GDI汽油车NEDC循环颗粒物排放特性*

胡志远　宋博　全轶枫　史勖　赵曜（.同济大学，上海0804；.上海机动车检测中心，上海0805）

·节能环保·

GDI汽油车NEDC循环颗粒物排放特性*

胡志远1宋博1全轶枫2史勖2赵曜1
（1.同济大学，上海201804；2.上海机动车检测中心，上海201805）

对某国Ⅴ排放水平GDI汽油车NEDC循环的颗粒数量排放及粒径分布特性进行研究。结果表明，该GDI汽油车的颗粒排放主要为粒径小于100 nm的超细颗粒，其中粒径小于50 nm的核模态颗粒约为总颗粒的70%，粒径为5.6～23 nm的颗粒数量约为总颗粒的57%；核模态、聚集态和总颗粒的数量浓度瞬态排放在起动工况和加速工况增大，在减速工况减小；ECEⅠ和EUDC阶段聚集态颗粒数量浓度排放大于ECEⅡ～ECEⅣ阶段，核模态颗粒数量浓度排放小于ECEⅡ～ECEⅣ阶段。

主题词：GDI汽油车NEDC循环颗粒物排放

1 前言

相对于传统进气道喷射（Port Fuel Injection，PFI）汽油机，GDI汽油机直接将燃油喷入气缸燃烧室内，油耗可降低10%［1］，但颗粒物排放也因此而增大。研究表明，GDI汽油机的超细颗粒物排放比PFI汽油机高1～3个数量级［2～3］。超细颗粒物长时间悬浮在空气中，通过扩散作用沉积在人体支气管和肺泡中，同时大的比表面积使得更多的致癌、致突变物质附着在颗粒物表面进入人体，对人体危害更大［4］。

目前，国外对GDI汽油车颗粒物排放特性研究较多，WeiQ［5］研究了不同测试循环对颗粒物排放特性的影响，表明汽油车进行SFTP-US06循环在冷起动阶段的颗粒物质量排放是EPA FTP 72和NEDC循环的两倍以上，颗粒物中碳元素的含量（56.6%）也高于FTP 72循环的9.1%及NEDC循环的6.3%；Storey JM［6］研究了不同燃烧模式的GDI汽油车燃用乙醇汽油的颗粒物排放特性，发现使用乙醇汽油可以减少GDI汽油车的颗粒物数量排放，稀薄燃烧模式的GDI汽油车颗粒物数量排放较多、颗粒物平均粒径较小。Karavalakis G［7］研究了汽油芳香烃含量对颗粒物排放的影响，表明汽油车的颗粒物质量和数量排放随汽油芳香烃的含量升高而增大；Momenimovahed A［8］研究了不同测试方法对GDI汽油车颗粒物排放的影响。国内对GDI汽油车颗粒物排放特性的研究主要集中在国Ⅳ排放水平的GDI汽油车颗粒物排放特性［9～14］、PFI汽油车与国Ⅳ排放水平的GDI汽油车的颗粒物排放特性对比［15～17］等方面，钟祥麟［18］利用MEXA-1000型固态颗粒物计数系统（Solid Particle Counting System，SPCS）研究了京Ⅴ排放GDI汽油车23 nm～2.5μm粒径范围内的颗粒物数量排放特性；徐长建［19］对国Ⅴ排放GDI汽油机颗粒物排放热物理特性研究表明，GDI汽油机排放的部分颗粒物粒径小于23 nm。因此有必要对国Ⅴ排放GDI汽油车的颗粒物数量排放及粒径分布特性进一步分析。

本文以一辆国Ⅴ排放水平的1.4TGDI汽油车为研究对象，同时使用SPCS和发动机排气粒径谱仪（Engine Exhaust Particle Sizer Spectrometer，EEPS）研究该GDI汽油车NEDC循环的颗粒物质量排放、23 nm～2.5μm固态颗粒物数量排放、核模态颗粒物（5.6～50 nm）数量排放、聚集态颗粒物（50～560 nm）数量排放及粒径分布特性。

2 试验方案

2.1 试验样车与燃油

试验样车搭载水冷直列4缸、涡轮增压缸内直喷汽油机，其主要技术参数如表1所列。试验用油为市售国Ⅴ95号汽油。

表1　试验样车主要技术参数

2.2 试验设备与方案

试验在德国WEISS整车排放环境舱中进行，采用德国Schenck底盘测功机模拟道路行驶阻力，试验过程中美国TSI公司的3090型EEPS与日本HORIBA公司的MEXA-2000型SPCS并联，利用SPCS测量车辆尾气中23 nm～2.5μm粒径范围内的固态颗粒物数量排放，利用EEPS测量车辆尾气中5.6～560 nm粒径范围内的颗粒物数量瞬态排放。采用DEKATI公司的射流稀释器（Fine Particle Sampler-4 000，FPS-4 000）对车辆尾气进行稀释，稀释比8.21，稀释温度120℃，EEPS稀释后的采样流量为10 L/min，约是汽车排气流量平均值398.6 L/min的0.3%，对CVS的测量精度基本没有影响。颗粒物质量排放采用滤纸称重法测量，汽车尾气HC排放采用日本HORIBA公司的汽车尾气排放测试分析仪测量。试验方案示意如图1所示。

图1　试验方案示意

试验运行工况为GB18352.5-2013《轻型汽车污染物排放限值及测试方法（中国第5阶段）》I型试验循环，等同于NEDC循环。试验循环全程1 180 s，由1部（市区运转循环，Urban Driving Cycle，UDC）和2部（市郊运转循环，Extra Urban Driving Cycle，EUDC）组成，其中1部由4个相同的持续时间为195 s的ECE-15循环单元组成，分别称为ECEⅠ、ECEⅡ、ECEⅢ和ECEⅣ循环，每个循环单元的平均车速为19 km/h，理论行驶距离1.013 km；2部由一个持续时间为400 s的郊区运转工况组成，平均车速为62.6 km/h，理论行驶距离6.955 km，最大车速120 km/h，最大加速度0.833m/s2，最大减速度-1.389m/s2。

3 试验结果与分析

3.1 颗粒物排放特性

表2为该GDI汽油车NEDC循环颗粒物和HC排放结果，满足GB18 352.5-2013《轻型汽车污染物排放限值及测试方法（中国第五阶段）》对GDI汽油车污染物排放的限值要求。

3.2 颗粒物数量排放特性

该GDI汽油车NEDC循环总颗粒物、固态颗粒物、核模态颗粒物、聚集态颗粒物数量和HC瞬态排放特性如图2所示。为了显示清晰，SPCS测量结果放大了2倍，ECEⅠ循环后，HC排放数值放大了10倍。

图2　NEDC循环颗粒物数量和HC瞬态排放特性

由图2（a）可知，SPCS测量的颗粒物数量浓度变化趋势与EEPS的测量结果相近，但颗粒物数量浓度的数值均小于同时刻下EEPS的测量结果。这是因为SPCS和EEPS的粒径测量范围不同，相对于EEPS，SPCS不能测量5.6～23 nm粒径范围内的颗粒物。由此可知，该GDI汽油车的颗粒物排放中部分颗粒物粒径分布在5.6～23 nm范围内。由图2（b）可知，该GDI汽油车核模态颗粒物、聚集态颗粒物和总颗粒物数量浓度瞬态排放在起动工况和加速工况增大，在减速工况减小。在ECEⅠ阶段的30 s附近，聚集态颗粒物和总颗粒物取整个NEDC循环的数量浓度排放峰值，这是因为此时发动机处于冷起动阶段，缸内温度低，燃油蒸发慢，转速低，气体流动弱，工质混合不均匀，此外冷起动过程为了尽快暖机和达到催化剂的起燃温度会加浓混合气，导致发动机燃油燃烧不完全，初级碳粒和未燃HC增多，初级碳粒团聚并吸附HC、金属灰烬和硫酸盐等物质形成聚集态颗粒物［20］，使得聚集态颗粒物、总颗粒物数量浓度排放增大。

在加速工况时，为了保证发动机功率和扭矩的输出，混合气加浓，发动机转速升高，燃油蒸发雾化燃烧时间减少，颗粒物氧化时间减少，颗粒物数量浓度增大。NEDC循环的ECEⅠ和EUDC两个阶段的核模态颗粒物数量浓度在加速工况的峰值小于ECEⅡ、ECEⅢ和ECEⅣ3个阶段的峰值。这是因为在ECEⅠ阶段，发动机冷机起动，燃料不完全燃烧生成的初级颗粒物吸附未燃HC形成聚集态颗粒物，抑制了未燃HC凝结形成核模态颗粒物［21］，因此ECEⅠ加速工况核模态颗粒物数量浓度峰值减小。在EUDC阶段，发动机处于高速大负荷阶段，这一工况对颗粒物的生成产生两方面的影响，一方面高速大负荷时发动机循环供油量增大，混合气过量空气系数减小，转速高燃油蒸发雾化时间短，未燃HC增多，核模态颗粒物数量浓度排放增加；另一方面高速大负荷时，缸内温度和排气温度高，转速高，气体扰动强度高，对颗粒物氧化作用强，核模态颗粒物数量浓度排放减少，其对该GDI汽油车影响较大，因此核模态颗粒物数量浓度峰值较小。

在减速工况时，循环供油量减小，空气相对较多，初级颗粒物和未燃HC生成量下降，发动机转速下降，燃油蒸发雾化时间增长，生成颗粒物被氧化时间增长，颗粒物数量浓度排放减少。

图3为EEPS测量下GDI汽油车进行NEDC循环及ECEⅠ～ECEⅣ和EUDC 5个阶段的核模态、聚集态和总颗粒物的数量浓度排放平均值以及SPCS测量下的颗粒物数量浓度排放平均值。

图3　NEDC循环不同阶段颗粒物数量浓度

由图3可知，SPCS测量的颗粒物数量浓度在ECEⅠ～ECEⅣ和EUDC 5个阶段以及整个NEDC循环内均小于EEPS的测量结果。对于整个NEDC循环，SPCS测量结果约为EEPS测量结果的36%。因此，SPCS的测量结果不能完全反映GDI汽油车的颗粒物数量排放特性。

对于图3中不同的循环阶段，ECEⅠ阶段的核模态颗粒物数量浓度平均值小于ECEⅡ～ECEⅣ3个阶段，大于EUDC阶段。这是因为试验进行ECEⅡ～ECEⅣ3个阶段时，缸内温度升高，利于未燃HC成核形成核模态颗粒物，而EUDC阶段处于大负荷工况，排气温度高，核模态颗粒物被氧化而减少。ECEⅠ阶段的聚集态颗粒物数量浓度平均值大于EUDC阶段及ECEⅡ～ECEⅣ3个阶段，这是因为ECEⅠ阶段包括了发动机的冷起动过程，聚集态颗粒物排放明显增多，而EUDC阶段处于高速大负荷阶段，混合气加浓，聚集态颗粒物较多。随着试验的进行，ECEⅡ～ECEⅣ3个阶段的聚集态颗粒物数量浓度呈减小趋势，这是因为随着试验的进行，冷却水和润滑油的温度升高，壁面油膜蒸发速度增大，湿壁现象影响减少，聚集态颗粒物数量减少。

对于图3中各个循环阶段，ECEⅠ阶段核模态颗粒物数量浓度与聚集态颗粒物数量浓度相近，ECEⅡ～ECEⅣ3个阶段核模态颗粒物数量浓度是聚集态颗粒物数量浓度的6～8倍；EUDC阶段核模态颗粒物数量浓度是聚集态颗粒物数量浓度的2倍；对于整个NEDC循环，核模态颗粒物数量浓度是聚集态颗粒物数量浓度的2.7倍。由上述分析可知，该GDI汽油车进行NEDC循环时颗粒物排放主要是核模态颗粒物，其约为总颗粒物的70%，与胡志远等［22］研究的欧Ⅳ排放水平电控燃油进气道多点喷射的桑塔纳汽油车进行NEDC循环核模态颗粒物约为总颗粒物数量的90%相比较小。这是因为PFI汽油机将燃油喷射在进气道内，无湿壁现象，油气混合时间长，燃料燃烧更加充分，初级颗粒物减少，聚集态颗粒物数量减少。

3.3 颗粒物粒径分布特性

图4为EEPS测量下GDI汽油车进行NEDC循环的颗粒物数量浓度排放粒径分布特性。

图4　NEDC循环颗粒物数量浓度排放粒径分布

由图4可知，GDI汽油车进行NEDC循环的颗粒物排放主要为100 nm以下的超细颗粒物，其中5.6～23 nm粒径范围内的颗粒物数量浓度排放约为总颗粒物数量浓度排放的57%。颗粒物数量浓度排放整体呈三峰分布形态，分别在9.31 nm、19.1 nm和60.4 nm附近取颗粒物数量浓度排放峰值，其中19.1 nm处波峰不明显，9.31 nm和60.4 nm波峰明显且两者峰值大小有明显区别，9.31 nm附近的核模态颗粒物数量浓度峰值（2.4×105个/cm3）是60.4 nm附近聚集态颗粒物数量浓度峰值（1.4×105个/cm3）的1.7倍。

图5为EEPS测量下GDI汽油车进行NEDC循环及ECEⅠ～ECEⅣ和EUDC 5个阶段的颗粒物数量浓度排放粒径分布特性。

图5　不同阶段颗粒物数量浓度排放粒径分布

由图5可知，NEDC循环的ECEⅠ～ECEⅣ和EUDC 5个阶段的颗粒物排放均主要是小于100 nm的超细颗粒物，其中ECEI阶段颗粒物数量浓度呈双峰形态分布；ECEⅡ～ECEⅣ3个阶段的粒径分布特性与NEDC循环呈三峰分布形态，其中19.1 nm处的波峰不明显；EUDC阶段粒径分布呈单峰分布形态，此外在6～15 nm粒径范围内颗粒物数量浓度呈逐渐递减状态。ECEⅠ～ECEⅣ4个阶段及NEDC循环的核模态颗粒物峰值分布在9～11 nm范围内，聚集态颗粒物峰值分布在50～60 nm范围内，除ECEⅠ阶段聚集态颗粒物数量浓度峰值大于核模态颗粒物数量浓度峰值的循环外，ECEⅡ～ECEⅣ3个阶段及NEDC循环的聚集态颗粒物数量浓度峰值均小于核模态颗粒物数量浓度峰值。

对于图5中各个循环阶段，ECEⅠ阶段10.8 nm附近核模态颗粒物数量浓度峰值为2.12×105个/cm3，与NEDC循环核模态颗粒物数量浓度峰值相近，在60.4 nm处聚集态颗粒物数量浓度峰值为3.26×105个/cm3，为NEDC循环聚集态颗粒物数量浓度峰值的2.3倍。ECEⅡ～ECEⅣ3个阶段在19.1 nm附件的波峰不明显，9～11 nm核模态颗粒物数量浓度峰值是NEDC循环核模态颗粒物数量浓度峰值的1.5倍，60.4 nm附近聚集态颗粒物数量浓度排放峰值为NEDC循环聚集态颗粒物数量浓度峰值的50%。EUDC阶段在60.4 nm处取聚集态颗粒物数量浓度峰值1.35×105个/cm3。由上述分析可知，市区运转循环UDC的不同阶段颗粒物粒径分布形态不同；ECEⅡ～ECEⅣ3个阶段对NEDC循环的核模态颗粒物数量浓度排放粒径分布影响较大，ECEⅠ和EUDC阶段对NEDC循环的聚集态颗粒物数量浓度排放粒径分布影响较大。

4 结束语

a.GDI汽油车进行NEDC循环的颗粒物排放主要为100 nm以下的超细颗粒物，其中核模态颗粒物约为总颗粒物数的70%，5.6～23 nm粒径范围内的颗粒物数量浓度排放约为总颗粒物数量浓度排放的57%；

b.GDI汽油车进行NEDC循环测试时，核模态、聚集态和总颗粒物的数量浓度瞬态排放在起动工况和加速工况增大，在减速工况减小；

c.NEDC循环中，ECEⅠ和EUDC阶段的聚集态颗粒物数量浓度排放大于ECEⅡ～ECEⅣ3个阶段的聚集态颗粒物数量浓度排放，ECEⅠ和EUDC阶段的核模态颗粒物数量浓度排放则小于ECEⅡ～ECEⅣ3个阶段的核模态颗粒物数量浓度排放；

d.NEDC循环、ECEⅠ～ECEⅣ及EUDC 5个阶段的核模态颗粒物数量浓度峰值分布在6～11 nm范围内，聚集态颗粒物数量浓度峰值分布在50～60 nm范围内；

e.SPCS的测量结果不能完全反映GDI汽油车的颗粒物数量排放特性。

1王建昕，王志.高效清洁车用汽油机燃烧的研究进展.汽车安全与节能学报，2010，3：167～178.

2姚春德，危红媛，耿培林，等.MMT对GDI、PFI汽油机微粒排放的影响.环境科学学报，2015，9：2766～2772.

3 Su JY，Lin W Y，Sterniak J，etal.Particulate Matter Emission Comparison of Spark Ignition Direct Injection（SIDI）and Port Fuel Injection（PFI）Operation of a Boosted Gasoline Engine.ASME 2013 Internal Combustion Engine Fall TechnicalConference，2013.

4黄震，吕田，李新令.机动车可吸入颗粒物排放与城市大气污染.上海：上海交通大学出版社，2014.

5 WeiQ，Akard M，Porter S，etal.The effectof drive cycles on PM emission characteristics from a gasoline vehicle.SAE，2009-01-1119.

6 Storey JM，Barone T L，Thomas JF，etal.Exhaust particle characterization for lean and stoichiometric DIvehicles operating on ethanol-gasoline blends.SAEWorld Congress，2012.

7 KaravalakisG，ShortD Z，Vu D，etal.Evaluating the Effects of Aromatics Content in Gasoline on Gaseous and Particulate Matter Emissions from SI-PFIand SIDIVehicles.Environmental Science&Technology，2015.

8 Momenimovahed A，Olfert JS.Effective Density and Volatility of Particles Emitted from Gasoline Direct Injection Vehicles and Implications for Particle MassMeasurement.Aerosol Science&Technology，2015.

9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.燃烧科学与技术，2007（3）：248～252.

10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.汽车工程，2009，8：737～740.

11高俊华，高章，刘双喜，等.国Ⅳ汽油车颗粒物数目排放特性研究.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2013（2）：311～315，320.

12王凤滨，张丹，包俊江，等.不同起动工况下的国Ⅳ汽油车排放试验研究.2009中国汽车工程学会年会论文集，2009.

13刘晓亮.缸内直喷式汽油车颗粒物排放试验研究.交通节能与环保，2013，6：27～30.

14解难，李昌，胡月昆，等.环境温度对缸内直喷汽油车颗粒物排放特性的影响.车用发动机，2015（2）：49～52.

15高俊华，李洧，高继东，等.汽油车颗粒物排放特性.吉林大学学报（工学版），2010（4）：947～952.

16王计广，李孟良，徐月云.GDI和PFI汽油车的颗粒物排放特性研究.2014中国汽车工程学会年会论文集，2014.

17付海超，李昕晏，王建海，等.GDI与PFI汽油车微粒排放特性的试验研究.汽车工程，2014（10）：1163～1170.

18钟祥麟，李伟，王建海.GDI汽油车PM2.5数量排放研究.汽车技术，2014（2）：28～30.

19徐长建，董伟，于秀敏，等.缸内直喷汽油机颗粒物排放的热物理特性研究.车用发动机，2015（4）：70～75.

20潘锁柱，裴毅强，宋崇林，等.汽油机颗粒物数量排放及粒径的分布特性.燃烧科学与技术，2012（2）：181～185.

21 Kittelson D B.Engines and nanoparticles：a review.Journal ofAerosol Science，1998，29（5）：575～588.

22胡志远，李金，谭丕强，等.汽油轿车NEDC循环超细颗粒物排放特性.环境科学，2012，12：4181～4187.

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为2016年3月16日。

Particulate M atter Em issions Characteristics from a Gasoline Direct Injection Vehicles under New European Driving Cycle

Hu Zhiyuan1，Song Bo1，Quan Yifeng2，Shi Xu2，Zhao Yao1
（1.Tongji University，Shanghai201804；2.ShanghaiMotor Vehicle Inspection Center，Shanghai201805）

【Abstract】The characteristics of particulatematter emissions from a gasoline direct injection（GDI）vehicle complying with ChinaⅤemission standards are investigated in NEDC.The results show thatmost of particulatematter emission from the GDI vehicle is ultrafine particulate with a diameter less than 100 nm，in which the number of nuclear mode particles with diameter less than 50 nm and particles with diameter ranging from 5.6 to 23 nm are 70%and 57%respectively of the total particles emissions.The particle number concentration emission of nuclear mode particles，accumulation mode particles，as well as total particles increase at the start and acceleration conditions，whereas they decline at the deceleration condition.The number concentration of accumulation mode particles from the ECEⅠand EUDC is higher than ECEⅡ～ECEⅣ，and the number concentration of nuclearmode particles is conversely.

GDIvehicles，NEDC，Particlematter，Em ission

U467.4+8

A

1000-3703（2016）08-0053-05

质检公益性行业科研专项（201410146）。