不同技术路线WarpAirClean材料对机动车尾气减排效果研究

邹振东 黄婉彬 陈挚 邱国玉

摘要：传统机动车尾气减排技术经过长期发展，取得了较好效果，但在短期难以获得更大的突破。Warp Air Clean（WAC）技术通过对发动机的进气进行净化，提高发动机内燃烧效率，从而减少尾气排放，是解决机动车尾气排放的新途径。本研究对比了四种不同合成方案WAC材料的减排效果，为该技术的进一步完善优化提供了基础。研究发现：采用加成型硅橡胶合成方案的合成材料效果最好，在怠速与高怠速工况下均能有效降低机动车排放的CO、THC和NO。

Abstract： Traditional vehicle emission reduction technologies have achieved significant effects after long-term development. However， it is hard for them to achieve more improvements in short time. Warp Air Clean technology could improve the combustion efficiency of the engine by purifying the air intake， thus reduce pollutants emission. It has been a new way to solve the problem of vehicle emission. This research compared the reduction effects of different WAC materials synthesized by four different methods. It could support for the improvement of this technology. The results showed that the materials synthesized by addition cured silicone rubber method had the best reduction effects. It could significant reduce the emission of CO， THC and NO in idling condition and high idling condition.

關键词：Warp Air Clean;尾气减排;缩合型;加成型

Key words：  Warp Air Clean;exhaust emission reduction;condensation type;addition type

中图分类号：U473.9                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）04-0042-03

0  引言

机动车尾气污染一直以来被认为是大气污染的主要来源之一，2020年，全国机动车共排放CO、THC、NOX和PM的达769.7万吨、190.2万吨、626.3万吨和6.8万吨[1]。这些污染物大量的排入空气中，会对生态环境和人体健康造成巨大的威胁，空气污染造成的人类死亡有大约一半是由于机动车尾气排放引起[2]。为了减少机动车尾气排放，已经发展出了大量的减排技术，主要可以分为机内净化技术和机外净化技术[3]。其中机内净化技术以通过对发动机结构或运行参数进行调整从而改善燃烧为主，而机外净化技术主要是后处理技术及非排气污染控制技术。但这些技术经过多年的发展，已经较为成熟，难以在短时间内取得更大突破;另一方面，大部分技术均为考虑发动机进气质量对于燃烧的影响，从而尚未发展出从发动机前端减少污染物排放的技术。

日本Tasin公司研发的Warp Air Clean（WAC）装置，提出从发动机进气净化入手，提高燃烧效率，减少尾气排放。该技术已经在日本市场化，但尚未引入国内。在此基础上，本研究通过与Tasin公司的合作，提出了多种新的材料合成方案，并与日方产品进行对比。

1  技术原理

传统发动机技术研究中，通常假设发动机的进气为新鲜空气，即主要由氧气和氮气组成，对其中的污染物质关注较少，因此也较少关注进气质量对发动机内燃烧状况的影响。但在实际道路交通环境下，尤其是在拥堵路段，汽车尾气排放量大，导致道路区域的空气相比于新鲜空气含有更多的污染物质。这些污染物质难以被空气滤清器去除，进入发动机后，雾化的燃油颗粒会被其中的带电粒子吸附聚集，从而难以实现完全燃烧，导致不完全燃烧产物增加，同时还可能改变燃烧环境，进而影响NOX和PM的生成与排放。

针对此问题，日本Tasin公司提出Warp Air Clean技术。该技术将导电体（碳颗粒）均匀分布于绝缘体（硅橡胶）中，当空气中任意时刻阴离子或阳离子占优时，材料表面的导电体会吸附占优势的离子，进而形成电场，排斥与之电荷相同的粒子，并吸附电荷相反的粒子，最终实现对带电粒子的去除[4]。（图1）

实际使用过程中，WAC装置通过不同的方式固定于不同类型的空气滤清器外侧（图2）。其中，针对箱式空气滤清器，采用夹子固定的方式;对于筒式空气滤清器，采用魔术带进行固定。

2  改进方案

为了进一步提高WAC装置的减排效果。本研究采用了三种不同的材料合成思路，包括两种缩合型硅橡胶合成方案和一种加成型硅橡胶合成方案。选用了6种不同的导电体填料，每种填料设置了4个不同的浓度梯度。研究期间，累计试验了超过100种材料合成方案，最终成功合成了多种性能更优的材料。

材料合成成功后，本研究基于GB18285-2018《汽油车污染物排放限值及测量方法》规定双怠速法，对试验车辆安装不同WAC材料后的污染物排放进行测试。测试仪器为MEXA-584L型尾气分析仪（HORIBA，Japan），测试指标为CO、THC和NO。每种材料测试三次，取三次结果的平均值作为最后结果。实验前，使用标准气体对仪器进行校正，随后对仪器进行5分钟以上的预热，以确保结果的准确性。需要说明的是，试验共进行了三个批次，每个批次分别对比一种试验方案改进的产品与日方WAC产品的差异。三个批次使用的试验车辆不同，因此各污染物的排放浓度可能差别较大，而且由于车况不同可能会导致同样的日方WAC产品呈现出略有不同的减排特征。

3  材料对比

3.1 缩合型硅橡胶合成方案1产品减排效果

如表1所示，怠速状态下，日方WAC对THC具有显著的减排效果，减排率高达77.36%，缩合1WAC产品同样能够显著降低THC排放，但减排率相对日方WAC较低（24.59%）。由于怠速阶段CO和NO排放较低，可能低于测试仪器的分辨率，因此测量结果可能显示为0。而在高怠速阶段，日方WAC和缩合1WAC均大幅度降低了THC的排放，缩合1WAC的效果相对日方WAC更好。同时，对于NO排放，日方WAC的减排率达到44.42%，而缩合1WAC的减排率高达75.58%。这说明，在高怠速工况下，基于缩合型硅橡胶合成方案1改进的WAC产品减排效果优于日方WAC。

3.2 加成型硅橡胶合成方案产品减排效果

针对加成型硅橡胶合成方案，本研究做了更全面的对比。表2是同一浓度梯度（浓度4）不同填料的减排效果对比。结果显示，在怠速状态时，使用四种不同填料的改进WAC均有效减少了试验车辆THC的排放，其中加成WAC（填料D）对THC的减排率达到了65.07%，而日方WAC反而增大了试验车辆THC的排放。对于NO，几乎各个产品均对试验车辆有较好的减排效果，但日方WAC和加成WAC（填料D）效果最为突出，安装后仪器未能测出NO排放。

而在高怠速工况下，各改进产品和日方产品均对THC呈现出明显的减排效果，但仍是加成WAC（填料D）效果最好，减排率达到55.06%，而日方WAC產品相对较弱，为11.49%。高怠速工况下，试验车辆的CO排放显著增大，但在安装各WAC产品后，排放浓度均出现了不同幅度的降低。其中日方WAC的减排率达到36.16%，而加成WAC（填料D）的减排效果达到了63.28%。而对于NO，各产品同样具有显著的减排效果，其中，安装日方WAC、加成WAC（填料C）和加成WAC（填料D）后，NO排放均低于仪器检测限。

综合以上可以看出，加成WAC（填料D）的方案在不同工况下，对不同污染物的减排效果都极为突出。因此，进一步对比不同使用不同浓度的填料D合成的产品减排效果差异。如表3所示，怠速工况下，不同浓度填料D改进的产品均能够有效地减少THC排放，其中浓度1减排效果最为突出，减排率高达96.70%。而对于CO和NO，由于本身排放浓度不高，因此在安装不同的WAC后，大部分低于仪器检测限，即均达到了较好的减排效果。

而在高怠速工况下，同样是浓度1的减排效果最为突出，减排率达到了95.74%。其对CO的减排效果也最为显著，减排率达到了86.44%。值得注意的是，无论是何种浓度，使用填料D合成的产品其对THC和CO的减排效果均优于日方WAC，说明填料D的性能优于日方WAC所使用的填料。而对于NO，由于安装各WAC后，均低于检测限，因此认为各产品效果相当。

3.3 缩合型硅橡胶合成方案2产品减排效果

与缩合型硅橡胶合成方案1相比，方案2虽然同为缩合型硅橡胶合成原理，但使用了不同的填料，同时对其中部分环节进行了调整，包括使用的药剂以及各环节的持续时间，因此合成的材料与方案1存在一定差异。表4展示了缩合型硅橡胶合成方案2四种与日方WAC性能较为接近的产品。同时，为了避免前述两次试验多次出现低于检测限的问题，此次验证使用了Sensor公司的PEMS设备进行测试，精度大幅度提高。

可以发现，怠速状态下，安装日方WAC与缩合方案2的不同产品均导致CO和NO出现了小幅度的上升，但对于THC均具有较为显著的减排效果。其中，日方WAC的减排率达到15.82%，缩合2-1和缩合2-2的减排效果次之，均为13.39%。

高怠速状态下，各WAC材料仍然导致试验车辆的CO出现了小幅度的上升。但对于THC和NO均具有较好的减排效果。对于THC，改进产品中缩合2-2的减排效果最好，达到32.16%，这与日方产品的效果（32.99%）相当接近。而对于NO，日方WAC的减排效果为9.73%，相比之下，缩合2-1和缩合2-2的减排效果分别达到了22.35%和18.81%。

以上结果说明，缩合型硅橡胶合成方案2合成的材料减排特征与方案1合成的材料减排特征具有一定的相似性，即均在高怠速工况下更为明显。但同样，与日方产品相比，两种方案合成的材料减排性能均没有呈现出较大提升，总体性能相当。

4  结论

以上研究结果表明，无论是日方WAC还是本研究研发的改进WAC，在怠速和高怠速工况下，均能够有效的减少机动车的CO、THC和NOX排放，具有极大的应用潜力。其中，两种缩合型硅橡胶合成方案改进的产品性能与日方WAC相当，但基于填料D的加成型硅橡胶合成产品，在多种浓度下均能够有效地提升WAC的减排性能。因此，未来的进一步研发应以加成型硅橡胶合成工艺为基础。

参考文献：

[1]中华人民共和国生态环境部.中国移动原环境管理年报（2021年）[R]. https：//www.mee.gov.cn/hjzl/sthjzk/ydyhjgl/202109/t20210910_920787.shtml. 2021-09-10/2021-12-1.

[2]Kunzli N，Kaiser R，Medina S， et al. Public-health impact of outdoor and traffic-related air pollution： a European assessment[J]. Lancet， 2000， 356（9232）： 795-801.

[3]王建昕，帅石金.汽车发动机原理[M].清华大学出版社，2011.

[4]和田元，田埜芳浩.离子捕捉片、离子捕捉模块和洁净空气供给装置：CN204247044U[P].2015-04-08.