環境溫度對缸內直噴汽油車顆粒物排放特性的影響

解難，李昌，胡月昆，王玉弟，錢國剛

(1.中國汽車技術研究中心，天津 300300； 2.廣汽豐田汽車有限公司，廣東 廣州 511455)

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環境溫度對缸內直噴汽油車顆粒物排放特性的影響

解難1，李昌2，胡月昆1，王玉弟2，錢國剛1

(1.中國汽車技術研究中心，天津 300300； 2.廣汽豐田汽車有限公司，廣東 廣州 511455)

利用電子低壓沖擊儀(ELPI)對一臺滿足國Ⅴ排放標準的缸內直噴汽油車進行了顆粒物排放特性研究。試驗按照NEDC測試循環在轉鼓試驗臺上進行,分別測量車輛在-15 ℃，-7 ℃和25 ℃下的顆粒物排放。通過對試驗結果的研究表明：3個溫度下，顆粒物的數量濃度隨溫度的下降大幅上升，粒徑分布范圍逐漸變大，均在相同粒徑下出現峰值；顆粒物體積濃度隨粒徑的增大而增大；數量濃度對表面積濃度的影響大于體積濃度，尤其在-15 ℃下，這種影響更加顯著。通過對顆粒物的瞬態排放結果的分析發現：3個溫度下，顆粒物的排放主要集中在NEDC循環前200 s，數量濃度隨車輛的加速而上升，隨減速而下降；在-15 ℃下，在整個NEDC循環的加速工況均出現表面積濃度的排放峰值，且峰值之間較為接近。

環境溫度； 缸內直噴； 汽油車； 顆粒； NEDC

汽油缸內直噴(GDI)發動機的顯著優點之一就是燃油經濟性比較好，一般能提高燃油經濟性達 20%左右[1]，因此在乘用車上的應用越來越廣泛。缸內直噴汽油機采用將液體燃油直接噴入氣缸的混合氣制備方式，不可避免地縮短缸內燃油與空氣的混合時間[2]，導致氣缸內出現局部混合氣過濃現象，不能完全燃燒，在高溫下生成大量的顆粒物，汽油車顆粒物數量排放相比柴油車同樣不容忽視[3-4]。國內相關研究單位在汽油車的顆粒物排放方面做了很多工作，主要集中在恒定溫度下的顆粒物的排放特性研究：王軍方[5]等在常溫下利用ELPI分析儀對NEDC循環下的汽油車和天然氣汽車的顆粒物排放進行了測量研究；高俊華[6]等在常溫下，在底盤測功機上按NEDC循環工況，使用輕型汽油車、輕型柴油車排放測試系統以及電子低壓沖擊儀(ELPI)對滿足國Ⅲ、國Ⅳ的氣道噴射和缸內直噴汽油車進行了冷起動和熱起動條件下的顆粒物排放特性研究；高繼東[7]等在常溫下基于NEDC循環分析儀對一臺歐Ⅲ排放汽油車進行了顆粒物粒徑分布特性的研究；王鳳濱[8]等利用ELPI分析儀對4輛采用不同技術的國Ⅳ排放汽油車進行了顆粒物分布特性的試驗研究。而車輛在實際運行過程中，經歷復雜多變的環境，眾所周知，冬季的空氣污染嚴重，多霧霾天氣，車輛在低溫下的顆粒物排放也越發受到人們的關注。本研究利用電子低壓沖擊儀測量低溫下缸內直噴汽油車的顆粒物排放，研究低溫下缸內直噴汽油車的顆粒物排放特性。

1 試驗系統與方法

1.1 試驗車輛

本研究所使用的車輛為滿足國Ⅴ排放法規的某自然吸氣缸內直噴汽油車，車輛的整備質量1 475 kg，排量為2.0 L，發動機標定功率為123 kW，標定轉速為6 500 r/min。試驗中所用燃油為95號國Ⅴ標準油，其基本參數見表1。

表1 試驗用油樣相關參數

1.2 試驗設備

試驗在中國汽車技術研究中心低溫環境試驗倉進行。試驗使用WEISS SD520’/30低溫環境倉保證試驗過程的溫濕度要求；使用AVL AMA4000分析系統和CVS2000定容取樣系統對車輛的氣態污染物進行測量；底盤測功機為AVL RPL1220測功機。

使用ELPI分析儀測試排氣中的顆粒物，ELPI由電暈放電器、低壓級聯撞擊器和多通道靜電計等部分組成，帶有12個測量通道，顆粒物粒徑測量范圍為0.007～10 μm。ELPI可應用在任何粒徑分布范圍較大，并且要求快速反應的場合。ELPI是根據空氣動力學原理來測量各級粒徑的顆粒數目濃度[9]。ELPI設備結構圖見圖1。

1.3 試驗方法

車輛在底盤測功機上進行試驗，試驗前在常溫環境中運行NEDC循環作為車輛的預處理；然后在試驗溫度下進行12 h以上的浸車，最后在該溫度下進行排放測試，同時采集試驗過程中的氣態污染物及顆粒物排放，試驗循環為NEDC循環[11]。結合環境倉的降溫能力及車輛的實際運行環境，選定在-15 ℃，-7 ℃及25 ℃下分別開展試驗。

2 試驗結果及分析

按照GB 18352—2013[11]標準對車輛進行排放試驗，排放結果見表2。

表2 車輛排放結果

從表中可以看出，各污染物的排放均遠低于排放限值，顯示車輛狀態良好，可以用于試驗研究。

2.1 顆粒物排放濃度分布的對比

按照前文中描述的試驗方法分別在3種溫度下進行試驗。圖2示出了在3種溫度下，試驗車輛顆粒物排放的數量濃度、表面積濃度和體積濃度的分布比較。

由圖2a可見，在3個溫度下，顆粒物的數量濃度均在0.17 μm粒徑附近出現峰值，可以看出數量濃度峰值對應的粒徑與試驗溫度無關，由車輛本身的性能所決定。由圖2a還可以看出，顆粒物數量濃度的峰值隨著試驗溫度的上升大幅度下降。在顆粒物粒徑分布方面：在-15 ℃下，顆粒物在粒徑0.03～2.52 μm范圍內均有分布，這類顆粒物即通常所說的PM2.5，這類細顆粒物由呼吸進入人的肺部,甚至可以穿過肺泡進人血液[12]，對人體的傷害較大；在-7 ℃和25 ℃下，顆粒物的粒徑分布范圍縮小為0.03～0.41 μm，可見隨著試驗溫度的上升，顆粒物的粒徑分布范圍縮小，向著小粒徑方向發展。

由圖2b可見，在3個溫度下，顆粒物的體積濃度隨著粒徑的加大而變大。在25 ℃和-7 ℃下，顆粒物體積濃度隨粒徑的變化趨勢線基本重合，其峰值也基本相同，在1.2×105～1.4×105μm3/cm3范圍內，可見小粒徑顆粒物對體積濃度分布影響不大；在-15 ℃下，體積濃度分布曲線在粒徑大于0.41 μm后與-7 ℃和25 ℃下的分布曲線脫離，呈現快速上升趨勢，峰值濃度為1.3×106μm3/cm3，為其他兩個溫度峰值體積濃度的10倍左右，可見，較大粒徑顆粒物(粒徑大于0.41 μm)的數量濃度對體積濃度的影響較大。

由圖2c可見，顆粒物表面積濃度的分布與體積濃度的分布類似，3個溫度下，均在粒徑0.17 μm處出現表面積濃度的小峰值，可見顆粒物數量濃度對表面積濃度的分布影響比體積濃度大。在-15 ℃下，當粒徑大于0.11 μm后，表面積濃度呈現不規則的折線分布，顯示其對粒徑的變化較為敏感，其峰值濃度為1×106μm2/cm3，發生在粒徑1.66 μm處，其他兩個溫度下，峰值濃度為1×105μm2/cm3，均發生在最大粒徑處。顆粒物的粒徑越小，其化學成分越復雜、毒性越大，這是因為小顆粒物的巨大表面積能使其吸附更多的有害物質，并能使毒性物質有更高的反應和溶解速度[13]。而且空氣中細顆粒物較多的數量及較大的表面積影響大氣的能見度，產生光化學煙霧，加劇溫室效應[14-15]。在-15 ℃下，粒徑大于0.11 μm后，顆粒物的表面積濃度就有明顯的增大趨勢，對環境的危害程度更大。

2.2 典型過渡工況對顆粒物排放的影響

顆粒物瞬時排放與循環工況有著密切的聯系，為此結合NEDC循環繪制整個循環顆粒物數量濃度和表面積濃度的分布曲線。3個溫度下，顆粒物排放數量濃度隨時間的變化見圖3。

由圖3可見，在3個溫度下，大部分的顆粒排放都集中在循環開始的200 s內，且隨時間變化趨勢相似；在-15 ℃下的數量濃度峰值最高，為3×107cm-3，-7 ℃下的數量濃度峰值為1×107cm-3，25 ℃下的數量濃度峰值為3×106cm-3。在3個溫度下，顆粒物數量濃度隨著車輛的加速而上升，隨著車輛的減速而降低，在怠速及等速運行過程中，顆粒物排放較少。主要原因是為了維持冷啟動車輛的穩定燃燒和加速性能，車輛采用了加濃混合氣的策略，另外由于進氣溫度較低、流速慢，造成燃油蒸發慢、霧化差，混合氣不均勻，不完全燃燒的HC和局部高溫缺氧燃燒產生的炭煙結合促使顆粒物排放迅速增加，加速時由于噴油量的增加更加劇了這一過程。在-15 ℃下，由于進氣溫度較低，燃油的蒸發和混合氣的形成過程處在不利的條件下，在整個循環的加速過程中，均出現不同程度的顆粒物數量排放峰值；隨著溫度的上升，整個循環加速過程的峰值逐漸下降；在25 ℃下，僅在循環開始200 s內出現明顯的顆粒排放，其他時間的顆粒物數量濃度均很小。

表面積濃度的分布(見圖4)與顆粒物排放的變化趨勢基本相同；-15 ℃時，在循環開始的200 s內和加速工況，表面積濃度均有峰值出現，且加速工況與循環開始200 s內的峰值之間的差別進一步減小，這是由于在加速工況，雖然顆粒的數量濃度低，但是大粒子所占比重加大，也造成了其表面積濃度與循環開始的200 s內的峰值差距減小，粒子整體的吸附性增強，對環境的破壞性增強。

3 結論

a) 缸內直噴汽油車冷啟動狀態下顆粒物數量很大，在-15～25 ℃范圍內，主要以粒徑2.52 μm以下的顆粒為主；隨著試驗溫度的升高，顆粒物數量濃度呈現下降趨勢；

b) 3個溫度下，顆粒物數量濃度均在粒徑0.17 μm處出現峰值，可見數量濃度峰值對應的粒徑與溫度無關，取決于車輛本身；隨著溫度的升高，顆粒物粒徑分布范圍減小；-15 ℃下，顆粒物在粒徑0.03～2.52 μm范圍內均有分布；在溫度為-7 ℃和25 ℃下，顆粒物的分布范圍減小，為0.03～0.41 μm；

c) 3個溫度下，體積濃度隨粒徑的增大而增大，-15 ℃下，粒徑大于0.41 μm時，粒徑體積濃度開始大幅升高，峰值濃度達到其他兩個溫度峰值的10倍；

d) 顆粒物數量濃度對表面積濃度的影響大于體積濃度；3個溫度下，表面積濃度均在數量濃度的峰值粒徑出現峰值；在-15 ℃下，顆粒物數量濃度對表面積濃度影響較大，當粒徑大于0.11 μm后，表面積濃度呈現折線分布，且升幅較大；

e) 在3個溫度下，顆粒物的排放主要集中在循環開始的200 s內，數量濃度隨車輛的加速而上升，隨減速而下降，其他工況的顆粒物排放很?。辉?15 ℃下，在整個循環的加速工況均出現表面積濃度峰值，且峰值之間較為接近，粒子的吸附能力增強，對環境破壞程度加大。

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[編輯：姜曉博]

Effect of Ambient Temperature on Particulate Emission Characteristics of GDI Passenger Car

XIE Nan1, LI Chang2, HU Yue-kun1, WANG Yu-di2, QIAN Guo-gang1

(1.China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300，China；2.Guangzhou Toyota Motor Co., Ltd., Guangzhou 511455，China)

Particulate emission characteristics of China-Ⅴ gasoline direct injection passenger car were measured by ELPI.On the test bench of chassis dynamometer, the particulate emissions at -15 ℃, -7 ℃ and 25 ℃ were measured respectively.The results show that the particulate numbers greatly increase with the decrease of temperature and the particle size distribution extends.In addition, the particulate numbers under three temperatures reach the peak in the same particle size.The volume fraction of particle increases with the increase of particle size.The effect of particulate number on surface fraction is larger than that of volume fraction, which is more significant at -15 ℃.Through analyzing the transient particulate emission, it is found that the exhaust particles mainly discharge during the first 200 s of NEDC and the number concentration increases with vehicle acceleration and decreases with vehicle deceleration.At -15 ℃, the surface fraction reaches the peak in acceleration conditions of whole NEDC test cycle and the peaks at three temperatures are fairly close.

ambient temperature； direct injection； gasoline passenger car； particulate emission； NEDC

2014-12-01；

2015-01-06

解難(1985—)，男，碩士，主要研究方向為輕型車排放與節能；xienan@catarc.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.010

TK411.51

B

1001-2222(2015)02-0049-04