放中的比例均非常小。且颗粒物数量排放浓度随着车速的升高而增加 ， 尤其是车速超过 7 0 k m ／ h 后， 颗粒物数量排放随车速的增幅升高。但两种车辆相对比较， 汽油车排放的颗粒物数量比液化石油气汽车多。 关键词 汽油车 ； 液化石油气汽车 ； 颗粒物排放 ； 数量浓度 ； 粒径分布 A S t u d y o n t h e Ch a r a c t e r i s t i c s o f P M Nu mb e r Emi s s i o n f r o m L PG Ve h i c l e W a n g J u n f a n g ’ ，Di n g Ya n ，Yi n Ha n g ，Ta n J i a n we i Yi n Ba o h u i 1 ． C h i n e s e R e s e a r c h A c a d e m y o fE n v i r o n m e n t a l S c i e n c e s ， B e ij i n g 1 0 0 0 1 2； 2 ． S c h o o l ofMe c h a n i c a l a n d V e h i c u l a r E n g i n e e r i n g ，B e ij i n g I n s t i t u t e of T e c h n o l o g y ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 1 [ A b s t r a c t ]T h e p a r t i c u l a t e m a t t e r P Me mi s s i o n s f r o m b o t h g a s o l i n e v e h i c l e a n d l i q u e f i e d p e t r o l g a s L P Gv e h i c l e i n t r a n s i e n t d r i v i n g c y c l e s a r e m e a s u r e d w i t h e l e c t ri c a l l o w p r e s s u r e i mp a c t o r E L P I ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t i n t w o t y p e s o f v e h i c l e s t h e m a j o ri t y ， i ． e ．8 0 ％ t o 9 0 ％ o f P M h a v e a s i z e s m a l l e r t h a n 7 0 n m a n d o n l y a v e r y l i t t l e p r o p o r t i o n o f P M a r e l a r g e r t h a n 4 9 0 n m．T h e P M n u mb e r c o n c e n t r a t i o n o f e mi s s i o n i n c r e a s e s w i t h t h e r i s e o f v e h i c l e s p e e d，i n p a r t i c u l a r ，i t g r o ws mo r e s h a r p l y wh e n v e h i c l e s p e e d h i g h e r t h a n 7 0 k m／ h ．B u t i n c o mp a r i s o n b e t we e n t wo t y p e s o f v e h i c l e s，t h e n u mb e r o f PM e mi t t e d f r o m g a s o l i n e v e hi c l e i s mo r e t h a n t h a t fro m LPG v e h i c l e ． Ke y wo r dsg a s o l i ne v e h i c l e；LPG v e h i c l e；PM e mi s s i o n；numbe r c o n c e nt r a t i on；pa r t i c l e s i z e d i s t r i bu - t i o n 日 IJ舌 液化石油气 L P G 是目前应用最多的替代车用 燃料之一。研究表明 一般情况下， 气体燃料汽车排 放的常 规 污 染 物 HC 、 N O 、 C O比汽 油 车 排 放 低 1 - 4 ] 。由于传统观点认为气体燃料汽车排放的颗 粒物质量非常低 ， 因此目前世界各国都没有对气体 燃料汽车排放的颗粒物进行限制， 也很少有针对气 体燃料发动机的颗粒物排放特性的系统研究。近几 年的研究发现 一 ， 柴油车颗粒物排放在质量不断 降低的同时， 颗粒物的数量排放尤其是超细颗粒物 和纳米颗粒物的数量浓度非常高， 而这部分颗粒物 对人类呼吸系统的危害更大。这一研究同时引起了 对气体燃料发动机汽车颗粒物排放的关注 。 依据颗粒物尺寸一般分为 4类 引 P MI O 粒径 小于 l O l m ， P M 2 ． 5 粒径小于 2 ． 5 m ， 超 细颗粒 物 粒 径 小 于 l O O n m 和 纳 米 颗 粒 物 粒 径 小 于 5 0 n m 。根据颗粒物形成 机理 ， 将颗粒分为成核模 式、 累积模式和大颗粒模式。成核模式颗粒物是 5 ～ 5 0 n m的微粒， 主要由金属化合物、 元素碳和半挥 发性有机物以及硫化物组成， 通常在稀释和冷却过 程形成。对于柴油机排放的颗粒物来讲， 成核模式 的颗粒物 占质量的 1 ％ 一 2 0 ％， 但 占数量的9 0 ％以 上。累积态颗粒物是5 0 n m一 1 m的粒子， 绝大部分 微粒的质量由这部分粒子组成， 主要是含碳微粒及 国家自然科学基金 4 0 8 0 5 0 5 3 资助。 原稿收到日 期为2 0 1 1 年 1 2 月 2 7日， 修改稿收到 E t 期为2 0 1 2 年 2 月 2 4日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 4 6 汽车工程 2 0 1 3年 第 3 5卷 第 7 期 其吸附物。大颗粒模式由大于 1 m的微粒组成， 约 为总质量的 5 ％ ～2 0 ％ ， 主要 由颗粒物 飞散 沉积在 气缸 内壁或排气管表面形成。 本文中利用先进的颗粒物测量仪器电子低压冲 击器 e l e c t r i c a l l o w p r e s s ．u r e i m p a c t o r ， E L P I ， 系统研 究 了汽油车和液化石油气汽车排放颗粒物的分布特 性。研究发现 ， 汽油车和液化石油气 汽车排放 的颗 粒数量大部分都在超细颗粒和纳米颗粒范围内， 因 此， 从长远意义看， 控制汽油车等点燃式发动机汽车 颗粒物排放是保护环境和公众健康的一个手段。 1 试验研究 1 ． 1 试验测试循环 试验测试车辆为一辆轻型液化石油气和汽油双 燃料汽车。受测车辆放置在带有负荷和惯量模拟的 底盘测功机 上， 按 照 G B 1 8 3 5 2 ． 3 ’ _ 2 o 0 5 轻型汽 车 污染物排放限值及测量方法 中国Ⅲ、 Ⅳ阶段 l 1 规定 的运转循环进行试验。单个循环持续 1 1 8 0 s ， 由两部分组成 试验 1 部由4 个城区循环 E C E 1 5组 成 ， 每个城 区循环包含 1 5个工况 怠速 、 加速 、 匀速 、 减速等 ； 试验 2部由1 个城郊循环 E U D C组成 ， 包 含 1 3个工况 怠速 、 加速 、 匀速、 减速等 。 1 ． 2 颗粒物尺寸分布测量仪器 颗粒物尺寸 和数量分 布采用 E L P I 进 行测量 。 该仪器通过电晕放电使颗粒物带电， 记录带电颗粒 物电流， 通过阶式冲击器对颗粒物进行分级取样。 E L P I 仪器能对 7 n m～ 1 0 p m之间颗粒物进行 1 3级 粒度分级 ， 并对排放颗粒物进行实时测量尺寸数量 分布。颗粒物采样分析示意图见图 1 。 2 结果和讨论 图 1 颗粒物采样分析示意图 2 ． 1 常规污染物排放结果 常规污染物排放测量按照国家标准规定的方法 进行 ， 采用 C V S系统连续 采集并稀 释样气 ， 用取样 泵收集到取样袋中测量。试验结果见图 2 。 羹 ■ 排放限值 r 口燃用汽油 ■燃用L P G ] 一 ．一_● - CO 图2 常规污染物和颗粒物数量排放结果 燃用 L P G排放的 H C高 5 0 ． 0 0 ％， N O 高 6 8 ． 8 8 ％， C O低 3 3 ． 5 3 ％， 燃用两种燃料的汽车排放均未达到 国家轻型汽车标准规定的第 Ⅲ阶段排放限值 。 2 ． 2 颗粒物数量排放 2 ． 2 ． 1 瞬态工况下颗粒物数量排放 图 3是燃料为汽油和 L P G时汽车在瞬态测试循 环下 E L P I 实时测试的颗粒物排放结果。结果 表明 燃用L P G - - -⋯燃用汽油 车速 试验 l 部 ②1 9 5 r l ③1 9 5 l ④l 9 5 循环 J循环 I循环 2 部 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 O 6 0 4 0 2 0 0 1 1 8 O 1 1 9 5 3 9 0 5 8 5 7 8 0 9 7l 时间／ s 董 黎 由图可见 与燃用汽油排放的常规污染物相比， 图3 燃用汽油和L P G 时汽车瞬态循环颗粒物数量排放 舻 n _Ⅷ3 ／ 器蛹搽 5 2 5 1 5 O 2 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王军方 ， 等 液化石油气汽车颗粒物数量排放特征的研究 6 4 7 燃用汽油时排放的颗粒物数量浓度明显高于燃用 L P G ， 颗粒物排放的数量浓度随车速增大而增大， 且 均为郊 区循环高于市区循环 ； 两种燃料汽车的颗粒 物的最大排放量均出现在 1 2 0 k m ／ h处 ， 汽油 和 L P G 燃料的最 高 排 放 分别 为 3 ． 0 31 0 ／ c m 和 4 ． 1 7 1 0。 ／c m。 ，两种燃料汽车瞬态循环下颗粒物总数量分 别为 7 ． 1 1 X 1 0 ／ c m 和 1 ． 0 0 1 0 ／ c m 。 为了解各个循环 中颗粒物排放状况 ， 表 1列 出 了 4个循环排放的颗粒物数量百分 比。由表 可见 ， 汽车颗粒物数量在冷起动循环和高速 E U D C循环排 放较高。分析认为在冷起动循环和高速循环工况 下， 为保证汽车正常起动和动力性， 混合气处于浓混 合气状态， 燃烧状况较差， 因而排放较高。 表 1 各个循环颗粒物排放百分比 ％ L P G主 汽油 车 ①1 9 5循环 1 2 ． o 0 3 ． 7 9 ②1 9 5 循环 O ． 8 8 0 ． O 8 试验 1部 ③1 9 5循环 0 ． 8 4 0 ． O 6 ④1 9 5 循环 0 ． 7 0 O ． 0 6 试验 2部 E UD C循环 8 5 ． 5 8 9 6 ． O 1 2 ． 2 ． 2 冷起动下颗粒物粒径分布 图4 是燃用 L P G时汽车冷起动 1 9 5循环和第 2 个 1 9 5 循环颗粒物粒径分布对比。可以看出， 不同 粒径大小的颗粒物数量在冷起动循环下排放均高于 第 2个 1 9 5循环工况。尤其对于粒径小于 3 9 n m的 颗粒物 ， 冷起动 1 9 5循 环 为第 2个 1 9 5循 环 的 3 0 倍。粒径小于 7 0 n m的颗粒物在冷起动工况下 占总 数量的 8 9 ． 8 4 ％ ， 在第 2个 1 9 5循环工况下 占总数量 的 3 4 ． 0 5 ％ 。粒径大于 4 9 0 n m的颗粒物在冷起动工 况下 占总数量的 0 ． 2 9 ％， 在第 2个 1 9 5循 环工况下 占总数量的 4 ． 5 4 ％ 。分析认为 ， 冷起动循环 中排气 温度较低， 未达到三效催化转化器的起燃温度， 因而 碳氢化合物排放较高， 冷却形成成核态和凝聚态的 颗粒物数量也相应较多， 冷起动循环中大量存在的 l 0 5 m l o 4 童 1 0 籁 1 o o l O O 粒径／ la m 图4 冷起动颗粒物粒径分布 粒径小于 3 9 n m的颗粒物也说明了这一点。 2 ． 2 ． 3 不同车速下颗粒物数量排放 图 5为不 同车速下颗 粒物数量 浓度 和粒 径分 布。可以看 出， 燃用汽油和 L P G汽车 的颗粒物数量 总量均 随车速 的增 加 而增 加。不 同车 速下 ， 燃用 L P G汽车的颗粒物数量浓度均随粒径的增大而下 降； 在车速大于 5 0 k m ／ h 后， 颗粒物排放数量随车速 的增加数量浓度剧烈增加； 车速大于 7 0 k m ／ h后， 粒 径大于 0 ． 3 2 1 m的颗粒物数量浓度急剧下降； 车速 为 5 0 k m ／ h和怠速时 ， 粒径大 于 4 9 0 n m的颗粒 物数 量浓度急剧下降。车速在最高速度 1 2 0 k m ／ h时， 数 量浓度达到最大， 但粒径大于7 7 0 n m的颗粒物几乎 没有 ， 粒径小 于 2 0 n m 的颗 粒物 比车速在 1 0 0 k m ／ h 时排放的相同粒径 的颗粒物高出近 3个数量级 。文 中研究表明 车速越高， 排放颗粒物的数量越多， 尤 其是粒径小于3 2 0 n m的颗粒物； 粒径大于 4 9 0 n m的 颗粒物对车速的变化不敏感。 1 0 9 ’ n E l 0 l o 5 1 0 1 0 1 1 0 螽 1 0 4 艇 捌 1 0 2 1 0 o O 5 O 7 O 1 0 0 1 2 0 车速／ k m／ h a 燃用汽油和L P G 0．0 2 0 ． 0 4 0．O 7 0 ． 1 2 O．2 O 0 ． 3 2 O ． 4 9 O ． 7 7 1 ． 2 3 1 ． 9 6 3 ． 1 0 6．3 2 粒径／ g m b 燃用L P G 图 5 不同车速下颗粒物数量浓度及粒径分布 这个结果与文献[ 1 5 ] 和文献[ 1 6 ] 中的研究结 果相 同， 在大功率 下点燃式发动机排放的颗粒物数 量浓度很高。主要原因可能是在大负荷工况时， 为 了保证车辆的动力性， 混合气加浓， 这就可能造成一 些挥发性有机物排放升高， 而这部分物质在稀释通 道里冷却凝核， 形成新的颗粒物， 这部分新形成的颗 粒物属于成核模式机理形成的颗粒物， 粒径一般小 于5 0 n m， 因此在车速达到 1 2 0 k m ／ h时， 这部分颗粒 物数量急剧加大， 这也可以解释粒径较大 4 9 0 n m 的颗粒物对车速不敏感的原因。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 4 8 汽车工程 2 0 1 3年 第 3 5卷 第 7期 2 ． 2 ． 4 高车速工况粒径分布结果 图6为车速在 1 2 0 k m ／ h 高车速工况颗粒物粒径 分布。由图可见 不论燃用汽油还是 L P G， 粒径小于 7 O h m的颗粒物都占绝对优势， 分别占总排放数量的 9 3 ． 3 3 ％和 8 6 ． 4 2 ％ ； 粒径小 于 2 0 n m 的颗粒物燃 用 汽油 和 L P G 分别 占汽 车排 放 的总 颗粒 物数 量 的 7 7 ． 3 3 ％和 6 3 ． 1 3 ％。粒径 大于 1 2 0 n m 的颗粒 物在 两种燃料汽车排放的颗粒物数量中的份额都很小， 燃用汽油 和 L P G分 别 占汽车颗粒物总数的 2 ． 3 2 ％ 和7 ． 2 2 ％。对于燃用 L P G汽车， 粒径大于 1 ． 2 3 m 的颗粒物排放基本为零 ， 因此燃用 L P G汽车排放 的 颗粒物质量非常低， 另外也说明燃用 L P G汽车排放 的颗粒物都属于纳米颗粒和超细颗粒物范畴之 内， 产生机理属于成核模式和凝聚模式l 】 两种。 量 嶷 面 唧 1 0 8 1 0 6 1 0 1 0 2 1 0 o 0 ． 01 0 ． 1 0 1 ． 0 0 l 0 ． O 0 粒径／ u m 图6 车速 1 2 0 k m ／ h高车速工况颗粒物粒径分布对比 3 结论 1 燃用汽油时排放的颗粒物数量浓度要高于 燃用 L P G， 两种燃料汽车颗粒物排放均为郊区循环 高于市 区循环。 2 在不同车速下 ， 颗粒物数量浓度均 随粒径 的增大而下降， 颗粒物数量浓度随车速增加而增加， 在 1 2 0 k m ／ h处达到最大 。 3 燃用 L P G汽车在冷起动循环下， 粒径小于 7 0 n m的颗粒物 占总数量 的 8 9 ． 8 4 ％ ， 第 2个 1 9 5循 环 下 ， 粒 径 小 于 7 0 n m 的 颗 粒 物 占 总 数 量 的 3 4． 0 5％ 。 4 在车速为 1 2 0 k m ／ h高 车速工况下 ， 燃用汽 油和 L P G汽车排放的粒径小于2 0 n m的颗粒物都占 绝对优势， 分别 占汽 车排 放的总颗粒 物数量 的 7 7 ． 3 3 ％ 和 6 3 ． 1 3 ％ 。 参考文献 [ 1 ] 蒋炎坤， 朱松林 ， 陈飞， 等． I J P G ／ 汽油双燃料发动机性能与排放 特性研究[ J ] ． 华中科技大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 3 3 5 7 O一 7 2． [ 2] 姚 勇 ， 范力 勇 ， 邱 敏 艳． 汽 油／ 压缩 天 然气 两用 燃料 汽 车研究 [ J ] ． 现代车用动力， 2 0 0 5 4 3 7 4 0 ． [ 3 ] 彭美春， 蔡妙甜， 吴晓伟， 等． 大型 L P G公交车运行工况与排放 特性 的试验研究 [ J ] ． 汽车工程 ， 2 0 1 1 ， 3 3 1 1 9 4 2 9 4 6 ． [ 4 ] 徐月云， 李晶华， 李孟良， 等． 国Ⅳ城市公交车 N O 排放特性的 试验研 究[ J ] ． 汽车工程 ， 2 0 1 1 ， 3 3 1 1 9 4 7 - 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