环境温度对缸内直喷汽油车颗粒物排放特性的影响

解难，李昌，胡月昆，王玉弟，钱国刚

(1.中国汽车技术研究中心，天津 300300； 2.广汽丰田汽车有限公司，广东 广州 511455)



环境温度对缸内直喷汽油车颗粒物排放特性的影响

解难1，李昌2，胡月昆1，王玉弟2，钱国刚1

(1.中国汽车技术研究中心，天津 300300； 2.广汽丰田汽车有限公司，广东 广州 511455)

利用电子低压冲击仪(ELPI)对一台满足国Ⅴ排放标准的缸内直喷汽油车进行了颗粒物排放特性研究。试验按照NEDC测试循环在转鼓试验台上进行,分别测量车辆在-15 ℃，-7 ℃和25 ℃下的颗粒物排放。通过对试验结果的研究表明：3个温度下，颗粒物的数量浓度随温度的下降大幅上升，粒径分布范围逐渐变大，均在相同粒径下出现峰值；颗粒物体积浓度随粒径的增大而增大；数量浓度对表面积浓度的影响大于体积浓度，尤其在-15 ℃下，这种影响更加显著。通过对颗粒物的瞬态排放结果的分析发现：3个温度下，颗粒物的排放主要集中在NEDC循环前200 s，数量浓度随车辆的加速而上升，随减速而下降；在-15 ℃下，在整个NEDC循环的加速工况均出现表面积浓度的排放峰值，且峰值之间较为接近。

环境温度； 缸内直喷； 汽油车； 颗粒； NEDC

汽油缸内直喷(GDI)发动机的显著优点之一就是燃油经济性比较好，一般能提高燃油经济性达 20%左右[1]，因此在乘用车上的应用越来越广泛。缸内直喷汽油机采用将液体燃油直接喷入气缸的混合气制备方式，不可避免地缩短缸内燃油与空气的混合时间[2]，导致气缸内出现局部混合气过浓现象，不能完全燃烧，在高温下生成大量的颗粒物，汽油车颗粒物数量排放相比柴油车同样不容忽视[3-4]。国内相关研究单位在汽油车的颗粒物排放方面做了很多工作，主要集中在恒定温度下的颗粒物的排放特性研究：王军方[5]等在常温下利用ELPI分析仪对NEDC循环下的汽油车和天然气汽车的颗粒物排放进行了测量研究；高俊华[6]等在常温下，在底盘测功机上按NEDC循环工况，使用轻型汽油车、轻型柴油车排放测试系统以及电子低压冲击仪(ELPI)对满足国Ⅲ、国Ⅳ的气道喷射和缸内直喷汽油车进行了冷起动和热起动条件下的颗粒物排放特性研究；高继东[7]等在常温下基于NEDC循环分析仪对一台欧Ⅲ排放汽油车进行了颗粒物粒径分布特性的研究；王凤滨[8]等利用ELPI分析仪对4辆采用不同技术的国Ⅳ排放汽油车进行了颗粒物分布特性的试验研究。而车辆在实际运行过程中，经历复杂多变的环境，众所周知，冬季的空气污染严重，多雾霾天气，车辆在低温下的颗粒物排放也越发受到人们的关注。本研究利用电子低压冲击仪测量低温下缸内直喷汽油车的颗粒物排放，研究低温下缸内直喷汽油车的颗粒物排放特性。

1 试验系统与方法

1.1 试验车辆

本研究所使用的车辆为满足国Ⅴ排放法规的某自然吸气缸内直喷汽油车，车辆的整备质量1 475 kg，排量为2.0 L，发动机标定功率为123 kW，标定转速为6 500 r/min。试验中所用燃油为95号国Ⅴ标准油，其基本参数见表1。

表1 试验用油样相关参数

1.2 试验设备

试验在中国汽车技术研究中心低温环境试验仓进行。试验使用WEISS SD520’/30低温环境仓保证试验过程的温湿度要求；使用AVL AMA4000分析系统和CVS2000定容取样系统对车辆的气态污染物进行测量；底盘测功机为AVL RPL1220测功机。

使用ELPI分析仪测试排气中的颗粒物，ELPI由电晕放电器、低压级联撞击器和多通道静电计等部分组成，带有12个测量通道，颗粒物粒径测量范围为0.007～10 μm。ELPI可应用在任何粒径分布范围较大，并且要求快速反应的场合。ELPI是根据空气动力学原理来测量各级粒径的颗粒数目浓度[9]。ELPI设备结构图见图1。

1.3 试验方法

车辆在底盘测功机上进行试验，试验前在常温环境中运行NEDC循环作为车辆的预处理；然后在试验温度下进行12 h以上的浸车，最后在该温度下进行排放测试，同时采集试验过程中的气态污染物及颗粒物排放，试验循环为NEDC循环[11]。结合环境仓的降温能力及车辆的实际运行环境，选定在-15 ℃，-7 ℃及25 ℃下分别开展试验。

2 试验结果及分析

按照GB 18352—2013[11]标准对车辆进行排放试验，排放结果见表2。

表2 车辆排放结果

从表中可以看出，各污染物的排放均远低于排放限值，显示车辆状态良好，可以用于试验研究。

2.1 颗粒物排放浓度分布的对比

按照前文中描述的试验方法分别在3种温度下进行试验。图2示出了在3种温度下，试验车辆颗粒物排放的数量浓度、表面积浓度和体积浓度的分布比较。

由图2a可见，在3个温度下，颗粒物的数量浓度均在0.17 μm粒径附近出现峰值，可以看出数量浓度峰值对应的粒径与试验温度无关，由车辆本身的性能所决定。由图2a还可以看出，颗粒物数量浓度的峰值随着试验温度的上升大幅度下降。在颗粒物粒径分布方面：在-15 ℃下，颗粒物在粒径0.03～2.52 μm范围内均有分布，这类颗粒物即通常所说的PM2.5，这类细颗粒物由呼吸进入人的肺部,甚至可以穿过肺泡进人血液[12]，对人体的伤害较大；在-7 ℃和25 ℃下，颗粒物的粒径分布范围缩小为0.03～0.41 μm，可见随着试验温度的上升，颗粒物的粒径分布范围缩小，向着小粒径方向发展。

由图2b可见，在3个温度下，颗粒物的体积浓度随着粒径的加大而变大。在25 ℃和-7 ℃下，颗粒物体积浓度随粒径的变化趋势线基本重合，其峰值也基本相同，在1.2×105～1.4×105μm3/cm3范围内，可见小粒径颗粒物对体积浓度分布影响不大；在-15 ℃下，体积浓度分布曲线在粒径大于0.41 μm后与-7 ℃和25 ℃下的分布曲线脱离，呈现快速上升趋势，峰值浓度为1.3×106μm3/cm3，为其他两个温度峰值体积浓度的10倍左右，可见，较大粒径颗粒物(粒径大于0.41 μm)的数量浓度对体积浓度的影响较大。

由图2c可见，颗粒物表面积浓度的分布与体积浓度的分布类似，3个温度下，均在粒径0.17 μm处出现表面积浓度的小峰值，可见颗粒物数量浓度对表面积浓度的分布影响比体积浓度大。在-15 ℃下，当粒径大于0.11 μm后，表面积浓度呈现不规则的折线分布，显示其对粒径的变化较为敏感，其峰值浓度为1×106μm2/cm3，发生在粒径1.66 μm处，其他两个温度下，峰值浓度为1×105μm2/cm3，均发生在最大粒径处。颗粒物的粒径越小，其化学成分越复杂、毒性越大，这是因为小颗粒物的巨大表面积能使其吸附更多的有害物质，并能使毒性物质有更高的反应和溶解速度[13]。而且空气中细颗粒物较多的数量及较大的表面积影响大气的能见度，产生光化学烟雾，加剧温室效应[14-15]。在-15 ℃下，粒径大于0.11 μm后，颗粒物的表面积浓度就有明显的增大趋势，对环境的危害程度更大。

2.2 典型过渡工况对颗粒物排放的影响

颗粒物瞬时排放与循环工况有着密切的联系，为此结合NEDC循环绘制整个循环颗粒物数量浓度和表面积浓度的分布曲线。3个温度下，颗粒物排放数量浓度随时间的变化见图3。

由图3可见，在3个温度下，大部分的颗粒排放都集中在循环开始的200 s内，且随时间变化趋势相似；在-15 ℃下的数量浓度峰值最高，为3×107cm-3，-7 ℃下的数量浓度峰值为1×107cm-3，25 ℃下的数量浓度峰值为3×106cm-3。在3个温度下，颗粒物数量浓度随着车辆的加速而上升，随着车辆的减速而降低，在怠速及等速运行过程中，颗粒物排放较少。主要原因是为了维持冷启动车辆的稳定燃烧和加速性能，车辆采用了加浓混合气的策略，另外由于进气温度较低、流速慢，造成燃油蒸发慢、雾化差，混合气不均匀，不完全燃烧的HC和局部高温缺氧燃烧产生的炭烟结合促使颗粒物排放迅速增加，加速时由于喷油量的增加更加剧了这一过程。在-15 ℃下，由于进气温度较低，燃油的蒸发和混合气的形成过程处在不利的条件下，在整个循环的加速过程中，均出现不同程度的颗粒物数量排放峰值；随着温度的上升，整个循环加速过程的峰值逐渐下降；在25 ℃下，仅在循环开始200 s内出现明显的颗粒排放，其他时间的颗粒物数量浓度均很小。

表面积浓度的分布(见图4)与颗粒物排放的变化趋势基本相同；-15 ℃时，在循环开始的200 s内和加速工况，表面积浓度均有峰值出现，且加速工况与循环开始200 s内的峰值之间的差别进一步减小，这是由于在加速工况，虽然颗粒的数量浓度低，但是大粒子所占比重加大，也造成了其表面积浓度与循环开始的200 s内的峰值差距减小，粒子整体的吸附性增强，对环境的破坏性增强。

3 结论

a) 缸内直喷汽油车冷启动状态下颗粒物数量很大，在-15～25 ℃范围内，主要以粒径2.52 μm以下的颗粒为主；随着试验温度的升高，颗粒物数量浓度呈现下降趋势；

b) 3个温度下，颗粒物数量浓度均在粒径0.17 μm处出现峰值，可见数量浓度峰值对应的粒径与温度无关，取决于车辆本身；随着温度的升高，颗粒物粒径分布范围减小；-15 ℃下，颗粒物在粒径0.03～2.52 μm范围内均有分布；在温度为-7 ℃和25 ℃下，颗粒物的分布范围减小，为0.03～0.41 μm；

c) 3个温度下，体积浓度随粒径的增大而增大，-15 ℃下，粒径大于0.41 μm时，粒径体积浓度开始大幅升高，峰值浓度达到其他两个温度峰值的10倍；

d) 颗粒物数量浓度对表面积浓度的影响大于体积浓度；3个温度下，表面积浓度均在数量浓度的峰值粒径出现峰值；在-15 ℃下，颗粒物数量浓度对表面积浓度影响较大，当粒径大于0.11 μm后，表面积浓度呈现折线分布，且升幅较大；

e) 在3个温度下，颗粒物的排放主要集中在循环开始的200 s内，数量浓度随车辆的加速而上升，随减速而下降，其他工况的颗粒物排放很小；在-15 ℃下，在整个循环的加速工况均出现表面积浓度峰值，且峰值之间较为接近，粒子的吸附能力增强，对环境破坏程度加大。

[1] 李峂.汽油机缸内直喷(GDI)颗粒物排放特性研究[D].天津：天津大学，2011.

[2] 范钱旺,尹琪.直喷汽油车颗粒物成因及满足EURO-Ⅵ排放限值技术路线[J].上海汽车，2013(6):39-45.

[3] 潘锁柱，裴毅强,宋崇林，等.汽油机颗粒数量排放及粒径分布特性[J].燃烧科学与技术，2012,18(2)：181-185.

[4] Leonidas Ntziachristos.Overview of the European "particulates" project on the characterization of exhaust particulate emissions from road vehicles:results for Light-Duty vehicles[C].SAE Paper 2004-01-1985.

[5] 王军方，葛蕴珊,何超，等.汽油车和天然气汽车颗粒物排放特性研究[J].汽车工程，2009,31(2):137-140.

[6] 高俊华，李洧，高继东，等.汽油车颗粒物排放特性[J].吉林大学学报：工学版，2010(4)：947-952.

[7] 高继东，宋崇林,张铁臣，等.汽油车排气中颗粒物粒径的分布特性[J].燃烧科学与技术，2007,13(3):248-252.

[8] 王凤滨，包俊江,乔维高，等.循环测量工况下汽油车颗粒物排放试验研究[J].汽车工程，2009，31(8)：737-740.

[9] 秦孔建，高俊华,高继东，等.重型车辆车载排放测试系统 的 集 成 和 验 证 [J].汽车工程，2009,31(11)：1081-1085.

[10] Dekati Ltd.ELPI user manual 4.0[M].

[11] 环境保护部.GB 18352.5—2013 轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)[S].北京：中国环境出版社，2013.

[12] 徐维并.大气细颗粒物与人体健康[J].现代仪器，2002(6):9-10.

[13] 向英,柯儒杰.空中杀手——大气污染[M].北京：中国建材工业出版社,1998.

[14] Christolorou C S,Salmon L G,Hannigan，et al.Trends in fine particle concentration and chemical composition in southern California[J].Journal of the Air and Waste Management Association,2000,50(1):43-53.

[15] Chen Y C,Simpsion R W,Vowles P D，et al.Characterisation of chemical species in PM 2.5 and PM 10 aerosols in Brisbane,Australia[J].Atmospheric Environment,1997,31(22):3773-3785.

[编辑：姜晓博]

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

解难(1985—)，男，硕士，主要研究方向为轻型车排放与节能；xienan@catarc.ac.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.02.010

TK411.51

B

1001-2222(2015)02-0049-04