輕型汽油車顆粒物數(shù)濃度排放特征研究*

馬 超 張瀟文 李 倩 趙成國 邊向征 吳 琳 毛洪鈞#

(1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津市城市交通污染防治研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300071；2.天津市中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；3.天津津環(huán)環(huán)境工程咨詢有限公司，天津 300301；4.天津市生態(tài)環(huán)境保護(hù)綜合行政執(zhí)法總隊(duì)，天津 300191；5.廊坊市環(huán)境科學(xué)研究院，河北 廊坊 065000)

近年來，機(jī)動(dòng)車的顆粒物排放逐漸成為城市空氣顆粒物的主要排放源之一。據(jù)報(bào)道，機(jī)動(dòng)車顆粒物排放對(duì)北京、鄭州、西安等城市空氣PM2.5的貢獻(xiàn)率在10.0%～38.0%[1-3]，是當(dāng)前城市空氣污染防治關(guān)注的重點(diǎn)之一。早前針對(duì)機(jī)動(dòng)車顆粒物排放的研究主要集中在對(duì)柴油車排放的顆粒物質(zhì)量濃度(PM)的測(cè)定上[4-6]。近期研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)顆粒物對(duì)健康的威脅更大[7-8]，但其在PM中占比較小[9]；此外，顆粒物數(shù)濃度(PN)測(cè)量在分辨率、速度和精度方面優(yōu)于PM測(cè)量[10]。因此，PN正取代PM，成為顆粒物測(cè)量的新手段。

目前，汽油直噴(GDI)正取代傳統(tǒng)的進(jìn)氣道燃油噴射(PFI)成為輕型汽油車發(fā)動(dòng)機(jī)中的主要類型[11]243，GDI車排放的PN不僅高于PFI車[12]116941，甚至比配備柴油顆粒過濾器(DPF)的柴油車高4～4 500倍[13]。因此，以GDI車為代表的輕型汽油車顆粒物排放是城市空氣污染防治面臨的新問題。國外針對(duì)GDI車的PN排放已進(jìn)行了大量研究，很多學(xué)者通過路上實(shí)測(cè)或法規(guī)工況對(duì)GDI車的PN排放進(jìn)行測(cè)定，并與PFI車進(jìn)行了對(duì)比[14-15]，但國內(nèi)在該方面的研究中稍顯不足，特別是針對(duì)速度、加速度等影響因素下GDI車的PN排放特征研究仍相對(duì)較少。因此，本研究選取發(fā)動(dòng)機(jī)類型為GDI及PFI的輕型汽油車為對(duì)象，在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行全球統(tǒng)一輕型車排放測(cè)試循環(huán)(WLTC)工況測(cè)試，分析發(fā)動(dòng)機(jī)類型、速度和加速度等對(duì)PN排放的影響，為完善輕型汽油車顆粒物排放特征研究，加強(qiáng)機(jī)動(dòng)車污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 測(cè)試車輛

試驗(yàn)測(cè)試車輛信息見表1，測(cè)試車輛用油均為天津市售E10汽油。

1.2 測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)中使用的顆粒物在線測(cè)試設(shè)備由芬蘭Dekati公司的靜電低壓撞擊器(ELPI)、ELPI加熱套件(HU)及芬蘭Pegasor公司的MI3加熱采樣管組成，加熱溫度為180 ℃。ELPI根據(jù)各粒徑段的平均空氣動(dòng)力學(xué)直徑將顆粒物分為14個(gè)粒徑段，并通過設(shè)備軟件將其擴(kuò)展為100個(gè)粒徑段。底盤測(cè)功機(jī)為奧地利AVL公司的VECON_2016，可以模擬車輛測(cè)試工況，并實(shí)時(shí)記錄車輛的速度和加速度信息。連接尾氣管的耐高溫聚氯乙烯(PVC)采樣管中的尾氣一部分進(jìn)入MI3加熱管，供測(cè)試系統(tǒng)分析測(cè)試，多余的尾氣引出室外。試驗(yàn)中測(cè)試設(shè)備的布置見圖1。

1.3 測(cè)試工況

試驗(yàn)工況為WLTC工況，其總運(yùn)行時(shí)間為1 800 s，最高速度123.1 km/h，行駛里程23.27 km，加速度范圍-1.2～1.0 m/s2，相比新歐洲工況(NEDC)具有更長(zhǎng)的加速段和驅(qū)動(dòng)段，相比美國環(huán)保署測(cè)試工況(FTP-75)具有更高的平均速度和最大速度，因此更接近實(shí)際道路行駛工況[12]116942。

1.4 質(zhì)量控制

試驗(yàn)開始前，開啟測(cè)試儀器并進(jìn)行預(yù)熱、反吹和標(biāo)零等工作。其中ELPI開機(jī)后需要反吹30 min左右，使測(cè)試數(shù)值穩(wěn)定。測(cè)試前將車輛在底盤測(cè)功機(jī)上運(yùn)行NEDC工況，使得車輛充分預(yù)熱，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度達(dá)到轉(zhuǎn)轂實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫度，即(25±2)℃，然后開始試驗(yàn)測(cè)試。為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，每輛車重復(fù)測(cè)試WLTC工況3次，并且兩次測(cè)試的時(shí)間間隔不低于12 h。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括對(duì)車速、尾氣流量和PN排放數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間對(duì)正；去除數(shù)據(jù)中的負(fù)值、缺失值和異常值。

表1 試驗(yàn)測(cè)試車輛主要信息

圖1 測(cè)試設(shè)備布置

表2 測(cè)試車輛的PN平均排放因子以及與參考文獻(xiàn)對(duì)照

注：1)為日本HORIBA公司生產(chǎn)的MEXA-7400HTR-LE型車載尾氣排放測(cè)試(PEMS)設(shè)備；2)為日本HORIBA公司生產(chǎn)的OBS-ONE型PEMS設(shè)備。

2 結(jié)果與討論

2.1 PN排放因子

測(cè)試車輛WLTC工況下的PN排放因子測(cè)試結(jié)果見表2。由表2可知，3#、4#測(cè)試車的平均PN排放因子分別為2.098×1013、2.619×1013個(gè)/km，明顯高于1#、2#測(cè)試車的7.486×1011、3.174×1012個(gè)/km，可見GDI技術(shù)導(dǎo)致了PN排放的增加，文獻(xiàn)[15]、文獻(xiàn)[16]、文獻(xiàn)[17]中也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律。

由表2可見，本研究PFI和GDI測(cè)試車的PN平均排放因子與文獻(xiàn)值相差較大，這是因?yàn)楸狙芯恐蓄w粒物測(cè)量方法為加熱直采，全過程保持180 ℃高溫，避免了稀釋及降溫對(duì)超細(xì)顆粒物的影響，加之車輛行駛里程、測(cè)試工況、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和測(cè)試設(shè)備類型等的不同，使得測(cè)試值與文獻(xiàn)存在一定偏差。

2.2 顆粒物粒徑分布

依據(jù)測(cè)試車輛PN排放速率得到顆粒物的粒徑分布，將顆粒物分為核模態(tài)顆粒(0～0.010 μm)、艾根模態(tài)顆粒(0.010～0.100 μm)、積聚顆粒(0.100～2.000 μm)和粗顆粒(2.000～10.000 μm)[18]。參照LEACH等[19]602的顆粒物粒徑分布表示方式，將PN排放速率的量值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)濃度，其計(jì)算見式(1)。PFI和GDI測(cè)試車的PN排放速率的粒徑分布分別見圖2、圖3。

(1)

式中：N為顆粒物排放數(shù)濃度，個(gè)/s；Dp為顆粒物所在粒徑段的中值粒徑，μm；Dp,u為粒徑段上限，μm；Dp,l為粒徑段下限，μm。

從圖2、圖3可見，PFI和GDI測(cè)試車的PN均呈現(xiàn)雙峰分布，峰值分別位于0.008～0.010、0.028～0.033 μm，與LEACH等[19]603的研究結(jié)果相似。PFI測(cè)試車排放的PN中50%集中于粒徑小于0.033 μm的粒徑段，GDI測(cè)試車排放的PN中50%集中于粒徑小于0.010 μm的粒徑段。LEACH等[19]600、ZHU等[20]231和LIANG等[21]研究的GDI車及PFI車的PN累積50%的粒徑為0.023 μm，相比而言，本研究中PFI測(cè)試車PN累積50%的粒徑相對(duì)偏大。出現(xiàn)偏差的原因除環(huán)境溫度、測(cè)試車輛型號(hào)等以外，還可能是由于不同測(cè)試儀器顆粒物穿透性能和檢測(cè)效率的差異導(dǎo)致。此外，PFI測(cè)試車排放的PN中艾根模態(tài)顆粒占比最高，占PN的70%以上，PN最高值在0.028～0.033 μm。與之相比，GDI測(cè)試車排放的PN中核模態(tài)顆粒占比上升，達(dá)到40%～60%，PN最高值在0.008～0.010 μm。

圖2 PFI測(cè)試車PN排放速率的粒徑分布

圖3 GDI測(cè)試車PN排放速率的粒徑分布

2.3 速度、加速度對(duì)PN排放的影響

根據(jù)WLTC工況點(diǎn)的速度、加速度分布，將測(cè)試車輛的行駛狀態(tài)劃分為減速(加速度<-0.14 m/s2)，均速(-0.14 m/s2≤加速度≤0.14 m/s2)和加速(加速度>0.14 m/s2)3個(gè)工況，每個(gè)工況劃分5個(gè)速度區(qū)間，各速度區(qū)間的工況點(diǎn)數(shù)量見圖4。由圖4可知，測(cè)速全區(qū)間減速、勻速和加速各包括524、735、541個(gè)工況點(diǎn)，每個(gè)速度區(qū)間的工況點(diǎn)數(shù)量為67～281個(gè)。

圖4 WLTC在各速度區(qū)間中的工況點(diǎn)數(shù)量

4輛測(cè)試車的PN排放速率與速度、加速度關(guān)系見圖5。由圖5可知，勻速工況下PFI測(cè)試車的PN排放速率隨著車速的增加先升高后降低，在車速達(dá)到≥80 km/h時(shí)又重新升高，排放高峰分布在20～40 km/h的低速區(qū)間和≥80 km/h的高速區(qū)間；GDI測(cè)試車PN排放速率隨速度增加總體呈上升趨勢(shì)，排放高峰分布在≥80 km/h的高速區(qū)間。在車速為0～40 km/h時(shí)，PFI和GDI發(fā)動(dòng)機(jī)因燃燒室溫度較低而燃燒不充分[22]，引起PN排放增加；當(dāng)車速處于40～80 km/h時(shí)，PFI發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)溫度上升，燃油充分燃燒，PN排放逐步下降，而GDI發(fā)動(dòng)機(jī)因燃油噴射系統(tǒng)難于使燃料霧化形成均勻的混合物，不完全燃燒仍較多，PN排放隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、噴油量升高而進(jìn)一步上升[23]7,[24]17；車速處于≥80 km/h的高速區(qū)間時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加導(dǎo)致噴油量增加[25]433，空燃比下降[24]16，促進(jìn)了顆粒物的團(tuán)聚過程[25]433，大量粒徑在0.010～0.020 μm以及低于0.006 μm的顆粒物產(chǎn)生[20]231，導(dǎo)致PN排放量增加[26]。

總體看來，PFI測(cè)試車在加速和減速工況以及GDI測(cè)試車在加速工況下，PN的排放速率在40～80 km/h的中速區(qū)間高于勻速工況，分別是勻速工況PN排放速率的1.09～1.52、1.23～4.11、1.12～2.07倍。GDI測(cè)試車加速和減速工況下PN的排放速率在0～20 km/h的低速區(qū)間高于勻速工況，是勻速工況的1.26～1.75、1.39～4.45倍。當(dāng)車輛處于40～80 km/h的中速行駛狀態(tài)時(shí)，加速導(dǎo)致更多的燃油被注入發(fā)動(dòng)機(jī)[24]17，發(fā)動(dòng)機(jī)富燃區(qū)域擴(kuò)大，PN排放量升高，與此同時(shí)中速行駛狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)溫度較高，有利于燃油快速裂解產(chǎn)生半揮發(fā)性有機(jī)物，其在富燃條件下快速團(tuán)聚生成大量核模態(tài)和艾根模態(tài)顆粒物[27]，導(dǎo)致4輛測(cè)試車在40～80 km/h加速時(shí)PN排放超過勻速工況。對(duì)于減速過程中PN排放增加的情況，LANG等[23]10和ZHU等[20]230在對(duì)PFI車和GDI車的測(cè)試中已有發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象同樣在重型柴油車的測(cè)試中發(fā)現(xiàn)[28]，但目前較少有文獻(xiàn)對(duì)該問題進(jìn)行探討。較可靠的解釋為：當(dāng)車輛處于減速狀態(tài)時(shí)，缸內(nèi)燃燒溫度降低，未充分燃燒的碳?xì)浠衔?HC)濃度上升[29]，而粒徑4～8 nm的顆粒90%由HC產(chǎn)生[30]6。減速過程中發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度的降低，導(dǎo)致尾氣中半揮發(fā)性有機(jī)化合物(SVOC)凝結(jié)成核，在排氣中重新形成顆粒，因此PN排放增加[30]10。GDI車因渦輪增壓的進(jìn)氣方式使得發(fā)動(dòng)機(jī)有較高的燃燒溫度和空燃比[31]，不利于凝結(jié)成核，因此在20～80 km/h的減速工況排放較低。但在0～20 km/h，GDI測(cè)試車在勻速工況下PN排放因發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓的進(jìn)氣控制及燃油直噴系統(tǒng)精確的噴油控制而排放較低，但WLTC工況在該速度區(qū)間中包含許多啟停和瞬態(tài)加減速工況，在啟停和瞬態(tài)加減速過程中，負(fù)荷變化快且頻繁，渦輪增壓器的空氣供應(yīng)無法立即與燃料流量相匹配，因此非理想燃燒頻繁出現(xiàn)[11]247，加之燃燒溫度和排放溫度較低，促使加速和減速工況下PN排放的增加。

圖5 PN排放速率與速度、加速度關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)GDI測(cè)試車的PN平均排放因子為2.098×1013～2.619×1013個(gè)/km，遠(yuǎn)高于PFI測(cè)試車的7.486×1011～3.174×1012個(gè)/km。

(2)PFI測(cè)試車排放的PN中50%以上集中于粒徑小于0.033 μm的粒徑段；GDI測(cè)試車排放的PN中50%以上集中于粒徑小于0.010 μm的粒徑段。

(3)勻速工況下，PFI測(cè)試車PN的排放高峰分布在20～40 km/h的低速區(qū)間和≥80 km/h的高速區(qū)間，GDI測(cè)試車PN的排放高峰分布在≥80 km/h的高速區(qū)間。

(4)PFI測(cè)試車加速和減速工況下，PN排放速率在40～80 km/h的中速區(qū)間高于勻速工況。GDI測(cè)試車加速工況的PN排放速率，在0～20 km/h的低速區(qū)間和40～80 km/h的中速區(qū)間高于勻速工況；減速工況的PN排放速率在0～20 km/h的低速區(qū)間內(nèi)高于勻速工況。