高原輕型車用發(fā)動機(jī)PN排放特性的試驗(yàn)研究

趙龍龍　羅飛　李瑞　侯春元　解禮兵

摘 要：基于1900m海拔的發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺架，針對一臺國六輕型車用發(fā)動機(jī)，開展搭載后處理系統(tǒng)的整機(jī)PN排放特性的試驗(yàn)研究，分析其在高原下原機(jī)PN與尾排PN的變化規(guī)律，為高原輕型車后處理系統(tǒng)開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。研究發(fā)現(xiàn)：高原汽油機(jī)原機(jī)PN排放隨著車速的升高而不斷降低，捕集效率隨車速的增加呈先增加后減小的趨勢，主要與載體孔隙及是否高溫灼燒相關(guān)；原機(jī)PN排放值對捕集效率的影響較大，尤其是冷啟動條件下，受發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度低、燃燒不充分等影響較大；為增大顆粒物捕集效率，可為GPF添加（或涂覆）部分不可灼燒的的灰分或其它成分以減小孔徑孔隙。

關(guān)鍵詞：高原 輕型車用發(fā)動機(jī) PN排放特性

1 前言

隨著我國進(jìn)入國六階段，后處理對汽車減排的作用越來越重要。自2016年正式發(fā)布的《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）提出了對顆粒數(shù)目（PN，Particle Num-ber）的限值要求[1-2]，顆粒物捕集器被廣泛應(yīng)用于整車減排過程，但其效率受諸多因素影響，如海拔、溫度等，因此有必要展開高原輕型車用發(fā)動機(jī)的PN排放特性研究。

國六排放法規(guī)實(shí)施后，對汽油車顆粒物排放提出了更嚴(yán)格的要求，相比于國五，顆粒物質(zhì)量（PM）要求大幅提高，且新增對顆粒物數(shù)量（PN）的限值要求。目前，為降低汽油機(jī)的顆粒排放，多通過裝配顆粒捕集器（GPF）的方式以實(shí)現(xiàn)滿足國VI新標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。GPF是一種壁流式的顆粒捕集裝置，過濾體內(nèi)有很多平行孔道，相鄰的兩個(gè)孔道一個(gè)進(jìn)口開放，另一個(gè)出口開放。排氣從開放的進(jìn)口孔道流入，通過GPF載體多孔壁面至相鄰孔道排出，而顆粒物被滯留在孔道內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)捕集顆粒物的作用。

同時(shí)，嚴(yán)控顆粒污染物，不僅因其對環(huán)境的破壞極大，而且嚴(yán)重影響人類健康，主要損害人體呼吸系統(tǒng)，引發(fā)哮喘和慢性支氣管炎等，甚至引起死亡。顆粒物污染物主要由干碳煙、可溶有機(jī)組分、硫酸鹽、灰分和水分組成的復(fù)雜污染物[3-5]。汽車是產(chǎn)生該污染物的主要來源之一，因此亟需對車輛的排放進(jìn)行控制，主要控制措施是利用顆粒捕集器進(jìn)行顆粒污染物的捕集，利用高溫對捕集到的顆粒物進(jìn)行灼燒，降低其危害程度。

近年，“雙碳”目標(biāo)的提出，需要對我國中西部地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過程中同步考慮高原地區(qū)環(huán)境保護(hù)、防患于未然，避免環(huán)境污染的進(jìn)一步加劇。另外，我國高原地域面積廣闊，隨著國家的發(fā)展，高原地區(qū)的車輛也越來越多，輕型車的占比越來越大[2]，對高原環(huán)境的影響也日益突出。因此，依托于1900m的高原試驗(yàn)條件，開展高原輕型車用發(fā)動機(jī)及后處理系統(tǒng)的PN排放特性研究，助力減少高原汽車顆粒物排放，保護(hù)高原環(huán)境。

綜上，我們需要對高原輕型車PN的排放特性進(jìn)行研究，主要研究搭載后處理系統(tǒng)的輕型用汽油機(jī)各工況下的PN排放特性，從而協(xié)助管控汽車運(yùn)行，減少排放，同時(shí)助力高原輕型車用后處理零部件的開發(fā)驗(yàn)證，使其更好的適應(yīng)車輛運(yùn)行條件。

2 試驗(yàn)方案

研究對象為一臺增壓中冷直列４缸汽油機(jī)，額定功率為88kw，其后處理主要配置為三元催化器（TWC）加顆粒物捕集器（GPF）。測試系統(tǒng)采用HORIBA公司的HT250電力測功機(jī)、雙路直采排放分析儀、雙路PN測試設(shè)備以及AVL7351油耗儀和進(jìn)氣空調(diào)等搭建的測試平臺。汽油機(jī)主要參數(shù)如表１所示。

為探究汽車發(fā)動機(jī)在國六法規(guī)規(guī)定的工況下PN排放特性，采用符合GB 18352.6-2016要求的WLTC循環(huán)進(jìn)行排放測試，其中WLTC循環(huán)工況見圖1。

試驗(yàn)之前需按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行邊界控制，設(shè)定發(fā)動機(jī)進(jìn)氣負(fù)壓為-1.5kpa，進(jìn)氣溫度為25℃，進(jìn)氣濕度為45%，冷卻水溫度90℃，中冷后溫度為52℃，背壓為50kpa。額定點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)10min左右，觀察并記錄邊界參數(shù)，待發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、進(jìn)氣流量、進(jìn)氣溫度、排氣溫度、循環(huán)水溫度等穩(wěn)定后即可開始對應(yīng)的排放循環(huán)試驗(yàn)。

為保證試驗(yàn)一致性，每次試驗(yàn)均需要發(fā)動機(jī)在冷卻條件下進(jìn)行，冷卻時(shí)間2-3h，確保發(fā)動機(jī)后處理溫度冷卻至室溫附近，且冷卻后的（窩后排氣）溫度盡可能接近以確保數(shù)據(jù)一致性。為同時(shí)觀測原機(jī)PN和尾排PN的變化規(guī)律，需配備兩路相同規(guī)格的PN設(shè)備對發(fā)動機(jī)出口（GPF前）和后處理后（GPF后）進(jìn)行同步采樣處理，通過兩路PN的計(jì)算可以得出GPF捕集效率。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為證明數(shù)據(jù)的有效性及代表性，本次試驗(yàn)選用4組樣件（樣件隨機(jī)選取不同批次載體和不同配方催化劑），每組樣件進(jìn)行3次試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均結(jié)果（如數(shù)據(jù)偏差過大，可進(jìn)行剔除）對排放特性進(jìn)行分析，從而得出汽油機(jī)PN的排放特性。

對12組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均化（去掉離散化最大的兩組數(shù)據(jù)之后取平均值）處理之后，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖2，由圖可見發(fā)動機(jī)在啟動階段PN排放值較大，這主要是由于WLTC前段為冷啟動階段，其氣缸溫度和活塞溫度都比較低，導(dǎo)致霧化的油氣遇冷凝結(jié)沾壁（也稱為濕壁）從而導(dǎo)致燃燒不充分；并且啟動時(shí)混合氣較濃，空燃比低于理論空燃比（14.7）也促使燃燒不充分，從而使冷啟動時(shí)的PN排放偏高，尾排PN排放規(guī)律跟隨發(fā)動機(jī)PN排放規(guī)律。

分別對四個(gè)樣件PN結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（三組數(shù)據(jù)匯總平均所得），結(jié)果如圖3所示。由圖可見發(fā)動機(jī)原機(jī)排放較為穩(wěn)定，在PN設(shè)備誤差要求范圍之內(nèi)，因此判斷試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性較高。

圖4為樣件的顆粒物捕集結(jié)果，圖示樣件1捕集效率略低，后3個(gè)樣件捕集效率較為接近，判斷是由于GPF載體捕集性能所致，如需選型，應(yīng)從后面3個(gè)樣件中選取。

捕集效率計(jì)算公式為：

（1）

其中N1為上游PN測試值，N2為下游PN測試值；μ即為捕集效率。

本次采用全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)—WLTC排放測試循環(huán)，該排放測試循環(huán)總計(jì)1800s，由低速區(qū)（low，589s），中速區(qū)（Medium，433s），高速區(qū)（High，455s），超速區(qū)（Extra High，323s）四部分組成[6-7]，按照以上四個(gè)區(qū)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理后，得出原機(jī)PN排放結(jié)果如圖5所示。由圖可見原機(jī)排放結(jié)果隨著轉(zhuǎn)速的升高而不斷降低，該變化趨勢和圖1接近，低速區(qū)排放偏高，主要是燃燒不充分導(dǎo)致。

按照四個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)對GPF捕集效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（所有樣件測試結(jié)果進(jìn)行平均化處理），結(jié)果如圖6所示。GPF在低速區(qū)和超速區(qū)捕集效率低，中速區(qū)和高速區(qū)捕集效率較高，且較為接近。上述變化的原因?yàn)椋旱退賲^(qū)由于原機(jī)PN排放較高，導(dǎo)致捕集難度偏高，且樣件上一循環(huán)經(jīng)過高溫區(qū)時(shí)載體孔徑中的碳灰顆粒減少后導(dǎo)致GPF載體捕集效率降低[8-14]，因此低速區(qū)捕集效率較低。超速區(qū)PN排放較低，主要由于經(jīng)歷過高溫高速區(qū)后載體孔徑中碳灰顆粒因灼燒而減少，導(dǎo)致捕集效率降低，且高流速下顆粒捕集難度較大，因此捕集效率較低。圖示超速區(qū)捕集效率較低速區(qū)要略高，判斷為超速區(qū)較低速區(qū)原機(jī)PN排放較低所致，因此認(rèn)為原機(jī)PN排放對捕集效率也有較大影響，應(yīng)盡可能在標(biāo)定階段降低發(fā)動機(jī)原機(jī)PN排放。而中速區(qū)和高速區(qū)捕集效率較高，主要是經(jīng)過較低的溫度區(qū)域時(shí)捕集的碳灰顆粒較多，GPF載體孔徑中顆粒較多使載體空隙變小，從而提升了顆粒捕集的效率，且未經(jīng)歷過高溫（灼燒），使碳灰顆粒得以累積，因此捕集效率效率較其它區(qū)高[15-18]。

圖7是通過公式（1）計(jì)算得到GPF的瞬態(tài)捕集效率，由圖可清晰看出低速區(qū)數(shù)據(jù)多集中于中段（捕集效率70-80%），進(jìn)入中高速后數(shù)據(jù)密集區(qū)域集中于上段（捕集效率80-90%），進(jìn)入超速段后捕集效率下降（捕集效率70-80%），從而證明上述規(guī)律在瞬態(tài)下也能夠明顯體現(xiàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)論

a）高原汽油機(jī)原機(jī)PN排放隨著車速的提高而不斷降低，因此城市快速路的搭建也能有效的減少PN排放；

b）高原汽油機(jī)在低速區(qū)和超速區(qū)捕集效率較低，因此為降低PN排放應(yīng)盡可能減少低速區(qū)段行駛路線；也可通過快速提升發(fā)動機(jī)溫度，也能有效的控制PN排放；

c）PN原機(jī)排放值對捕集效率影響較大，因此發(fā)動機(jī)的原機(jī)PN排放值應(yīng)引起發(fā)動機(jī)生產(chǎn)廠的重視，降低PN原機(jī)排放需要作為發(fā)動機(jī)原機(jī)標(biāo)定的方向之一；

d）為降低PN排放，可通過給GPF添加（或涂覆）部分不可灼燒的的灰分或其它成分以減小孔徑空隙，從而增大顆粒物捕集效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會機(jī)動車污染防治技術(shù)專業(yè)委員會．機(jī)動車污染防治行業(yè) 2015 發(fā)展綜述[J]．中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2016（11）：14-19.

[2]生態(tài)環(huán)境部.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）[S].北京：中國環(huán)境出版社，2016.

[3]鄭永明，劉典云，等.雙碳背景下高原柴油機(jī)排放現(xiàn)狀及未來發(fā)展方向[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019，35（16）：70-77.

[4]劉冰，康見見，劉波，張超等.基于國六標(biāo)準(zhǔn)工況的重型柴油機(jī)PN排放特性研究[J].客車與技術(shù)研究，2020，1006-3331（2020）02-0052-04.

[5]高俊.綠色天路——青藏鐵路環(huán)境保護(hù)紀(jì)實(shí)[J].中國工程咨詢，2021（06）：14-21.

[6]SUAREZ-BERTOAR，ZARDINIAA，LILOVAV，etal.Intercomparison of real-time tailpipe ammonia measurements from vehicles tested over the new world-harmonized light-duty vehicle test cycle （WLTC）[J].Environmental Science andPollution Research，2015，22（10）：7450-7460.

[7]張寶山.霧霾治理：從“源頭”做起[J].中國人大，2015（11）：18-19.

[8]Kan Z，Hu Z，Lou D，et al. Effects of altitude on combustion and ignition characteristics of speed-up period during cold start in a diesel engine[J]. Energy，2018，150：164-175.

[9]王成官，樓狄明，譚丕強(qiáng)，等.模擬海拔高度對柴油機(jī)燃燒影響的可視化試驗(yàn)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，48（04）：552-558.

[10]WANG Y C，HAO C X，GE Y S，et al.Fuel consumption and emission performance from light-duty conventional/hybridelectric vehicles over different cycles and real driving tests[J]. Fuel，2020，278：118340.

[11]吳美璇，趙子宇，李浩，等.不同工作條件對柴油機(jī)尾氣污染物排放特性的影響綜述[J].土木與環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2022，44（01）：197-206.

[12]吉江林，趙海光，鄭豐等.法規(guī)工況下輕型汽油車氨排放特征[J].環(huán)境科學(xué)研究，2022，1001-6929（2022）05-1176-07.

[13]國家統(tǒng)計(jì)局.中國統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京：中國統(tǒng)計(jì)出版社2021.

[14]生態(tài)環(huán)境部.中國移動源環(huán)境管理年報(bào)[M]，北京：中國環(huán)境出版社2021.

[15]BORSARI V，de ASSUN??O J V.Ammonia emissions from a light-duty vehicle[J].Transportation Research Part D：Transport and Environment，2017，51：53-61.

[16]HEEB N V，F(xiàn)ORSS A M，BR?HLMANN S，et al.Three-way catalyst-induced formation of ammonia-velocity- and accelerationdependent emission factors[J].Atmospheric Environment，2006，40（31）：5986-5997.

[17]JIM?NEZ-PALACIOS J L.Understanding and quantifying motor vehicle emissions with vehicle specific power and TILDAS remote sensing[D].Cambridge：Massachusetts Institute of Technology，1999.

[18]US Environmental Protection Agency.Exhaust emission rates for light-duty onroad vehicles in MOVES3[R].Washington DC： Office of Transportation and Air Quality，2020.