直噴汽油車在低溫環(huán)境下顆粒數(shù)量排放特性研究

王 猛， 趙陸明， 劉文亮， 溫旭君， 楊偉才

(北京奔馳汽車有限公司 研發(fā)中心 北京100176)

直噴汽油車在低溫環(huán)境下顆粒數(shù)量排放特性研究

王 猛， 趙陸明， 劉文亮， 溫旭君， 楊偉才

(北京奔馳汽車有限公司 研發(fā)中心 北京100176)

低溫(-7℃)條件下，在底盤測功機上測量了直噴汽油車在WLTC循環(huán)下的顆粒物數(shù)量排放，以研究車速變化對顆粒物數(shù)量的影響.對比發(fā)現(xiàn)：在低溫條件下，直噴汽油車顆粒物數(shù)量排放在啟動階段達到峰值，濃度比常溫啟動排放高一個數(shù)量級；啟動和低速階段排放的顆粒物數(shù)量占到總WLTC循環(huán)排放量的90 %以上；熱車后,顆粒數(shù)量排放隨工況變化不是很敏感.

直噴汽油車；WLTC工況；低溫；顆粒數(shù)量；排放

隨著機動車排放水平的提高，以及國家環(huán)保部第六階段輕型車排放標準的推出，我國計劃于2020年開始執(zhí)行第六階段輕型車排放標準[1].新標準對輕型車顆粒物數(shù)量排放提出明確要求，因此，排放顆粒物的研究已成為汽車排放行業(yè)研究的重點.從機動車排放顆粒物的有害性來看，機動車排放的細顆粒更具有很強的毒理性[2]，顆粒粒徑越小，呼吸后，在人體的肺部沉積速率越快[3]，超細顆粒(粒徑<100 nm)對健康危害要遠大于粗顆粒的危害[4].

本研究采用車輛在WLTC(Worldwide harmonized Light duty vehicle Test Cycle)工況下行駛，控制車輛測試的環(huán)境溫度為-7℃，為了對比，也在常溫22 ℃環(huán)境下對相同研究對象進行測試，探討車輛顆粒數(shù)量排放在常低溫起動后隨車速瞬態(tài)變化及分布情況.

1 研究方法、對象及設(shè)備

測試工況采用WLTC工況，分為4個階段：分別為低速、中速、高速和超高速階段，相比之前的NEDC工況，主要變化為：勻速工況時間變短、時間拉長、里程增大、加減速度變大，手動檔車換擋動作增加等；工況主要參數(shù)如表1，工況圖如圖1.

表1 WLTC工況主要參數(shù)

按照測試流程，對選取的車輛進行低溫預(yù)處理，在-7 ℃條件下把車輛靜止12小時，然后進行低溫排放測試；常溫試驗按照國六排放法規(guī)要求進行測試，然后和低溫測試結(jié)果比較.

燃油采用北京市售第五階段燃油，尾氣收集采樣利用全流稀釋系統(tǒng)采樣.研究車輛裝有1.6 L排量廢氣渦輪增壓前驅(qū)車，車輛及發(fā)動機主要參數(shù)如表2.試驗車輛用油品及環(huán)境條件如表3.

圖1 WLTC工況

表2 研究對象主要參數(shù)

排量/L里程/km供油方式發(fā)動機型式后處理類型額定功率/kW1.64500缸內(nèi)直噴直列四缸三元催化劑115(5500r·min-1)

表3 燃料主要參數(shù)

顆粒計數(shù)系統(tǒng)其功能測試粒徑在23 nm-2.5 μm范圍.稀釋后的排氣經(jīng)過大顆粒篩除后，再進行兩級不同溫度下的稀釋，總的稀釋比為500-1 000之間.主要的測試設(shè)備如表4.

表4 試驗主要設(shè)備信息

2 研究結(jié)果

測試后，把濃度結(jié)果校正后，與體積及車輛里程對應(yīng)，得到顆粒數(shù)量排放結(jié)果，如表5.

從表5結(jié)果來看，相比常溫排放，低溫下，直噴汽油車單位里程顆粒物數(shù)量排放結(jié)果增加明顯：至少增加1倍以上，冷起動運行階段增加超過4倍，數(shù)量達到1×1013個級別；熱車后的3個工況基本都處于1×1012個級別以下，超高速階段顆粒排放相比中高速階段都有所增加.

表5 車輛單位里程顆粒數(shù)量排放結(jié)果

圖2和圖3是兩種溫度模式下，顆粒數(shù)量模態(tài)濃度值.從圖中很明顯可以看出，兩種溫度環(huán)境下，車輛冷啟動的300秒內(nèi)，每一次車輛加速過程都伴隨著顆粒物生成的一個峰值.這主要是因為車輛剛啟動，車輛后處理系統(tǒng)溫度不夠高[5]，發(fā)動機內(nèi)部溫度也低，車輛加速，噴油增加，霧化不充分[6-7]，導(dǎo)致短期內(nèi)顆粒物大量生成，顆粒數(shù)量急劇上升到一個峰值；相比常溫冷起動時，-7 ℃冷起動顆粒物數(shù)量濃度能達到107個·cm-3數(shù)量級，比常溫冷起動高一個數(shù)量級. 隨著發(fā)動機熱機過程結(jié)束，顆粒排放開始下降并趨向于穩(wěn)定狀態(tài).

圖2 -7℃冷起動顆粒數(shù)量濃度隨車速變化情況

圖3 常溫冷起動顆粒數(shù)量濃度隨車速變化情況

圖4和圖5分別是-7 ℃和常溫下，WLTC工況顆粒物數(shù)量排放總量按照4個階段分布統(tǒng)計情況：可以看出，無論是-7 ℃條件下，還是常溫條件下，低速冷起動階段顆粒物數(shù)量排放均占到90 %以上；熱車后的3個工況階段，顆粒物排放很低，占總量的不到10 %，宏觀上反映出低溫冷起動階段對顆粒物排放的影響最大.

針對研究的對象，可以得出關(guān)于直噴汽油車顆粒物數(shù)量在-7 ℃條件下，WLTC工況試驗結(jié)論：

1)-7 ℃冷啟動試驗結(jié)果，顆粒排放數(shù)量在1×1013數(shù)量級別，比常溫起動排放高出約一個數(shù)量級.

2)WLTC工況四個階段顆粒數(shù)量排放，主要集中在起步后的第一個低速工況階段.從定量角度分析來看，顆粒數(shù)量排放90 %左右集中于低速起動工況，且持續(xù)時間約為300秒.

圖4 低溫下顆粒數(shù)量按四個階段分布情況

圖5 常溫下顆粒數(shù)量按四個階段分布情況

3 結(jié) 論

從國6法規(guī)要求來看，如何控制在低溫，特別是0 ℃以下環(huán)境啟動時，顆粒物的排放是一個難點，從常規(guī)的加強發(fā)動機設(shè)計角度，應(yīng)開始考慮如何匹配車輛燃料供給和后處理系統(tǒng)快速升溫之間的關(guān)系，比如采取大容量電瓶預(yù)加熱燃油及催化器，使車輛排放在起動后迅速降下來，以滿足日益嚴格的法規(guī)要求.

所以，在我國北方冬天等寒冷天氣下，條件允許的前提下，應(yīng)盡量減少冷起動次數(shù)，盡量避免急加速行駛，以便減少顆粒物排放，保護環(huán)境.

[1] 國家環(huán)境保護總局，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．GB18352. 6—2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)[S].

[2] 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．

[3] 胡 彬，陳 瑞，徐建勛，等．霧霾超細顆粒物的健康效應(yīng)[J]．科學(xué)通報，2015,60(30)：2808-2823．

[4] 胡建榮，許華俊，李慶云，等． 細顆粒物PM_(2.5)對全身各系統(tǒng)疾病的影響及相關(guān)機制研究進展[J]．臨床肺科雜志，2015，20(5)：926-928．

[5] 帥石金，董哲林，鄭 榮，等．車用汽油機顆粒物生成機理及排放特性研究進展[J]．內(nèi)燃機學(xué)報，2016，34(2)：105-116．

[6] 鐘祥麟，李 偉，王建海． GDI汽油車PM2.5數(shù)量排放研究[J]．汽車技術(shù)，2014(2)：28-30．

[7] 解 難，李 昌，胡月昆，等．環(huán)境溫度對缸內(nèi)直噴汽油車顆粒物排放特性的影響[J]．車用發(fā)動機，2015(2)：49-52．

EmissionCharacteristicsofParticleNumberforDirectInjectionGasolineCarinLowTemperatureEnvironment

WANG Meng, ZHAO Lu-ming, LIU Wen-liang, WEN Xu-jun, YANG Wei-cai

(Beijing Benz Automotive Co. Ltd. R&D Center, Beijing 100176, China)

At the low temperature of -7℃, the concentration of the particle numbers was measured to vary with the speed of a direct injection gasoline car on the chassis dynamometer under the WLTC test cycles. The results showed that under the low temperature condition, the particle number was noticed to reach the peak value during the engine starting, and their concentration was one order higher than that at the normal temperature. The amount of particulates emitted from the stages of both the Start-up and Low-speed accounts for more than 90% of the total WLTC cycles. The emission of particle number for a warm-start engine is not very sensitive with the change of the working conditions.

direct injection gasoline vehicle；WLTC cycle；low temperature；particle number；emission

1009-4687(2017)04-0049-04

2017-08-20

王 猛(1984-),男，碩士，研究方向為機動車排放的控制.

TK421

A