侯宇旭，葛蘊(yùn)珊，王 欣，蘇 盛，譚建偉，郝利君

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081;2.廈門環(huán)境保護(hù)機(jī)動車污染控制技術(shù)中心，廈門 361021)

0 概述

生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國移動源環(huán)境管理年報(bào)(2020)》數(shù)據(jù)顯示，2019年中國汽車產(chǎn)銷量分別達(dá) 2 572.1 萬輛和2 576.9萬輛，機(jī)動車保有量近3.5億輛，全國66座城市汽車保有量超百萬，其中北京、成都等11市超300萬輛[1]。保有量的快速增長帶來了巨大的環(huán)境壓力，2019年中國機(jī)動車顆粒物排放量達(dá)7.4萬噸。

機(jī)動車顆粒物排放對環(huán)境和人體健康均構(gòu)成危害,顆粒物的環(huán)境危害主要源于其光學(xué)特性，粒子通過吸收與散射光，降低能見度，導(dǎo)致霧霾天氣的發(fā)生。同粒徑較大的大氣顆粒物相比，機(jī)動車排放的顆粒物粒徑小，在大氣中的停留時間長且輸送距離遠(yuǎn)。顆粒物的比表面積較大，有可能吸附更多有毒有害物質(zhì)，細(xì)顆粒物穿透力更強(qiáng)，可深入人的呼吸系統(tǒng)甚至腦部組織[2-4]，危害健康。一般來說直徑大于5.0 μm的顆粒物可被上呼吸道攔截，小于2.5 μm的顆粒物易發(fā)生成積反應(yīng)，可附著于肺泡，嚴(yán)重危害人體健康，而汽油車排放的顆粒物粒徑集中在 100 nm 以下[5]。

由于柴油車貢獻(xiàn)了絕大部分的顆粒物質(zhì)量和數(shù)量排放，此前研究對汽油車顆粒物數(shù)量排放的關(guān)注較少。隨著柴油機(jī)顆粒捕集器的廣泛應(yīng)用及缸內(nèi)直噴汽油車市場占有率不斷增加，對汽油車顆粒物排放的控制意義凸顯。受制于測量可靠性和重復(fù)性，現(xiàn)行法規(guī)僅要求對粒徑23 nm以上的顆粒物數(shù)量進(jìn)行測量。隨著汽油機(jī)噴射壓力的不斷提高，生成更細(xì)小顆粒物的可能性增加，數(shù)量濃度也有增大的趨勢。文獻(xiàn)[6]中研究表明，采用最新技術(shù)的汽油機(jī)排放大量粒徑小于23 nm(sub-23 nm)的顆粒，從而導(dǎo)致現(xiàn)行測量方法大幅低估車輛的實(shí)際排放水平，存在嚴(yán)重的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，歐盟在其顆粒物測量項(xiàng)目(particle measurement programme, PMP)中已著手進(jìn)行將顆粒數(shù)量(particle number，PN)檢測下限降至10 nm的研究[7-8]。

各國研究人員在探究測量sub-23 nm顆粒物的可行性和如何合理地制定相關(guān)排放法規(guī)上取得了進(jìn)展,文獻(xiàn)[9]中對雙燃料汽油車開展了研究，發(fā)現(xiàn)大量顆粒粒徑低于23 nm的規(guī)定值，甚至低于10 nm。文獻(xiàn)[10]中認(rèn)為可以相對容易地將現(xiàn)有PN系統(tǒng)調(diào)整為從10 nm開始測量，而不會顯著增加測量不確定度。文獻(xiàn)[11]中對用于PN的市售檢測設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，以探究將檢測極限擴(kuò)展到23 nm以下的可行性。

本研究中選取了一臺滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的增壓直噴汽油車,不帶汽油機(jī)顆粒捕集器(gasoline particulate filter, GPF)，分別使用WLTC、RTS95和低溫RDE 3種駕駛循環(huán)，對比其粒徑在23 nm和10 nm以上的固體顆粒物數(shù)量(solid particle number, SPN)排放，分別用SPN23和SPN10表示，并對sub-23 nm顆粒物的成因和邊界條件的影響進(jìn)行了分析。本文對研究汽油車 sub-23 nm 顆粒物排放和法規(guī)進(jìn)一步規(guī)定細(xì)小顆粒物的排放限值具有一定的指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價值。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 測試車輛和油品

以一臺2020年生產(chǎn)的符合國六b階段法規(guī)的增壓直噴(turbocharged gasoline direct-injection，TGDI)汽油車為測試對象。該試驗(yàn)車發(fā)動機(jī)排量 1.2 L，最大功率85 kW，整備質(zhì)量1 360 kg，后處理系統(tǒng)使用二級三元催化器(three-way catalyst, TWC)，未配備顆粒捕集器(GPF)，已行駛34 780 km。試驗(yàn)前，采用 Ⅰ 型試驗(yàn)規(guī)程對該車的排放狀態(tài)進(jìn)行了確認(rèn)，其氣態(tài)污染物、顆粒物(particulate matter，PM)和PN排放均比標(biāo)準(zhǔn)限值低50%以上，適合進(jìn)行sub-23 nm細(xì)小顆粒物排放研究。

測試用油為國六基準(zhǔn)汽油，其研究法辛烷值(RON)為92，硫含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10 mg/kg，苯體積分?jǐn)?shù)小于0.8%，烯烴體積分?jǐn)?shù)為10%～15%，芳烴體積分?jǐn)?shù)為27%～32%，氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于2.7%，鉛、鐵、錳、磷含量分別不高于5×10-3、1×10-2、2×10-3和2×10-4g/L。無人為添加的乙醇、甲縮醛、苯胺類、鹵素及含磷、含硅化合物。

1.2 測試系統(tǒng)

基于整車排放測試開展，試驗(yàn)用排放檢測系統(tǒng)如圖1所示，主要由冷卻風(fēng)機(jī)、定容采樣(constant volume sampling，CVS)系統(tǒng)、底盤測功機(jī)、高效空氣過濾器(high efficiency particulate air filter，HEPA)、AVL排氣分析系統(tǒng)、顆粒物采樣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。

圖1 汽油機(jī)細(xì)小顆粒物排放檢測系統(tǒng)

底盤測功機(jī)(AVL RPL 1220 4X4)用于道路阻力的模擬；冷卻風(fēng)機(jī)隨車輛行駛速度調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，以模擬實(shí)際道路下的冷卻情況。測試人員根據(jù)顯示器顯示的速度曲線進(jìn)行駕駛。

研究使用的CVS系統(tǒng)為AVL i60全流稀釋系統(tǒng)，將測試車的全部排放導(dǎo)入CVS管道，與經(jīng)過濾的空氣充分混合，排氣分析系統(tǒng)和顆粒物采樣系統(tǒng)在CVS通道中采樣。排氣分析系統(tǒng)使用了 AVL i60 尾氣分析儀，分別采用傅立葉變換紅外吸收法(Fourier transform infrared spectrometer，F(xiàn)TIR)、氫離子火焰法(flame ionization detector, FID)和化學(xué)發(fā)光法(chemiluminescent detector，CLD)對CO/CO2、THC/CH4和NOx進(jìn)行定量檢測分析。

為進(jìn)行sub-23 nm細(xì)小顆粒物排放研究，本研究使用了兩種顆粒物計(jì)數(shù)設(shè)備進(jìn)行同步測量，其中AVL 489用于測量當(dāng)前法規(guī)要求的SPN23，HORIBA MEXA-2300SPCS用于測量SPN10。兩種設(shè)備均采用凝結(jié)粒子計(jì)數(shù)(condensation particle counters, CPC)原理進(jìn)行顆粒物數(shù)量濃度的測量，測量結(jié)果具有可比性。根據(jù)PMP將PN檢測下限降低至10 nm的研究[7-8]，文中sub-23 nm細(xì)小顆粒物濃度通過計(jì)算SPN10與SPN23差值得到，實(shí)際為10 nm～23 nm之間的顆粒物。CPC的工作原理為：當(dāng)被測顆粒物通過高溫異丙醇蒸氣冷凝腔時，蒸氣附著于顆粒物表面，并在隨后進(jìn)入低溫冷凝腔時凝結(jié)令顆粒物粒徑增加后，觸發(fā)光電計(jì)數(shù)器[12]。

需要說明的是，兩種設(shè)備使用的揮發(fā)性粒子去除裝置(volatile particle remover, VPR)原理有差別，AVL 489使用的是蒸發(fā)管(evaporative tube, ET)，而MEXA-2300SPCS使用的是催化裂解器(catalytic stripper, CS)，兩種原理均能有效降低揮發(fā)性組分對CPC測量結(jié)果的干擾。

1.3 測試循環(huán)

為了驗(yàn)證輕型車的油耗和排放，各國模擬當(dāng)?shù)氐慕煌顩r，開發(fā)了不同的測試循環(huán)[13]。本研究中選用了3種試驗(yàn)循環(huán)，分別為全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)(worldwide harmonized light vehicles test cycle, WLTC)、RTS95循環(huán)和實(shí)際道路排放(real drive emission, RDE)測試。

WLTC是當(dāng)前中國和歐洲法規(guī)的認(rèn)證循環(huán)，由低速段(low)、中速段(medium)、高速段(high)和超高速段(extra high)四部分組成，其中低速段的持續(xù)時間589 s，中速段的持續(xù)時間433 s，高速段的持續(xù)時間455 s，超高速段的持續(xù)時間323 s，總行駛距離約為23.3 km，平均速度為46.5 km/h，持續(xù)時間共 1 800 s，代表實(shí)驗(yàn)室工況下的車輛排放，測試可重復(fù)性好。

RTS 95是高動態(tài)駕駛循環(huán)。相比于WLTC循環(huán)，RTS95循環(huán)的駕駛行為更加激進(jìn)。該循環(huán)是基于全球輕型車排放測試規(guī)程數(shù)據(jù)庫的子集開發(fā)的，具有高速和高負(fù)載的特點(diǎn)，代表了包括城市、市郊和高速公路路段在內(nèi)的激進(jìn)駕駛，3個階段的駕駛時間分別為300 s、284 s和302 s。一些研究表明，RTS95循環(huán)與RDE測試結(jié)果之間存在一定的相關(guān)性[14]。

為了更好地控制機(jī)動車在道路運(yùn)行過程中的污染物排放，中國于2020年實(shí)施第六階段輕型車排放法規(guī)，國六法規(guī)中規(guī)定Ⅱ型試驗(yàn)工況為實(shí)際道路排放試驗(yàn)即RDE試驗(yàn)，并增加了對PN排放的要求[15]。本研究中選取的低溫RDE循環(huán)是一條根據(jù)實(shí)際測試數(shù)據(jù)修改而來的路譜，符合國六法規(guī)對RDE循環(huán)的要求，其駕駛風(fēng)格十分激進(jìn)，幾乎達(dá)到了法規(guī)允許的上限，且測試溫度為0 ℃，是在法規(guī)非擴(kuò)展邊界條件下所能達(dá)到的最惡劣工況。試驗(yàn)地點(diǎn)在廈門環(huán)境保護(hù)機(jī)動車污染控制技術(shù)中心，平均車速為43.5 km/h, 包括市區(qū)(車速不超過60 km/h)、市郊(車速在60～90 km/h)和高速公路(車速在90 km/h以上)，其中市區(qū)行程占比32.3%，市郊行程占比31.5%，高速行程占比36.2%。該RDE循環(huán)共歷時5 518 s，行駛里程共70.0 km。為了探究環(huán)境溫度對細(xì)小顆粒物排放的影響，本研究中所采用的RDE循環(huán)的前300 s與RTS95循環(huán)的速度曲線一致。

2 結(jié)果和分析

2.1 循環(huán)影響

圖2給出了測試車在室溫23 ℃條件下進(jìn)行冷起動WLTC循環(huán)測試的SPN10和SPN23模態(tài)排放結(jié)果。

圖2 23 ℃下WLTC循環(huán)汽油車瞬態(tài)顆粒物排放

表1為排放循環(huán)各階段PN排放量及占比。從表1中看出，對于該采用增壓直噴發(fā)動機(jī)、無GPF的國六汽油車，其WLTC循環(huán)SPN10較SPN23排放增加了32.4%，其中低速段(0—590 s)、中速段(591 s—1 024 s)、高速段(1 025 s—1 480 s)和超高速段(1 481 s—1 800 s)的SPN10較SPN23分別高出34.0%、30.8%、25.6%和34.5%。從增幅來看，試驗(yàn)車在WLTC低速段和超高速段的sub-23 nm顆粒物排放增加相對更為明顯。從圖2中可以看出，SPN10和SPN23曲線在車輛處于減速和怠速工況時分離最為明顯，這表明sub-23 nm顆粒物在總PN排放中的相對占比在上述工況下達(dá)到峰值。在整個WLTC循環(huán)中，低速段包含的減速操作最多且怠速時間最長，從而使低速段SPN10相對SPN23排放增幅高于循環(huán)均值。

表1 排放循環(huán)各階段PN排放占比

在減速和怠速工況中，sub-23 nm顆粒物相對濃度增加，可能的影響因素主要有：(1)TWC溫度相對低，使缸內(nèi)生成的細(xì)小顆粒物的后期氧化過程受阻，濃度增加；此外汽油車排放的3環(huán)和4環(huán)PAHs沸點(diǎn)在300 ℃～500 ℃，較低的TWC溫度可能令該類物質(zhì)以細(xì)小顆粒物的形式排出。(2)減速和怠速工況下，發(fā)動機(jī)排氣能量低，增壓器基本不工作，導(dǎo)致油氣混合的品質(zhì)下降，出現(xiàn)局部偏濃的可能性增加，細(xì)顆粒生成的風(fēng)險(xiǎn)增加。(3)在減速斷油控制中，附著在缸壁上的機(jī)油因傳質(zhì)作用向缸內(nèi)擴(kuò)散，進(jìn)而發(fā)生氧化生成以硫、磷和金屬元素為主要成分的 sub-23 nm 顆粒物[16]。

不同于低速段，超高速段中SPN10和SPN23曲線分離最顯著的區(qū)域位于1 700 s前后循環(huán)車速接近最高值且伴有多次較為激烈的加速操作時。結(jié)合車輛動力學(xué)分析可知，此時車輛的道路阻力需求最高，發(fā)動機(jī)負(fù)荷最大，缸內(nèi)燃燒溫度最高，從而促進(jìn)了燃料在燃燒過程和排氣過程中的氧化，有使排放中存在的較大顆粒物破碎分解成眾多細(xì)小顆粒物的趨勢，進(jìn)而導(dǎo)致排氣中的sub-23 nm占比增加。文獻(xiàn)[17]中研究表明，汽油車在WLTC循環(huán)超高速階段排放的顆粒物粒徑分布于23 nm以下區(qū)間的濃度很高；文獻(xiàn)[18]中研究表明，在車輛排放測試的冷起動、急加速和高負(fù)荷運(yùn)行階段，常規(guī)燃料的顆粒物數(shù)量急劇增加。

圖3給出了測試車在室溫(23 ℃)條件下進(jìn)行冷起動RTS95循環(huán)測試時SPN10和SPN23模態(tài)排放結(jié)果。

圖3 23 ℃下RTS95循環(huán)汽油車瞬態(tài)顆粒物排放

從排放量上看，對于該國六汽油車，RTS95循環(huán)SPN10較SPN23排放增加了30.4%，其中城市段、市郊段和高速段的SPN10較SPN23分別高出20.8%、56.9%和84.4%。從sub-23 nm的絕對量上看，RTS95循環(huán)城市段、市郊段和高速段的SPN10較SPN23分別高出6.06×106、3.59×106和8.66×106個/cm3，而WLTC循環(huán)低速段、中速段、高速段和超高速段的SPN10較SPN23分別高出3.39×106、1.52×106、1.56×106和2.40×106個/cm3。相比于WLTC循環(huán)，RTS95循環(huán)的駕駛行為更加激進(jìn)，加之每個駕駛階段的持續(xù)時間更短，使得sub-23 nm排放絕對量顯著高于WLTC循環(huán)。從增幅上看，高速段sub-23 nm相對增加最為明顯，市郊次之。從圖3中可以看出，RTS95循環(huán)下SPN10和SPN23曲線分離多出現(xiàn)在減速段中，結(jié)束在怠速工況之后，這也印證了此前在WLTC結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。

相對于WLTC循環(huán)，RTS95循環(huán)在高速路段汽油車SPN10曲線與SPN23曲線分離程度更大，此時汽油車一直處于高車速狀態(tài)，且由于激烈的駕駛行為伴隨著不斷的加減速，缸內(nèi)高溫強(qiáng)化氧化產(chǎn)生的細(xì)小顆粒物和分子量較大的HC冷卻成的細(xì)小顆粒物一同組成了sub-23 nm，使得汽油車在高速段sub-23 nm排放占比達(dá)到最大值。

圖4給出了測試車在環(huán)境溫度0 ℃條件下進(jìn)行冷起動RDE循環(huán)測試時SPN10和SPN23模態(tài)排放結(jié)果。

圖4 0 ℃下RDE循環(huán)汽油車瞬態(tài)顆粒物排放

從排放量上看，對于該國六汽油車，RDE循環(huán)SPN10較SPN23排放增加了15.6%，其中市區(qū)段、市郊段和高速段的SPN10較SPN23分別高出8.9%、39.4%和39.5%。從增幅上看，該汽油車RDE循環(huán)SPN10排放占比低于WLTC循環(huán)和RTS95循環(huán)。這是因?yàn)樵撥嘡DE循環(huán)的環(huán)境溫度是0 ℃，不同于其他兩個循環(huán)的23 ℃，過低的環(huán)境溫度抑制了汽油機(jī)缸內(nèi)溫度的升高，而較高的缸內(nèi)溫度高會導(dǎo)致sub-23 nm顆粒物排放趨向于增加；此外，由于RDE循環(huán)時間遠(yuǎn)長于WLTC循環(huán)和RTS95循環(huán)，所以在整個循環(huán)中，車輛急加速、減速和怠速工況的時間占比相對小，造成SPN10與SPN23之間差距不及WLTC和RTS95明顯。

顆粒物數(shù)量濃度峰值在冷起動時出現(xiàn)，SPN23達(dá)到3.0×107個/cm3。這是因?yàn)槔淦饎庸r下，汽油機(jī)溫度較低，汽油的霧化效果差，需要采用加濃混合氣，造成燃燒不充分，產(chǎn)生大量的顆粒物。從圖4中可以看出，SPN10和SPN23顆粒物濃度間的差距很小，幾乎重合，這說明在冷起動工況下產(chǎn)生的顆粒物粒徑相對較大，sub-23 nm顆粒物所占比例很小。隨著時間增加，SPN10和SPN23曲線距離逐漸拉開，sub-23 nm顆粒物所占比例加大，表明隨著發(fā)動機(jī)暖機(jī)和TWC的逐漸起燃有sub-23 nm顆粒物生成。

2.2 溫度影響

由于本研究采用的RTS95循環(huán)和RDE循環(huán)的前300 s速度曲線一致，而RTS95和RDE循環(huán)的測試溫度分別為23 ℃和0 ℃，對比二者可獲得環(huán)境溫度對sub-23 nm顆粒生成的影響，如圖5所示。

圖5 23 ℃下RTS95循環(huán)和0 ℃下RDE循環(huán)中前300 s的汽油車瞬態(tài)顆粒物排放對比

從排放量上看，在RDE循環(huán)和RTS95循環(huán)，試驗(yàn)車的PN峰值均出現(xiàn)在冷起動后的第一個加速段，且此時SPN23和SPN10曲線幾乎沒有分離，這表明無論在常溫還是低溫條件下，sub-23 nm顆粒物在該階段所占比例均很低，發(fā)動機(jī)溫度低并且加濃燃料混合氣時不易產(chǎn)生sub-23 nm顆粒物。這與文獻(xiàn)[19]中冷起動階段顆粒物粒徑集中于40 nm～90 nm 附近的研究結(jié)論相印證。相比于23 ℃進(jìn)行的RTS95循環(huán)，在0 ℃下進(jìn)行的RDE循環(huán)的第一個PN峰值增加了0.97倍。這是由于在更低的測試溫度下，汽油的霧化效果更差，因而需要采用更大的冷起動加濃系數(shù)。

從時間上看，該試驗(yàn)車在RDE和RTS95循環(huán)下的PN濃度隨試驗(yàn)進(jìn)行均明顯下降，23 ℃條件下PN濃度的下降速度較0 ℃更快。對比圖5中出現(xiàn)第2、3、4個PN峰值可以看出，0 ℃時的PN濃度分別是23 ℃時的1.8倍、15.5倍和29.5倍。根據(jù)圖中PN曲線下降的斜率對比可以看出，RDE循環(huán)的PN出現(xiàn)急劇下降時間點(diǎn)在180 s左右，而RTS95循環(huán)PN急劇下降僅用時50 s左右。對比二者常規(guī)污染物HC模態(tài)排放結(jié)果圖6和圖7可知，這兩個時間點(diǎn)正好是該試驗(yàn)車HC濃度下降的時間點(diǎn)，說明此時該試驗(yàn)車已經(jīng)退出暖機(jī)加濃程序，并且TWC已經(jīng)起燃。TWC正常工作之后，該車RDE循環(huán)和RTS95循環(huán)的PN明顯下降。

圖6 23 ℃下RTS95循環(huán)HC排放

圖7 0 ℃下RDE循環(huán)HC排放

隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，缸內(nèi)溫度和TWC溫度逐漸升高，在RDE循環(huán)和RTS95循環(huán)下SPN10和SPN23曲線再次出現(xiàn)分離的現(xiàn)象，反映出sub-23 nm顆粒占比逐漸增加，印證了sub-23 nm顆粒主要是在熱車運(yùn)行階段產(chǎn)生的。除了燃料燃燒條件的改善引起的細(xì)小顆粒物排放增加外，另一部分原因是TWC在起燃后能將SO2氧化成SO3，進(jìn)而再形成硫酸鹽并以細(xì)小顆粒物的形式排出[20]。這一點(diǎn)從圖5中RDE循環(huán)下SPN10和SPN23曲線分離的時間點(diǎn)明顯晚于RTS95循環(huán)可以得到支撐。

3 結(jié)論

(1)在常溫WLTC、RTS95及低溫RDE循環(huán)測試中，10 nm以上顆粒物數(shù)量排放濃度較現(xiàn)行法規(guī)規(guī)定的23 nm以上顆粒物分別高32.4%、30.4%和15.6%。無GPF時，在急加速、減速和怠速工況中，sub-23 nm顆粒在全部顆粒物中的占比明顯增加。

(2)冷起動和暖機(jī)階段sub-23 nm顆粒的占比很低，sub-23 nm顆粒主要在車輛充分暖機(jī)和TWC起燃后產(chǎn)生；較低的環(huán)境溫度下，sub-23 nm顆粒的生成并沒有增加趨勢。