汽油發(fā)動機(jī)顆粒物排放指數(shù)的修正研究

胡云昊，張磊，楊友文

(上汽集團(tuán)創(chuàng)新研究開發(fā)總院，上海 201804)

0 前言

汽油發(fā)動機(jī)作為世界各國乘用車的主流動力，其排放的尾氣顆粒物是引起當(dāng)今空氣質(zhì)量問題的主要原因之一。隨著大氣污染物防治法的修訂，我國制定了《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“國六排放法規(guī)”)，并引入了全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)(WLTC)的排放測試工況，對顆粒物排放提出了更嚴(yán)苛的要求。

眾所周知，汽油質(zhì)量顯著影響顆粒物排放。為了量化該影響，本田、通用等公司與牛津、加州等大學(xué)對汽油特性與排放試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得到了基于汽油特性的顆粒物排放指數(shù)(PMI)模型。近年來，隨著排放法規(guī)的不斷升級，PMI模型也需要進(jìn)一步優(yōu)化和修正。

1 PMI模型概況

汽油發(fā)動機(jī)炭煙顆粒是顆粒物排放的主要表現(xiàn)形式，來源于汽油各組分在油氣混合不均的缺氧區(qū)的燃燒，以及噴射到活塞、缸壁等處油膜產(chǎn)生的擴(kuò)散燃燒[1]。前者的研究以苯環(huán)脫氫加乙炔(HACA)機(jī)理為主[2]，研究結(jié)果表明：缸內(nèi)燃燒時，結(jié)構(gòu)更緊湊、不飽和度更高的汽油組分更容易形成多環(huán)芳烴(PAHs)，進(jìn)而生成炭煙顆粒。后者即濕壁池火效應(yīng)，研究結(jié)果表明：蒸發(fā)特性差的汽油組分更容易形成壁面油膜，導(dǎo)致其生成炭煙前驅(qū)物的趨勢增大。因此，汽油組分的不飽和度與蒸發(fā)特性，是生成炭煙顆粒的重要影響因素。

近年來，基于汽油特性的顆粒物排放指數(shù)研究逐漸展開，KOICHIRO A等[3]在基礎(chǔ)汽油中添加不同的單一已知汽油組分，并分別進(jìn)行排放試驗，結(jié)果表明：所添加組分的不飽和度越大或蒸氣壓越小，顆粒物數(shù)量(PN)則越大，這與顆粒物來源分析結(jié)果吻合?；谠摻Y(jié)果歸納出的PMI模型的計算公式為：

(1)

式中：kPMI為PMI模型的顆粒物排放指數(shù)；ei為組分i的雙鍵當(dāng)量，由組分的碳、氫、氧、氮原子數(shù)計算而得；pi為組分i在溫度為443 K(170 ℃)時的雷德蒸氣壓；wi為組分i的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；n為組分?jǐn)?shù)。

進(jìn)氣道噴射(PFI)與缸內(nèi)直噴(GDI)車輛上的新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)工況排放試驗結(jié)果顯示，PMI模型與PN排放的相關(guān)性與適應(yīng)性較好。

2 運(yùn)行工況更新對PMI模型的影響

PMI模型是根據(jù)燃油特性與排放試驗結(jié)果歸納推導(dǎo)出的經(jīng)驗公式，并未深入探究各組分在缸內(nèi)燃燒并生成炭煙的具體過程，也不代表組分真實的炭煙生成結(jié)果。當(dāng)工況更新時，若繼續(xù)使用PMI模型進(jìn)行預(yù)測，會使相關(guān)性產(chǎn)生波動，原因在于不同工況下，汽油組分的不飽和度或蒸發(fā)特性對于生成炭煙的貢獻(xiàn)存在差異，如果將其權(quán)重固定不變，勢必影響相關(guān)性。

相比于NEDC工況，國六排放法規(guī)采用的WLTC新工況，其平均車速、最大速度與最大加速度更高，且由更多的瞬態(tài)工況代替了穩(wěn)態(tài)工況，行駛動態(tài)波動性增大[4]。排放方面，WLTC大量的急加速工況除了導(dǎo)致缸內(nèi)噴油濃區(qū)出現(xiàn)的概率增大，造成近壁區(qū)存在更高的溫度梯度和傳熱損失，導(dǎo)致燃油撞壁形成的油膜質(zhì)量與厚度增大，濕壁池火現(xiàn)象加劇[2]。濕壁池火的加劇，逐漸成為炭煙排放量增大的主要因素。由此可見，越是沸點高、蒸發(fā)特性差的組分，越容易形成壁面油膜，將在WLTC下造成更多的炭煙排放。因此，為保持相關(guān)性的穩(wěn)定，需要對PMI模型中汽油組分的不飽和度與蒸發(fā)特性的權(quán)重進(jìn)行修正優(yōu)化，以提高蒸發(fā)特性的權(quán)重貢獻(xiàn)，反映組分在WLTC下的炭煙生成傾向。

3 模型優(yōu)化

對PMI模型計算權(quán)重進(jìn)行修正，得出適用于WLTC工況的優(yōu)化顆粒物指數(shù)模型(以下簡稱“OPI模型”)，并通過不同汽油在WLTC下的排放試驗驗證OPI模型與PN排放的相關(guān)性與模型的適用性。

3.1 試驗臺架與設(shè)備

在配有環(huán)境艙和排放采樣與分析系統(tǒng)的整車轉(zhuǎn)轂臺架上進(jìn)行車輛排放試驗。其中，所使用的底盤測功機(jī)為AVL公司的Clima 4WD，環(huán)境艙為IMTECH公司的-10～45 ℃環(huán)境模擬艙，排放采樣與分析系統(tǒng)為AVL公司的AMA I60。

3.2 試驗車輛

選取1臺搭載1.5TGDI發(fā)動機(jī)的試驗車輛(以下簡稱“車輛A”)，其主要配置參數(shù)見表1。

表1 車輛A主要配置參數(shù)

3.3 試驗汽油

車輛A排放試驗所用試驗汽油的kPMI及關(guān)鍵組分見表2。

表2 車輛A排放試驗測試汽油數(shù)據(jù)

設(shè)計了2種特調(diào)試驗汽油，即1號汽油和2號汽油。2號汽油中添加了適量的重質(zhì)鏈烷烴。由于該重質(zhì)鏈烷烴組分蒸氣壓小，雙鍵當(dāng)量為0，因此通過比較添加該重質(zhì)鏈烷烴后PN排放的變化，可以探究PMI模型中雙鍵當(dāng)量和蒸氣壓的真實權(quán)重關(guān)系。由表2可以看出：相比于1號汽油，2號汽油中含有3.2%(體積分?jǐn)?shù)，下同)的重質(zhì)C12鏈烷烴，相應(yīng)輕質(zhì)C8鏈烷烴的含量有所降低。該重質(zhì)C12鏈烷烴組分的蒸氣壓為78.1 kPa，輕質(zhì)C8鏈烷烴組分的蒸氣壓為536 kPa。2種汽油的其他組分含量大致相當(dāng)。按照式(1)計算，2號汽油的kPMI比1號汽油僅高0.02。

3～7號汽油是普通的市購汽油，這些汽油的kPMI在1.68～2.38，測定使用這些汽油的PN，可以對車輛A使用不同汽油時的kPMI和PN關(guān)系進(jìn)行線性擬合(采用PN系數(shù)表征PN)。采用3號汽油進(jìn)行排放試驗，所得PN為基準(zhǔn)值，PN系數(shù)為PN實際值與基準(zhǔn)值的比值。

此外，需要說明的是，表2中的測試汽油數(shù)據(jù)是試驗完成后從試驗車輛上直接取樣得到的，反映了試驗過程中發(fā)動機(jī)所用汽油的真實數(shù)據(jù)水平。

3.4 測試步驟

使用每種測試汽油測定車輛排放的步驟均包括油箱清洗、磨合、預(yù)試驗和不少于2次的正式試驗。預(yù)試驗與正式試驗的試驗步驟及環(huán)境要求依據(jù)GB 18352.6—2016中I型試驗的車輛排放測試方法。所使用的排放測試循環(huán)為WLTC。具體的測試步驟見表3。

表3 不同測試汽油的排放測試步驟

3.5 結(jié)果與分析

使用1～7號汽油在車輛A上進(jìn)行排放試驗，PN系數(shù)與各汽油kPMI的關(guān)系如圖1所示。其中，PN系數(shù)為正式試驗結(jié)果的平均值。經(jīng)線性擬合，車輛A的PN系數(shù)與不同汽油kPMI的關(guān)系可由以下公式表示：

圖1 車輛A的PN系數(shù)與不同汽油kPMI的關(guān)系

fPN=0.612kPMI-0.417

(2)

式中：fPN表示PN系數(shù)。

根據(jù)實際測試結(jié)果，使用1號汽油與2號汽油的PN系數(shù)差值為0.064，代入式(2)計算可得kPMI差值(ΔkPMI)為0.11，此時鏈烷烴雙鍵當(dāng)量權(quán)重為1。類似的，可以通過上述方法，比較鏈烷烴不同雙鍵當(dāng)量權(quán)重時，擬合計算的ΔkPMI與實際ΔkPMI的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出：當(dāng)鏈烷烴雙鍵當(dāng)量權(quán)重調(diào)整為3時，ΔkPMI的擬合值與實際值最接近。

圖2 ΔkPMI擬合值與實際值的對比

根據(jù)上述試驗研究所得的鏈烷烴雙鍵當(dāng)量權(quán)重，結(jié)合不同烴類形成PN排放的機(jī)理，提出OPI模型的計算式為：

(3)

式中：kOPI為OPI模型的顆粒物排放指數(shù)。

PMI模型與OPI模型中汽油組分的雙鍵當(dāng)量對顆粒物質(zhì)量指數(shù)的權(quán)重差異見表4。以烷烴為例，將增加蒸氣壓權(quán)重的效果轉(zhuǎn)化到不飽和度權(quán)重增加上，最終提高了重質(zhì)烷烴的貢獻(xiàn)度占比。

表4 PMI與OPI模型中雙鍵當(dāng)量的權(quán)重差異

4 OPI模型的相關(guān)性提升

4.1 OPI模型與PN排放的相關(guān)性

采用式(3)計算1～7號汽油的kOPI，車輛A使用1～7號汽油的PN系數(shù)與kOPI的關(guān)系如圖3所示。經(jīng)線性擬合，kOPI與PN系數(shù)的相關(guān)性比kPMI與PN系數(shù)的相關(guān)性有所提升。

圖3 車輛A的PN系數(shù)與kOPI的擬合關(guān)系

4.2 OPI模型在不同發(fā)動機(jī)上與PN排放的相關(guān)性

為了驗證OPI模型在PFI發(fā)動機(jī)上的有效性，選取搭載1.5L PFI發(fā)動機(jī)的車輛(以下簡稱“車輛B”)，其主要配置參數(shù)見表5，使用6種市購汽油進(jìn)行排放試驗，測定PN系數(shù)，試驗汽油的kOPI與kPMI見表6。其中，8號汽油與3號汽油為同一批次的汽油，作為PN系數(shù)計算的基準(zhǔn)，8號汽油與3號汽油在試驗中的實測組分略有不同[5]。

表5 車輛B主要配置參數(shù)

表6 車輛B排放試驗測試汽油數(shù)據(jù)

車輛B使用8～13號汽油的PN系數(shù)與kPMI、kOPI的關(guān)系如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可以看出：相比于kPMI，kOPI與PN系數(shù)的相關(guān)性有所提升。

圖4 車輛B的PN系數(shù)與kPMI的相關(guān)性

圖5 車輛B 的PN系數(shù)與kOPI的相關(guān)性

5 結(jié)語

由于WLTC工況存在更多的加速和動態(tài)工況，以及更高的極限車速，導(dǎo)致汽油組分的蒸氣壓對PN排放的影響權(quán)重加大。WLTC工況下，重質(zhì)烷烴組分的實際PN排放貢獻(xiàn)高于PMI模型。因此，需要調(diào)整PMI模型中的雙鍵當(dāng)量權(quán)重，從而體現(xiàn)汽油組分蒸氣壓在不同工況下的影響趨勢。

基于試驗結(jié)果，提出了WLTC工況下的OPI模型。該模型對不飽和度和蒸發(fā)特性的計算權(quán)重進(jìn)行了調(diào)整，提升蒸氣壓對PN排放的貢獻(xiàn)。2臺搭載不同發(fā)動機(jī)的試驗車的排放結(jié)果表明，OPI模型有效提升了模型顆粒物排放指數(shù)與實際PN排放的相關(guān)性。該研究成果優(yōu)化了燃油對PN排放影響的評價，有利于整車企業(yè)先進(jìn)節(jié)能減排發(fā)動機(jī)的開發(fā)，為車輛進(jìn)一步改善污染物排放水平具有重要意義。