GDI汽油車PM2.5數量排放研究

鐘祥麟李偉王建海

（中國汽車技術研究中心）

GDI汽油車PM2.5數量排放研究

鐘祥麟李偉王建海

（中國汽車技術研究中心）

利用固體顆粒測量設備MEXA-1000SPCS，對滿足京Ⅴ排放標準的歐美日及國產中小排量典型GDI汽油車進行了PM2.5排放測試，并進行冷、熱起動對比試驗。結果表明，滿足京Ⅴ排放標準的GDI汽油車其PM2.5數量排放基本在2.14×1012～5.12×1012區間，數量級為1012；冷起動是GDI汽油車產生PM2.5排放的主要原因；瞬時加速是GDI汽油車產生PM2.5排放的主要工況。

1 前言

相關研究表明，大氣中PM2.5的主要排放源是機動車尾氣排放，而且相對于PM10排放比重更高，對人體健康危害更大。近年來對機動車顆粒物排放的研究多集中于顆粒物的質量排放，對其數量排放的研究較少[1]。目前，我國的排放法規對顆粒物排放的限制是以質量為衡量標準，從國際趨勢來看，歐Ⅴ標準在質量和數量2個方面都加以限制，可以預見顆粒物的數量排放也將是我國推行未來排放法規的一個關注重點。

基于我國乘用車的發展特點，采用GDI技術的汽油車型在市場上的占有率越來越高，由于其PM2.5的排放高于傳統的MPI汽油機，所以有必要對其排放特性進行研究。為此，利用HORIBA公司的固體顆粒數測量設備MEXA-1000SPCS，對滿足京Ⅴ排放標準的部分GDI汽油車型PM2.5排放數量進行了測試，以獲得其排放特性。

2 試驗方案

針對PM2.5的主要排放源（機動車），選取占我國市場主流地位的歐系、美系、日系及國產中小排量GDI汽油車作為試驗樣車。試驗樣車均采用GDI+增壓技術且滿足京Ⅴ排放標準，所用燃油為92#汽油。試驗在環境倉（德國IMTECH）內進行，由四驅底盤測功機（德國MAHA）提供道路模擬阻力，排放污染物經CVS系統稀釋后，由日本HORIBA公司開發的顆粒物計數設備MEXA-1000SPCS實時測量其PM2.5數量。MEXA-1000SPCS符合顆粒物測量計劃（Particulate Measurement Program，PMP）的測試規程，此規程為聯合國歐洲經濟委員會車輛結構工作組（UN/ECE/WP29）和污染與能源工作組（GRPE）聯合制定的。MEXA-1000SPCS的顆粒物分割點為2.5 μm，其測量范圍為23 nm～2.5 μm。該設備主要由揮發性粒子去除單元（加熱稀釋器PND1、冷卻稀釋器PND2、蒸發器）和凝結粒子計數器（CPC）構成，顆粒物采樣系統原理如圖1[2]所示。試驗時，試驗樣車的排放污染物通過CVS系統進行稀釋，然后經過加熱稀釋器（PND1）、加熱蒸發管（ET）、冷卻稀釋器（PND2）后，再由凝結粒子計數器（CPC）測得PM2.5排放數量。

試驗樣車按GB18352.3—2005中規定的I型試驗方法進行試驗，冷起動試驗時采用NEDC工況循環[3]，如圖2所示。熱起動試驗時，為保證試驗初始狀態的一致性，試驗樣車均先以80 km/h的速度運行10 min后停車，然后再重新點火并采用NEDC工況循環進行熱起動試驗。試驗過程中，利用M EXA-1000SPCS對試驗樣車的PM2.5排放數量進行采樣測量。

3 試驗結果分析

3.1 GDI汽油車PM2.5排放數量統計

表1為中小排量GDI汽油車PM2.5排放數量統計結果。由表1可知，GDI汽油車的PM2.5排放數量基本在2.14×1012～5.12×1012內，數量級為1012，與歐Ⅵ排放標準（6×1011）有一定差距。

表1 中小排量GDI汽油車PM2.5排放數量統計結果

3.2 GDI汽油車PM2.5瞬態排放分析

為了明確不同技術路線的GDI汽油車PM2.5排放特性，選取不同系別的2.0LGDI汽油車做進一步對比分析。圖3為各系別車型PM2.5排放數量瞬態特征對比曲線。

由圖3a可看出，在冷起動階段，歐系、美系、日系和國產樣車的PM2.5排放水平均較高，這是由于此時水溫較低，可燃混合氣霧化不良造成的。隨著水溫升高趨于穩定，PM2.5排放逐漸降低趨于穩定。由圖3b可看出，當車速接近120 km/h時，PM2.5排放數量升高明顯，這與高速大負荷噴油加濃有關。從圖3可看出，各車型在加速時刻的PM2.5排放數量出現峰值，說明加速是產生PM2.5的主要工況，瞬態加速階段混合氣偏濃是主要原因。

圖4為各系別2.0L GDI汽油車PM2.5排放數量分階段對比結果。由圖4可看出，在NEDC工況循環Ⅱ階段的PM2.5排放數量明顯低于Ⅰ階段，其中歐系、美系、日系和國產車型分別降低63%、94%、95%和84%。

3.3 GDI汽油車冷、熱起動PM2.5排放對比分析

為了研究冷、熱起動對GDI汽油車PM2.5排放的影響，選取1臺排量為2.0L GDI汽油車進行冷、熱起動對比試驗，結果如圖5所示。

從圖5a和圖5b可知，在整個NEDC工況循環下，冷起動試驗時的PM2.5排放數量普遍高于熱起動試驗時，熱起動時4個市區循環的PM2.5排放變化趨勢一致，無明顯差異，且市郊工況與市區工況PM2.5排放數量級一致。

圖6為冷起動時NEDC工況Ⅰ階段各運轉循環PM2.5排放占比，其中第1運轉循環的PM2.5排放量占總排放量的62%，是產生PM2.5排放的主要階段。隨著水溫的逐漸升高，其后的3個運轉循環的PM2.5排放量占排放總量的比重逐漸減小。

圖7 為GDI汽油車分階段冷、熱起動時PM2.5排放數量統計結果。從圖7可看出，與冷起動相比，在NEDC工況循環Ⅰ階段，熱起動時的PM2.5排放數量下降78%；在NEDC工況循環Ⅱ階段，熱起動時的PM2.5排放數量下降22%，但絕對值都較低；綜合整個運轉循環，PM2.5排放數量下降63%。因此，冷起動是產生PM2.5排放的主要原因。

4 結束語

利用MEXA-1000SPCS對滿足京Ⅴ排放標準的GDI汽油車進行了PM2.5排放測試，并選取典型車型進行了冷、熱起動對比試驗，結果表明：

a.滿足京Ⅴ排放標準的各系別GDI汽油車的PM2.5數量排放基本在2.14×1012～5.12×1012內，數量級為1012，與歐Ⅵ排放標準有一定差距；

b.冷起動是GDI汽油車產生PM2.5排放的主要原因，熱起動比冷起動的PM2.5排放下降63%，說明GDI汽油車PM2.5的形成很大程度受發動機缸內燃燒溫度的影響；

c.冷起動與熱起動試驗時，在整個NEDC循環每一加速階段PM2.5排放瞬時升高，在每一減速階段PM2.5排放瞬時降低，與車輛加速時發動機燃燒混合氣偏濃、減速時混合氣偏稀有關，瞬時加速會造成PM2.5瞬時升高。

1Kokko J，Rantanen L.Reduced particulate emissions with reformulated gasoline//SAE Paper，2000-01-2017.

2Mexa-1000spcs solid particle counting system.Sept.2007 Automotive Test Systems HORIBA，Ltd.

3國家環境保總局.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）.北京：中國環境科學出版社，2005.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年11月22日。

Research on PM2.5 Emission of GDI Gasoline Vehicle

Zhong Xianglin，Li Wei，Wang Jianhai
（China Automotive Technology and Research Center）

Using solid particle measuring equipment MEXA-1000SPCS to test the overseas GDI gasoline vehicles (from the European，U.S and Japanese automakers)and some typical homemade medium and small-displacement GDI gasoline vehicles which satisfy Beijing V emission standard regarding PM2.5 emission，and the contrast test on the cold and hot starting is also carried out.The results show that currently PM2.5 emission produced by GDI gasoline vehicles which satisfy Beijing V emission standard basically falls in the range of 2.14×1012～5.12×1012，order of magnitude is 1012. Cold start is the main contributor of PM2.5 emissions of GDI gasoline vehicle.Instantaneous acceleration is the main working condition that produces PM2.5 emissions of GDI gasoline vehicle.

GDI gasoline vehicle,PM2.5 emission,Test

GDI汽油車PM2.5排放測試

U467.4+8

：A文獻標識碼：1000-3703（2014）02-0028-03