液化石油气汽车颗粒物数量排放特征的研究*

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 100012; 2.北京理工大学机械与车辆工程学院，北京 100081)

前言

液化石油气(LPG)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、NOx、CO)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［5-7］，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［8-12］。

依据颗粒物尺寸一般分为4类［13］:PM10(粒径小于 10μm)，PM2.5(粒径小于 2.5μm)，超细颗粒物(粒径小于100nm)和纳米颗粒物(粒径小于50nm)。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5～50nm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% ～20%，但占数量的90%以上。累积态颗粒物是50nm～1μm的粒子，绝大部分微粒的质量由这部分粒子组成，主要是含碳微粒及其吸附物。大颗粒模式由大于1μm的微粒组成，约为总质量的5% ～20%，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(electrical low-pressure impactor，ELPI)，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GB 18352.3—2005《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)》［14］规定的运转循环进行试验。单个循环持续1 180s，由两部分组成:试验1部由4个城区循环ECE15组成，每个城区循环包含15个工况(怠速、加速、匀速、减速等);试验2部由1个城郊循环EUDC组成，包含13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ELPI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。ELPI仪器能对7nm～10μm之间颗粒物进行13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

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CVS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。

由图可见:与燃用汽油排放的常规污染物相比，燃用LPG排放的HC高50.00%，NOx高68.88%，CO低33.53%，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LPG时汽车在瞬态测试循环下ELPI实时测试的颗粒物排放结果。结果表明:燃用汽油时排放的颗粒物数量浓度明显高于燃用LPG，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120km/h处，汽油和LPG燃料的最高排放分别为3.03×107/cm3和4.17×106/cm3，两种燃料汽车瞬态循环下颗粒物总数量分别为7.11×107/cm3和1.00×109/cm3。

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EUDC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 %

2.2.2 冷起动下颗粒物粒径分布

图4是燃用LPG时汽车冷起动195循环和第2个195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195循环工况。尤其对于粒径小于39nm的颗粒物，冷起动195循环为第2个195循环的30倍。粒径小于70nm的颗粒物在冷起动工况下占总数量的89.84%，在第2个195循环工况下占总数量的34.05%。粒径大于490nm的颗粒物在冷起动工况下占总数量的0.29%，在第2个195循环工况下占总数量的4.54%。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粒径小于39nm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LPG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LPG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50km/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70km/h后，粒径大于0.32μm的颗粒物数量浓度急剧下降;车速为50km/h和怠速时，粒径大于490nm的颗粒物数量浓度急剧下降。车速在最高速度120km/h时，数量浓度达到最大，但粒径大于770nm的颗粒物几乎没有，粒径小于20nm的颗粒物比车速在100km/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320nm的颗粒物;粒径大于490nm的颗粒物对车速的变化不敏感。

这个结果与文献［15］和文献［16］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50nm，因此在车速达到120km/h时，这部分颗粒物数量急剧加大，这也可以解释粒径较大(＞490nm)的颗粒物对车速不敏感的原因。

2.2.4 高车速工况粒径分布结果

图6为车速在120km/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LPG，粒径小于70nm的颗粒物都占绝对优势，分别占总排放数量的93.33%和86.42%;粒径小于20nm的颗粒物燃用汽油和LPG分别占汽车排放的总颗粒物数量的77.33%和63.13%。粒径大于120nm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LPG分别占汽车颗粒物总数的2.32%和7.22%。对于燃用LPG汽车，粒径大于1.23μm的颗粒物排放基本为零，因此燃用LPG汽车排放的颗粒物质量非常低，另外也说明燃用LPG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［17-19］两种。

3 结论

(1)燃用汽油时排放的颗粒物数量浓度要高于燃用LPG，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120km/h处达到最大。

(3)燃用LPG汽车在冷起动循环下，粒径小于70nm的颗粒物占总数量的89.84%，第2个195循环下，粒径小于70nm的颗粒物占总数量的34.05%。

(4)在车速为120km/h高车速工况下，燃用汽油和LPG汽车排放的粒径小于20nm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77.33%和63.13%。

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