基于道路类型的国Ⅳ天然气公交车微粒排放特性

楼狄明，成 伟，冯 谦，谭丕强，胡志远

（同济大学汽车学院，上海 201804）

机动车作为石油资源的主要消费者，其排气是大气污染的重要来源之一［1］。随着世界范围内的能源短缺和环境污染问题不断加剧，世界各国都相继出台了日益严格的排放法规［2］，节能减排逐渐成为汽车和发动机领域的研究热点，发展车用替代燃料技术［3－4］越来越受到重视。

压缩天然气（CNG）是经加压并以气态储存在容器中的天然气，其主要成分是甲烷（CH4），作为替代燃料具有如下优点：成分单一，不含硫、苯、烯烃等有害成分，排气中无多环芳香烃（PAHs），排气微粒毒性低；辛烷值高，抗爆性好；燃烧温度低，利于降低NOx排放［5］；作为气体燃料，易与空气均匀混合，利于充分燃烧，排气污染低。同时，天然气资源丰富、价格便宜，是最为理想的车用替代燃料之一。

国内外学者对CNG发动机微粒排放特性的研究已经取得一定的成果，Z.D.Ristovski［6］等、Kris Quillen［7］等、周磊［8］等都对 CNG 发动机微粒数量、质量排放特性及其粒径分布等进行了研究，但主要集中于发动机台架试验方面。而机动车实际道路排放受行驶工况和交通状况的影响较大［9－11］，为真实、可靠地反映车辆在实际道路上的排放状况，近年来国内外学者对CNG车辆实际道路微粒排放进行了研究［12－14］，但少见有针对不同道路类型进行的微粒排放研究。本研究综合考虑了道路类型和车流量的影响，采用车载便携式排放测试系统（PEMS）对1辆满足国Ⅳ排放标准的CNG公交车实际道路运行时的微粒数量、质量排放以及粒径分布进行了试验研究。

1 试验设备及方案

1.1 试验车辆

试验车辆选取的是1辆满足国Ⅳ排放标准的CNG公交车，车辆的主要参数见表1。

表1 试验用公交车基本参数

1.2 微粒测试仪器

本研究采用发动机尾气微粒粒径分析仪（EEPS 3090），该仪器可快速测取发动机瞬态工况的排气微粒数量及粒径分布，可测量的粒径范围为5.6～560nm，采样和分析频率高，0.1s内即可测取一个完整的微粒数量浓度和粒径分布图谱，同步输出32个数据通道的微粒数量浓度和粒径分布数据。本试验中，从CNG公交车尾气中抽取的样气经过两级稀释后进入测试设备，总稀释比为500∶1。第1级稀释系统采用TSI公司的专用旋转盘稀释器，为防止在稀释过程中高温排气遇冷空气微粒发生沉积或聚集而影响测试结果，稀释空气进入稀释器前经80℃恒温加热，稀释比为200∶1；第2级稀释采用一个流量计对进气流量进行补偿，并同时进行稀释，稀释比为2.5∶1。

1.3 试验方案

车辆在不同类型道路上行驶时，排放差别很大，本试验选择的路线覆盖了上海公交车在市区行驶的典型道路类型，路线全程共22km，其中主干道10km，次干道6km，快速路6km，分别占总里程的46%，27%和27%。另外，为了对比CNG公交车在不同车流量时的微粒排放特性，试验分别在2个时间段进行：第1次试验在早晨7：30至10：00，该时间段道路拥堵，定义为“高峰”；第2次试验在中午11：00至12：30，该时间段道路畅通，定义为“平峰”。

2 试验结果及分析

2.1 运行工况分析

结合道路试验结果，分析了CNG公交车在不同道路类型和不同车流量下的微粒排放特性。表2和表3分别列出高峰、平峰时段试验公交车在3种不同道路类型下的行驶工况。

表2 高峰时段不同道路类型下的行驶工况

表3 平峰时段不同道路类型下的行驶工况

由表2和表3可见：1）在高峰和平峰时段，CNG公交车在主干道、次干道和快速路上的平均车速均低于其设计行驶车速，其在主干道上的平均车速最 低，高 峰、平 峰时 段 分 别 为5.9km／h和15.2km／h，在快速路上的平均车速最高，高峰、平峰时分别为34.7km／h和49.2km／h；2）CNG公交车在次干道上的平均加速度和减速度均为最大，这是因为车辆在次干道上的车速比主干道高，但由于道路宽度较窄，并较多地受交通信号灯、机动车和行人的影响，加减速比例都较高，且加速度和减速度较大；3）CNG公交车在主干道、次干道、快速路上的怠速比例依次降低，匀速比例依次升高；4）平峰时，CNG公交车在3种不同道路类型下以及全程的平均车速、平均加速度、平均减速度基本均高于高峰时段。

2.2 微粒排放因子

微粒按照其粒径大小，通常可以分为核态微粒和聚集态微粒。一般将动力学当量直径Dp在5～50nm范围内的微粒称为核态微粒，主要与排气可溶有机组分（SOF）、硫化物等有关，可能也含部分固体炭烟微粒和金属化合物。此部分微粒占柴油机排放微粒质量总量的1%～20%，但占数量总量的90%以上。Dp在50～500nm范围内的微粒称为聚集态微粒，主要由固体炭烟微粒及其吸附物质组成［13－15］。本研究将Dp＜50nm 的微粒称为核态微粒，Dp＞50nm的微粒称为聚集态微粒。

汽油机、CNG发动机等点燃式发动机的微粒形成机理和排放特性与柴油机有很大差别。据文献［6］报道，CNG发动机排放的微粒中位数直径在不同负荷下基本均在0.020～0.060μm，主要为核态微粒；文献［7］的结果显示，CNG发动机排放的微粒几何平均粒径约为30nm，并认为直径为300nm以上的大微粒主要是由机油燃烧所产生，且对整个微粒质量排放贡献很大；文献［13］显示，Dp＜40nm的微粒占总微粒数的50%～60%，Dp＜70nm的微粒占80%～90%，且认为天然气车排放的微粒成核模式的微粒比例很大，主要是发动机排气在稀释和冷却过程中形成的，由金属化合物、半挥发性有机物及硫化物组成。

在不同道路类型下公交车及其发动机的运行工况受道路状况、交通状况等因素的影响，微粒排放水平相差很大。图1分别示出CNG公交车在高峰、平峰时排气微粒数量（PN）和微粒质量（PM）随道路类型的变化关系。

由图1a可见，在高峰、平峰时段，CNG公交车在不同道路类型下的微粒数量排放因子规律相同，均为次干道最高，主干道次之，快速路最低，且车辆在主干道和次干道上的PN排放因子相差不大，快速路降幅较大。高峰时公交车在主干道和次干道上的PN排放因子较快速路分别高57.9%和64.9%；平峰时则较快速路分别高36.1%和50.4%。图1b中，高峰时段，CNG公交车在主干道、次干道和快速路上的微粒质量排放因子依次降低，其中快速路降幅较大，主干道和次干道相差不大，较快速路分别高90.3%和82.5%。平峰时段，公交车在次干道上的PM排放因子最高，主干道次之，快速路最低，且降幅较大，主干道和次干道上的PM排放因子分别是快速路的2.02倍和2.19倍。这是因为一方面相比其他两种道路类型，快速路上交叉路口及行人和非机动车干扰较少，道路通畅，公交车平均速度显著高于其他两种道路类型，行驶相同里程所需要的时间较少，单位里程所排放出来的微粒数量较少，因此快速路上PN和PM排放因子明显低于其他两种道路类型；另一方面，由于道路通畅，所受干扰较少，公交车不需频繁启停，因而发动机也不需经常处于怠速、加速和减速的工况，转速和输出功率都较稳定，运行工况良好，缸内燃烧状况较好，减少了微粒的排放，尤其是减少了聚集态微粒的排放，因为聚集态微粒在微粒质量上贡献率较大，所以CNG公交车在快速路上PM排放降低更为显著。

2.3 微粒数量浓度粒径分布

对不同道路类型下公交车排气各粒径通道下的微粒数量浓度分别进行统计平均，即得不同道路类型下排气微粒对数数量浓度［dN／d（log Dp）］粒径分布 （见图 2）。微粒对数数量浓度［dN／d（log Dp）］表示每个粒径段范围内的数量浓度，dN为每个粒径段内的总数量浓度，d（log Dp）为对数化的粒径范围区间。

由图2可见，CNG公交车在3种不同道路类型下行驶时，微粒数量浓度均呈较为明显的多峰对数分布，且高峰、平峰时段排气微粒数量浓度粒径分布规律呈现良好的一致性。在3种不同道路类型下，CNG公交车排气中核态范围内微粒数量浓度均在约10nm处达到峰值，这也是所用微粒粒径分析仪EEPS 3090所能测得的整个微粒粒径范围内的微粒数量浓度峰值。在主干道和次干道上，高峰、平峰时段排气微粒数量浓度在核态范围和聚集态范围内均相差不大；在快速路上，高峰时段排气中50nm以下的核态范围内的微粒数量浓度显著高于平峰时，50nm以上的聚集态范围内的微粒数量浓度基本相当，相差很小。图3示出高峰、平峰时段CNG公交车在3种不同道路类型下以及试验全程的总微粒、核态微粒和聚集态微粒数量浓度。

由图3可见，高峰、平峰时段，CNG公交车在主干道、次干道和快速路上的排气总微粒、核态微粒和聚集态微粒数量浓度均依次递增。公交车在3种不同道路类型下排气中核态微粒在总微粒数量中均占大部分比例，且其比例依次增大，高峰时其比例分别为81.2%，87.2%和91.8%，平峰时其比例分别为82.5%，87.1%和87.2%。这是因为燃用CNG时，一方面，CNG燃烧速度较慢，缸内最高燃烧温度较低；另一方面，因为CNG为短链烷烃，且不含苯、芳香烃类物质，不会因长链碳氢难以裂解而形成炭烟微粒，同时CNG作为气体燃料，进气时易于与同为气体的空气均匀混合，有利于混合气充分燃烧，聚集态微粒的形成很少，因此CNG公交车排气微粒中聚集态微粒较少，核态微粒占主要比例，主要由金属化合物、半挥发性有机物以及硫化物组成。此外，就整个试验路段而言，微粒数量浓度分布也呈现出一致的规律，高峰、平峰时段核态微粒占总微粒数量的比例分别为85.1%和85.0%。

2.4 车流量对全程微粒排放的影响

为直观地了解CNG公交车在实际道路上的微粒排放以及车流量对CNG公交车微粒排放的影响，将高峰、平峰时段全程微粒排放率和排放因子进行了对比，结果见表4。

表4 高峰、平峰时段全程微粒排放率及排放因子

由表4可见，平峰时段CNG公交车全程PN和PM排放率均显著高于高峰时段，分别比高峰时高26.3%和62.8%；平峰时段CNG公交车全程PN和PM排放因子均明显低于高峰时段，分别比高峰时低32.2%和12.6%。这是因为相对于高峰时段，平峰时段各道路类型上的车流量都较小，道路相对通畅，车辆处于怠速或低速工况的时间较少，在3种不同道路类型下以及试验全程的平均车速均高于高峰。随着车速的提高，发动机转速和负荷均上升，循环喷气量增加，单位时间喷入发动机气缸内的CNG量增多，混合气不再保持当量空燃比，可能导致某些挥发性有机物排放的升高［13］，微粒排放也相应增多，所以平峰时PN和PM排放率较高峰时都高。但行驶相同的试验路线，车辆在平峰时段仅需约1.2h，远低于高峰时段的2.5h，所以平峰时微粒排放因子反而较低。从排放控制的角度看，应该合理地规避或错开高峰，保证车辆行驶顺畅，减少车辆在怠速或低速工况的运行，避免急加速、急减速，是减少污染物排放的有效途径之一。

3 结论

a）高峰、平峰时段，CNG公交车在主干道和次干道上的微粒数量和质量排放因子均相差不大，并均显著高于快速路；

b）3种不同道路类型下，高峰时CNG公交车PN和PM排放因子均明显高于平峰；

c）3种不同道路类型下，CNG公交车排气微粒数量浓度均呈多峰对数分布，且高峰、平峰时呈现良好的一致性；微粒数量浓度均在约10nm处达到峰值；

d）公交车在主干道、次干道和快速路上的排气总微粒、核态微粒和聚集态微粒数量浓度均依次递增，且核态微粒在总微粒数量中均占大部分比例；

e）就CNG公交车全程微粒排放水平来看，平峰时段PN和PM排放率均显著高于高峰，分别比高峰时高26.3%和62.8%；排放因子均明显低于高峰，分别比高峰时低32.2%和12.6%。

［1］ 欧阳明高.汽车新型能源动力系统技术战略与研发进展［J］.内燃机学报，2008，26（增1）：107－114.

［2］ 帅石金，唐 韬，赵彦光，等.柴油车排放法规及后处理技术的现状与展望［J］.汽车安全与节能学报，2012，3（3）：200－217.

［3］ Sobin N，Molenaar K，Cahill E.Mapping goal alignment of deployment programs for alternative fuel technologies：An analysis of wide－scope grant programs in the United States［J］.Energy Policy，2012，51：405－416.

［4］ Ajanovic A，Haas R.Technological ecological and economic perspectives for alternative automotive technologies up to 2050［C］.Kathmandu：IEEE Computer Society，2012：129－134.

［5］ 孙济美.天然气和液化石油气汽车［M］.北京：北京理工大学出版社，1999.

［6］ Ristovski Z D，Morawska L，Hitchins J，et al.Particle emissions from compressed natural gas engines［J］.Journal of Aerosol Science，2000，31（4）：403－413.

［7］ Quillen K，Bennett M，Volckens J，et al.Characterization of particulate matter emissions from a four－stroke，leanburn，natural gas engine［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2008，130（5）：052807.

［8］ 周 磊，唐利军，宁小康，等.柴油引燃天然气发动机不同喷射时刻和引燃油量下的燃烧和颗粒排放特性研究［J／OL］.［2013－08－14］.http：www.cnki.net／kcms／detail／31.1255.TK.20130614.1653.002.html.

［9］ Joumard R，Andre M，Vidon R，et al.Influence of driving cycles on unit emissions from passenger cars［J］.Atmospheric Environment，2000，34：4621－4628.

［10］ John C，Friedrich R，Staehelin J，et al.Comparison of emission factors for road traffic from a tunnel study（Gubrist tunnel，Switzerland）and from emission modeling［J］.Atmospheric Environment，1999，33（20）：3367－3376.

［11］ Chan T L，Ning Z，Leung C W，et al.On－road remote sensing of petrol vehicle emissions measurement and emission factors estimation in Hong Kong［J］.Atmospheric Environment，2004，38（14）：2055－2066.

［12］ Jayaratne E R，He C，Ristovski Z D，et al.A comparative investigation of ultrafine particle number and mass emissions from a fleet of on－road diesel and CNG buses［J］.Environmental Science and Technology，2008，42（17）：6736－6742.

［13］ 王军方，葛蕴珊，何 超，等.汽油车和天然气汽车颗粒排放特性研究［J］.汽车工程，2009，31（2）：137－140.

［14］ Fontaras G，Martini G，Manfredi U，et al.Assessment of on－road emissions of four Euro V diesel and CNG waste collection trucks for supporting air－quality improvement initiatives in the city of Milan［J］.Science of the Total Environment，2012，426：65－72.

［15］ Kittelson D B.Engines and nanoparticles：A review［J］.Journal of Aerosol Science，1998，29（5／6）：575－588.