輕型車顆粒物數(shù)量排放特性研究

李國棟 郭曉鑫 趙 碩 魏有杰 陳 美

（中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶 401120）

引言

中國汽車市場早已成為世界第一大市場，汽車銷量逐年遞增。隨著國內(nèi)汽車保有量與日劇增，機(jī)動(dòng)車所引起的環(huán)境污染問題尤其是近年來北方冬季霧霾問題日益受到國家及各相關(guān)部委的重視。2016 年12 月23 日，堪稱世界最嚴(yán)排放標(biāo)準(zhǔn)輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布，其中在常溫冷起動(dòng)后排氣污染物排放試驗(yàn)中，對汽油車新增加顆粒物數(shù)量（PN）的要求，這對于汽油車尾氣排放控制來講是嶄新及具有相當(dāng)難度的挑戰(zhàn)，各主機(jī)廠研發(fā)不同的控制策略進(jìn)行顆粒物數(shù)量的控制。

1 輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)介紹

GB 18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）于2013 年1 月開始進(jìn)行預(yù)研究，2015 年7 月正式開題，2016 年12 月23 日正式發(fā)布，2020 年7 月1 正式實(shí)施[1]。輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)是延續(xù)歐盟排放標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)調(diào)全球技術(shù)法規(guī)、融合美國排放標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新而形成的排放標(biāo)準(zhǔn)。相比較國五，國六排放污染物限值加嚴(yán)，且針對汽油車增加顆粒物數(shù)量（PN）的要求。

2 顆粒物組成、產(chǎn)生機(jī)理及處理方案

機(jī)動(dòng)車顆粒物污染物主要由可溶性有機(jī)物、碳煙、硫酸鹽組成。其中碳煙占總量的50%～80%；可溶性有機(jī)物的生成有60%～70%是來自于機(jī)油的燃燒；硫化物顆粒的生成主要是源自燃料中的硫成分，這些硫有98%生成SO2，剩下的2%就是硫酸鹽，而硫酸鹽就是硫化顆粒物的主要來源。雖然硫化顆粒物的含量最少，但它對環(huán)境的危害最大。

在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中，當(dāng)油氣混合物結(jié)合不均勻時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)燃燒不充分，未完全燃燒的碳煙顆粒物具有極大的表面積且還有很多孔，碳是具有吸附功能的，那么上述的其它成分就會(huì)被吸附形成顆粒物。燃油噴射時(shí)會(huì)碰壁形成油滴，在燃燒過程中也會(huì)產(chǎn)生比較多的顆粒物，高溫高壓會(huì)使缺氧燃油更快形成顆粒物[2-3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)按照噴射方式分為缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)與進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)。其中缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)因其噴射方式導(dǎo)致其油氣混合局部會(huì)出現(xiàn)不均勻，出現(xiàn)高溫缺氧區(qū)域，導(dǎo)致顆粒物的大量生成。而進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)油氣混合均勻，且缸內(nèi)負(fù)荷、壓力、溫度都較低，產(chǎn)生顆粒物較少。

目前，大部分車型國六顆粒物控制方案都是在后處理系統(tǒng)中配置顆粒捕集器（GPF），顆粒捕集器是通過收集尾氣中的顆粒物來降低排氣中顆粒物質(zhì)量和數(shù)量。而部分進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)車型，因顆粒物本身產(chǎn)生量較小，未配置顆粒捕集器，通過優(yōu)化燃燒等技術(shù)手段來滿足國六標(biāo)準(zhǔn)對于顆粒物質(zhì)量及數(shù)量的要求。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 輕型車國六工況運(yùn)行中顆粒物數(shù)量排放特性分析

選取一臺(tái)配置GPF 樣車與一臺(tái)未配置GPF 樣車，按輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)過程中顆粒物數(shù)量瞬態(tài)數(shù)值，分析顆粒物數(shù)量在試驗(yàn)過程中的排放特性。

3.2 配置GPF 車型與未配置GPF 車型顆粒物數(shù)量排放結(jié)果對比分析

選取五臺(tái)配置GPF 發(fā)動(dòng)機(jī)樣車與5 臺(tái)未配置GPF 發(fā)動(dòng)機(jī)樣車，按輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)，記錄顆粒物數(shù)量排放試驗(yàn)結(jié)果，對比分析配置GPF發(fā)動(dòng)機(jī)與未配置GPF 發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物結(jié)果。

3.3 輕型車?yán)淦饎?dòng)與熱起動(dòng)顆粒物數(shù)量排放特性分析

選取2 臺(tái)樣車，進(jìn)行正常國六I 型試驗(yàn)及先進(jìn)行WLTC 工況熱車后再進(jìn)行國六試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)過程中顆粒物數(shù)量瞬態(tài)數(shù)值及最終試驗(yàn)結(jié)果。對比分析冷態(tài)及熱態(tài)下顆粒物數(shù)量排放特性。

3.4 測試方法及測試設(shè)備

試驗(yàn)樣車依據(jù)GB 18352.6-2016 標(biāo)準(zhǔn)中附錄C要求開展排放試驗(yàn)。車輛初始狀態(tài)、浸車環(huán)境、滑行阻力設(shè)定都應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)中附錄C 的要求。

試驗(yàn)工況為輕型車國六I 型試驗(yàn)工況WLTC，如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)工況（WLTC）

試驗(yàn)用測試儀器設(shè)備信息如表1 所示。

表1 試驗(yàn)用設(shè)備

顆粒物數(shù)量分析系統(tǒng)采用HORIBA MEXA-2000SPCS 設(shè)備，其中一二級系數(shù)比分別設(shè)定為10和15。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 輕型車國六工況運(yùn)行中顆粒物數(shù)量排放特性分析

表2 為2 車型顆粒物數(shù)量試驗(yàn)結(jié)果。

表2 試驗(yàn)結(jié)果#（/kW·h）

圖2、3、4 為2 車型顆粒物數(shù)量試驗(yàn)過程中瞬態(tài)結(jié)果。

圖2 配置GPF 顆粒物數(shù)量排放

圖3 未配置GPF 顆粒物數(shù)量排放

圖4 2 樣車顆粒物數(shù)量排放對比

通過圖2、3 顆粒物數(shù)量排放結(jié)果瞬態(tài)值可以看出，配置GPF 樣車與未配置GPF 樣車顆粒物排放數(shù)量瞬態(tài)值整體趨勢相似。顆粒物數(shù)量在加速工況及高負(fù)荷工況運(yùn)行狀態(tài)下，排放量激增，穩(wěn)態(tài)工況及怠速工況下，排放量較低。冷起動(dòng)階段顆粒物數(shù)量數(shù)值較高，顆粒物產(chǎn)生的主要工況在超高速工況。發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放在怠速工況下幾乎很少，微乎其微，數(shù)值為幾十甚至個(gè)位數(shù)，而在加速及高速高負(fù)荷階段，顆粒物數(shù)量排放值急劇增加，最高點(diǎn)顆粒物數(shù)量可以達(dá)到幾千的數(shù)值。

根據(jù)顆粒物生成機(jī)理可知，發(fā)動(dòng)機(jī)在油氣混合不均勻，高壓高負(fù)荷工況下易形成顆粒物。發(fā)動(dòng)機(jī)在加速工況及高負(fù)荷工況下，噴油量增加，油氣混合不均勻及燃油未充分揮發(fā)，產(chǎn)生大量顆粒物數(shù)量。冷起動(dòng)工況下，需提高噴油量使發(fā)動(dòng)機(jī)盡快達(dá)到正常工作狀態(tài)，也導(dǎo)致起步狀態(tài)顆粒物數(shù)量偏高。

通過圖3 可知，選取的未配置GPF 車型怠速工況與配置GPF 車型顆粒物數(shù)量排放量近似，加速工況及高負(fù)荷工況下，未配置GPF 顆粒物數(shù)量明顯高于配置GPF 樣車，最高可以達(dá)到4 000×109#/（kW·h）左右，而配置GPF 樣車顆粒物數(shù)量排放峰值最高僅為1 000×109#/（kW·h）左右。

4.2 配置GPF 車型與未配置GPD 車型顆粒物數(shù)量排放結(jié)果對比分析

2 種車型顆粒物數(shù)量試驗(yàn)結(jié)果對比如表3、圖5所示。

表3 2 種車型顆粒物數(shù)量試驗(yàn)結(jié)果#（/kW·h）

圖5 2 種車型顆粒物數(shù)量試驗(yàn)結(jié)果對比

通過表3 和圖5 可以看出未配置GPF 車型整體高于配置GPF 車型，且部分車型試驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)接近國六標(biāo)準(zhǔn)要求限值。配置GPF 部分樣車可以達(dá)到比國六限值低一個(gè)數(shù)量級的排放水平，未配置GPF 樣車沒有一個(gè)樣車可以達(dá)到這樣的排放水平。

GPF 可以有效降低汽車顆粒物的排放量。未配置GPF 車型都是進(jìn)氣道噴射車型，通過試驗(yàn)結(jié)果可以得出該類型發(fā)動(dòng)機(jī)國六WLTC 工況下顆粒物數(shù)量排放量也不是很低，因此目前國六主流車型都已配置GPF。

4.3 輕型車、冷起動(dòng)與熱起動(dòng)顆粒物數(shù)量排放特性分析

冷起動(dòng)、熱起動(dòng)顆粒物數(shù)量試驗(yàn)結(jié)果對比如表4、圖6 所示。

圖6 冷起動(dòng)、熱起動(dòng)顆粒物數(shù)量試驗(yàn)結(jié)果對比

表4 冷起動(dòng)、熱起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果#（/kW·h）

通過表4 試驗(yàn)結(jié)果和圖6 冷起動(dòng)、熱起動(dòng)顆粒數(shù)數(shù)量排放對比可以看出，熱起動(dòng)后最終顆粒物數(shù)量結(jié)果低于冷起動(dòng)排放，2 種試驗(yàn)結(jié)果主要差異在于車輛起動(dòng)階段，冷起動(dòng)顆粒物數(shù)量排放明顯高于熱起動(dòng)車輛，最高數(shù)值可以達(dá)到1 800×109#/（kW·h）左右，而熱起動(dòng)最高數(shù)值僅為200×109#/（kW·h）左右。

樣車在開始工況100 s 以后，車輛冷起動(dòng)顆粒物排放整體仍高于熱起動(dòng)排放，但差距不是很大，在車輛運(yùn)行至高速工況及超高速工況時(shí)，顆粒物排放數(shù)量基本一致。到達(dá)該工況時(shí)，樣車整體已達(dá)到熱車狀態(tài)，因此顆粒物排放數(shù)量基本一致。

5 結(jié)束語

通過不同配置樣車在國六工況和冷起動(dòng)、熱起動(dòng)初始狀態(tài)下的顆粒物排放數(shù)量分析，可以得出以下結(jié)論和建議。

1）輕型車在加速及高負(fù)荷工況下顆粒物排放數(shù)量較高，在怠速工況下顆粒物排放很低。針對顆粒物排放數(shù)量機(jī)內(nèi)控制技術(shù)可重點(diǎn)優(yōu)化該工況下的顆粒物數(shù)量排放。

2）配置GPF 輕型車顆粒物排放水平整體優(yōu)于未配置GPF 輕型車。GPF 可以有效控制輕型車的顆粒物數(shù)量排放。

3）輕型車?yán)淦饎?dòng)初始工況下，顆粒物排放數(shù)量較高，輕型車熱車完成后顆粒物排放數(shù)量明顯減少。