GDI汽油車PM2.5數(shù)量排放研究

鐘祥麟李偉王建海

（中國汽車技術(shù)研究中心）

GDI汽油車PM2.5數(shù)量排放研究

鐘祥麟李偉王建海

（中國汽車技術(shù)研究中心）

利用固體顆粒測量設(shè)備MEXA-1000SPCS，對滿足京Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的歐美日及國產(chǎn)中小排量典型GDI汽油車進(jìn)行了PM2.5排放測試，并進(jìn)行冷、熱起動對比試驗(yàn)。結(jié)果表明，滿足京Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的GDI汽油車其PM2.5數(shù)量排放基本在2.14×1012～5.12×1012區(qū)間，數(shù)量級為1012；冷起動是GDI汽油車產(chǎn)生PM2.5排放的主要原因；瞬時加速是GDI汽油車產(chǎn)生PM2.5排放的主要工況。

1 前言

相關(guān)研究表明，大氣中PM2.5的主要排放源是機(jī)動車尾氣排放，而且相對于PM10排放比重更高，對人體健康危害更大。近年來對機(jī)動車顆粒物排放的研究多集中于顆粒物的質(zhì)量排放，對其數(shù)量排放的研究較少[1]。目前，我國的排放法規(guī)對顆粒物排放的限制是以質(zhì)量為衡量標(biāo)準(zhǔn)，從國際趨勢來看，歐Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)在質(zhì)量和數(shù)量2個方面都加以限制，可以預(yù)見顆粒物的數(shù)量排放也將是我國推行未來排放法規(guī)的一個關(guān)注重點(diǎn)。

基于我國乘用車的發(fā)展特點(diǎn)，采用GDI技術(shù)的汽油車型在市場上的占有率越來越高，由于其PM2.5的排放高于傳統(tǒng)的MPI汽油機(jī)，所以有必要對其排放特性進(jìn)行研究。為此，利用HORIBA公司的固體顆粒數(shù)測量設(shè)備MEXA-1000SPCS，對滿足京Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的部分GDI汽油車型PM2.5排放數(shù)量進(jìn)行了測試，以獲得其排放特性。

2 試驗(yàn)方案

針對PM2.5的主要排放源（機(jī)動車），選取占我國市場主流地位的歐系、美系、日系及國產(chǎn)中小排量GDI汽油車作為試驗(yàn)樣車。試驗(yàn)樣車均采用GDI+增壓技術(shù)且滿足京Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，所用燃油為92#汽油。試驗(yàn)在環(huán)境倉（德國IMTECH）內(nèi)進(jìn)行，由四驅(qū)底盤測功機(jī)（德國MAHA）提供道路模擬阻力，排放污染物經(jīng)CVS系統(tǒng)稀釋后，由日本HORIBA公司開發(fā)的顆粒物計(jì)數(shù)設(shè)備MEXA-1000SPCS實(shí)時測量其PM2.5數(shù)量。MEXA-1000SPCS符合顆粒物測量計(jì)劃（Particulate Measurement Program，PMP）的測試規(guī)程，此規(guī)程為聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會車輛結(jié)構(gòu)工作組（UN/ECE/WP29）和污染與能源工作組（GRPE）聯(lián)合制定的。MEXA-1000SPCS的顆粒物分割點(diǎn)為2.5 μm，其測量范圍為23 nm～2.5 μm。該設(shè)備主要由揮發(fā)性粒子去除單元（加熱稀釋器PND1、冷卻稀釋器PND2、蒸發(fā)器）和凝結(jié)粒子計(jì)數(shù)器（CPC）構(gòu)成，顆粒物采樣系統(tǒng)原理如圖1[2]所示。試驗(yàn)時，試驗(yàn)樣車的排放污染物通過CVS系統(tǒng)進(jìn)行稀釋，然后經(jīng)過加熱稀釋器（PND1）、加熱蒸發(fā)管（ET）、冷卻稀釋器（PND2）后，再由凝結(jié)粒子計(jì)數(shù)器（CPC）測得PM2.5排放數(shù)量。

試驗(yàn)樣車按GB18352.3—2005中規(guī)定的I型試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，冷起動試驗(yàn)時采用NEDC工況循環(huán)[3]，如圖2所示。熱起動試驗(yàn)時，為保證試驗(yàn)初始狀態(tài)的一致性，試驗(yàn)樣車均先以80 km/h的速度運(yùn)行10 min后停車，然后再重新點(diǎn)火并采用NEDC工況循環(huán)進(jìn)行熱起動試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，利用M EXA-1000SPCS對試驗(yàn)樣車的PM2.5排放數(shù)量進(jìn)行采樣測量。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 GDI汽油車PM2.5排放數(shù)量統(tǒng)計(jì)

表1為中小排量GDI汽油車PM2.5排放數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表1可知，GDI汽油車的PM2.5排放數(shù)量基本在2.14×1012～5.12×1012內(nèi)，數(shù)量級為1012，與歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)（6×1011）有一定差距。

表1 中小排量GDI汽油車PM2.5排放數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 GDI汽油車PM2.5瞬態(tài)排放分析

為了明確不同技術(shù)路線的GDI汽油車PM2.5排放特性，選取不同系別的2.0LGDI汽油車做進(jìn)一步對比分析。圖3為各系別車型PM2.5排放數(shù)量瞬態(tài)特征對比曲線。

由圖3a可看出，在冷起動階段，歐系、美系、日系和國產(chǎn)樣車的PM2.5排放水平均較高，這是由于此時水溫較低，可燃混合氣霧化不良造成的。隨著水溫升高趨于穩(wěn)定，PM2.5排放逐漸降低趨于穩(wěn)定。由圖3b可看出，當(dāng)車速接近120 km/h時，PM2.5排放數(shù)量升高明顯，這與高速大負(fù)荷噴油加濃有關(guān)。從圖3可看出，各車型在加速時刻的PM2.5排放數(shù)量出現(xiàn)峰值，說明加速是產(chǎn)生PM2.5的主要工況，瞬態(tài)加速階段混合氣偏濃是主要原因。

圖4為各系別2.0L GDI汽油車PM2.5排放數(shù)量分階段對比結(jié)果。由圖4可看出，在NEDC工況循環(huán)Ⅱ階段的PM2.5排放數(shù)量明顯低于Ⅰ階段，其中歐系、美系、日系和國產(chǎn)車型分別降低63%、94%、95%和84%。

3.3 GDI汽油車?yán)?、熱起動PM2.5排放對比分析

為了研究冷、熱起動對GDI汽油車PM2.5排放的影響，選取1臺排量為2.0L GDI汽油車進(jìn)行冷、熱起動對比試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

從圖5a和圖5b可知，在整個NEDC工況循環(huán)下，冷起動試驗(yàn)時的PM2.5排放數(shù)量普遍高于熱起動試驗(yàn)時，熱起動時4個市區(qū)循環(huán)的PM2.5排放變化趨勢一致，無明顯差異，且市郊工況與市區(qū)工況PM2.5排放數(shù)量級一致。

圖6為冷起動時NEDC工況Ⅰ階段各運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)PM2.5排放占比，其中第1運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)的PM2.5排放量占總排放量的62%，是產(chǎn)生PM2.5排放的主要階段。隨著水溫的逐漸升高，其后的3個運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)的PM2.5排放量占排放總量的比重逐漸減小。

圖7 為GDI汽油車分階段冷、熱起動時PM2.5排放數(shù)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖7可看出，與冷起動相比，在NEDC工況循環(huán)Ⅰ階段，熱起動時的PM2.5排放數(shù)量下降78%；在NEDC工況循環(huán)Ⅱ階段，熱起動時的PM2.5排放數(shù)量下降22%，但絕對值都較低；綜合整個運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，PM2.5排放數(shù)量下降63%。因此，冷起動是產(chǎn)生PM2.5排放的主要原因。

4 結(jié)束語

利用MEXA-1000SPCS對滿足京Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的GDI汽油車進(jìn)行了PM2.5排放測試，并選取典型車型進(jìn)行了冷、熱起動對比試驗(yàn)，結(jié)果表明：

a.滿足京Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的各系別GDI汽油車的PM2.5數(shù)量排放基本在2.14×1012～5.12×1012內(nèi)，數(shù)量級為1012，與歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)有一定差距；

b.冷起動是GDI汽油車產(chǎn)生PM2.5排放的主要原因，熱起動比冷起動的PM2.5排放下降63%，說明GDI汽油車PM2.5的形成很大程度受發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度的影響；

c.冷起動與熱起動試驗(yàn)時，在整個NEDC循環(huán)每一加速階段PM2.5排放瞬時升高，在每一減速階段PM2.5排放瞬時降低，與車輛加速時發(fā)動機(jī)燃燒混合氣偏濃、減速時混合氣偏稀有關(guān)，瞬時加速會造成PM2.5瞬時升高。

1Kokko J，Rantanen L.Reduced particulate emissions with reformulated gasoline//SAE Paper，2000-01-2017.

2Mexa-1000spcs solid particle counting system.Sept.2007 Automotive Test Systems HORIBA，Ltd.

3國家環(huán)境?？偩?輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2005.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年11月22日。

Research on PM2.5 Emission of GDI Gasoline Vehicle

Zhong Xianglin，Li Wei，Wang Jianhai
（China Automotive Technology and Research Center）

Using solid particle measuring equipment MEXA-1000SPCS to test the overseas GDI gasoline vehicles (from the European，U.S and Japanese automakers)and some typical homemade medium and small-displacement GDI gasoline vehicles which satisfy Beijing V emission standard regarding PM2.5 emission，and the contrast test on the cold and hot starting is also carried out.The results show that currently PM2.5 emission produced by GDI gasoline vehicles which satisfy Beijing V emission standard basically falls in the range of 2.14×1012～5.12×1012，order of magnitude is 1012. Cold start is the main contributor of PM2.5 emissions of GDI gasoline vehicle.Instantaneous acceleration is the main working condition that produces PM2.5 emissions of GDI gasoline vehicle.

GDI gasoline vehicle,PM2.5 emission,Test

GDI汽油車PM2.5排放測試

U467.4+8

：A文獻(xiàn)標(biāo)識碼：1000-3703（2014）02-0028-03