缸內(nèi)直噴汽油車WLTC顆粒物排放試驗(yàn)研究＊

宋博 胡雷 全軼楓 史勖 胡志遠(yuǎn)

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.上海市機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805）

缸內(nèi)直噴汽油車WLTC顆粒物排放試驗(yàn)研究＊

宋博1胡雷2全軼楓2史勖2胡志遠(yuǎn)1

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804；2.上海市機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805）

對(duì)某國(guó)Ⅴ排放水平缸內(nèi)直噴汽油車進(jìn)行WLTC排放試驗(yàn)，并對(duì)顆粒物質(zhì)量、數(shù)量、粒徑分布和組分進(jìn)行研究。結(jié)果表明，該車顆粒物質(zhì)量排放為1.8 mg/km，固態(tài)顆粒物數(shù)量排放滿足國(guó)Ⅵ過(guò)渡限值，起動(dòng)、加速工況固態(tài)顆粒物及總顆粒物數(shù)量排放增大，減速工況、熱機(jī)起動(dòng)時(shí)減小；顆粒物以100 nm以下的超細(xì)顆粒物為主，呈雙峰分布形態(tài)，在10 nm、60 nm附近取顆粒物數(shù)量排放峰值；顆粒物可溶性有機(jī)組分主要為脂肪酸。

1 前言

將于2018年1月1日實(shí)施的GB18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）》將首次限制缸內(nèi)直噴（GDI）汽油車顆粒物質(zhì)量排放（4.5 mg/km），將于2020年7月1日實(shí)施的GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》在采用世界輕型汽車測(cè)試循環(huán)（Worldwide Lightduty Test Cycle，WLTC）基礎(chǔ)上，還將限制固態(tài)顆粒物數(shù)量排放（6.0×1011個(gè)/km），2020年7月1日前，汽油車適用過(guò)渡限值為6.0×1012個(gè)/km。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)GDI汽油車顆粒物質(zhì)量、數(shù)量排放進(jìn)行了很多研究，文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[7]表明國(guó)Ⅳ排放水平GDI汽油車顆粒物數(shù)量排放比進(jìn)氣道噴射汽油車的高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)；文獻(xiàn)[6]表明國(guó)Ⅴ排放水平GDI汽油車的顆粒物質(zhì)量排放小于國(guó)Ⅳ車，但數(shù)量排放較大；文獻(xiàn)[8]～文獻(xiàn)[11]表明國(guó)Ⅴ排放水平GDI汽油車進(jìn)行NEDC測(cè)試時(shí)顆粒物質(zhì)量排放滿足國(guó)Ⅴ、國(guó)Ⅵ排放法規(guī)要求，但數(shù)量排放大于國(guó)Ⅵ法規(guī)要求；文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[12]表明采用更激進(jìn)的測(cè)試循環(huán)時(shí)，GDI汽油車顆粒物數(shù)量排放增加；而對(duì)于國(guó)Ⅴ排放水平GDI汽油車進(jìn)行國(guó)Ⅵ排放法規(guī)Ⅰ型試驗(yàn)測(cè)試循環(huán)（WLTC）的顆粒物質(zhì)量、數(shù)量、組分排放特性，未見報(bào)道。

本文以某國(guó)Ⅴ排放水平GDI汽油車為研究對(duì)象，使用固態(tài)顆粒計(jì)數(shù)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣粒徑譜儀和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，研究該車進(jìn)行WLTC的顆粒物質(zhì)量、數(shù)量排放，粒徑分布特性和組分排放特性。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)樣車與燃油

試驗(yàn)樣車為某1.4 T國(guó)Ⅴ排放水平的輕型汽油車，搭載直列4缸、水冷、渦輪增壓、GDI汽油機(jī)，其主要參數(shù)見表1。試驗(yàn)用油為市售國(guó)Ⅴ95號(hào)汽油。

表1 試驗(yàn)樣車主要技術(shù)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

試驗(yàn)在德國(guó)衛(wèi)仕（WEISS）整車排放環(huán)境艙中進(jìn)行，利用德國(guó)申克（Schenck）底盤測(cè)功機(jī)模擬道路行駛阻力進(jìn)行WLTC循環(huán)排放試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如圖1所示。其中全流稀釋定容取樣系統(tǒng)（Constant Volume dilution Sam?pling system，CVS）的采樣流量為9.26 m3/min，射流稀釋器的稀釋比為8.21，稀釋溫度120℃；利用單通道顆粒采集裝置對(duì)顆粒物進(jìn)行采樣，采樣介質(zhì)為直徑47 mm的石英膜，利用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析由超聲洗脫法得到的顆粒物可溶性有機(jī)組分（Soluble Organic Frac?tions，SOF）。顆粒物質(zhì)量排放采用濾紙稱重法測(cè)量。

圖1 試驗(yàn)方案示意

2.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況為WLTC。試驗(yàn)循環(huán)由低速段、中速段、高速段和超高速段4個(gè)特征工況組成，其車速-時(shí)間關(guān)系如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 污染物排放特性

表2為試驗(yàn)樣車進(jìn)行WLTC循環(huán)時(shí)，常規(guī)污染物排放結(jié)果。

圖2 WLTC車速-時(shí)間關(guān)系

表2 試驗(yàn)樣車常規(guī)污染物排放

由表2可知，試驗(yàn)樣車常規(guī)氣態(tài)排放污染物和顆粒物質(zhì)量排放滿足GB18352.6—2016國(guó)Ⅵa階段和b階段的排放要求，固態(tài)顆粒物數(shù)量排放是國(guó)Ⅵ階段對(duì)GDI汽油車顆粒物數(shù)量排放限值要求（6.0×1011個(gè)/km）的1.49倍。

3.2 顆粒物數(shù)量排放特性

圖3為試驗(yàn)樣車進(jìn)行WLTC時(shí)，4個(gè)特征工況的固態(tài)顆粒物、總顆粒物數(shù)量瞬態(tài)排放特性圖。

由圖3可知，該車進(jìn)行WLTC時(shí)，固態(tài)顆粒物數(shù)量濃度瞬態(tài)排放與發(fā)動(dòng)機(jī)排氣粒徑譜儀測(cè)量的顆粒物數(shù)量濃度排放趨勢(shì)相近，但前者數(shù)值小于后者，特別是在加速工況下。這是因?yàn)楣虘B(tài)顆粒計(jì)數(shù)系統(tǒng)僅測(cè)量23 nm以上的固態(tài)顆粒，不包含發(fā)動(dòng)機(jī)排氣粒徑譜儀測(cè)量的5.6～23 nm粒徑范圍內(nèi)的顆粒物和由揮發(fā)性、半揮發(fā)性物質(zhì)形成的顆粒物。因此，該GDI汽油車的顆粒排放中部分顆粒粒徑分布在5.6～23 nm范圍內(nèi)，揮發(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)影響顆粒物數(shù)量排放。

由圖3可知，該車進(jìn)行WLTC時(shí)固態(tài)顆粒物和顆粒物數(shù)量濃度瞬時(shí)排放在起動(dòng)工況和加速工況增大，在減速工況減小。在低速段30 s附近，固態(tài)顆粒物數(shù)量濃度和總顆粒物數(shù)量濃度瞬時(shí)排放分別取整個(gè)WLTC內(nèi)的最大值3.7×107個(gè)/cm3、4.71×107個(gè)/cm3。這是因?yàn)榧铀俟r時(shí)，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩等動(dòng)力性輸出，會(huì)加濃混合氣，并且此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，使得燃油霧化蒸發(fā)時(shí)間和生成顆粒的氧化時(shí)間減少，顆粒物數(shù)量排放增加。在減速工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)供油量減小甚至為零，初級(jí)顆粒生成量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降使得生成的顆粒物被氧化時(shí)間增長(zhǎng)，二者綜合作用使得顆粒物數(shù)量排放減少。

圖3 WLTC顆粒物數(shù)量瞬態(tài)排放

為了考察車輛起動(dòng)工況對(duì)顆粒物數(shù)量排放的影響，在冷機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束30 min后，進(jìn)行車輛熱機(jī)起動(dòng)WLTC試驗(yàn)。冷/熱機(jī)起動(dòng)WLTC低速段固態(tài)顆粒物瞬態(tài)排放特性如圖4所示。由圖4可知，熱機(jī)起動(dòng)WLTC時(shí)，前50 s內(nèi)固態(tài)顆粒物瞬態(tài)排放比冷機(jī)起動(dòng)時(shí)明顯減小。由此可知，試驗(yàn)樣車固態(tài)顆粒物數(shù)量濃度瞬態(tài)排放在低速段30 s附近取WLTC的峰值是因?yàn)榇藭r(shí)試驗(yàn)樣車處于冷起動(dòng)、暖機(jī)階段。此過(guò)程中為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)的可靠性、實(shí)現(xiàn)快速暖機(jī)會(huì)加濃混合氣，較低的缸體和冷卻液溫度又導(dǎo)致燃油蒸發(fā)慢、工質(zhì)混合不均勻，二者綜合作用使得試驗(yàn)樣車在低速段30 s附近加速時(shí)顆粒物數(shù)量排放明顯增加。

圖4 冷/熱機(jī)起動(dòng)低速段固態(tài)顆粒物瞬態(tài)排放特性

圖5為試驗(yàn)樣車進(jìn)行冷機(jī)起動(dòng)WLTC、4個(gè)特征工況和熱機(jī)起動(dòng)WLTC低速段工況的顆粒物和THC排放特性。

圖5 不同特征工況顆粒物、THC排放特性

由圖5可知，WLTC時(shí)固態(tài)顆粒物數(shù)量排放因子低速段＞W(wǎng)LTC平均值＞超高速段＞高速段＞中速段，熱機(jī)起動(dòng)WLTC循環(huán)時(shí)低速段固態(tài)顆粒數(shù)量排放因子最小。由此可知，起動(dòng)工況對(duì)試驗(yàn)樣車的固態(tài)顆粒物數(shù)量影響較大，平均速度較大的特征工況下，試驗(yàn)樣車固態(tài)顆粒物數(shù)量排放增加。

4個(gè)特征工況及整個(gè)WLTC的總顆粒物數(shù)量排放均大于固態(tài)顆粒物數(shù)量排放，分別為固態(tài)顆粒物數(shù)量排放的1.86倍、2.57倍、1.94倍、3.25倍和2.41倍，此趨勢(shì)與THC質(zhì)量排放因子變化趨勢(shì)相同，因此總顆粒物數(shù)量排放受尾氣中THC排放量的影響。

3.3 顆粒物粒徑分布特性

圖6為試驗(yàn)樣車進(jìn)行冷機(jī)起動(dòng)WLTC、4個(gè)特征工況和熱機(jī)起動(dòng)WLTC低速段工況的總顆粒物數(shù)量排放粒徑分布特性。可知，該車進(jìn)行冷機(jī)起動(dòng)WLTC的顆粒物數(shù)量排放主要為100 nm以下的超細(xì)顆粒，其中5.6～23 nm粒徑范圍內(nèi)的顆粒物數(shù)量排放約為總顆粒物數(shù)量排放的43%。顆粒物數(shù)量排放整體呈雙峰分布形態(tài)，分別在10 nm、60 nm附近取顆粒物數(shù)量排放峰值，二者峰值大小相近。

圖6 不同特征工況顆粒物數(shù)量排放粒徑分布

由圖6可知，該車進(jìn)行WLTC時(shí)，不同特征工況顆粒物數(shù)量排放粒徑分布特性與WLTC粒徑分布特性相同，均為雙峰分布形態(tài)，均在10 nm和60 nm附近取顆粒物數(shù)量排放峰值。熱機(jī)起動(dòng)WLTC低速段工況時(shí)，10 nm附近顆粒物數(shù)量排放峰值增加97.6%，60 nm附近顆粒物數(shù)量排放峰值減小76.4%。根據(jù)Kittelson D B[13]、Rahman M Montajir等[14]的研究結(jié)果，50 nm以下顆粒物主要由揮發(fā)性有機(jī)物在排氣管中凝結(jié)形成，50 nm以上顆粒物主要由燃油不完全燃燒生成的初級(jí)碳粒團(tuán)聚、吸附未燃碳?xì)?、金屬灰燼和硫酸鹽等物質(zhì)形成。因此，冷機(jī)起動(dòng)時(shí)，缸內(nèi)溫度低，油氣混合差，燃燒不完全，THC排放多，使得50 nm以上顆粒物數(shù)量排放較多；熱機(jī)起動(dòng)時(shí)，較濃的混合氣以揮發(fā)性有機(jī)物的形式排出缸外，較少的初級(jí)碳粒使得較多的HC凝結(jié)形成50 nm以下顆粒物。

對(duì)于WLTC不同特征工況顆粒物數(shù)量排放粒徑分布，60 nm附近峰值大小順序?yàn)椋豪錂C(jī)起動(dòng)低速段＞超高速段＞W(wǎng)LTC＞高速段＞中速段＞熱機(jī)起動(dòng)低速段。因此，當(dāng)樣車處于熱機(jī)狀態(tài)時(shí)，隨著平均行駛速度的升高，60 nm附近顆粒物數(shù)量排放峰值增大，這可能是因?yàn)樾旭偹俣仍礁撸加驼舭l(fā)、霧化、燃燒過(guò)程的絕對(duì)時(shí)間減小，使得較多的初級(jí)碳粒未被氧化而形成顆粒排出缸外。10 nm附近峰值大小順序?yàn)椋簾釞C(jī)起動(dòng)低速段＞冷機(jī)起動(dòng)低速段＞超高速段＞W(wǎng)LTC＞中速段＞高速段。因此，當(dāng)樣車處于熱機(jī)狀態(tài)時(shí)，隨著平均行駛速度的升高，10 nm附近顆粒物數(shù)量排放峰值減小，這可能是因?yàn)樾旭偹俣仍礁撸變?nèi)湍流強(qiáng)度越高，燃燒越充分，THC排放減少。當(dāng)至超高速段時(shí)，為了保證車輛的動(dòng)力性，會(huì)采用功率混合氣，使THC排放增加，10 nm附近顆粒物數(shù)量排放峰值增大。

3.4 顆粒物SOF組分排放特性

顆粒物SOF組分主要包括脂肪酸、烷烴和多環(huán)芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）3類。圖7為該試驗(yàn)樣車進(jìn)行WLTC的顆粒物SOF組分排放特性?？芍?，顆粒物SOF組分的排放因子為0.419 mg/km，約為顆粒物質(zhì)量排放的23.3%。顆粒物SOF組分主要是脂肪酸，約占96%；PAHs組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)最小，約占1%。

圖7 顆粒物SOF組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)排放特性

圖8為試驗(yàn)樣車進(jìn)行WLTC時(shí)，顆粒物SOF組分脂肪酸、烷烴、PAHs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)排放特性。

圖8 顆粒物SOF 3種組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)排放特性

由圖8a可知，該試驗(yàn)樣車SOF含11種脂肪酸，主要由C14、C16和C18 3種脂肪酸組成，其質(zhì)量和約為脂肪酸總量的90.6%。脂肪酸組分中，奇數(shù)碳原子脂肪酸排放量小于其相鄰的偶數(shù)碳原子脂肪酸。由圖8b可知，該試驗(yàn)樣車SOF組分由C20～C26的7種烷烴組成，各物質(zhì)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈鋸齒狀分布，隨著碳原子數(shù)的增大，奇數(shù)碳原子或偶數(shù)碳原子物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小。由圖8c可知，該試驗(yàn)樣車SOF中含22種芳香烴，主要部分由萘、菲、熒蒽、芘、苯并[b+k]熒蒽、茚并[123-cd]芘和苯并[ghi]芘組成，約為芳香烴組分的67.3%。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]的方法，將PAHs按分子量不同分為低（2、3環(huán)）、中（4環(huán)）和高（≥5環(huán)）分子量PAHs。則該試驗(yàn)樣車低、中、高分子量PAHs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為41%、23.7%、35.3%，與文獻(xiàn)[15]和文獻(xiàn)[16]研究結(jié)果（柴油機(jī)以4環(huán)以下的PAHs為主）對(duì)比，該車PAHs排放中，高分子量PAHs比例較高，與文獻(xiàn)[17]結(jié)果一致。這是因?yàn)槠偷姆枷銦N含量大于柴油，且汽油機(jī)的燃燒溫度較高，二者共同作用使得更多的低分子量PAHs熱縮聚形成高分子量PAHs[17]。

4 結(jié)束語(yǔ)

a.WLTC時(shí)，顆粒物質(zhì)量排放因子1.8 mg/km，固態(tài)顆粒物數(shù)量排放滿足國(guó)Ⅵ過(guò)渡限值要求，是國(guó)Ⅵ排放限值的1.49倍，固態(tài)顆粒物、總顆粒物數(shù)量排放在起動(dòng)工況和加速工況增大，在減速工況減??；

b.WLTC時(shí)，顆粒物排放以100 nm以下超細(xì)顆粒物為主，呈雙峰分布形態(tài)，分別在10 nm、60 nm附近取顆粒物數(shù)量排放峰值；

c.熱機(jī)起動(dòng)和平均速度較小的特征工況，固態(tài)顆粒物數(shù)量排放減小，10 nm附近顆粒物數(shù)量排放增大；

d. 顆粒物可溶性有機(jī)物組分主要是脂肪酸，與柴油機(jī)相比，汽油車PAHs排放中高分子量PAHs比例增大。

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（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年4月1日。

Experimental Study on Characteristics of Particulate Emission from A GDI Vehicle under WLTC

Song Bo1,Hu Lei2,Quan Yifeng2,Shi Xu2,Hu Zhiyuan1
（1.Tongji University,Shanghai 201804;2.Shanghai Motor Vehicle Inspection Certification&Tech Research Center Co.,LTD,Shanghai 201805）

The characteristics of particulate emissions from a Gasoline Direct Injection（GDI）vehicle complying with ChinaⅤemission standards were investigated under WLTC on the chassis dynamometer,particulate mass,particulate number,particle size distribution and components were studied.The results show that the particulate mass emission of the vehicle is 1.8 mg/km,and the number of solid particles meets ChinaⅥinterim emission limit,the number of solid particles and total particulate matter increase during the phases of start and acceleration,and decrease in deceleration and hot-start condition;Most of particulate emission is ultrafine particulate with a diameter of less than 100 nm,the characteristic of particle number size distribution is bimodal distribution,with peak values appearing at 10 nm and 60 nm respectively;Soluble Organic Fractions（SOF）are mainly composed of fatty acids.

GDI vehicles,Particulate matter,WLTC

缸內(nèi)直噴汽油車 顆粒物 WLTC

U467.1+2

A

1000-3703（2017）06-0024-05

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（15DZ1205503）。

胡雷（1982-），男，E-mail：Leih@smvic.com.cn。