2014, Vol. 
柴油机由于其较高的热效率、良好的动力性和经济性而被广泛使用，但其排气中NOx和颗粒物却是大气污染的重要来源之一. 随着机动车保有量的不断增加，机动车尾气对大气的污染也日趋严重. 为缓解环境污染等问题，世界各国都相继出台了日益严格的排放法规[1]，以限制机动车污染排放. 欧洲即将实施的欧Ⅵ排放标准中，重型柴油机PM排放限值降至0.01 g ·(kW ·h)-1，比2000年的欧Ⅲ标准低90%. 同时，世界范围内的石油资源短缺，要求积极发展节能减排技术，替代燃料技术[2, 3]就是其中之一.
压缩天然气(compressed natural gas, 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). CNG成分单一，纯度高，不含硫、苯、烯烃等有害成分，排气中无多环芳香烃(PAHs)，排气颗粒物毒性低；辛烷值高，抗爆性好；燃烧温度低，利于减少NOx的排放[4]；作为气体燃料，易与空气混合均匀，利于燃烧充分，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发动机颗粒物排放特性的研究已经取得一定的成果，Ristovski等[5, 6]、 Jayaratne等[7]、 Quillen等[8]都对CNG发动机颗粒物数量、质量排放特性及其粒径分布等进行了研究，但主要集中于台架试验方面. 由于机动车实际道路排放受行驶工况和交通状况的影响较大[9,10,11,12]，为真实、可靠地反映车辆在实际道路上的排放状况，近年来国内外学者也对隧道测试[11, 13]、路边遥感测试[12,14,15,16,17]和车载排放测试[10,18,19]等实际道路排放测试方法进行了广泛的研究. 本研究基于PEMS(portable emission measure system)车载排放测试系统对一辆满足国Ⅳ排放标准的CNG公交车在不同工况下的颗粒物排放特性和粒径分布进行了试验分析. 试验还对其主要气态物排放进行了测试，已于文献[20]中报道，其中CO、THC、NOx和CO2全程排放因子分别为7.39、 13.2、 40.2和1 251 g ·km-1.
试验车辆选取的是一辆满足国Ⅳ排放标准的CNG公交车，车辆的主要参数如表 1所示.
 | 表 1 试验用公交车基本参数 Table 1 Specifications of Test Bus |
本研究采用由美国TSI公司生产的发动机尾气颗粒粒径分析仪(engine exhaust particle sizer, EEPS)，该仪器可快速测取发动机瞬态工况的排气颗粒数量及粒径分布，可测量的粒径范围为5.6~560.0 nm，采样和分析频率高，0.1 s内即可测取一个完整的颗粒数量浓度和粒径分布图谱，同步输出32个数据通道的颗粒数量浓度和粒径分布数据. 本试验中，从CNG公交车尾气抽取的样气，经过两级稀释后进入测试设备，总稀释比为500 ∶1. 第一级稀释系统采用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，颗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；第二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.
由于在不同类型道路上或不同车流量时，车辆排放差别很大，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22 km，其中市区主干道10 km、次干道6 km和快速路6 km，其分别占总里程的46%、27%和27%.
图 1为CNG公交车实际道路试验中的车速-加速度工况点分布. 从中可见，公交车车速有99.7%分布在60 km ·h-1之内，加速度有99.6%分布在-2~1.5 m ·s-2范围内，基本符合城市公交车怠速工况比例高，平均车速和加速度小的特征.
 | 图 1 车速-加速度工况点分布 Fig. 1 Distribution of speed-acceleration driving pattern |
本研究分析CNG公交车颗粒物排放特性随车速的变化关系时，为保证结果更接近真正意义上的稳态车速下的排放，统计时将加速度值限制在[-0.1, 0.1]之间. 同时，由于公交车运行于高速工况的时间较少，为保证每个车速区间下都有足够多的样本(即工况点)，将0~30 km ·h-1范围内的车速以5 km ·h-1为间隔划分为不同区间，30~60 km ·h-1范围内的车速以10 km ·h-1为间隔划分. 此外，为分析不同车速下颗粒物粒径分布的规律，将车速以20 km ·h-1为间隔分成以下4个区间：怠速工况[0, 0.5] km ·h-1、低速工况(0.5, 20] km ·h-1、中速工况(20, 40] km ·h-1和高速工况(40, 60] km ·h-1.
在分析不同加速度下颗粒物粒径分布的规律时，选取快加速、匀速和慢减速工况作为典型加速度工况进行研究，并定义如下：快加速工况(0.5, ∞) m ·s-2、匀速工况[-0.1, 0.1] m ·s-2和慢减速工况[-0.5, -0.1) m ·s-2.
另外，本文还研究了CNG公交车在不同比功率下的颗粒物排放特性. 车辆比功率(vehicle specific power, VSP)是由美国的José提出的，综合考虑了速度、加速度和坡度等对排放的影响，与机动车油耗及污染物排放具有较好的一致性，能更好地反映与污染物排放之间的关系[21,22,23]，其计算方法如下式所示. VSP=v[1.1a+9.81arctan(sing)+
0.132]+0.000 302v3 式中，VSP为比功率(kW ·t-1)；v为车速(m ·s-1)；a为加速度(m ·s-2)；g为道路坡度(弧度).由于选取的试验路线坡度变化不大，数据分析时将道路坡度取为0. 试验工况的比功率值主要分布在-10~10 kW ·t-1范围内，因此数据分析时，将该范围内的VSP值以2.5 kW ·t-1为间隔划分为不同的区间，比功率大于10 kW ·t-1的工况很少，都统计在15 kW ·t-1下.
图 2分别为国Ⅳ CNG公交车颗粒物数量(particle number, PN)排放率和质量(particle mass, PM)排放率与车速的瞬态响应关系.
 | 图 2 PN和PM排放率与车速的瞬态响应关系 Fig. 2 Transient emission rates of particle number and mass |
从图 2可以看出，颗粒物数量和质量排放率与车速均有着良好的对应关系. 总体来看，当试验车辆车速较低时，PN和PM排放率均较低；车速较高时，排放率均较高；车辆加速时，排放率也逐渐增加，急加速时，甚至出现峰值；减速时，排放率均较低. 这说明试验所采用的颗粒物测试仪器EEPS能较好地跟踪汽车行驶工况，测试结果可靠. 另外，还可见连续加速或减速时，PN和PM排放率变化剧烈，这是因为加、减速过程中，发动机工况变化剧烈，瞬时排气流量和压力变化较大且较快，又经一定长度的排气管和消音器的影响，颗粒粒径分析仪的采样处的气流变化也较为剧烈.
CNG公交车的PN和PM排放率及排放因子随车速呈现较好的规律性，如图 3所示.
 | 图 3 不同车速下PN和PM排放率及排放因子 Fig. 3 Emission rates and factors of particle number and mass under different vehicle speed |
由图 3(a)可以看出，随车速的增加，CNG公交车颗粒物数量和质量排放率均呈逐渐增加的趋势. 车辆怠速时，PN和PM排放率最低，分别为3.16×1010 s-1和1.47×10-5 g ·s-1；车速为30 km ·h-1时，PN和PM排放率分别上升为怠速时的14.6倍和12.5倍；车速大于30 km ·h-1时，PN排放率上升趋势减缓；车速为60 km ·h-1时，PN和PM排放率与车速为30 km ·h-1时相比，分别升高了27.4%和40.5%.
图 3(b)中，随车速的增加，CNG公交车颗粒物数量和质量排放因子均呈逐渐减小的趋势. 由于车辆怠速时的行驶里程接近于零，此时颗粒物排放因子理论上为无穷大，故略去不做讨论. 车速为5 km ·h-1时，PN和PM排放因子较高，分别为1.03×1014 km-1和4.92×10-2 g ·km-1；在5 ~ 25 km ·h-1范围内，PN和PM排放因子降幅较大，降幅分别达49.7%和63.4%；车速高于25 km ·h-1时，下降趋势均减缓；车速为50 km ·h-1时，PN和PM排放因子与车速为25 km ·h-1时相比，分别降低了10.6%和35.0%.
试验还对CNG公交车在不同车速下的颗粒数量浓度粒径分布做了分析研究，如图 4所示.
 | 图 4 不同车速下颗粒数量浓度粒径分布 Fig. 4 Particle size distribution under different vehicle speed |
由图 4可见，从颗粒分布的宏观形态来看，CNG公交车在不同车速范围内排放的颗粒数量浓度粒径分布均呈现较为明显的多峰对数分布. 低速、中速、高速工况下的颗粒数量浓度均显著高于怠速工况，且增幅依次增大，此规律在50 nm以下的粒径范围内表现得非常明显. 在4种不同车速工况下100~250 nm范围内的颗粒数量浓度相差不大，说明车速对于该粒径范围内的颗粒数量浓度影响不大.
颗粒物按照其粒径大小，通常可以分为核态颗粒和聚集态颗粒. 一般将动力学当量直径Dp在5~50 nm范围内的颗粒称为核态颗粒，主要与排气可溶有机组分(soluble organic fraction, SOF)、硫化物等有关，可能也含部分固体碳烟颗粒和金属化合物. 此部分颗粒占柴油机排放颗粒物质量总量的1%~20%，但占数量总量的90%以上. Dp在50~500 nm范围内的颗粒称为聚集态颗粒，主要由固体碳烟颗粒及其吸附物质组成[24, 25]. 本试验所用的颗粒物测试仪器EEPS能够测量的颗粒粒径范围为5.6~560.0 nm，本研究将测得的颗粒中Dp小于50 nm的颗粒称为核态颗粒，Dp大于50 nm的颗粒称为聚集态颗粒.
图 5为CNG公交车在怠速、低速、中速和高速工况下的总颗粒数量浓度、核态颗粒数量浓度和聚集态颗粒数量浓度.
 | 图 5 不同车速下颗粒数量浓度 Fig. 5 Particle number concentration under different vehicle speed |
如图 5所示，CNG公交车在4个车速工况下排气总颗粒数量浓度、核态颗粒数量浓度和聚集态颗粒数量浓度均呈上升趋势，且总颗粒数量浓度和核态颗粒数量浓度变化较为明显. 在怠速、低速、中速、高速工况下，核态颗粒数在总颗粒数中所占比例分别为74.5%、84.2%、88.3%和92.5%，可以看出，核态颗粒数在总颗粒数中占大多数比例，且随车速的升高，其所占的比例越大. 聚集态颗粒则占较小比例.
这是由CNG的理化特性和燃烧特性决定的. 一般认为柴油机排气中聚集态颗粒的主要成分固体碳烟颗粒生成的条件是高温和缺氧，尽管总体来说柴油机中的混合气燃烧时过量空气系数很高，但油气混合不均匀而造成的局部缺氧导致固体碳烟颗粒的生成，另外，缸内温度越高，烃类燃料裂解生成碳烟的速度越快，固体碳烟颗粒生成增多. 但由于CNG燃烧速度较慢，缸内最高燃烧温度较低；另一方面，CNG作为气体燃料，进气时易与同为气体的空气混合均匀，有利于混合气充分燃烧，不利于固体碳烟颗粒的生成，因此CNG公交车排气颗粒物中聚集态颗粒较少，核态颗粒占主要比例.
分析不同加速度下的颗粒物排放特性及粒径分布时，选取较为典型的低速工况(0.5, 20] km ·h-1. 图 6为CNG公交车在不同加速度下颗粒物数量和质量排放率.
 | 图 6 不同加速度下PN和PM排放率 Fig. 6 Particle number and mass emission rates under different accelerations |
由图 6可见，随加速度的增大，CNG公交车颗粒物数量和质量排放率均逐渐增加. 加速度小于0时，即减速时，PN和PM排放率整体较低，且随加速度的变化较平缓；加速度大于0时，即加速时，PN和PM排放率随加速度的增大而急剧升高. 加速度为1.5 m ·s-2时，PN和PM排放率为3.88×1011 s-1和1.60×10-4 g ·s-1，分别是匀速(加速度为0 m ·s-2)时的2.52倍和2.37倍. 这是因为车辆在加速时，需要发动机提供较大功率，单位时间喷入发动机气缸的CNG量增多，颗粒物排放也相应地增多.
图 7所示为CNG公交车在快加速、匀速和慢减速工况下颗粒数量浓度的粒径分布.
 | 图 7 不同加速度下颗粒数量浓度粒径分布 Fig. 7 Particle size distribution under different accelerations |
由图 7可见，CNG公交车在选取的3种典型范围的加速度工况下颗粒数量浓度粒径分布均呈现较明显的多峰对数分布. 在仪器EEPS所能测得的所有粒径范围内，快加速工况下的颗粒数量浓度基本均高于匀速和慢减速工况. 在粒径大于20 nm的范围内，匀速工况下的颗粒数量浓度略高于慢减速工况，在20~90 nm粒径范围内则较为明显.
图 8为CNG公交车在不同加速度范围内的排气颗粒数量浓度.
 | 图 8 不同加速度下颗粒数量浓度 Fig. 8 Particle number concentration under different accelerations |
如图 8所示，CNG公交车在快加速工况下排气总颗粒数量浓度、核态颗粒数量浓度和聚集态颗粒数量浓度均远高于匀速和慢减速工况，而匀速和慢减速工况之间差别不大. 在快加速、匀速和慢减速工况下，核态颗粒数在总颗粒数中均占大多数比例，比例分别为85.2%、81.1%和84.9%.
CNG公交车在不同比功率下的颗粒数量和质量排放率如图 9.
 | 图 9 不同比功率下PN和PM排放率 Fig. 9 Particle number and mass emission rates under different vehicle specific power |
如图 9所示，不同比功率区间内，CNG公交车在比功率为0 kW ·t-1时PN和PM排放率均达到最低点(考虑了怠速的排放)，并呈现“V”型分布. 随着VSP绝对值的增大，PN和PM排放率均逐渐升高；VSP > 0时，升高趋势更为明显，在VSP=15 kW ·t-1时，PN和PM排放率均达到最高值，分别为6.55×1011 s-1和3.0×10-4 g ·s-1. 这是因为VSP < 0时，车辆加速度为负值，且比功率值越小，越趋向于急减速，急减速时，燃烧条件恶劣，燃烧不充分，颗粒物排放增多；VSP > 0时，比功率值越大，加速度越大，越趋向于急加速，按2.6节中的分析，急加速时颗粒物排放增多. 从排放控制的角度看，应该减少高VSP工况的出现，即驾驶过程中应尽量避免急加速、急减速，改善驾驶条件，是减少污染物排放的有效途径之一.
(1) 随车速的增加，CNG公交车的PN和PM排放率均逐渐升高，而PN和PM排放因子均逐渐降低；在怠速、低速、中速、高速工况下的排气颗粒数量浓度均呈多峰对数分布，颗粒数量浓度依次升高，核态颗粒在总颗粒数中占大多数比例，且其所占的比例依次增大，比例分别为74.5%、84.2%、88.3%和92.5%. 聚集态颗粒则占较小比例.
(2) 随加速度的增大，CNG公交车的PN和PM排放率均逐渐升高，车辆加速时，升高趋势明显；在快加速、匀速和慢减速工况下的排气颗粒数量浓度均呈多峰对数分布，快加速工况基本均高于匀速和慢减速工况，而后二者之间差别不大. 核态颗粒在总颗粒数中均占大多数比例.
(3) 不同比功率区间内，CNG公交车PN和PM排放率均呈“V”型分布. 颗粒物的高排放集中在高VSP区间内，并随VSP绝对值的增大逐渐升高.
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