直喷汽油车在低温环境下颗粒数量排放特性研究

王 猛， 赵陆明， 刘文亮， 温旭君， 杨伟才

(北京奔驰汽车有限公司 研发中心 北京100176)

直喷汽油车在低温环境下颗粒数量排放特性研究

王 猛， 赵陆明， 刘文亮， 温旭君， 杨伟才

(北京奔驰汽车有限公司 研发中心 北京100176)

低温(-7℃)条件下，在底盘测功机上测量了直喷汽油车在WLTC循环下的颗粒物数量排放，以研究车速变化对颗粒物数量的影响.对比发现：在低温条件下，直喷汽油车颗粒物数量排放在启动阶段达到峰值，浓度比常温启动排放高一个数量级；启动和低速阶段排放的颗粒物数量占到总WLTC循环排放量的90 %以上；热车后,颗粒数量排放随工况变化不是很敏感.

直喷汽油车；WLTC工况；低温；颗粒数量；排放

随着机动车排放水平的提高，以及国家环保部第六阶段轻型车排放标准的推出，我国计划于2020年开始执行第六阶段轻型车排放标准[1].新标准对轻型车颗粒物数量排放提出明确要求，因此，排放颗粒物的研究已成为汽车排放行业研究的重点.从机动车排放颗粒物的有害性来看，机动车排放的细颗粒更具有很强的毒理性[2]，颗粒粒径越小，呼吸后，在人体的肺部沉积速率越快[3]，超细颗粒(粒径<100 nm)对健康危害要远大于粗颗粒的危害[4].

本研究采用车辆在WLTC(Worldwide harmonized Light duty vehicle Test Cycle)工况下行驶，控制车辆测试的环境温度为-7℃，为了对比，也在常温22 ℃环境下对相同研究对象进行测试，探讨车辆颗粒数量排放在常低温起动后随车速瞬态变化及分布情况.

1 研究方法、对象及设备

测试工况采用WLTC工况，分为4个阶段：分别为低速、中速、高速和超高速阶段，相比之前的NEDC工况，主要变化为：匀速工况时间变短、时间拉长、里程增大、加减速度变大，手动档车换挡动作增加等；工况主要参数如表1，工况图如图1.

表1 WLTC工况主要参数

按照测试流程，对选取的车辆进行低温预处理，在-7 ℃条件下把车辆静止12小时，然后进行低温排放测试；常温试验按照国六排放法规要求进行测试，然后和低温测试结果比较.

燃油采用北京市售第五阶段燃油，尾气收集采样利用全流稀释系统采样.研究车辆装有1.6 L排量废气涡轮增压前驱车，车辆及发动机主要参数如表2.试验车辆用油品及环境条件如表3.

图1 WLTC工况

表2 研究对象主要参数

排量/L里程/km供油方式发动机型式后处理类型额定功率/kW1.64500缸内直喷直列四缸三元催化剂115(5500r·min-1)

表3 燃料主要参数

颗粒计数系统其功能测试粒径在23 nm-2.5 μm范围.稀释后的排气经过大颗粒筛除后，再进行两级不同温度下的稀释，总的稀释比为500-1 000之间.主要的测试设备如表4.

表4 试验主要设备信息

2 研究结果

测试后，把浓度结果校正后，与体积及车辆里程对应，得到颗粒数量排放结果，如表5.

从表5结果来看，相比常温排放，低温下，直喷汽油车单位里程颗粒物数量排放结果增加明显：至少增加1倍以上，冷起动运行阶段增加超过4倍，数量达到1×1013个级别；热车后的3个工况基本都处于1×1012个级别以下，超高速阶段颗粒排放相比中高速阶段都有所增加.

表5 车辆单位里程颗粒数量排放结果

图2和图3是两种温度模式下，颗粒数量模态浓度值.从图中很明显可以看出，两种温度环境下，车辆冷启动的300秒内，每一次车辆加速过程都伴随着颗粒物生成的一个峰值.这主要是因为车辆刚启动，车辆后处理系统温度不够高[5]，发动机内部温度也低，车辆加速，喷油增加，雾化不充分[6-7]，导致短期内颗粒物大量生成，颗粒数量急剧上升到一个峰值；相比常温冷起动时，-7 ℃冷起动颗粒物数量浓度能达到107个·cm-3数量级，比常温冷起动高一个数量级. 随着发动机热机过程结束，颗粒排放开始下降并趋向于稳定状态.

图2 -7℃冷起动颗粒数量浓度随车速变化情况

图3 常温冷起动颗粒数量浓度随车速变化情况

图4和图5分别是-7 ℃和常温下，WLTC工况颗粒物数量排放总量按照4个阶段分布统计情况：可以看出，无论是-7 ℃条件下，还是常温条件下，低速冷起动阶段颗粒物数量排放均占到90 %以上；热车后的3个工况阶段，颗粒物排放很低，占总量的不到10 %，宏观上反映出低温冷起动阶段对颗粒物排放的影响最大.

针对研究的对象，可以得出关于直喷汽油车颗粒物数量在-7 ℃条件下，WLTC工况试验结论：

1)-7 ℃冷启动试验结果，颗粒排放数量在1×1013数量级别，比常温起动排放高出约一个数量级.

2)WLTC工况四个阶段颗粒数量排放，主要集中在起步后的第一个低速工况阶段.从定量角度分析来看，颗粒数量排放90 %左右集中于低速起动工况，且持续时间约为300秒.

图4 低温下颗粒数量按四个阶段分布情况

图5 常温下颗粒数量按四个阶段分布情况

3 结 论

从国6法规要求来看，如何控制在低温，特别是0 ℃以下环境启动时，颗粒物的排放是一个难点，从常规的加强发动机设计角度，应开始考虑如何匹配车辆燃料供给和后处理系统快速升温之间的关系，比如采取大容量电瓶预加热燃油及催化器，使车辆排放在起动后迅速降下来，以满足日益严格的法规要求.

所以，在我国北方冬天等寒冷天气下，条件允许的前提下，应尽量减少冷起动次数，尽量避免急加速行驶，以便减少颗粒物排放，保护环境.

[1] 国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局．GB18352. 6—2016轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)[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，陈 瑞，徐建勋，等．雾霾超细颗粒物的健康效应[J]．科学通报，2015,60(30)：2808-2823．

[4] 胡建荣，许华俊，李庆云，等． 细颗粒物PM_(2.5)对全身各系统疾病的影响及相关机制研究进展[J]．临床肺科杂志，2015，20(5)：926-928．

[5] 帅石金，董哲林，郑 荣，等．车用汽油机颗粒物生成机理及排放特性研究进展[J]．内燃机学报，2016，34(2)：105-116．

[6] 钟祥麟，李 伟，王建海． GDI汽油车PM2.5数量排放研究[J]．汽车技术，2014(2)：28-30．

[7] 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[J]．车用发动机，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，硕士，研究方向为机动车排放的控制.

TK421

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