王 猛， 趙陸明， 劉文亮， 溫旭君， 楊偉才

(北京奔馳汽車(chē)有限公司 研發(fā)中心 北京100176)

直噴汽油車(chē)在低溫環(huán)境下顆粒數(shù)量排放特性研究

王 猛， 趙陸明， 劉文亮， 溫旭君， 楊偉才

(北京奔馳汽車(chē)有限公司 研發(fā)中心 北京100176)

低溫(-7℃)條件下，在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上測(cè)量了直噴汽油車(chē)在WLTC循環(huán)下的顆粒物數(shù)量排放，以研究車(chē)速變化對(duì)顆粒物數(shù)量的影響.對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在低溫條件下，直噴汽油車(chē)顆粒物數(shù)量排放在啟動(dòng)階段達(dá)到峰值，濃度比常溫啟動(dòng)排放高一個(gè)數(shù)量級(jí)；啟動(dòng)和低速階段排放的顆粒物數(shù)量占到總WLTC循環(huán)排放量的90 %以上；熱車(chē)后,顆粒數(shù)量排放隨工況變化不是很敏感.

直噴汽油車(chē)；WLTC工況；低溫；顆粒數(shù)量；排放

隨著機(jī)動(dòng)車(chē)排放水平的提高，以及國(guó)家環(huán)保部第六階段輕型車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)的推出，我國(guó)計(jì)劃于2020年開(kāi)始執(zhí)行第六階段輕型車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)[1].新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輕型車(chē)顆粒物數(shù)量排放提出明確要求，因此，排放顆粒物的研究已成為汽車(chē)排放行業(yè)研究的重點(diǎn).從機(jī)動(dòng)車(chē)排放顆粒物的有害性來(lái)看，機(jī)動(dòng)車(chē)排放的細(xì)顆粒更具有很強(qiáng)的毒理性[2]，顆粒粒徑越小，呼吸后，在人體的肺部沉積速率越快[3]，超細(xì)顆粒(粒徑<100 nm)對(duì)健康危害要遠(yuǎn)大于粗顆粒的危害[4].

本研究采用車(chē)輛在WLTC(Worldwide harmonized Light duty vehicle Test Cycle)工況下行駛，控制車(chē)輛測(cè)試的環(huán)境溫度為-7℃，為了對(duì)比，也在常溫22 ℃環(huán)境下對(duì)相同研究對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，探討車(chē)輛顆粒數(shù)量排放在常低溫起動(dòng)后隨車(chē)速瞬態(tài)變化及分布情況.

1 研究方法、對(duì)象及設(shè)備

測(cè)試工況采用WLTC工況，分為4個(gè)階段：分別為低速、中速、高速和超高速階段，相比之前的NEDC工況，主要變化為：勻速工況時(shí)間變短、時(shí)間拉長(zhǎng)、里程增大、加減速度變大，手動(dòng)檔車(chē)換擋動(dòng)作增加等；工況主要參數(shù)如表1，工況圖如圖1.

表1 WLTC工況主要參數(shù)

按照測(cè)試流程，對(duì)選取的車(chē)輛進(jìn)行低溫預(yù)處理，在-7 ℃條件下把車(chē)輛靜止12小時(shí)，然后進(jìn)行低溫排放測(cè)試；常溫試驗(yàn)按照國(guó)六排放法規(guī)要求進(jìn)行測(cè)試，然后和低溫測(cè)試結(jié)果比較.

燃油采用北京市售第五階段燃油，尾氣收集采樣利用全流稀釋系統(tǒng)采樣.研究車(chē)輛裝有1.6 L排量廢氣渦輪增壓前驅(qū)車(chē)，車(chē)輛及發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)如表2.試驗(yàn)車(chē)輛用油品及環(huán)境條件如表3.

圖1 WLTC工況

表2 研究對(duì)象主要參數(shù)

排量/L里程/km供油方式發(fā)動(dòng)機(jī)型式后處理類型額定功率/kW1.64500缸內(nèi)直噴直列四缸三元催化劑115(5500r·min-1)

表3 燃料主要參數(shù)

顆粒計(jì)數(shù)系統(tǒng)其功能測(cè)試粒徑在23 nm-2.5 μm范圍.稀釋后的排氣經(jīng)過(guò)大顆粒篩除后，再進(jìn)行兩級(jí)不同溫度下的稀釋，總的稀釋比為500-1 000之間.主要的測(cè)試設(shè)備如表4.

表4 試驗(yàn)主要設(shè)備信息

2 研究結(jié)果

測(cè)試后，把濃度結(jié)果校正后，與體積及車(chē)輛里程對(duì)應(yīng)，得到顆粒數(shù)量排放結(jié)果，如表5.

從表5結(jié)果來(lái)看，相比常溫排放，低溫下，直噴汽油車(chē)單位里程顆粒物數(shù)量排放結(jié)果增加明顯：至少增加1倍以上，冷起動(dòng)運(yùn)行階段增加超過(guò)4倍，數(shù)量達(dá)到1×1013個(gè)級(jí)別；熱車(chē)后的3個(gè)工況基本都處于1×1012個(gè)級(jí)別以下，超高速階段顆粒排放相比中高速階段都有所增加.

表5 車(chē)輛單位里程顆粒數(shù)量排放結(jié)果

圖2和圖3是兩種溫度模式下，顆粒數(shù)量模態(tài)濃度值.從圖中很明顯可以看出，兩種溫度環(huán)境下，車(chē)輛冷啟動(dòng)的300秒內(nèi)，每一次車(chē)輛加速過(guò)程都伴隨著顆粒物生成的一個(gè)峰值.這主要是因?yàn)檐?chē)輛剛啟動(dòng)，車(chē)輛后處理系統(tǒng)溫度不夠高[5]，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度也低，車(chē)輛加速，噴油增加，霧化不充分[6-7]，導(dǎo)致短期內(nèi)顆粒物大量生成，顆粒數(shù)量急劇上升到一個(gè)峰值；相比常溫冷起動(dòng)時(shí)，-7 ℃冷起動(dòng)顆粒物數(shù)量濃度能達(dá)到107個(gè)·cm-3數(shù)量級(jí)，比常溫冷起動(dòng)高一個(gè)數(shù)量級(jí). 隨著發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)過(guò)程結(jié)束，顆粒排放開(kāi)始下降并趨向于穩(wěn)定狀態(tài).

圖2 -7℃冷起動(dòng)顆粒數(shù)量濃度隨車(chē)速變化情況

圖3 常溫冷起動(dòng)顆粒數(shù)量濃度隨車(chē)速變化情況

圖4和圖5分別是-7 ℃和常溫下，WLTC工況顆粒物數(shù)量排放總量按照4個(gè)階段分布統(tǒng)計(jì)情況：可以看出，無(wú)論是-7 ℃條件下，還是常溫條件下，低速冷起動(dòng)階段顆粒物數(shù)量排放均占到90 %以上；熱車(chē)后的3個(gè)工況階段，顆粒物排放很低，占總量的不到10 %，宏觀上反映出低溫冷起動(dòng)階段對(duì)顆粒物排放的影響最大.

針對(duì)研究的對(duì)象，可以得出關(guān)于直噴汽油車(chē)顆粒物數(shù)量在-7 ℃條件下，WLTC工況試驗(yàn)結(jié)論：

1)-7 ℃冷啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，顆粒排放數(shù)量在1×1013數(shù)量級(jí)別，比常溫起動(dòng)排放高出約一個(gè)數(shù)量級(jí).

2)WLTC工況四個(gè)階段顆粒數(shù)量排放，主要集中在起步后的第一個(gè)低速工況階段.從定量角度分析來(lái)看，顆粒數(shù)量排放90 %左右集中于低速起動(dòng)工況，且持續(xù)時(shí)間約為300秒.

圖4 低溫下顆粒數(shù)量按四個(gè)階段分布情況

圖5 常溫下顆粒數(shù)量按四個(gè)階段分布情況

3 結(jié) 論

從國(guó)6法規(guī)要求來(lái)看，如何控制在低溫，特別是0 ℃以下環(huán)境啟動(dòng)時(shí)，顆粒物的排放是一個(gè)難點(diǎn)，從常規(guī)的加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)角度，應(yīng)開(kāi)始考慮如何匹配車(chē)輛燃料供給和后處理系統(tǒng)快速升溫之間的關(guān)系，比如采取大容量電瓶預(yù)加熱燃油及催化器，使車(chē)輛排放在起動(dòng)后迅速降下來(lái)，以滿足日益嚴(yán)格的法規(guī)要求.

所以，在我國(guó)北方冬天等寒冷天氣下，條件允許的前提下，應(yīng)盡量減少冷起動(dòng)次數(shù)，盡量避免急加速行駛，以便減少顆粒物排放，保護(hù)環(huán)境.

[1] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB18352. 6—2016輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)[S].

[2] Smallwood G，Snelling D， Gulder O，et al． Transient Particulate Matter Measurements from the Exhaust of a Direct Injection Spark Ignition Automobile[J].SAE 2001-01-3581．

[3] 胡 彬，陳 瑞，徐建勛，等．霧霾超細(xì)顆粒物的健康效應(yīng)[J]．科學(xué)通報(bào)，2015,60(30)：2808-2823．

[4] 胡建榮，許華俊，李慶云，等． 細(xì)顆粒物PM_(2.5)對(duì)全身各系統(tǒng)疾病的影響及相關(guān)機(jī)制研究進(jìn)展[J]．臨床肺科雜志，2015，20(5)：926-928．

[5] 帥石金，董哲林，鄭 榮，等．車(chē)用汽油機(jī)顆粒物生成機(jī)理及排放特性研究進(jìn)展[J]．內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2016，34(2)：105-116．

[6] 鐘祥麟，李 偉，王建海． GDI汽油車(chē)PM2.5數(shù)量排放研究[J]．汽車(chē)技術(shù)，2014(2)：28-30．

[7] 解 難，李 昌，胡月昆，等．環(huán)境溫度對(duì)缸內(nèi)直噴汽油車(chē)顆粒物排放特性的影響[J]．車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2015(2)：49-52．

EmissionCharacteristicsofParticleNumberforDirectInjectionGasolineCarinLowTemperatureEnvironment

WANG Meng, ZHAO Lu-ming, LIU Wen-liang, WEN Xu-jun, YANG Wei-cai

(Beijing Benz Automotive Co. Ltd. R&D Center, Beijing 100176, China)

At the low temperature of -7℃, the concentration of the particle numbers was measured to vary with the speed of a direct injection gasoline car on the chassis dynamometer under the WLTC test cycles. The results showed that under the low temperature condition, the particle number was noticed to reach the peak value during the engine starting, and their concentration was one order higher than that at the normal temperature. The amount of particulates emitted from the stages of both the Start-up and Low-speed accounts for more than 90% of the total WLTC cycles. The emission of particle number for a warm-start engine is not very sensitive with the change of the working conditions.

direct injection gasoline vehicle；WLTC cycle；low temperature；particle number；emission

1009-4687(2017)04-0049-04

2017-08-20

王 猛(1984-),男，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)動(dòng)車(chē)排放的控制.

TK421

A