汽油车颗粒物排放影响试验研究

2021-05-26李薛张凯骆洪燕张剑钟灵贵

汽车实用技术 2021年9期

李薛，张凯，骆洪燕，张剑，钟灵贵

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434）

前言

2020年7月1日在全国范围内实施的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》GB18352.6-2016中对车辆颗粒物排放提出了严格的要求。其中国6b阶段要求整车在进行I型试验，即整车在世界轻型汽车测试循环（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）下测试时的颗粒物重量（Particulate Matter，PM）的排放需要满足3mg/km的要求，颗粒物数量（Particulate Numbers，PN）的排放需要满足6×1011个/km的要求，2020年7月1日前，汽油车的过渡限值为6×1012个/km。法规同时要求对于I型试验的生产一致性检查，车辆原则上不进行磨合。如生产企业提出书面申请，对仅使用三元催化器的车辆，试验前最多磨合300km[1]。新下线车辆通过磨合能降低尾气排放[2]，但是磨合里程越长，主机厂需要付出的成本也就越高。

直喷发动机由于能对进入缸内的燃油量和喷油时刻进行精确控制，使喷油策略更加灵活，实现均质或分层燃烧，因而成为汽油机节能技术发展的主流路线；随着排放、油耗要求的不断提升，增压直喷内燃机在乘用车领域有了越来越大的应用[3-4]。但是缸内直喷燃烧模式因混合气形成方式的不同而导致燃烧过程区别很大，其混合气的形成时间较少，因而颗粒物的排放会明显增加[5-8]。

对于直喷汽油机车辆的颗粒物排放控制及车辆排放的生产一致性的控制是主机厂面临的一个重大的课题。怎样在设计过程中降低车辆颗粒物排放量，以及以何种方式去满足排放生产一致性的要求是值得探索的问题。

本文基于汽油车WLTC循环下不同车辆磨合工况、排气消声器内消音棉塑料袋包裹对整车颗粒物排放的影响进行了试验研究，对整车颗粒物排放控制设计及满足法规生产一致性要求提供了一定的参考。

1 试验装置及方法

1.1 试验样车与样件

本文中的试验研究基于某款搭载1.5L增压直喷汽油发动机的车型开展，整车与发动机的主要参数如表1所示。

表1 车辆及发动机主要参数

本次试验研究中一共使用了6辆上述型号的车辆，其中5辆为0km车辆，编号依次为V1、V2、V3、V4、V5；另外1辆为做WLTC排放试验，使用约3000km后的，车辆编号为V6。

车辆的排气系统由两级三元催化器和两级消声器组成，排气系统示意图如图1所示。

图1 排气系统示意图

图2 消声棉包裹单元及拆分后状态图

消声器为阻抗复合型结构，消声器内部填充了的消音棉，消音棉材料为玻璃纤维；原设计状态的消声器消音棉填入时有塑料袋包裹，制作时以多个包裹的消音棉单元填充在消声器腔内，方便生产操作。包裹的消音棉单元及消音棉从塑料袋中拆分后结构如图2所示。目前也有设计将塑料包裹袋用玻璃纤维编制包裹袋替代，或直接取消包裹袋用注丝机将消音棉填充在消声器内，但是都会导致成本增加。本文中研究的消声器消音棉包裹塑料袋的材质为聚乙烯（PE），其燃点在350℃左右。

由于前级消声器内填充的消音棉单元少，后级消声器的内部填充的消音棉单元多，本文研究中做的去除消音棉包裹塑料袋的消声器样件特指后级消声器，后级消声器内部结构简图如图3所示，箭头为气流方向示意。消声器内部由4块穿孔隔板分成5个区域，其中阴影部分表示为消音棉填充的2个区域，车辆正常使用时，排气会从消音棉包裹的穿孔管中流过。本文试验研究中各类型的消声器样件编号及状态信息如表2所示。

图3 后级消声器内部结构示意图

表2 各类型消声器样件状态表

1.2 试验设备

本文中的试验研究在整车排放转鼓试验台上进行，试验循环为WLTC。试验的测试系统由底盘测功机、定容稀释系统、排放分析系统、颗粒物数量测试系统、颗粒物重量测试系统及滤纸称重天平等组成，相关的设备信息如表3所示。

表3 转鼓测试系统设备信息

1.3 试验方案

试验首先用车辆V1和V2分别进行了0km的WLTC循环排放测试，之后对车辆V1按磨合方式1（80km/h的匀速工况）磨合300km后进行WLTC循环排放测试；对车辆V2、V3、V4、V5按磨合方式2（WLTC循环的高速和超高速部分工况）磨合300km后分别进行WLTC循环排放测试，从而对比和验证磨合及磨合工况对颗粒物排放的影响。之后在对车辆V6进行排放测试后将V5和V6的消声器对换再分别进行WLTC循环排放测试，以验证消声器对颗粒物排放的影响。最后将新生产的M1类型消声器和M3类型的消声器分别装在车辆V6车上进行排放试验，对比两种类型的消声器在使用300km左右的过程中对整车颗粒物的排放差异。

2 试验结果与分析

2.1 磨合及磨合工况对颗粒物排放的影响

车辆磨合与磨合工况对PM排放影响的结果如图4所示，其中排放结果以该图中所有试验中结果最高值的为基准，即100%，其它试验结果为相对其值的百分比（本文中后续的PM和PN排放结果对比图均按此方式进行表示）。从图4可以看出，在不进行磨合的情况下（0km测试），车辆V1和V2的PM的排放结果较高；当车辆V1使用磨合方式1进行300km磨合后，PM排放结果降低到40%左右，车辆V2使用磨合方式2进行300km磨合后，PM排放结果降低到10%；车辆V3、V4、V5均按磨合方式2进行300km磨合后，PM的排放结果分别均在10%左右；由此可知，0km车辆按磨合方式2进行300km磨合后能有效地降低车辆PM排放。

车辆V1、V2在300km磨合前后的PN排放结果如图5所示。由图5可以看出，车辆V1磨合前后PN排放基本无变化，车辆V2磨合前后PN排放结果差异在5%左右，由此判断，是否磨合及不同方式的磨合对PN的影响很小。

图4 不同磨合情况下PM排放

图5 不同磨合情况下PN排放

车辆V1和V2分别按磨合方式1和磨合方式2进行300km磨合后，车辆V1的PM排放是车辆V2的4倍左右。由于排放测试中无法获得PM的每秒排放数据，为了分析PM排放高的原因，用PN的每秒排放结果作为参考进行原因分析。

图6为车辆V2两次试验中PN的每秒排放数据曲线图，从图6可以看出，WLTC循环最后的一个减速阶段会有一个明显的PN排放峰值，车辆在0km状态下的排放时该现象更为明显。图7为WLTC循环时的车速、空燃比及排气入口温度，从图7中可以看出，在WLTC循环最后一个减速阶段，发动机出现多次长时间的断油工况，断油时发动机基本无颗粒物排出，即使恢复供油后由于发动机转速负荷很低，颗粒物排放量很少；由此判断在最后一个减速工况时排气系统中的某些可燃物质，比如油脂、薄膜[2]等在高温、氧气充足的条件下被燃烧后产生出大粒径或是高密度的颗粒物，从而在PN排放结果无明显变化的情况下，PM排放会有明显的升高。

磨合方式1为稳定工况，排气系统入口温度较低，在580℃左右，消声器入口温度在380℃左右，稍高于PE材料燃点；且工况稳定，发动机不会出现断油情况，所以即使在温度满足燃气的情况下，由于排气中无足量的氧气，排气系统中的PE塑料袋等可燃物质很难快速地在磨合过程中燃烧耗尽。磨合方式2，车辆运行中在WLTC循环最后一个减速阶段排温高，排气入口温度超过750℃，后级消声器入口温度在550℃以上，远超过PE材料的燃点；且有较长时间的断油工况，能给排气系统的中可燃物质提供充足的氧气使其快速地进行燃烧后分解。

图6 排放测试PN秒采数据

图7 排放测试中温度与过量空气系数

2.2 磨合后消声器对颗粒物排放的影响

将车辆V5和V6进行了的消声器交叉互换后的排放测试，PM和PN的测试结果分别如图8和图9所示。V5-M1、V5-M2、V6-M1、V6-M2分别代表车辆V5加原车消声器（磨合300km后）、车辆V5装车辆V6的消声器、车辆V6装车辆V5消声器（磨合300km后）、车辆V6加原车的消声器。每个状态均进行了两次排放测试。箱形图上下线分别为两次试验的结果，中心线为两次试验结果的平均值。

从图8可以看出，V5-M1、V5-M2对应两次测试的PM平均值分别为99%、40%左右，即车辆V5换上M2消声器后PM排放结果下降约60%；V6-M1、V6-M2对应两次测试的PM平均值分别为80%、30%左右，即车辆V6换上M1（按磨合方式2磨合300km后）消声器，PM排放结果上升50%左右；由此可知，M1类型消声器在按磨合方式2磨合300km后对应整车的PM排放相对于M2类型消声器对应整车的PM排放要高出一定量。

从图9可以看出，交叉对换消声器后，车辆的PN排放结果差异不是很明显。由于不同时间段的PN测试结果波动较大，本文试验结果未有规律性的变化。

图8 互换消声器后的PM排放结果

图9 互换消声器后的PN排放结果

2.3 消音棉塑料包裹袋对颗粒物排放影响

为研究消声器中消音棉的塑料包裹袋对颗粒物排放的影响，将新制作的M1和M3类型消声器分别装在V6车上进行0km和按磨合方式2磨合300km～400km左右（排放测试时的里程计算在内）后的排放测试，不同里程下的PM和PN排放测试结果如图10和图11所示。

从图10中可以看出用新制作的消声器进行0km及一定磨合里程后的排放测试，随着里程的增加，PM排放量逐渐降低，其中前100km的PM排放量随里程增加下降很迅速，随后下降趋势随里程增长逐渐变缓。在里程到达300km左右时，相对于有塑料包裹袋的消声器，去除塑料包裹袋的消声器能使整车的PM排放降低到原状态的一半以下。

从图11可以看出，装不同类型消声器的车辆PN排放基本无差异，且本文试验研究中，PN排放随里程无明显规律性变化。