增壓直噴汽油機細小顆粒物排放特性研究

侯宇旭，葛蘊珊，王 欣，蘇 盛，譚建偉，郝利君

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081;2.廈門環(huán)境保護機動車污染控制技術中心，廈門 361021)

0 概述

生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國移動源環(huán)境管理年報(2020)》數(shù)據(jù)顯示，2019年中國汽車產(chǎn)銷量分別達 2 572.1 萬輛和2 576.9萬輛，機動車保有量近3.5億輛，全國66座城市汽車保有量超百萬，其中北京、成都等11市超300萬輛[1]。保有量的快速增長帶來了巨大的環(huán)境壓力，2019年中國機動車顆粒物排放量達7.4萬噸。

機動車顆粒物排放對環(huán)境和人體健康均構成危害,顆粒物的環(huán)境危害主要源于其光學特性，粒子通過吸收與散射光，降低能見度，導致霧霾天氣的發(fā)生。同粒徑較大的大氣顆粒物相比，機動車排放的顆粒物粒徑小，在大氣中的停留時間長且輸送距離遠。顆粒物的比表面積較大，有可能吸附更多有毒有害物質，細顆粒物穿透力更強，可深入人的呼吸系統(tǒng)甚至腦部組織[2-4]，危害健康。一般來說直徑大于5.0 μm的顆粒物可被上呼吸道攔截，小于2.5 μm的顆粒物易發(fā)生成積反應，可附著于肺泡，嚴重危害人體健康，而汽油車排放的顆粒物粒徑集中在 100 nm 以下[5]。

由于柴油車貢獻了絕大部分的顆粒物質量和數(shù)量排放，此前研究對汽油車顆粒物數(shù)量排放的關注較少。隨著柴油機顆粒捕集器的廣泛應用及缸內直噴汽油車市場占有率不斷增加，對汽油車顆粒物排放的控制意義凸顯。受制于測量可靠性和重復性，現(xiàn)行法規(guī)僅要求對粒徑23 nm以上的顆粒物數(shù)量進行測量。隨著汽油機噴射壓力的不斷提高，生成更細小顆粒物的可能性增加，數(shù)量濃度也有增大的趨勢。文獻[6]中研究表明，采用最新技術的汽油機排放大量粒徑小于23 nm(sub-23 nm)的顆粒，從而導致現(xiàn)行測量方法大幅低估車輛的實際排放水平，存在嚴重的環(huán)境和健康風險。鑒于此，歐盟在其顆粒物測量項目(particle measurement programme, PMP)中已著手進行將顆粒數(shù)量(particle number，PN)檢測下限降至10 nm的研究[7-8]。

各國研究人員在探究測量sub-23 nm顆粒物的可行性和如何合理地制定相關排放法規(guī)上取得了進展,文獻[9]中對雙燃料汽油車開展了研究，發(fā)現(xiàn)大量顆粒粒徑低于23 nm的規(guī)定值，甚至低于10 nm。文獻[10]中認為可以相對容易地將現(xiàn)有PN系統(tǒng)調整為從10 nm開始測量，而不會顯著增加測量不確定度。文獻[11]中對用于PN的市售檢測設備進行改進，以探究將檢測極限擴展到23 nm以下的可行性。

本研究中選取了一臺滿足國六排放標準的增壓直噴汽油車,不帶汽油機顆粒捕集器(gasoline particulate filter, GPF)，分別使用WLTC、RTS95和低溫RDE 3種駕駛循環(huán)，對比其粒徑在23 nm和10 nm以上的固體顆粒物數(shù)量(solid particle number, SPN)排放，分別用SPN23和SPN10表示，并對sub-23 nm顆粒物的成因和邊界條件的影響進行了分析。本文對研究汽油車 sub-23 nm 顆粒物排放和法規(guī)進一步規(guī)定細小顆粒物的排放限值具有一定的指導意義和工程應用價值。

1 試驗設計

1.1 測試車輛和油品

以一臺2020年生產(chǎn)的符合國六b階段法規(guī)的增壓直噴(turbocharged gasoline direct-injection，TGDI)汽油車為測試對象。該試驗車發(fā)動機排量 1.2 L，最大功率85 kW，整備質量1 360 kg，后處理系統(tǒng)使用二級三元催化器(three-way catalyst, TWC)，未配備顆粒捕集器(GPF)，已行駛34 780 km。試驗前，采用 Ⅰ 型試驗規(guī)程對該車的排放狀態(tài)進行了確認，其氣態(tài)污染物、顆粒物(particulate matter，PM)和PN排放均比標準限值低50%以上，適合進行sub-23 nm細小顆粒物排放研究。

測試用油為國六基準汽油，其研究法辛烷值(RON)為92，硫含量質量分數(shù)小于10 mg/kg，苯體積分數(shù)小于0.8%，烯烴體積分數(shù)為10%～15%，芳烴體積分數(shù)為27%～32%，氧質量分數(shù)不高于2.7%，鉛、鐵、錳、磷含量分別不高于5×10-3、1×10-2、2×10-3和2×10-4g/L。無人為添加的乙醇、甲縮醛、苯胺類、鹵素及含磷、含硅化合物。

1.2 測試系統(tǒng)

基于整車排放測試開展，試驗用排放檢測系統(tǒng)如圖1所示，主要由冷卻風機、定容采樣(constant volume sampling，CVS)系統(tǒng)、底盤測功機、高效空氣過濾器(high efficiency particulate air filter，HEPA)、AVL排氣分析系統(tǒng)、顆粒物采樣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。

圖1 汽油機細小顆粒物排放檢測系統(tǒng)

底盤測功機(AVL RPL 1220 4X4)用于道路阻力的模擬；冷卻風機隨車輛行駛速度調節(jié)轉速，以模擬實際道路下的冷卻情況。測試人員根據(jù)顯示器顯示的速度曲線進行駕駛。

研究使用的CVS系統(tǒng)為AVL i60全流稀釋系統(tǒng)，將測試車的全部排放導入CVS管道，與經(jīng)過濾的空氣充分混合，排氣分析系統(tǒng)和顆粒物采樣系統(tǒng)在CVS通道中采樣。排氣分析系統(tǒng)使用了 AVL i60 尾氣分析儀，分別采用傅立葉變換紅外吸收法(Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR)、氫離子火焰法(flame ionization detector, FID)和化學發(fā)光法(chemiluminescent detector，CLD)對CO/CO2、THC/CH4和NOx進行定量檢測分析。

為進行sub-23 nm細小顆粒物排放研究，本研究使用了兩種顆粒物計數(shù)設備進行同步測量，其中AVL 489用于測量當前法規(guī)要求的SPN23，HORIBA MEXA-2300SPCS用于測量SPN10。兩種設備均采用凝結粒子計數(shù)(condensation particle counters, CPC)原理進行顆粒物數(shù)量濃度的測量，測量結果具有可比性。根據(jù)PMP將PN檢測下限降低至10 nm的研究[7-8]，文中sub-23 nm細小顆粒物濃度通過計算SPN10與SPN23差值得到，實際為10 nm～23 nm之間的顆粒物。CPC的工作原理為：當被測顆粒物通過高溫異丙醇蒸氣冷凝腔時，蒸氣附著于顆粒物表面，并在隨后進入低溫冷凝腔時凝結令顆粒物粒徑增加后，觸發(fā)光電計數(shù)器[12]。

需要說明的是，兩種設備使用的揮發(fā)性粒子去除裝置(volatile particle remover, VPR)原理有差別，AVL 489使用的是蒸發(fā)管(evaporative tube, ET)，而MEXA-2300SPCS使用的是催化裂解器(catalytic stripper, CS)，兩種原理均能有效降低揮發(fā)性組分對CPC測量結果的干擾。

1.3 測試循環(huán)

為了驗證輕型車的油耗和排放，各國模擬當?shù)氐慕煌顩r，開發(fā)了不同的測試循環(huán)[13]。本研究中選用了3種試驗循環(huán)，分別為全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)(worldwide harmonized light vehicles test cycle, WLTC)、RTS95循環(huán)和實際道路排放(real drive emission, RDE)測試。

WLTC是當前中國和歐洲法規(guī)的認證循環(huán)，由低速段(low)、中速段(medium)、高速段(high)和超高速段(extra high)四部分組成，其中低速段的持續(xù)時間589 s，中速段的持續(xù)時間433 s，高速段的持續(xù)時間455 s，超高速段的持續(xù)時間323 s，總行駛距離約為23.3 km，平均速度為46.5 km/h，持續(xù)時間共 1 800 s，代表實驗室工況下的車輛排放，測試可重復性好。

RTS 95是高動態(tài)駕駛循環(huán)。相比于WLTC循環(huán)，RTS95循環(huán)的駕駛行為更加激進。該循環(huán)是基于全球輕型車排放測試規(guī)程數(shù)據(jù)庫的子集開發(fā)的，具有高速和高負載的特點，代表了包括城市、市郊和高速公路路段在內的激進駕駛，3個階段的駕駛時間分別為300 s、284 s和302 s。一些研究表明，RTS95循環(huán)與RDE測試結果之間存在一定的相關性[14]。

為了更好地控制機動車在道路運行過程中的污染物排放，中國于2020年實施第六階段輕型車排放法規(guī)，國六法規(guī)中規(guī)定Ⅱ型試驗工況為實際道路排放試驗即RDE試驗，并增加了對PN排放的要求[15]。本研究中選取的低溫RDE循環(huán)是一條根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)修改而來的路譜，符合國六法規(guī)對RDE循環(huán)的要求，其駕駛風格十分激進，幾乎達到了法規(guī)允許的上限，且測試溫度為0 ℃，是在法規(guī)非擴展邊界條件下所能達到的最惡劣工況。試驗地點在廈門環(huán)境保護機動車污染控制技術中心，平均車速為43.5 km/h, 包括市區(qū)(車速不超過60 km/h)、市郊(車速在60～90 km/h)和高速公路(車速在90 km/h以上)，其中市區(qū)行程占比32.3%，市郊行程占比31.5%，高速行程占比36.2%。該RDE循環(huán)共歷時5 518 s，行駛里程共70.0 km。為了探究環(huán)境溫度對細小顆粒物排放的影響，本研究中所采用的RDE循環(huán)的前300 s與RTS95循環(huán)的速度曲線一致。

2 結果和分析

2.1 循環(huán)影響

圖2給出了測試車在室溫23 ℃條件下進行冷起動WLTC循環(huán)測試的SPN10和SPN23模態(tài)排放結果。

圖2 23 ℃下WLTC循環(huán)汽油車瞬態(tài)顆粒物排放

表1為排放循環(huán)各階段PN排放量及占比。從表1中看出，對于該采用增壓直噴發(fā)動機、無GPF的國六汽油車，其WLTC循環(huán)SPN10較SPN23排放增加了32.4%，其中低速段(0—590 s)、中速段(591 s—1 024 s)、高速段(1 025 s—1 480 s)和超高速段(1 481 s—1 800 s)的SPN10較SPN23分別高出34.0%、30.8%、25.6%和34.5%。從增幅來看，試驗車在WLTC低速段和超高速段的sub-23 nm顆粒物排放增加相對更為明顯。從圖2中可以看出，SPN10和SPN23曲線在車輛處于減速和怠速工況時分離最為明顯，這表明sub-23 nm顆粒物在總PN排放中的相對占比在上述工況下達到峰值。在整個WLTC循環(huán)中，低速段包含的減速操作最多且怠速時間最長，從而使低速段SPN10相對SPN23排放增幅高于循環(huán)均值。

表1 排放循環(huán)各階段PN排放占比

在減速和怠速工況中，sub-23 nm顆粒物相對濃度增加，可能的影響因素主要有：(1)TWC溫度相對低，使缸內生成的細小顆粒物的后期氧化過程受阻，濃度增加；此外汽油車排放的3環(huán)和4環(huán)PAHs沸點在300 ℃～500 ℃，較低的TWC溫度可能令該類物質以細小顆粒物的形式排出。(2)減速和怠速工況下，發(fā)動機排氣能量低，增壓器基本不工作，導致油氣混合的品質下降，出現(xiàn)局部偏濃的可能性增加，細顆粒生成的風險增加。(3)在減速斷油控制中，附著在缸壁上的機油因傳質作用向缸內擴散，進而發(fā)生氧化生成以硫、磷和金屬元素為主要成分的 sub-23 nm 顆粒物[16]。

不同于低速段，超高速段中SPN10和SPN23曲線分離最顯著的區(qū)域位于1 700 s前后循環(huán)車速接近最高值且伴有多次較為激烈的加速操作時。結合車輛動力學分析可知，此時車輛的道路阻力需求最高，發(fā)動機負荷最大，缸內燃燒溫度最高，從而促進了燃料在燃燒過程和排氣過程中的氧化，有使排放中存在的較大顆粒物破碎分解成眾多細小顆粒物的趨勢，進而導致排氣中的sub-23 nm占比增加。文獻[17]中研究表明，汽油車在WLTC循環(huán)超高速階段排放的顆粒物粒徑分布于23 nm以下區(qū)間的濃度很高；文獻[18]中研究表明，在車輛排放測試的冷起動、急加速和高負荷運行階段，常規(guī)燃料的顆粒物數(shù)量急劇增加。

圖3給出了測試車在室溫(23 ℃)條件下進行冷起動RTS95循環(huán)測試時SPN10和SPN23模態(tài)排放結果。

圖3 23 ℃下RTS95循環(huán)汽油車瞬態(tài)顆粒物排放

從排放量上看，對于該國六汽油車，RTS95循環(huán)SPN10較SPN23排放增加了30.4%，其中城市段、市郊段和高速段的SPN10較SPN23分別高出20.8%、56.9%和84.4%。從sub-23 nm的絕對量上看，RTS95循環(huán)城市段、市郊段和高速段的SPN10較SPN23分別高出6.06×106、3.59×106和8.66×106個/cm3，而WLTC循環(huán)低速段、中速段、高速段和超高速段的SPN10較SPN23分別高出3.39×106、1.52×106、1.56×106和2.40×106個/cm3。相比于WLTC循環(huán)，RTS95循環(huán)的駕駛行為更加激進，加之每個駕駛階段的持續(xù)時間更短，使得sub-23 nm排放絕對量顯著高于WLTC循環(huán)。從增幅上看，高速段sub-23 nm相對增加最為明顯，市郊次之。從圖3中可以看出，RTS95循環(huán)下SPN10和SPN23曲線分離多出現(xiàn)在減速段中，結束在怠速工況之后，這也印證了此前在WLTC結果中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。

相對于WLTC循環(huán)，RTS95循環(huán)在高速路段汽油車SPN10曲線與SPN23曲線分離程度更大，此時汽油車一直處于高車速狀態(tài)，且由于激烈的駕駛行為伴隨著不斷的加減速，缸內高溫強化氧化產(chǎn)生的細小顆粒物和分子量較大的HC冷卻成的細小顆粒物一同組成了sub-23 nm，使得汽油車在高速段sub-23 nm排放占比達到最大值。

圖4給出了測試車在環(huán)境溫度0 ℃條件下進行冷起動RDE循環(huán)測試時SPN10和SPN23模態(tài)排放結果。

圖4 0 ℃下RDE循環(huán)汽油車瞬態(tài)顆粒物排放

從排放量上看，對于該國六汽油車，RDE循環(huán)SPN10較SPN23排放增加了15.6%，其中市區(qū)段、市郊段和高速段的SPN10較SPN23分別高出8.9%、39.4%和39.5%。從增幅上看，該汽油車RDE循環(huán)SPN10排放占比低于WLTC循環(huán)和RTS95循環(huán)。這是因為該車RDE循環(huán)的環(huán)境溫度是0 ℃，不同于其他兩個循環(huán)的23 ℃，過低的環(huán)境溫度抑制了汽油機缸內溫度的升高，而較高的缸內溫度高會導致sub-23 nm顆粒物排放趨向于增加；此外，由于RDE循環(huán)時間遠長于WLTC循環(huán)和RTS95循環(huán)，所以在整個循環(huán)中，車輛急加速、減速和怠速工況的時間占比相對小，造成SPN10與SPN23之間差距不及WLTC和RTS95明顯。

顆粒物數(shù)量濃度峰值在冷起動時出現(xiàn)，SPN23達到3.0×107個/cm3。這是因為冷起動工況下，汽油機溫度較低，汽油的霧化效果差，需要采用加濃混合氣，造成燃燒不充分，產(chǎn)生大量的顆粒物。從圖4中可以看出，SPN10和SPN23顆粒物濃度間的差距很小，幾乎重合，這說明在冷起動工況下產(chǎn)生的顆粒物粒徑相對較大，sub-23 nm顆粒物所占比例很小。隨著時間增加，SPN10和SPN23曲線距離逐漸拉開，sub-23 nm顆粒物所占比例加大，表明隨著發(fā)動機暖機和TWC的逐漸起燃有sub-23 nm顆粒物生成。

2.2 溫度影響

由于本研究采用的RTS95循環(huán)和RDE循環(huán)的前300 s速度曲線一致，而RTS95和RDE循環(huán)的測試溫度分別為23 ℃和0 ℃，對比二者可獲得環(huán)境溫度對sub-23 nm顆粒生成的影響，如圖5所示。

圖5 23 ℃下RTS95循環(huán)和0 ℃下RDE循環(huán)中前300 s的汽油車瞬態(tài)顆粒物排放對比

從排放量上看，在RDE循環(huán)和RTS95循環(huán)，試驗車的PN峰值均出現(xiàn)在冷起動后的第一個加速段，且此時SPN23和SPN10曲線幾乎沒有分離，這表明無論在常溫還是低溫條件下，sub-23 nm顆粒物在該階段所占比例均很低，發(fā)動機溫度低并且加濃燃料混合氣時不易產(chǎn)生sub-23 nm顆粒物。這與文獻[19]中冷起動階段顆粒物粒徑集中于40 nm～90 nm 附近的研究結論相印證。相比于23 ℃進行的RTS95循環(huán)，在0 ℃下進行的RDE循環(huán)的第一個PN峰值增加了0.97倍。這是由于在更低的測試溫度下，汽油的霧化效果更差，因而需要采用更大的冷起動加濃系數(shù)。

從時間上看，該試驗車在RDE和RTS95循環(huán)下的PN濃度隨試驗進行均明顯下降，23 ℃條件下PN濃度的下降速度較0 ℃更快。對比圖5中出現(xiàn)第2、3、4個PN峰值可以看出，0 ℃時的PN濃度分別是23 ℃時的1.8倍、15.5倍和29.5倍。根據(jù)圖中PN曲線下降的斜率對比可以看出，RDE循環(huán)的PN出現(xiàn)急劇下降時間點在180 s左右，而RTS95循環(huán)PN急劇下降僅用時50 s左右。對比二者常規(guī)污染物HC模態(tài)排放結果圖6和圖7可知，這兩個時間點正好是該試驗車HC濃度下降的時間點，說明此時該試驗車已經(jīng)退出暖機加濃程序，并且TWC已經(jīng)起燃。TWC正常工作之后，該車RDE循環(huán)和RTS95循環(huán)的PN明顯下降。

圖6 23 ℃下RTS95循環(huán)HC排放

圖7 0 ℃下RDE循環(huán)HC排放

隨著試驗的進行，缸內溫度和TWC溫度逐漸升高，在RDE循環(huán)和RTS95循環(huán)下SPN10和SPN23曲線再次出現(xiàn)分離的現(xiàn)象，反映出sub-23 nm顆粒占比逐漸增加，印證了sub-23 nm顆粒主要是在熱車運行階段產(chǎn)生的。除了燃料燃燒條件的改善引起的細小顆粒物排放增加外，另一部分原因是TWC在起燃后能將SO2氧化成SO3，進而再形成硫酸鹽并以細小顆粒物的形式排出[20]。這一點從圖5中RDE循環(huán)下SPN10和SPN23曲線分離的時間點明顯晚于RTS95循環(huán)可以得到支撐。

3 結論

(1)在常溫WLTC、RTS95及低溫RDE循環(huán)測試中，10 nm以上顆粒物數(shù)量排放濃度較現(xiàn)行法規(guī)規(guī)定的23 nm以上顆粒物分別高32.4%、30.4%和15.6%。無GPF時，在急加速、減速和怠速工況中，sub-23 nm顆粒在全部顆粒物中的占比明顯增加。

(2)冷起動和暖機階段sub-23 nm顆粒的占比很低，sub-23 nm顆粒主要在車輛充分暖機和TWC起燃后產(chǎn)生；較低的環(huán)境溫度下，sub-23 nm顆粒的生成并沒有增加趨勢。