汽油車顆粒物排放影響試驗(yàn)研究

李薛，張凱，駱洪燕，張劍，鐘靈貴

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

2020年7月1日在全國范圍內(nèi)實(shí)施的《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第六階段）》GB18352.6-2016中對(duì)車輛顆粒物排放提出了嚴(yán)格的要求。其中國6b階段要求整車在進(jìn)行I型試驗(yàn)，即整車在世界輕型汽車測(cè)試循環(huán)（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）下測(cè)試時(shí)的顆粒物重量（Particulate Matter，PM）的排放需要滿足3mg/km的要求，顆粒物數(shù)量（Particulate Numbers，PN）的排放需要滿足6×1011個(gè)/km的要求，2020年7月1日前，汽油車的過渡限值為6×1012個(gè)/km。法規(guī)同時(shí)要求對(duì)于I型試驗(yàn)的生產(chǎn)一致性檢查，車輛原則上不進(jìn)行磨合。如生產(chǎn)企業(yè)提出書面申請(qǐng)，對(duì)僅使用三元催化器的車輛，試驗(yàn)前最多磨合300km[1]。新下線車輛通過磨合能降低尾氣排放[2]，但是磨合里程越長，主機(jī)廠需要付出的成本也就越高。

直噴發(fā)動(dòng)機(jī)由于能對(duì)進(jìn)入缸內(nèi)的燃油量和噴油時(shí)刻進(jìn)行精確控制，使噴油策略更加靈活，實(shí)現(xiàn)均質(zhì)或分層燃燒，因而成為汽油機(jī)節(jié)能技術(shù)發(fā)展的主流路線；隨著排放、油耗要求的不斷提升，增壓直噴內(nèi)燃機(jī)在乘用車領(lǐng)域有了越來越大的應(yīng)用[3-4]。但是缸內(nèi)直噴燃燒模式因混合氣形成方式的不同而導(dǎo)致燃燒過程區(qū)別很大，其混合氣的形成時(shí)間較少，因而顆粒物的排放會(huì)明顯增加[5-8]。

對(duì)于直噴汽油機(jī)車輛的顆粒物排放控制及車輛排放的生產(chǎn)一致性的控制是主機(jī)廠面臨的一個(gè)重大的課題。怎樣在設(shè)計(jì)過程中降低車輛顆粒物排放量，以及以何種方式去滿足排放生產(chǎn)一致性的要求是值得探索的問題。

本文基于汽油車WLTC循環(huán)下不同車輛磨合工況、排氣消聲器內(nèi)消音棉塑料袋包裹對(duì)整車顆粒物排放的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)整車顆粒物排放控制設(shè)計(jì)及滿足法規(guī)生產(chǎn)一致性要求提供了一定的參考。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)樣車與樣件

本文中的試驗(yàn)研究基于某款搭載1.5L增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的車型開展，整車與發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

本次試驗(yàn)研究中一共使用了6輛上述型號(hào)的車輛，其中5輛為0km車輛，編號(hào)依次為V1、V2、V3、V4、V5；另外1輛為做WLTC排放試驗(yàn)，使用約3000km后的，車輛編號(hào)為V6。

車輛的排氣系統(tǒng)由兩級(jí)三元催化器和兩級(jí)消聲器組成，排氣系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 排氣系統(tǒng)示意圖

圖2 消聲棉包裹單元及拆分后狀態(tài)圖

消聲器為阻抗復(fù)合型結(jié)構(gòu)，消聲器內(nèi)部填充了的消音棉，消音棉材料為玻璃纖維；原設(shè)計(jì)狀態(tài)的消聲器消音棉填入時(shí)有塑料袋包裹，制作時(shí)以多個(gè)包裹的消音棉單元填充在消聲器腔內(nèi)，方便生產(chǎn)操作。包裹的消音棉單元及消音棉從塑料袋中拆分后結(jié)構(gòu)如圖2所示。目前也有設(shè)計(jì)將塑料包裹袋用玻璃纖維編制包裹袋替代，或直接取消包裹袋用注絲機(jī)將消音棉填充在消聲器內(nèi)，但是都會(huì)導(dǎo)致成本增加。本文中研究的消聲器消音棉包裹塑料袋的材質(zhì)為聚乙烯（PE），其燃點(diǎn)在350℃左右。

由于前級(jí)消聲器內(nèi)填充的消音棉單元少，后級(jí)消聲器的內(nèi)部填充的消音棉單元多，本文研究中做的去除消音棉包裹塑料袋的消聲器樣件特指后級(jí)消聲器，后級(jí)消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示，箭頭為氣流方向示意。消聲器內(nèi)部由4塊穿孔隔板分成5個(gè)區(qū)域，其中陰影部分表示為消音棉填充的2個(gè)區(qū)域，車輛正常使用時(shí)，排氣會(huì)從消音棉包裹的穿孔管中流過。本文試驗(yàn)研究中各類型的消聲器樣件編號(hào)及狀態(tài)信息如表2所示。

圖3 后級(jí)消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

表2 各類型消聲器樣件狀態(tài)表

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文中的試驗(yàn)研究在整車排放轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)循環(huán)為WLTC。試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)由底盤測(cè)功機(jī)、定容稀釋系統(tǒng)、排放分析系統(tǒng)、顆粒物數(shù)量測(cè)試系統(tǒng)、顆粒物重量測(cè)試系統(tǒng)及濾紙稱重天平等組成，相關(guān)的設(shè)備信息如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)鼓測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備信息

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)首先用車輛V1和V2分別進(jìn)行了0km的WLTC循環(huán)排放測(cè)試，之后對(duì)車輛V1按磨合方式1（80km/h的勻速工況）磨合300km后進(jìn)行WLTC循環(huán)排放測(cè)試；對(duì)車輛V2、V3、V4、V5按磨合方式2（WLTC循環(huán)的高速和超高速部分工況）磨合300km后分別進(jìn)行WLTC循環(huán)排放測(cè)試，從而對(duì)比和驗(yàn)證磨合及磨合工況對(duì)顆粒物排放的影響。之后在對(duì)車輛V6進(jìn)行排放測(cè)試后將V5和V6的消聲器對(duì)換再分別進(jìn)行WLTC循環(huán)排放測(cè)試，以驗(yàn)證消聲器對(duì)顆粒物排放的影響。最后將新生產(chǎn)的M1類型消聲器和M3類型的消聲器分別裝在車輛V6車上進(jìn)行排放試驗(yàn)，對(duì)比兩種類型的消聲器在使用300km左右的過程中對(duì)整車顆粒物的排放差異。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磨合及磨合工況對(duì)顆粒物排放的影響

車輛磨合與磨合工況對(duì)PM排放影響的結(jié)果如圖4所示，其中排放結(jié)果以該圖中所有試驗(yàn)中結(jié)果最高值的為基準(zhǔn)，即100%，其它試驗(yàn)結(jié)果為相對(duì)其值的百分比（本文中后續(xù)的PM和PN排放結(jié)果對(duì)比圖均按此方式進(jìn)行表示）。從圖4可以看出，在不進(jìn)行磨合的情況下（0km測(cè)試），車輛V1和V2的PM的排放結(jié)果較高；當(dāng)車輛V1使用磨合方式1進(jìn)行300km磨合后，PM排放結(jié)果降低到40%左右，車輛V2使用磨合方式2進(jìn)行300km磨合后，PM排放結(jié)果降低到10%；車輛V3、V4、V5均按磨合方式2進(jìn)行300km磨合后，PM的排放結(jié)果分別均在10%左右；由此可知，0km車輛按磨合方式2進(jìn)行300km磨合后能有效地降低車輛PM排放。

車輛V1、V2在300km磨合前后的PN排放結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，車輛V1磨合前后PN排放基本無變化，車輛V2磨合前后PN排放結(jié)果差異在5%左右，由此判斷，是否磨合及不同方式的磨合對(duì)PN的影響很小。

圖4 不同磨合情況下PM排放

圖5 不同磨合情況下PN排放

車輛V1和V2分別按磨合方式1和磨合方式2進(jìn)行300km磨合后，車輛V1的PM排放是車輛V2的4倍左右。由于排放測(cè)試中無法獲得PM的每秒排放數(shù)據(jù)，為了分析PM排放高的原因，用PN的每秒排放結(jié)果作為參考進(jìn)行原因分析。

圖6為車輛V2兩次試驗(yàn)中PN的每秒排放數(shù)據(jù)曲線圖，從圖6可以看出，WLTC循環(huán)最后的一個(gè)減速階段會(huì)有一個(gè)明顯的PN排放峰值，車輛在0km狀態(tài)下的排放時(shí)該現(xiàn)象更為明顯。圖7為WLTC循環(huán)時(shí)的車速、空燃比及排氣入口溫度，從圖7中可以看出，在WLTC循環(huán)最后一個(gè)減速階段，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)多次長時(shí)間的斷油工況，斷油時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)基本無顆粒物排出，即使恢復(fù)供油后由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)荷很低，顆粒物排放量很少；由此判斷在最后一個(gè)減速工況時(shí)排氣系統(tǒng)中的某些可燃物質(zhì)，比如油脂、薄膜[2]等在高溫、氧氣充足的條件下被燃燒后產(chǎn)生出大粒徑或是高密度的顆粒物，從而在PN排放結(jié)果無明顯變化的情況下，PM排放會(huì)有明顯的升高。

磨合方式1為穩(wěn)定工況，排氣系統(tǒng)入口溫度較低，在580℃左右，消聲器入口溫度在380℃左右，稍高于PE材料燃點(diǎn)；且工況穩(wěn)定，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)出現(xiàn)斷油情況，所以即使在溫度滿足燃?xì)獾那闆r下，由于排氣中無足量的氧氣，排氣系統(tǒng)中的PE塑料袋等可燃物質(zhì)很難快速地在磨合過程中燃燒耗盡。磨合方式2，車輛運(yùn)行中在WLTC循環(huán)最后一個(gè)減速階段排溫高，排氣入口溫度超過750℃，后級(jí)消聲器入口溫度在550℃以上，遠(yuǎn)超過PE材料的燃點(diǎn)；且有較長時(shí)間的斷油工況，能給排氣系統(tǒng)的中可燃物質(zhì)提供充足的氧氣使其快速地進(jìn)行燃燒后分解。

圖6 排放測(cè)試PN秒采數(shù)據(jù)

圖7 排放測(cè)試中溫度與過量空氣系數(shù)

2.2 磨合后消聲器對(duì)顆粒物排放的影響

將車輛V5和V6進(jìn)行了的消聲器交叉互換后的排放測(cè)試，PM和PN的測(cè)試結(jié)果分別如圖8和圖9所示。V5-M1、V5-M2、V6-M1、V6-M2分別代表車輛V5加原車消聲器（磨合300km后）、車輛V5裝車輛V6的消聲器、車輛V6裝車輛V5消聲器（磨合300km后）、車輛V6加原車的消聲器。每個(gè)狀態(tài)均進(jìn)行了兩次排放測(cè)試。箱形圖上下線分別為兩次試驗(yàn)的結(jié)果，中心線為兩次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

從圖8可以看出，V5-M1、V5-M2對(duì)應(yīng)兩次測(cè)試的PM平均值分別為99%、40%左右，即車輛V5換上M2消聲器后PM排放結(jié)果下降約60%；V6-M1、V6-M2對(duì)應(yīng)兩次測(cè)試的PM平均值分別為80%、30%左右，即車輛V6換上M1（按磨合方式2磨合300km后）消聲器，PM排放結(jié)果上升50%左右；由此可知，M1類型消聲器在按磨合方式2磨合300km后對(duì)應(yīng)整車的PM排放相對(duì)于M2類型消聲器對(duì)應(yīng)整車的PM排放要高出一定量。

從圖9可以看出，交叉對(duì)換消聲器后，車輛的PN排放結(jié)果差異不是很明顯。由于不同時(shí)間段的PN測(cè)試結(jié)果波動(dòng)較大，本文試驗(yàn)結(jié)果未有規(guī)律性的變化。

圖8 互換消聲器后的PM排放結(jié)果

圖9 互換消聲器后的PN排放結(jié)果

2.3 消音棉塑料包裹袋對(duì)顆粒物排放影響

為研究消聲器中消音棉的塑料包裹袋對(duì)顆粒物排放的影響，將新制作的M1和M3類型消聲器分別裝在V6車上進(jìn)行0km和按磨合方式2磨合300km～400km左右（排放測(cè)試時(shí)的里程計(jì)算在內(nèi)）后的排放測(cè)試，不同里程下的PM和PN排放測(cè)試結(jié)果如圖10和圖11所示。

從圖10中可以看出用新制作的消聲器進(jìn)行0km及一定磨合里程后的排放測(cè)試，隨著里程的增加，PM排放量逐漸降低，其中前100km的PM排放量隨里程增加下降很迅速，隨后下降趨勢(shì)隨里程增長逐漸變緩。在里程到達(dá)300km左右時(shí)，相對(duì)于有塑料包裹袋的消聲器，去除塑料包裹袋的消聲器能使整車的PM排放降低到原狀態(tài)的一半以下。

從圖11可以看出，裝不同類型消聲器的車輛PN排放基本無差異，且本文試驗(yàn)研究中，PN排放隨里程無明顯規(guī)律性變化。

圖10 不同里程下的PM排放結(jié)果

圖11 不同里程下的PN排放結(jié)果

3 結(jié)論

（1）對(duì)于0km的車輛通過300km磨合后能大幅降低WLTC循環(huán)中PM的排放，但是磨合前后PN的排放結(jié)果無明顯變化；

（2）運(yùn)用有斷油情況出現(xiàn)的高速過渡工況磨合比運(yùn)用穩(wěn)定高車速工況磨合對(duì)車輛PM排放的改善效果更好；

（3）在消聲器內(nèi)消音棉有塑料包裹袋的情況下，運(yùn)用高速過渡工況磨合300km后的消聲器對(duì)應(yīng)整車在WLTC循環(huán)中的PM排放相對(duì)于使用3000km的消聲器對(duì)應(yīng)整車的PM排放要高出一定量，PN基本無明顯差異；

（4）去除消聲器消音棉的塑料包裹袋能降低車輛WLTC循環(huán)下的PM排放量，對(duì)PN排放基本無明顯影響；在里程到達(dá)300km左右時(shí)，相對(duì)于有塑料包裹袋的消聲器，去除塑料包裹袋的消聲器能使整車的PM排放降低到原狀態(tài)的一半以下。