Warp Air Clean产品特征及其减排效果研究

邹振东 余雷雨 黄婉彬 丁金山 蒋先逞豪 邱国玉

摘要： 传统机动车研究假设发动机进气为新鲜空气，但在实际道路环境中，大量污染物会改变发动机的进气质量，从而影响燃烧。Warp Air Clean（WAC）技术通过在硅橡胶中填充碳颗粒，利用碳颗粒的导电性去除进气中的带电粒子，从而达到净化进气、改善燃烧进而减少尾气排放的目的。本研究多种材料检测技术，研究了WAC材料的基本特征，并基于實际道路测试及台架测试，验证了该技术的减排效果。研究结果表明，WAC技术能够有效地减少机动车的THC、CO、NOx和颗粒物排放。

Abstract： The intake air was assumed to be pure in traditional vehicle research. However， lots of pollutants in the real road environment would change the quality of the intake air and thus affect the combustion. Warp Air Clean （WAC） technology could remove the charged particles in the air by filling carbon particles into silicon rubber. As a result， the intake air would be purified， the combustion would be improved， and the emission could be reduced. This research studied the characteristics of the WAC material， and verified its emission reduction effects by real road measurement and dynamometer test. The results showed that WAC technology could significant reduce the emission of THC， CO， NOx and particles.

关键词： Warp Air Clean;扫描电镜;红外光谱仪;PEMS;台架测试

Key words： Warp Air Clean;scanning electron microscope;infrared spectrometer;PEMs;bench test

中图分类号：U46                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）05-0055-03

0  引言

Warp Air Clean技术由日本Tasin公司提出。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[1]。该技术已经在日本市场化，截止2019年，日本已有约2600辆卡车、800辆轿车装备了WAC装置。在日本应用时，可减排THC和CO80%，减排黑烟20%～80%，具有显著的环境效益。本研究通过与Tasin公司的合作，将该技术引进国内，对其材料的基本特征进行检测分析，并基于多种方法对其在中国的减排效果进行验证，进而为该技术的国产化奠定基础。

1  WAC材料的基本特征

1.1 WAC材料表面形态特征

WAC装置通过安装于空气滤清器表面发挥其对进气的净化作用，根据空气滤清器的不同，WAC装置采用不同的装置结构与固定方式。针对板式空气滤清器，其采用长方形盒装结构，通过卡扣固定于空气滤清器表面;针对筒式空气滤清器，其采用魔术贴的方式缠绕于空气滤清器表面（图1）。

但两种结构的核心均是其中的片状WAC材料（图1）。通常有两种，均为以硅橡胶为基地，填充碳颗粒的合成材料。两种材料（A和B）的主要区别在于碳颗粒的浓度，因此两种材料呈现出不同的颜色，根据汽车进气量的不同，配置不同的材料。通常来说，发动机进气量越大，材料B使用越多。

进一步，本研究通过场发射扫描电子显微镜（SEM，ZEISS SUPRA55，Carl Zeiss，Germany）观察两种材料的表面结构（图2）。从图2来看，在不同的放大倍数下，两种材料的表面均呈现出明显的多孔特征，小孔分布较为均匀，且孔径基本一致。这说明WAC除了通过静电作用去除带电粒子外，可能还能通过表面的小孔吸附部分空气中的污染物，进一步增强其对进气的净化作用。在10000的放大倍数下，表面并没有明显的碳颗粒凸起。基于EDX（扫描电镜能谱仪）可以发现，碳颗粒在硅橡胶中分布较为均匀，没有明显的聚集。此外，材料A与材料B的表面形态没有明显区别。

本研究同样对使用后的WAC表面进行了观察。结果显示，WAC材料在使用后（约半年）表面有较多灰尘颗粒，经SEM扫描发现其表面呈小坑状，原多孔孔隙被阻塞且存在较多细颗粒物聚集于产品表面（图3）。说明在使用过程中，空气中的污染物会堵塞WAC表面的多孔孔隙，因此需要对其进行定期清洁以保证其对进气的净化效果。

1.2 WAC材料元素组成特征

进一步，同样使用SEM-EDX（ZEISS SUPRA55，Carl Zeiss，Germany）对材料A和材料B的元素组成进行分析。结果表明，材料A和材料B的元素组成基本一致，均由Si、C和O组成，其中又以Si和C为主要成分（图4）。对于材料A，其Si、C和O的质量浓度分别为36.32%、28.98%和34.70%，而材料B的Si、C和O的质量浓度分别为36.07%、28.90%和35.03%。材料B中C浓度更高，其静电作用更强，净化效果更好，同时材料本身颜色也就更深。

1.3 WAC材料官能团特征

本研究采用美国PerkinElmer公司Frontier型的红外光谱仪，鉴别WAC材料的特征官能团。从图5可以看出，两种材料的表面官能团并没有明显的差别，材料正反面官能团也没有明显差别。两种材料的特征波段与纯硅橡胶制品的指纹区一致，即1800cm-1（1300cm-1）～600cm-1区域内。这表明，填充碳颗粒以后，对于硅橡胶的化学性质并没有产生较大影响。

2  WAC材料减排效果的验证

为了验证WAC材料对于机动车尾气的减排效果。本研究基于多种方法对其减排效果进行了验证。首先，本研究委托国家机动车质量监督检验中心（广东），依据国五I型测试方法，检测了12辆不同的机动车在安装与未安装WAC装置时的THC、CO、NOx、PM、CH4和NHMC排放。其次，项目组依靠PEMS装置（车载尾气检测设备，Sensor， USA），在深圳和重庆分别设定20～35km的测试路线（市区路段：市郊路段：高速路段里程比例约为1：1：1），在实际道路行驶过程中测试了40辆不同机动车在安装与未安装WAC装置时的THC、CO、NOx和PN排放。测试中，包含了M1、M2/M3、N1、N2/N3等不同类型的车辆，涉及汽油车与柴油车两种不同的燃油类型，包含了新车（<2年，<50000km）和旧车（>2年，>50000km）[2]。

测试结果如图6所示。其中一般城市为深圳的实际道路行驶测量结果，山地城市为重庆的实际道路行测量结果，台架测试为国家机动车质量监督检验中心的测量结果。可以发现，WAC材料对各种尾气污染物均具有较为显著的减排效果。其中，WAC对THC的减排效果最好，在一般城市、山地城市和台架测试的减排率分别达到46.96%、30.06%和15.03%。这与WAC的减排原理一致，即通过减少发动机内燃油颗粒的聚集，促进燃油充分燃烧，进而减少了未燃碳氢化合物的燃烧。

WAC对NOx的减排效果仅次于THC，在三种不同的测试环境下分别达到17.97%、7.66%和6.93%。汽车NOx的主要来源是热力型NO，其产生条件需要高温、富氧和长反应时间，安装WAC后，更多的燃料得以充分燃烧，因此消耗了更多的氧气，削弱了富氧环境，因此NOx得以减少。而WAC对CO的减排效果分别为10.47%、7.40%和4.51%。CO同样是燃料不完全燃烧的产物，因此WAC对燃烧的改善依然能够有效减少CO的排放。但由于CO是在碳氢化合物燃烧过程中生成的，WAC首先对THC起作用，其次才是CO，因此WAC对CO的减排率低于THC。颗粒物的主要成分是炭烟、可溶性有机物和硫酸盐，其中可溶性有机物的主要成分是未燃烧的重馏分碳氢化合物[3]。因此，当WAC技术减少了THC的生成后，也自然导致了颗粒物排放的减少。在不同的环境下，WAC对颗粒物的减排效果分别达到了5.19%（PN）、5.76%（PN）和14.26%（PM）。此外，台架测试中还测试了WAC对CH4和NMHC的减排效果，减排率分别达到了8.92%和15.60%，效果同样突出。

对比WAC在三种不同环境下的减排效果可以发现，WAC的减排效果在一般城市比山地城市更为突出。主要原因可能是由于道路坡度引起，在重庆的测试中，测试路線的高差达到了200m，而深圳测试路线的海拔高度变化不大。频繁的上坡使得发动机负荷较大，混合器偏浓。此时，尽管WAC能够有效减少聚集，但由于氧气并不充足，因此分散的燃油颗粒仍然无法充分燃烧，因此减排效果并不明显。而两种实际道路行驶条件下对THC的减排效果均优于台架测试，这也与WAC技术的假设前提一致，即空气中的污染物尤其是带电粒子会降低发动机内的燃烧效率，进而增加排放。在实际道路条件下，空气中污染物成分较多，WAC能够更加充分地发挥作用;而在台架测试中，由于环境空气被控制在设定的范围内，污染物浓度较低，因此WAC的减排作用相对降低。由于PEMS设备通常搭载PN模块，因此实际道路过程中测试了颗粒物数量，在台架测试中则是测试了颗粒物质量。可以发现，WAC对颗粒物数量的减排效果相对于颗粒物质量偏低，说明WAC可能对于颗粒物中质量较大的部分去除效果更好。

3  结论

本研究首先基于各种检测手段分析了WAC材料的各项基本特征，进而通过不同的测试手段在不同的测试环境下验证了WAC技术在国内的减排效果。研究结果表明：①WAC材料表面为均匀的多孔结构，因此除了静电作用外，也能吸附一定数量的污染物;但这些小孔在长期使用后会被堵塞，需要及时进行清洗。②WAC材料由Si、O、

C三种材料组成，表面其仅通过在硅橡胶中填充碳颗粒制成。其中C元素的质量浓度在35%左右。填充碳颗粒并没有改变硅橡胶的化学性质。③WAC材料能够有效地减少国内机动车尾气中的THC、NOx、CO、颗粒物、CH4和NMHC排放。其中对THC的减排效果最为突出，在一般城市、山地城市和台架测试的减排率分别达到46.96%、30.06%和15.03%。④相比于台架测试，WAC材料的减排效果在实际道路行驶过程中更加突出，进一步证明了WAC技术在实际道路环境下的应用价值。本研究的结果对于WAC技术的改进及国产化具有重要的意义。

参考文献：

[1]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.

[2]丁金山，邹振东，余雷雨，等.基于实际道路监测的Warp Air Clean机动车减排技术效果及其影响因素研究[J].环境工程，2022（S40）. （in press）

[3]王建昕，帅石金.汽车发动机原理[M].清华大学出版社，2011.