環(huán)境溫度對(duì)缸內(nèi)直噴汽油車顆粒物排放特性的影響

解難，李昌，胡月昆，王玉弟，錢國(guó)剛

(1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300； 2.廣汽豐田汽車有限公司，廣東 廣州 511455)

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環(huán)境溫度對(duì)缸內(nèi)直噴汽油車顆粒物排放特性的影響

解難1，李昌2，胡月昆1，王玉弟2，錢國(guó)剛1

(1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300； 2.廣汽豐田汽車有限公司，廣東 廣州 511455)

利用電子低壓沖擊儀(ELPI)對(duì)一臺(tái)滿足國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的缸內(nèi)直噴汽油車進(jìn)行了顆粒物排放特性研究。試驗(yàn)按照NEDC測(cè)試循環(huán)在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,分別測(cè)量車輛在-15 ℃，-7 ℃和25 ℃下的顆粒物排放。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的研究表明：3個(gè)溫度下，顆粒物的數(shù)量濃度隨溫度的下降大幅上升，粒徑分布范圍逐漸變大，均在相同粒徑下出現(xiàn)峰值；顆粒物體積濃度隨粒徑的增大而增大；數(shù)量濃度對(duì)表面積濃度的影響大于體積濃度，尤其在-15 ℃下，這種影響更加顯著。通過(guò)對(duì)顆粒物的瞬態(tài)排放結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)：3個(gè)溫度下，顆粒物的排放主要集中在NEDC循環(huán)前200 s，數(shù)量濃度隨車輛的加速而上升，隨減速而下降；在-15 ℃下，在整個(gè)NEDC循環(huán)的加速工況均出現(xiàn)表面積濃度的排放峰值，且峰值之間較為接近。

環(huán)境溫度； 缸內(nèi)直噴； 汽油車； 顆粒； NEDC

汽油缸內(nèi)直噴(GDI)發(fā)動(dòng)機(jī)的顯著優(yōu)點(diǎn)之一就是燃油經(jīng)濟(jì)性比較好，一般能提高燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá) 20%左右[1]，因此在乘用車上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)采用將液體燃油直接噴入氣缸的混合氣制備方式，不可避免地縮短缸內(nèi)燃油與空氣的混合時(shí)間[2]，導(dǎo)致氣缸內(nèi)出現(xiàn)局部混合氣過(guò)濃現(xiàn)象，不能完全燃燒，在高溫下生成大量的顆粒物，汽油車顆粒物數(shù)量排放相比柴油車同樣不容忽視[3-4]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究單位在汽油車的顆粒物排放方面做了很多工作，主要集中在恒定溫度下的顆粒物的排放特性研究：王軍方[5]等在常溫下利用ELPI分析儀對(duì)NEDC循環(huán)下的汽油車和天然氣汽車的顆粒物排放進(jìn)行了測(cè)量研究；高俊華[6]等在常溫下，在底盤測(cè)功機(jī)上按NEDC循環(huán)工況，使用輕型汽油車、輕型柴油車排放測(cè)試系統(tǒng)以及電子低壓沖擊儀(ELPI)對(duì)滿足國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ的氣道噴射和缸內(nèi)直噴汽油車進(jìn)行了冷起動(dòng)和熱起動(dòng)條件下的顆粒物排放特性研究；高繼東[7]等在常溫下基于NEDC循環(huán)分析儀對(duì)一臺(tái)歐Ⅲ排放汽油車進(jìn)行了顆粒物粒徑分布特性的研究；王鳳濱[8]等利用ELPI分析儀對(duì)4輛采用不同技術(shù)的國(guó)Ⅳ排放汽油車進(jìn)行了顆粒物分布特性的試驗(yàn)研究。而車輛在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)歷復(fù)雜多變的環(huán)境，眾所周知，冬季的空氣污染嚴(yán)重，多霧霾天氣，車輛在低溫下的顆粒物排放也越發(fā)受到人們的關(guān)注。本研究利用電子低壓沖擊儀測(cè)量低溫下缸內(nèi)直噴汽油車的顆粒物排放，研究低溫下缸內(nèi)直噴汽油車的顆粒物排放特性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 試驗(yàn)車輛

本研究所使用的車輛為滿足國(guó)Ⅴ排放法規(guī)的某自然吸氣缸內(nèi)直噴汽油車，車輛的整備質(zhì)量1 475 kg，排量為2.0 L，發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率為123 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為6 500 r/min。試驗(yàn)中所用燃油為95號(hào)國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)油，其基本參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)用油樣相關(guān)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在中國(guó)汽車技術(shù)研究中心低溫環(huán)境試驗(yàn)倉(cāng)進(jìn)行。試驗(yàn)使用WEISS SD520’/30低溫環(huán)境倉(cāng)保證試驗(yàn)過(guò)程的溫濕度要求；使用AVL AMA4000分析系統(tǒng)和CVS2000定容取樣系統(tǒng)對(duì)車輛的氣態(tài)污染物進(jìn)行測(cè)量；底盤測(cè)功機(jī)為AVL RPL1220測(cè)功機(jī)。

使用ELPI分析儀測(cè)試排氣中的顆粒物，ELPI由電暈放電器、低壓級(jí)聯(lián)撞擊器和多通道靜電計(jì)等部分組成，帶有12個(gè)測(cè)量通道，顆粒物粒徑測(cè)量范圍為0.007～10 μm。ELPI可應(yīng)用在任何粒徑分布范圍較大，并且要求快速反應(yīng)的場(chǎng)合。ELPI是根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理來(lái)測(cè)量各級(jí)粒徑的顆粒數(shù)目濃度[9]。ELPI設(shè)備結(jié)構(gòu)圖見圖1。

1.3 試驗(yàn)方法

車輛在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前在常溫環(huán)境中運(yùn)行NEDC循環(huán)作為車輛的預(yù)處理；然后在試驗(yàn)溫度下進(jìn)行12 h以上的浸車，最后在該溫度下進(jìn)行排放測(cè)試，同時(shí)采集試驗(yàn)過(guò)程中的氣態(tài)污染物及顆粒物排放，試驗(yàn)循環(huán)為NEDC循環(huán)[11]。結(jié)合環(huán)境倉(cāng)的降溫能力及車輛的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，選定在-15 ℃，-7 ℃及25 ℃下分別開展試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照GB 18352—2013[11]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛進(jìn)行排放試驗(yàn)，排放結(jié)果見表2。

表2 車輛排放結(jié)果

從表中可以看出，各污染物的排放均遠(yuǎn)低于排放限值，顯示車輛狀態(tài)良好，可以用于試驗(yàn)研究。

2.1 顆粒物排放濃度分布的對(duì)比

按照前文中描述的試驗(yàn)方法分別在3種溫度下進(jìn)行試驗(yàn)。圖2示出了在3種溫度下，試驗(yàn)車輛顆粒物排放的數(shù)量濃度、表面積濃度和體積濃度的分布比較。

由圖2a可見，在3個(gè)溫度下，顆粒物的數(shù)量濃度均在0.17 μm粒徑附近出現(xiàn)峰值，可以看出數(shù)量濃度峰值對(duì)應(yīng)的粒徑與試驗(yàn)溫度無(wú)關(guān)，由車輛本身的性能所決定。由圖2a還可以看出，顆粒物數(shù)量濃度的峰值隨著試驗(yàn)溫度的上升大幅度下降。在顆粒物粒徑分布方面：在-15 ℃下，顆粒物在粒徑0.03～2.52 μm范圍內(nèi)均有分布，這類顆粒物即通常所說(shuō)的PM2.5，這類細(xì)顆粒物由呼吸進(jìn)入人的肺部,甚至可以穿過(guò)肺泡進(jìn)人血液[12]，對(duì)人體的傷害較大；在-7 ℃和25 ℃下，顆粒物的粒徑分布范圍縮小為0.03～0.41 μm，可見隨著試驗(yàn)溫度的上升，顆粒物的粒徑分布范圍縮小，向著小粒徑方向發(fā)展。

由圖2b可見，在3個(gè)溫度下，顆粒物的體積濃度隨著粒徑的加大而變大。在25 ℃和-7 ℃下，顆粒物體積濃度隨粒徑的變化趨勢(shì)線基本重合，其峰值也基本相同，在1.2×105～1.4×105μm3/cm3范圍內(nèi)，可見小粒徑顆粒物對(duì)體積濃度分布影響不大；在-15 ℃下，體積濃度分布曲線在粒徑大于0.41 μm后與-7 ℃和25 ℃下的分布曲線脫離，呈現(xiàn)快速上升趨勢(shì)，峰值濃度為1.3×106μm3/cm3，為其他兩個(gè)溫度峰值體積濃度的10倍左右，可見，較大粒徑顆粒物(粒徑大于0.41 μm)的數(shù)量濃度對(duì)體積濃度的影響較大。

由圖2c可見，顆粒物表面積濃度的分布與體積濃度的分布類似，3個(gè)溫度下，均在粒徑0.17 μm處出現(xiàn)表面積濃度的小峰值，可見顆粒物數(shù)量濃度對(duì)表面積濃度的分布影響比體積濃度大。在-15 ℃下，當(dāng)粒徑大于0.11 μm后，表面積濃度呈現(xiàn)不規(guī)則的折線分布，顯示其對(duì)粒徑的變化較為敏感，其峰值濃度為1×106μm2/cm3，發(fā)生在粒徑1.66 μm處，其他兩個(gè)溫度下，峰值濃度為1×105μm2/cm3，均發(fā)生在最大粒徑處。顆粒物的粒徑越小，其化學(xué)成分越復(fù)雜、毒性越大，這是因?yàn)樾☆w粒物的巨大表面積能使其吸附更多的有害物質(zhì)，并能使毒性物質(zhì)有更高的反應(yīng)和溶解速度[13]。而且空氣中細(xì)顆粒物較多的數(shù)量及較大的表面積影響大氣的能見度，產(chǎn)生光化學(xué)煙霧，加劇溫室效應(yīng)[14-15]。在-15 ℃下，粒徑大于0.11 μm后，顆粒物的表面積濃度就有明顯的增大趨勢(shì)，對(duì)環(huán)境的危害程度更大。

2.2 典型過(guò)渡工況對(duì)顆粒物排放的影響

顆粒物瞬時(shí)排放與循環(huán)工況有著密切的聯(lián)系，為此結(jié)合NEDC循環(huán)繪制整個(gè)循環(huán)顆粒物數(shù)量濃度和表面積濃度的分布曲線。3個(gè)溫度下，顆粒物排放數(shù)量濃度隨時(shí)間的變化見圖3。

由圖3可見，在3個(gè)溫度下，大部分的顆粒排放都集中在循環(huán)開始的200 s內(nèi)，且隨時(shí)間變化趨勢(shì)相似；在-15 ℃下的數(shù)量濃度峰值最高，為3×107cm-3，-7 ℃下的數(shù)量濃度峰值為1×107cm-3，25 ℃下的數(shù)量濃度峰值為3×106cm-3。在3個(gè)溫度下，顆粒物數(shù)量濃度隨著車輛的加速而上升，隨著車輛的減速而降低，在怠速及等速運(yùn)行過(guò)程中，顆粒物排放較少。主要原因是為了維持冷啟動(dòng)車輛的穩(wěn)定燃燒和加速性能，車輛采用了加濃混合氣的策略，另外由于進(jìn)氣溫度較低、流速慢，造成燃油蒸發(fā)慢、霧化差，混合氣不均勻，不完全燃燒的HC和局部高溫缺氧燃燒產(chǎn)生的炭煙結(jié)合促使顆粒物排放迅速增加，加速時(shí)由于噴油量的增加更加劇了這一過(guò)程。在-15 ℃下，由于進(jìn)氣溫度較低，燃油的蒸發(fā)和混合氣的形成過(guò)程處在不利的條件下，在整個(gè)循環(huán)的加速過(guò)程中，均出現(xiàn)不同程度的顆粒物數(shù)量排放峰值；隨著溫度的上升，整個(gè)循環(huán)加速過(guò)程的峰值逐漸下降；在25 ℃下，僅在循環(huán)開始200 s內(nèi)出現(xiàn)明顯的顆粒排放，其他時(shí)間的顆粒物數(shù)量濃度均很小。

表面積濃度的分布(見圖4)與顆粒物排放的變化趨勢(shì)基本相同；-15 ℃時(shí)，在循環(huán)開始的200 s內(nèi)和加速工況，表面積濃度均有峰值出現(xiàn)，且加速工況與循環(huán)開始200 s內(nèi)的峰值之間的差別進(jìn)一步減小，這是由于在加速工況，雖然顆粒的數(shù)量濃度低，但是大粒子所占比重加大，也造成了其表面積濃度與循環(huán)開始的200 s內(nèi)的峰值差距減小，粒子整體的吸附性增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境的破壞性增強(qiáng)。

3 結(jié)論

a) 缸內(nèi)直噴汽油車?yán)鋯?dòng)狀態(tài)下顆粒物數(shù)量很大，在-15～25 ℃范圍內(nèi)，主要以粒徑2.52 μm以下的顆粒為主；隨著試驗(yàn)溫度的升高，顆粒物數(shù)量濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；

b) 3個(gè)溫度下，顆粒物數(shù)量濃度均在粒徑0.17 μm處出現(xiàn)峰值，可見數(shù)量濃度峰值對(duì)應(yīng)的粒徑與溫度無(wú)關(guān)，取決于車輛本身；隨著溫度的升高，顆粒物粒徑分布范圍減小；-15 ℃下，顆粒物在粒徑0.03～2.52 μm范圍內(nèi)均有分布；在溫度為-7 ℃和25 ℃下，顆粒物的分布范圍減小，為0.03～0.41 μm；

c) 3個(gè)溫度下，體積濃度隨粒徑的增大而增大，-15 ℃下，粒徑大于0.41 μm時(shí)，粒徑體積濃度開始大幅升高，峰值濃度達(dá)到其他兩個(gè)溫度峰值的10倍；

d) 顆粒物數(shù)量濃度對(duì)表面積濃度的影響大于體積濃度；3個(gè)溫度下，表面積濃度均在數(shù)量濃度的峰值粒徑出現(xiàn)峰值；在-15 ℃下，顆粒物數(shù)量濃度對(duì)表面積濃度影響較大，當(dāng)粒徑大于0.11 μm后，表面積濃度呈現(xiàn)折線分布，且升幅較大；

e) 在3個(gè)溫度下，顆粒物的排放主要集中在循環(huán)開始的200 s內(nèi)，數(shù)量濃度隨車輛的加速而上升，隨減速而下降，其他工況的顆粒物排放很??；在-15 ℃下，在整個(gè)循環(huán)的加速工況均出現(xiàn)表面積濃度峰值，且峰值之間較為接近，粒子的吸附能力增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境破壞程度加大。

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[編輯：姜曉博]

Effect of Ambient Temperature on Particulate Emission Characteristics of GDI Passenger Car

XIE Nan1, LI Chang2, HU Yue-kun1, WANG Yu-di2, QIAN Guo-gang1

(1.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300，China；2.Guangzhou Toyota Motor Co., Ltd., Guangzhou 511455，China)

Particulate emission characteristics of China-Ⅴ gasoline direct injection passenger car were measured by ELPI.On the test bench of chassis dynamometer, the particulate emissions at -15 ℃, -7 ℃ and 25 ℃ were measured respectively.The results show that the particulate numbers greatly increase with the decrease of temperature and the particle size distribution extends.In addition, the particulate numbers under three temperatures reach the peak in the same particle size.The volume fraction of particle increases with the increase of particle size.The effect of particulate number on surface fraction is larger than that of volume fraction, which is more significant at -15 ℃.Through analyzing the transient particulate emission, it is found that the exhaust particles mainly discharge during the first 200 s of NEDC and the number concentration increases with vehicle acceleration and decreases with vehicle deceleration.At -15 ℃, the surface fraction reaches the peak in acceleration conditions of whole NEDC test cycle and the peaks at three temperatures are fairly close.

ambient temperature； direct injection； gasoline passenger car； particulate emission； NEDC

2014-12-01；

2015-01-06

解難(1985—)，男，碩士，主要研究方向?yàn)檩p型車排放與節(jié)能；xienan@catarc.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.010

TK411.51

B

1001-2222(2015)02-0049-04