低速瞬態(tài)工況下直噴汽油車顆粒數(shù)量排放研究

王 猛，陳琦龍，楊 健

Wang Meng，Chen Qilong，Yang Jian

（北京奔馳汽車有限公司 研發(fā)中心，北京 100176）

低速瞬態(tài)工況下直噴汽油車顆粒數(shù)量排放研究

王 猛，陳琦龍，楊 健

Wang Meng，Chen Qilong，Yang Jian

（北京奔馳汽車有限公司 研發(fā)中心，北京 100176）

采用直噴汽油車在底盤測(cè)功機(jī)上低速瞬態(tài)工況行駛，測(cè)量顆粒濃度隨著車速變化的趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)直噴汽油車顆粒數(shù)量濃度排放在起步階段達(dá)到峰值，熱車后顆粒濃度呈指數(shù)下降，且熱車后顆粒排放隨工況變化不是很敏感。

直噴汽油車；低速工況；顆粒數(shù)量濃度

1 研究背景和意義

隨著大氣污染越來(lái)越受關(guān)注，汽車排放顆粒物的研究已成為汽車排放行業(yè)研究的熱點(diǎn)。

目前，國(guó)家針對(duì)細(xì)顆粒物的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)主要集中在粒徑為10 μm和2.5 μm以下的顆粒，俗稱PM10和PM2.5。顆粒越細(xì)，在肺部的沉積速率越大，從毒物學(xué)角度來(lái)看[1]，單位質(zhì)量超細(xì)顆粒（粒徑<100 nm）的健康危害要遠(yuǎn)大于粗顆粒的危害，而顆粒的數(shù)量濃度恰好是評(píng)價(jià)顆粒健康影響的重要指標(biāo)。研究主要針對(duì)直噴汽油車在中低速瞬態(tài)工況行駛時(shí)細(xì)顆粒數(shù)量排放隨車速變化的情況。

2 研究方法和試驗(yàn)設(shè)備

對(duì)選取的車輛進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽車常溫冷啟動(dòng)試驗(yàn)和熱車啟動(dòng)試驗(yàn)，比較相同工況下，冷熱車顆粒數(shù)目排放情況。試驗(yàn)燃油統(tǒng)一采用北京市售燃油，車輛進(jìn)行相同工況的預(yù)處理，然后試驗(yàn)。底盤測(cè)功機(jī)的阻力設(shè)置采用該車的實(shí)際滑行值，并在轉(zhuǎn)鼓上模擬滑行，尾氣采集利用全流稀釋系統(tǒng)采樣。研究車輛為一款典型2.0 L廢氣渦輪增壓直噴汽油車，車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見表 1。試驗(yàn)車輛用油及環(huán)境條件見表 2。試驗(yàn)采用底盤測(cè)功機(jī)來(lái)模擬道路，全流稀釋采樣系統(tǒng)（CVS）采樣。

表1 測(cè)試車輛主要參數(shù)

表2 測(cè)試用燃料主要參數(shù)

表3 測(cè)試工況特征值

測(cè)試工況采用日本輕型車排放測(cè)試 JC08工況，分別測(cè)試?yán)鋯?dòng)和熱啟動(dòng) 2種車況。工況參數(shù)見表 3，平均速度為 24.43 km/h，最高車速為81.6 km/h，我國(guó)主要城市機(jī)動(dòng)車行駛工況的大量研究表明，城市機(jī)動(dòng)車眾多且路況條件不理想，導(dǎo)致平均速度基本在25 km/h以下[2-3]，但是我國(guó)對(duì)輕型車排放測(cè)試并沒有制定出標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試工況，所以采用比較接近且比較規(guī)范的日本工況來(lái)測(cè)試，其代表了低速工況下車輛高排放、高油耗的情況，如圖1所示。

圖1 JC08工況圖

顆粒計(jì)數(shù)系統(tǒng)測(cè)試的顆粒粒徑范圍集中在23 nm～2.5 μm，顆粒計(jì)數(shù)采樣系統(tǒng)如圖2所示。稀釋后的排氣經(jīng)過初級(jí)大顆粒篩除后，再進(jìn)行兩級(jí)不同溫度下的稀釋，最后進(jìn)入計(jì)數(shù)單元進(jìn)行計(jì)數(shù)。

圖2 顆粒測(cè)試系統(tǒng)

3 試驗(yàn)結(jié)果

通過測(cè)試得到稀釋后的顆粒數(shù)量濃度值以及總的稀釋排氣量，得到車輛在不同行駛段的顆粒數(shù)量排放統(tǒng)計(jì)結(jié)果，同時(shí)計(jì)算出車輛在不同溫度下啟動(dòng)的排放因子，比較冷、熱車的顆粒濃度排放，見表4。

表4 車輛顆粒數(shù)量排放結(jié)果

從表 4結(jié)果來(lái)看，得到的顆粒物數(shù)量排放冷啟動(dòng)比熱啟動(dòng)結(jié)果大一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到 1×1012級(jí)別，冷啟動(dòng)階段集中在 1×1012數(shù)量級(jí)，熱啟動(dòng)集中在1×1011數(shù)量級(jí)。

圖3 冷啟動(dòng)顆粒數(shù)量濃度隨車速變化情況

圖4 熱啟動(dòng)顆粒數(shù)量濃度隨車速變化情況

圖3—圖4是顆粒模態(tài)瞬時(shí)濃度值。很明顯，車輛冷啟動(dòng)后的200 s內(nèi)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度低，缸壁溫度不能及時(shí)加熱油霧，燃燒不充分，加上此時(shí)后處理系統(tǒng)溫度也未達(dá)到理想的溫度，導(dǎo)致顆粒數(shù)量急劇攀升，瞬間能達(dá)到1014個(gè)/m3數(shù)量級(jí)；隨著發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)及三元加熱后，顆粒排放開始下降，冷啟動(dòng)200 s后以及熱車工況下，顆粒濃度排放都比較低，基本集中在 1×1010以下；伴隨著每一次工況急劇變化，顆粒數(shù)量濃度都有一個(gè)微小的峰值變化，但是濃度值維持較低的狀況。

4 結(jié)論及建議

針對(duì)本次研究的對(duì)象，可以得出以下結(jié)論及建議。

1）直噴汽油車顆粒排放數(shù)量在1×1012數(shù)量級(jí)。

2）直噴汽油車顆粒數(shù)量排放主要集中在低速冷啟動(dòng)的前200 s，熱車后顆粒數(shù)量排放成指數(shù)下降。

3）直噴汽油車顆粒數(shù)量排放在熱車狀態(tài)下，對(duì)工況急劇變化不是很敏感。

建議對(duì)于直噴汽油車顆粒數(shù)量排放控制，應(yīng)加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理元器件的低溫階段排放控制，控制發(fā)動(dòng)機(jī)盡早進(jìn)入閉環(huán)控制；在測(cè)試及日常駕駛過程中，盡量減少冷啟動(dòng)次數(shù)，盡量避免急加速動(dòng)作，減少顆粒物排放。

［1］Smallwood G， Snelling D， Gulder O， et al. Transient Particulate Matter Measurements from the Exhaust of a Direct Injection Spark Ignition Automobile［J］. SAE 2001-01-3581.

［2］王岐東，賀克斌，姚志良，等. 中國(guó)城市機(jī)動(dòng)車行駛工況研究［J］. 環(huán)境污染與防治，2007，29（10）：745-748.

［3］劉希玲，丁焰. 我國(guó)城市汽車行駛工況調(diào)查研究［J］. 環(huán)境科學(xué)研究，2000，13（01）：23-27.

U467.4+99: X513

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2016.05.001

1002-4581（2016）05-0001-02

2016-03-22