汽油車國Ⅵ排放法規(guī)及顆粒物排放特性分析

江蘇省相城中等專業(yè)學校 趙 偉

汽油機是中國、美國和日本等國家乘用車和輕型貨車的主流動力。隨著汽車排放法規(guī)加嚴，汽油機顆粒物（Particulate Matter，PM）和可揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds，VOCs）排放及在大氣中形成霧霾等問題廣受關注。機動車對大氣中可入肺顆粒物（PM2.5）的貢獻既包括直接以固態(tài)形式從發(fā)動機排氣管排放的一次顆粒物，又包括以氣態(tài)形式如SO2、NOx和VOCs等排出在大氣中發(fā)生稀釋冷凝或與大氣中其他物質發(fā)生復雜的物理化學反應后所生成的二次顆粒物。

1 輕型汽車國Ⅵ排放法規(guī)簡介

汽車保有量的不斷增加，其所帶來的環(huán)境污染問題顯得日益嚴重，世界范圍內都在針對汽車排放污染制訂越來越嚴格的排放法規(guī)。近年來，我國機動車污染物排放標準逐步提升，2001年，國家第一階段機動車排放標準開始實施，經過15年的發(fā)展，2016年全國實施國家第四階段排放標準，重點區(qū)域實施第五階段排放標準，單車污染物排放降低90%以上，有效促進了汽車行業(yè)技術升級。為了進一步強化機動車污染防治工作，從源頭減少排放，落實《中華人民共和國國民經濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》有關“實施國Ⅵ排放標準和相應油品標準”的要求，2016年12月23日，環(huán)境保護部、國家質檢總局發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 18352.6—2016，以下簡稱輕型汽車國Ⅵ排放法規(guī)），自2020年7月1日起實施，對輕型汽車排放污染物制定了更為嚴格的要求。輕型汽車國Ⅵ排放法規(guī)改變了以往等效轉化歐洲排放標準的方式，邀請汽車行業(yè)全程參與編制，充分吸取專家學者和企業(yè)界的意見和建議，共分析匯總8 600種國Ⅴ車型排放數(shù)據，調查了50萬輛輕型汽車行駛里程情況，設計開展了驗證試驗。輕型汽車國Ⅵ排放法規(guī)的重要意義體現(xiàn)在：一是從以往跟隨歐美機動車排放標準轉變?yōu)榇竽憚?chuàng)新，首次實現(xiàn)引領世界標準制定，有助于我國汽車企業(yè)參與國際市場競爭，推動我國汽車產業(yè)發(fā)展；二是在我國汽車產能過剩的背景下，可以起到淘汰落后產能、引領產業(yè)升級的作用；三是能夠滿足重點地區(qū)為加快改善環(huán)境空氣質量而加嚴汽車排放標準的要求。

輕型汽車國Ⅵ排放法規(guī)在技術內容上具有6個突破。一是采用全球統(tǒng)一輕型汽車排放測試規(guī)程（Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure，簡稱WLTP），全面加嚴了測試要求，有效減少了實驗室認證排放與實際使用排放的差距，并且為油耗和排放的協(xié)調管控奠定基礎；二是引入了實際行駛排放測試“RDE測試”（Real Driving Emissions，簡稱RDE），改善了車輛在實際使用狀態(tài)下的排放控制水平，利于監(jiān)管，能夠有效防止實際排放超標的作弊行為；三是采用燃料中立原則，對柴油車的氮氧化合物（NOx）和汽油車的顆粒物（PM）不再設立較松限值；四是全面強化對VOCs的排放控制，引入48 h蒸發(fā)排放試驗及加油過程VOCs排放試驗，將蒸發(fā)排放控制水平提高到90%以上；五是完善車輛診斷系統(tǒng)要求，增加永久故障代碼存儲要求及防篡改措施，有效防止車輛在使用過程中超標排放；六是簡化主管部門進行環(huán)保一致性和在用符合性監(jiān)督檢查的規(guī)則和判定方法，使操作更具有可實施性。為保證汽車行業(yè)有足夠的準備周期來進行相關車型和動力系統(tǒng)變更升級及車型開發(fā)和生產準備，輕型汽車國Ⅵ排放法規(guī)采用分步實施的方式，設置國Ⅵa和國Ⅵb兩個排放限值方案，分別于2020年和2023年實施。同時，對大氣環(huán)境管理有特殊需求的重點區(qū)域可提前實施國Ⅵ排放限值。國家質檢總局、國家標準委也已于同期批準發(fā)布了第六階段車用汽、柴油國家標準。

輕型汽車國Ⅵ排放法規(guī)對輕型汽車排放污染物制定了更為嚴格的要求（表1），由表1我們不難發(fā)現(xiàn)，輕型汽車國Ⅵ排放法規(guī)要求的排放限值已經遠遠低于歐Ⅵ排放法規(guī)要求的排放限值。輕型汽車國Ⅵ排放法規(guī)引入了全球統(tǒng)一輕型汽車排放測試規(guī)程（WLTP），替代了原有國Ⅴ排放法規(guī)采用的NEDC（New European Driving Cycle，歐洲循環(huán)工況測試）排放測試循環(huán)。WLTP為聯(lián)合國強制推行的輕型汽車測試程序，該測試程序在全世界范圍內收集真實行駛工況數(shù)據進行循環(huán)周期的劃分，根據功率質量比（Power to Mass Ratio，簡稱PM R）將車輛分為三個級別（PM R≤2 2、2 2≤ PMR≤34、PMR>34），并對應最大設計車速的6種實驗循環(huán)，包括不同類型的低速、中速、高速、額外高速階段，最終統(tǒng)稱為“WLTP循環(huán)”。此外，在“WLTP循環(huán)”之外，全新的測試規(guī)程還添加“RDE測試”，以保證測試規(guī)程的真實性。因此，國Ⅵ排放法規(guī)被稱為史上最嚴苛的排放法規(guī)。輕型汽車國Ⅵ排放法規(guī)在對氣體污染物限值降低了近50%的同時，還增加了對顆粒物數(shù)量（Particulate Number，PN）排放的測試要求，2020 年7月1日以后，所有車型都需要滿足PN在6.0×1011顆/km以下；劣化系數(shù)也引入加法和乘法兩種方式；法規(guī)引入了實際駕駛循環(huán)排放測試的要求，排放耐久里程國Ⅵb增加到20萬km；對OBD（On Board Diagnostics，車載診斷）診斷要求也進行了加嚴。未來的動態(tài)行駛工況和RDE要求會導致車輛行駛時頻繁的濃-稀混合氣和稀-濃混合氣轉換，因此，要求催化轉化器具有較高的動態(tài)儲氧能力（Oxygen Storage Capacity，OSC），以避免排氣稀燃帶來的氮氧化合物（NOx）的超標。最后，為符合現(xiàn)有的車載診斷（OBD）法規(guī)，催化轉化器必須在整個壽命期內保持合理的儲氧能力。因此，應對輕型汽車國Ⅵ排放法規(guī)，對輕型汽車排氣后處理裝置提出更為苛刻的要求，需要更為可靠的催化轉化器滿足排放的所有要求，需要催化轉化器在較寬的空燃比窗口內氣體污染物有較高的轉化效率，同時催化轉化器應具有合適的儲氧量滿足OBD診斷的要求及具有合適的排氣背壓以保證燃油經濟性的要求。

表1 輕型汽車國Ⅴ和國Ⅵ與歐Ⅴ和歐Ⅵ排放法規(guī)規(guī)定的排放限值對比

與此同時，世界各國的排放法規(guī)都對乘用車的顆粒物數(shù)量（PN）排放作出要求。美國聯(lián)邦測試循環(huán)（FTP）要求2017年輕型車固態(tài)顆粒物數(shù)量（PN）排放限制為3×1012顆/mile；2017年9月歐盟開始執(zhí)行歐Ⅵc階段排放法規(guī)，其中點燃式發(fā)動機顆粒物數(shù)量（PN）排放限制為6×1011顆/km；2016年12月我國環(huán)境保護部發(fā)布并于2020年開始執(zhí)行的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》要求輕型車顆粒物數(shù)量（PN）排放限值為6×1011顆/km。嚴格的排放法規(guī)給汽車生產商帶來了巨大的壓力。

2 汽油機顆粒物排放的特性

汽油機具有燃燒柔和、振動噪聲小、升功率高和結構緊湊等突出優(yōu)點，是乘用車和輕型貨車的主流動力。依據混合氣形成方式不同，汽油機可分為進氣道噴射（Port Fuel Injection，PFI）汽油機和缸內直噴（Gasoline Direction Injection，GDI）汽油機兩種。由于GDI汽油機（根據發(fā)動機混合氣形成方式可分為壁面引導式、氣流引導式和噴霧引導式三種）具有壓縮比高，熱效率高，可以更靈活地控制燃油與空氣的混合等優(yōu)點，使得其燃油經濟性較PFI汽油機得到較大提高，同時對冷起動排放也有很大改善，目前已成為輕型車主流動力裝置，在世界范圍內得到推廣應用。渦輪增壓缸內直噴汽油機（Turbo Gasoline Direction Injection，TGDI）與傳統(tǒng)的PFI汽油機相比具有更高的效率及更好的響應性，已經成為汽油發(fā)動機發(fā)展的必然趨勢。但GDI汽油機仍有諸多問題需要解決，GDI汽油機相比PFI汽油機而言，由于GDI汽油機的燃料直接噴入缸內，缸內混合氣形成時間較短，混合氣形成不均勻，容易造成局部混合氣較濃及燃油濕壁現(xiàn)象，其一次顆粒物排放會顯著上升，顆粒物排放明顯高于傳統(tǒng)汽油機，由圖1可知，相比壓縮天然氣（Compressed Natural Gas，CNG）發(fā)動機、PFI汽油機及加裝顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）的柴油機，GDI汽油機具有較高的顆粒物排放，是機動車顆粒物排放的重要來源之一。但由于GDI燃燒模式與傳統(tǒng)的柴油機和PFI汽油機有本質區(qū)別，因此，其顆粒物的排放特性必然與傳統(tǒng)的柴油機和汽油機有所不同。研究表明，汽油機排放的一次顆粒物具有以下一些特征。

圖1 不同種類發(fā)動機顆粒物排放對比（截屏）

（1）GDI汽油機排放的一次顆粒物數(shù)量濃度要遠高于多點噴射（MPI）的PFI汽油機及裝有DPF的柴油機，但比未安裝DPF的柴油機低，并且其排放的顆粒粒徑比柴油機更小，對人體的危害也更大。從燃油噴射位置上講，GDI汽油機的燃油在燃燒室內噴射，燃油與空氣混合時間短，混合不均勻程度高，而PFI汽油機的燃油在進氣歧管里噴射（燃燒室外），燃油與空氣混合時間久，油氣混合均勻，從而導致GDI汽油機的顆粒物排放較高。從油氣混合時間上講，GDI汽油機燃油與空氣混合時間短，油氣混合不充分，缺氧的燃油會發(fā)生裂解、脫氫，最后生成炭煙微粒；而PFI汽油機燃油與空氣混合時間長，油氣在點燃之前，混合已經比較充分，缺氧的燃油部分少，燃燒充分，生成炭煙微粒相對較少。從工作熱負荷來講，GDI汽油機較PFI汽油機熱負荷大，氣缸蓋、活塞頂?shù)臏囟雀?，油氣燃燒環(huán)境溫度高，高溫高壓環(huán)境致使缺氧燃油更快形成微粒，并且高溫引起燃燒產物加速裂解成一氧化碳（CO）、氫氣（H2）等，嚴重時也析出炭粒，同時過熱燃燒室表面更容易產生沉淀物，形成微粒。從噴射方式上講，GDI汽油機不可避免地使得部分燃油噴射在氣缸壁、活塞頂部、氣缸蓋等部分，被潤滑油膜吸附，此部分燃油燃燒不充分，另外還有部分燃油噴到狹窄的縫隙中，此狀況面容比較大，容易產生狹隙效應，燃燒火焰?zhèn)鞑ナ芟?，會因缺氧產生微粒。而PFI汽油機則避免了這方面的危害。從燃燒方式來講，GDI汽油機的燃油邊擴散邊燃燒，當然相對于已經油氣混合好的PFI汽油機噴射方式，同樣會致使混合不均勻，燃燒不充分，而易產生微粒。

（2）GDI汽油機缸內炭煙的生成主要來源于燃油濕壁，噴油時刻與噴油持續(xù)期對顆粒物排放有重要的影響。對比均質與分層燃燒模式下顆粒物排放，發(fā)現(xiàn)分層燃燒模式顆粒物排放較多，較短的油氣混合時間，導致缸內局部混合氣較濃是其顆粒物生成的主要原因。當GDI切換到分層燃燒模式時，由于混合氣混合的時間短，缸內燃燒模式為擴散燃燒，燃料邊混合邊燃燒，就會出現(xiàn)局部混合不均勻，出現(xiàn)高溫缺氧區(qū)，從而造成顆粒物大量生成。除了擴散燃燒方式容易產生積炭外，燃油在噴射過程中觸碰活塞頂部、氣門或者氣缸壁都會產生顆粒物排放。

（3）GDI汽油機炭煙來源于缸內局部濃區(qū)的燃燒、附壁油膜的池火燃燒和結焦噴油器附近的擴散燃燒，其中壁面油膜的池火燃燒是GDI汽油機生成顆粒物的主要原因，燃油噴射策略和混合氣組織方式對缸內炭煙生成有重要影響。GDI汽油機的炭煙生成過程有兩階段：第一階段是預混火焰在混合氣濃區(qū)傳播時生成大量炭煙，但是這部分區(qū)域的混合氣迅速與周圍稀薄區(qū)域氣體混合，導致生成的炭煙絕大部分被迅速氧化；第二階段是燃燒后期在油膜蒸發(fā)燃燒的池火中形成大量炭煙，但由于混合氣溫度較低及羥基（OH*）的消失，此階段生成的炭煙很難被氧化。因此，池火燃燒是GDI汽油機最主要的炭煙來源。有研究人員對比了不同GDI汽油機混合氣形成模式下炭煙的來源，發(fā)現(xiàn)在均質充量模式下，缸內炭煙主要是由池火生成的，而在分層充量模式下，炭煙是由混合氣的局部濃區(qū)燃燒和池火共同生成的，壁面油膜的擴散燃燒是炭煙的主要來源。噴油器結焦會使噴嘴附近出現(xiàn)缸內局部擴散燃燒，這會大幅增加炭煙、碳氫化合物（HC）、顆粒物數(shù)量（PN）排放。合理的多次噴射不僅可以減少壁面燃油濕壁量，還可以增加缸內混合氣湍動能，促進燃燒，減少顆粒物排放。

（4）提高燃油噴射壓力，有利于燃油快速霧化，促進油氣均勻混合，從而降低顆粒物排放。噴油時刻對顆粒物排放有較大影響。提前噴油，顆粒物排放明顯增加，特別是凝態(tài)顆粒物（粒徑在50 nm~1 000 nm，主要來自燃油嚴重不完全燃燒形成的炭質初生核態(tài)粒子，核態(tài)粒子繼續(xù)集聚成團并在表面還吸附了一些半揮發(fā)性物質形成了凝聚態(tài)顆粒）排放增加，主要原因在于提早噴油，燃油撞擊活塞頂部，壁面油膜發(fā)生池火燃燒導致顆粒物排放增加。隨著噴油時刻的提前，由于凝態(tài)顆粒物占比增加，顆粒幾何平均粒徑變大。推遲噴油，顆粒物排放也增加，主要由于較晚的噴油時刻導致燃油霧化時間短，燃燒室內局部混合氣較濃，造成缸內混合氣分層，導致顆粒物排放增加。

（5）在低負荷、過渡工況和冷起動的情況下，GDI汽油機的顆粒物排放比傳統(tǒng)的PFI汽油機增加較多，但要比柴油機要小若干個數(shù)量級。其形成的主要原因可能是局部區(qū)域過濃的混合氣或類似柴油機的液態(tài)油滴擴散燃燒，并且缸內溫度低也造成了顆粒物氧化不完全的現(xiàn)象。

（6）如圖2所示，當噴油時刻為280°CA BTDC，過量空氣系數(shù)為1時，對于不同負荷，廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation，EGR）均可降低發(fā)動機顆粒物數(shù)量濃度，其主要原因是EGR降低了缸內燃燒溫度，抑制了顆粒物的生成。盡管加入EGR后導致排氣溫度降低，抑制了顆粒物的氧化，但燃燒溫度的降低抑制顆粒物生成占主導作用。由于EGR可以降低燃燒溫度，從而可以有效降低固態(tài)顆粒物排放，但揮發(fā)態(tài)顆粒物排放卻明顯增加，這主要是由于引入廢氣后，HC排放增加，排氣中HC進一步冷凝，導致?lián)]發(fā)態(tài)顆粒物排放增加。在小負荷與中等負荷下，EGR均可有效降低總顆粒物數(shù)量（PN）濃度，但不同工況下，顆粒物粒徑差異較大，小負荷下引入EGR后核態(tài)顆粒物（粒徑為5 nm~50 nm的排氣顆粒，核態(tài)顆粒是由缸內燃燒過程形成的未完全燃燒炭核、揮發(fā)性碳氫、含硫化合物及部分金屬化合物組成的）較多。由于缸內池火燃燒是GDI汽油機生成顆粒物的主要原因，而引入冷卻廢氣后，池火燃燒溫度的降低直接導致顆粒物生成減少。EGR在不同工況下顆粒物排放差異性較大，小負荷時隨著EGR率的增加，核態(tài)顆粒物排放增加較明顯，大負荷時隨著EGR率的增加，凝態(tài)顆粒物排放減少。

圖2 不同負荷下EGR對總顆粒物數(shù)量（PN）的影響

（7）GDI汽油機的顆粒物平均當量直徑為68 nm～88 nm，比PFI汽油機的顆粒物直徑要大。

（8）日本石油能源中心等多家機構研究發(fā)現(xiàn)，如圖3所示，直噴火花點燃（DISI）汽油車的顆粒物排放呈對數(shù)正態(tài)分布，平均粒徑約為85 nm；稀燃DISI汽油機由于混合氣存在濃區(qū)，其顆粒物數(shù)量（PN）約為化學計量比DISI汽油機的10倍；與多點噴射（MPI）汽油車和DPF柴油車相比，稀燃DISI汽油車的顆粒物數(shù)量有明顯增加。

圖3 不同類型汽油機顆粒物粒徑分布曲線對比（截屏）

（9）PFI汽油機所排放的顆粒物中，核態(tài)顆粒物占了一半左右，而GDI汽油機與柴油機的核態(tài)顆粒數(shù)量相對較少。GDI汽油機顆粒物排放呈現(xiàn)明顯的正態(tài)雙峰分布，核態(tài)顆粒物基本分布在30 nm以下，峰值在10 nm～20 nm，凝聚態(tài)顆?；痉植荚?0 nm～110 nm，峰值在60 nm～90 nm；PFI汽油機顆粒物排放主峰大體呈現(xiàn)兩個，分別表征凝聚態(tài)顆粒與核態(tài)顆粒物，其中凝聚態(tài)顆粒的峰值在125 nm～132 nm，要比GDI發(fā)動機的60 nm～90 nm大很多，而核態(tài)顆粒峰值在10 nm 左右，與GDI汽油機的10 nm～20 nm相差不大。但GDI汽油機顆粒物數(shù)量排放因子卻要比PFI汽油機高109.4倍～197.3倍。

（10）GDI汽油機排放的顆粒物形貌與柴油機類似，都是由很多個小顆粒通過團聚生長而成，呈現(xiàn)簇狀、枝狀等不規(guī)則形狀。

（11）GDI汽油機排放的顆粒物可以分為碳質顆粒與非碳質顆粒兩大類。碳質顆粒物可以分為soot 顆粒物與有機顆粒物（OP）；非碳質顆粒物可以分為富硫顆粒（S-rich）、富鐵顆粒（Fe-rich）、混合顆粒（mix P）及灰燼（ASH）顆粒等4類。

（12）GDI汽油機在分層混合氣下的炭煙排放要比均質混合氣條件下的高；GDI汽油機采用噴霧引導時要比采用壁面引導的顆粒物排放低（在冷起動時尤為明顯），同PFI汽油機相近；而噴霧引導的GDI汽油機在分層模式運行時顆粒物數(shù)量（PN）排放明顯上升。

（13）GDI汽油機在滿負荷工況下，顆粒物排放大幅增加，隨著過量空氣系數(shù)的增加和點火時刻的推遲，顆粒物排放呈減少趨勢。

（14）在低轉速、小負荷時，內部EGR比外部EGR降低顆粒物排放更有效。EGR會使可溶性顆粒物的數(shù)量排放上升，這與EGR的稀釋冷卻有關。EGR會使得GDI汽油機的凝聚態(tài)顆粒物排放下降，但核態(tài)顆粒物的排放上升。

（15）在低轉速時，三元催化轉化器（TWC）對小粒徑顆粒物的去除效果比較明顯，但隨著轉速上升，降低幅度明顯下降。TWC后的顆粒物幾何平均直徑明顯大于TWC前的。GDI汽油機在冷起動時，98%左右顆粒物的粒徑在25 nm以下，冷起動時TWC前的顆粒物數(shù)量（PN）要比TWC后的高3個數(shù)量級；發(fā)動機在低速、低負荷下熱機結束后，TWC達到了起燃溫度，顆粒物在經過TWC后顆粒物數(shù)量（PN）會降低98%以上，而對于顆粒物的減少主要是由于TWC的氧化作用，還是由于系統(tǒng)的稀釋冷凝，尚有待進一步的研究探索。TWC后的核態(tài)顆粒峰值要明顯低于TWC前的，并且混合氣越濃（100%負荷），核態(tài)顆粒物峰值降幅越大，原因是核態(tài)顆粒物主要由可揮發(fā)的未燃碳氫凝結而成，TWC對降低未燃碳氫濃度效果明顯。

（16）高揮發(fā)性的燃油在減少顆粒物排放方面有更好的表現(xiàn)，因為揮發(fā)性高的燃油能夠快速霧化蒸發(fā)，減少缸內濃區(qū)的形成。汽油中摻混乙醇后能夠明顯減少顆粒物排放，一方面乙醇具有較高的揮發(fā)性，燃油霧化蒸發(fā)快，混合氣形成更均勻；另一方面，乙醇自身含氧，比燃燒純汽油更加充分完全。

（17）渦輪增壓缸內直噴汽油機（TGDI）與傳統(tǒng)的氣道多點噴射汽油機相比具有更高的效率及更好的響應性，已經成為汽油發(fā)動機發(fā)展的必然趨勢。但噴油方式的改變以及油氣混合氣形成的時間較短導致了顆粒物排放明顯高于傳統(tǒng)汽油機。

就現(xiàn)有的發(fā)動機PN排放摸底情況的統(tǒng)計資料來看，滿足國Ⅴ排放法規(guī)的MPI汽油機的PN排放水平在3×1011顆/km~9×1011顆/km，GDI汽油機PN排放水平在5×1011顆/km~3×1012顆/km，部分PFI汽油機的PN排放水平在3×1011顆/km~3.5×1012顆/km。

顆粒物排放是個復雜的動態(tài)過程，主要由炭煙、來源于燃燒和機油的可溶性有機物、燃燒中硫（S）燃燒后生成的硫酸鹽及添加劑組成。發(fā)動機中顆粒物的排放主要是由于空氣與燃油混合不均勻導致燃燒不完全，在高溫缺氧的條件下氧化裂解而形成。影響顆粒物排放的主要因素包括以下幾方面：整車（駕駛技術、行駛阻力、換擋及行駛工況）、發(fā)動機（燃燒系統(tǒng)、標定控制策略、燃油組分潤滑油及冷卻系統(tǒng)）。