汽油车国Ⅵ排放法规及颗粒物排放特性分析

江苏省相城中等专业学校 赵 伟

汽油机是中国、美国和日本等国家乘用车和轻型货车的主流动力。随着汽车排放法规加严，汽油机颗粒物（Particulate Matter，PM）和可挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，VOCs）排放及在大气中形成雾霾等问题广受关注。机动车对大气中可入肺颗粒物（PM2.5）的贡献既包括直接以固态形式从发动机排气管排放的一次颗粒物，又包括以气态形式如SO2、NOx和VOCs等排出在大气中发生稀释冷凝或与大气中其他物质发生复杂的物理化学反应后所生成的二次颗粒物。

1 轻型汽车国Ⅵ排放法规简介

汽车保有量的不断增加，其所带来的环境污染问题显得日益严重，世界范围内都在针对汽车排放污染制订越来越严格的排放法规。近年来，我国机动车污染物排放标准逐步提升，2001年，国家第一阶段机动车排放标准开始实施，经过15年的发展，2016年全国实施国家第四阶段排放标准，重点区域实施第五阶段排放标准，单车污染物排放降低90%以上，有效促进了汽车行业技术升级。为了进一步强化机动车污染防治工作，从源头减少排放，落实《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》有关“实施国Ⅵ排放标准和相应油品标准”的要求，2016年12月23日，环境保护部、国家质检总局发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 18352.6—2016，以下简称轻型汽车国Ⅵ排放法规），自2020年7月1日起实施，对轻型汽车排放污染物制定了更为严格的要求。轻型汽车国Ⅵ排放法规改变了以往等效转化欧洲排放标准的方式，邀请汽车行业全程参与编制，充分吸取专家学者和企业界的意见和建议，共分析汇总8 600种国Ⅴ车型排放数据，调查了50万辆轻型汽车行驶里程情况，设计开展了验证试验。轻型汽车国Ⅵ排放法规的重要意义体现在：一是从以往跟随欧美机动车排放标准转变为大胆创新，首次实现引领世界标准制定，有助于我国汽车企业参与国际市场竞争，推动我国汽车产业发展；二是在我国汽车产能过剩的背景下，可以起到淘汰落后产能、引领产业升级的作用；三是能够满足重点地区为加快改善环境空气质量而加严汽车排放标准的要求。

轻型汽车国Ⅵ排放法规在技术内容上具有6个突破。一是采用全球统一轻型汽车排放测试规程（Worldwide Harmonised Light Vehicle Test Procedure，简称WLTP），全面加严了测试要求，有效减少了实验室认证排放与实际使用排放的差距，并且为油耗和排放的协调管控奠定基础；二是引入了实际行驶排放测试“RDE测试”（Real Driving Emissions，简称RDE），改善了车辆在实际使用状态下的排放控制水平，利于监管，能够有效防止实际排放超标的作弊行为；三是采用燃料中立原则，对柴油车的氮氧化合物（NOx）和汽油车的颗粒物（PM）不再设立较松限值；四是全面强化对VOCs的排放控制，引入48 h蒸发排放试验及加油过程VOCs排放试验，将蒸发排放控制水平提高到90%以上；五是完善车辆诊断系统要求，增加永久故障代码存储要求及防篡改措施，有效防止车辆在使用过程中超标排放；六是简化主管部门进行环保一致性和在用符合性监督检查的规则和判定方法，使操作更具有可实施性。为保证汽车行业有足够的准备周期来进行相关车型和动力系统变更升级及车型开发和生产准备，轻型汽车国Ⅵ排放法规采用分步实施的方式，设置国Ⅵa和国Ⅵb两个排放限值方案，分别于2020年和2023年实施。同时，对大气环境管理有特殊需求的重点区域可提前实施国Ⅵ排放限值。国家质检总局、国家标准委也已于同期批准发布了第六阶段车用汽、柴油国家标准。

轻型汽车国Ⅵ排放法规对轻型汽车排放污染物制定了更为严格的要求（表1），由表1我们不难发现，轻型汽车国Ⅵ排放法规要求的排放限值已经远远低于欧Ⅵ排放法规要求的排放限值。轻型汽车国Ⅵ排放法规引入了全球统一轻型汽车排放测试规程（WLTP），替代了原有国Ⅴ排放法规采用的NEDC（New European Driving Cycle，欧洲循环工况测试）排放测试循环。WLTP为联合国强制推行的轻型汽车测试程序，该测试程序在全世界范围内收集真实行驶工况数据进行循环周期的划分，根据功率质量比（Power to Mass Ratio，简称PM R）将车辆分为三个级别（PM R≤2 2、2 2≤ PMR≤34、PMR>34），并对应最大设计车速的6种实验循环，包括不同类型的低速、中速、高速、额外高速阶段，最终统称为“WLTP循环”。此外，在“WLTP循环”之外，全新的测试规程还添加“RDE测试”，以保证测试规程的真实性。因此，国Ⅵ排放法规被称为史上最严苛的排放法规。轻型汽车国Ⅵ排放法规在对气体污染物限值降低了近50%的同时，还增加了对颗粒物数量（Particulate Number，PN）排放的测试要求，2020 年7月1日以后，所有车型都需要满足PN在6.0×1011颗/km以下；劣化系数也引入加法和乘法两种方式；法规引入了实际驾驶循环排放测试的要求，排放耐久里程国Ⅵb增加到20万km；对OBD（On Board Diagnostics，车载诊断）诊断要求也进行了加严。未来的动态行驶工况和RDE要求会导致车辆行驶时频繁的浓-稀混合气和稀-浓混合气转换，因此，要求催化转化器具有较高的动态储氧能力（Oxygen Storage Capacity，OSC），以避免排气稀燃带来的氮氧化合物（NOx）的超标。最后，为符合现有的车载诊断（OBD）法规，催化转化器必须在整个寿命期内保持合理的储氧能力。因此，应对轻型汽车国Ⅵ排放法规，对轻型汽车排气后处理装置提出更为苛刻的要求，需要更为可靠的催化转化器满足排放的所有要求，需要催化转化器在较宽的空燃比窗口内气体污染物有较高的转化效率，同时催化转化器应具有合适的储氧量满足OBD诊断的要求及具有合适的排气背压以保证燃油经济性的要求。

表1 轻型汽车国Ⅴ和国Ⅵ与欧Ⅴ和欧Ⅵ排放法规规定的排放限值对比

与此同时，世界各国的排放法规都对乘用车的颗粒物数量（PN）排放作出要求。美国联邦测试循环（FTP）要求2017年轻型车固态颗粒物数量（PN）排放限制为3×1012颗/mile；2017年9月欧盟开始执行欧Ⅵc阶段排放法规，其中点燃式发动机颗粒物数量（PN）排放限制为6×1011颗/km；2016年12月我国环境保护部发布并于2020年开始执行的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》要求轻型车颗粒物数量（PN）排放限值为6×1011颗/km。严格的排放法规给汽车生产商带来了巨大的压力。

2 汽油机颗粒物排放的特性

汽油机具有燃烧柔和、振动噪声小、升功率高和结构紧凑等突出优点，是乘用车和轻型货车的主流动力。依据混合气形成方式不同，汽油机可分为进气道喷射（Port Fuel Injection，PFI）汽油机和缸内直喷（Gasoline Direction Injection，GDI）汽油机两种。由于GDI汽油机（根据发动机混合气形成方式可分为壁面引导式、气流引导式和喷雾引导式三种）具有压缩比高，热效率高，可以更灵活地控制燃油与空气的混合等优点，使得其燃油经济性较PFI汽油机得到较大提高，同时对冷起动排放也有很大改善，目前已成为轻型车主流动力装置，在世界范围内得到推广应用。涡轮增压缸内直喷汽油机（Turbo Gasoline Direction Injection，TGDI）与传统的PFI汽油机相比具有更高的效率及更好的响应性，已经成为汽油发动机发展的必然趋势。但GDI汽油机仍有诸多问题需要解决，GDI汽油机相比PFI汽油机而言，由于GDI汽油机的燃料直接喷入缸内，缸内混合气形成时间较短，混合气形成不均匀，容易造成局部混合气较浓及燃油湿壁现象，其一次颗粒物排放会显著上升，颗粒物排放明显高于传统汽油机，由图1可知，相比压缩天然气（Compressed Natural Gas，CNG）发动机、PFI汽油机及加装颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）的柴油机，GDI汽油机具有较高的颗粒物排放，是机动车颗粒物排放的重要来源之一。但由于GDI燃烧模式与传统的柴油机和PFI汽油机有本质区别，因此，其颗粒物的排放特性必然与传统的柴油机和汽油机有所不同。研究表明，汽油机排放的一次颗粒物具有以下一些特征。

图1 不同种类发动机颗粒物排放对比（截屏）

（1）GDI汽油机排放的一次颗粒物数量浓度要远高于多点喷射（MPI）的PFI汽油机及装有DPF的柴油机，但比未安装DPF的柴油机低，并且其排放的颗粒粒径比柴油机更小，对人体的危害也更大。从燃油喷射位置上讲，GDI汽油机的燃油在燃烧室内喷射，燃油与空气混合时间短，混合不均匀程度高，而PFI汽油机的燃油在进气歧管里喷射（燃烧室外），燃油与空气混合时间久，油气混合均匀，从而导致GDI汽油机的颗粒物排放较高。从油气混合时间上讲，GDI汽油机燃油与空气混合时间短，油气混合不充分，缺氧的燃油会发生裂解、脱氢，最后生成炭烟微粒；而PFI汽油机燃油与空气混合时间长，油气在点燃之前，混合已经比较充分，缺氧的燃油部分少，燃烧充分，生成炭烟微粒相对较少。从工作热负荷来讲，GDI汽油机较PFI汽油机热负荷大，气缸盖、活塞顶的温度高，油气燃烧环境温度高，高温高压环境致使缺氧燃油更快形成微粒，并且高温引起燃烧产物加速裂解成一氧化碳（CO）、氢气（H2）等，严重时也析出炭粒，同时过热燃烧室表面更容易产生沉淀物，形成微粒。从喷射方式上讲，GDI汽油机不可避免地使得部分燃油喷射在气缸壁、活塞顶部、气缸盖等部分，被润滑油膜吸附，此部分燃油燃烧不充分，另外还有部分燃油喷到狭窄的缝隙中，此状况面容比较大，容易产生狭隙效应，燃烧火焰传播受限，会因缺氧产生微粒。而PFI汽油机则避免了这方面的危害。从燃烧方式来讲，GDI汽油机的燃油边扩散边燃烧，当然相对于已经油气混合好的PFI汽油机喷射方式，同样会致使混合不均匀，燃烧不充分，而易产生微粒。

（2）GDI汽油机缸内炭烟的生成主要来源于燃油湿壁，喷油时刻与喷油持续期对颗粒物排放有重要的影响。对比均质与分层燃烧模式下颗粒物排放，发现分层燃烧模式颗粒物排放较多，较短的油气混合时间，导致缸内局部混合气较浓是其颗粒物生成的主要原因。当GDI切换到分层燃烧模式时，由于混合气混合的时间短，缸内燃烧模式为扩散燃烧，燃料边混合边燃烧，就会出现局部混合不均匀，出现高温缺氧区，从而造成颗粒物大量生成。除了扩散燃烧方式容易产生积炭外，燃油在喷射过程中触碰活塞顶部、气门或者气缸壁都会产生颗粒物排放。

（3）GDI汽油机炭烟来源于缸内局部浓区的燃烧、附壁油膜的池火燃烧和结焦喷油器附近的扩散燃烧，其中壁面油膜的池火燃烧是GDI汽油机生成颗粒物的主要原因，燃油喷射策略和混合气组织方式对缸内炭烟生成有重要影响。GDI汽油机的炭烟生成过程有两阶段：第一阶段是预混火焰在混合气浓区传播时生成大量炭烟，但是这部分区域的混合气迅速与周围稀薄区域气体混合，导致生成的炭烟绝大部分被迅速氧化；第二阶段是燃烧后期在油膜蒸发燃烧的池火中形成大量炭烟，但由于混合气温度较低及羟基（OH*）的消失，此阶段生成的炭烟很难被氧化。因此，池火燃烧是GDI汽油机最主要的炭烟来源。有研究人员对比了不同GDI汽油机混合气形成模式下炭烟的来源，发现在均质充量模式下，缸内炭烟主要是由池火生成的，而在分层充量模式下，炭烟是由混合气的局部浓区燃烧和池火共同生成的，壁面油膜的扩散燃烧是炭烟的主要来源。喷油器结焦会使喷嘴附近出现缸内局部扩散燃烧，这会大幅增加炭烟、碳氢化合物（HC）、颗粒物数量（PN）排放。合理的多次喷射不仅可以减少壁面燃油湿壁量，还可以增加缸内混合气湍动能，促进燃烧，减少颗粒物排放。

（4）提高燃油喷射压力，有利于燃油快速雾化，促进油气均匀混合，从而降低颗粒物排放。喷油时刻对颗粒物排放有较大影响。提前喷油，颗粒物排放明显增加，特别是凝态颗粒物（粒径在50 nm~1 000 nm，主要来自燃油严重不完全燃烧形成的炭质初生核态粒子，核态粒子继续集聚成团并在表面还吸附了一些半挥发性物质形成了凝聚态颗粒）排放增加，主要原因在于提早喷油，燃油撞击活塞顶部，壁面油膜发生池火燃烧导致颗粒物排放增加。随着喷油时刻的提前，由于凝态颗粒物占比增加，颗粒几何平均粒径变大。推迟喷油，颗粒物排放也增加，主要由于较晚的喷油时刻导致燃油雾化时间短，燃烧室内局部混合气较浓，造成缸内混合气分层，导致颗粒物排放增加。

（5）在低负荷、过渡工况和冷起动的情况下，GDI汽油机的颗粒物排放比传统的PFI汽油机增加较多，但要比柴油机要小若干个数量级。其形成的主要原因可能是局部区域过浓的混合气或类似柴油机的液态油滴扩散燃烧，并且缸内温度低也造成了颗粒物氧化不完全的现象。

（6）如图2所示，当喷油时刻为280°CA BTDC，过量空气系数为1时，对于不同负荷，废气再循环（Exhaust Gas Recirculation，EGR）均可降低发动机颗粒物数量浓度，其主要原因是EGR降低了缸内燃烧温度，抑制了颗粒物的生成。尽管加入EGR后导致排气温度降低，抑制了颗粒物的氧化，但燃烧温度的降低抑制颗粒物生成占主导作用。由于EGR可以降低燃烧温度，从而可以有效降低固态颗粒物排放，但挥发态颗粒物排放却明显增加，这主要是由于引入废气后，HC排放增加，排气中HC进一步冷凝，导致挥发态颗粒物排放增加。在小负荷与中等负荷下，EGR均可有效降低总颗粒物数量（PN）浓度，但不同工况下，颗粒物粒径差异较大，小负荷下引入EGR后核态颗粒物（粒径为5 nm~50 nm的排气颗粒，核态颗粒是由缸内燃烧过程形成的未完全燃烧炭核、挥发性碳氢、含硫化合物及部分金属化合物组成的）较多。由于缸内池火燃烧是GDI汽油机生成颗粒物的主要原因，而引入冷却废气后，池火燃烧温度的降低直接导致颗粒物生成减少。EGR在不同工况下颗粒物排放差异性较大，小负荷时随着EGR率的增加，核态颗粒物排放增加较明显，大负荷时随着EGR率的增加，凝态颗粒物排放减少。

图2 不同负荷下EGR对总颗粒物数量（PN）的影响

（7）GDI汽油机的颗粒物平均当量直径为68 nm～88 nm，比PFI汽油机的颗粒物直径要大。

（8）日本石油能源中心等多家机构研究发现，如图3所示，直喷火花点燃（DISI）汽油车的颗粒物排放呈对数正态分布，平均粒径约为85 nm；稀燃DISI汽油机由于混合气存在浓区，其颗粒物数量（PN）约为化学计量比DISI汽油机的10倍；与多点喷射（MPI）汽油车和DPF柴油车相比，稀燃DISI汽油车的颗粒物数量有明显增加。

图3 不同类型汽油机颗粒物粒径分布曲线对比（截屏）

（9）PFI汽油机所排放的颗粒物中，核态颗粒物占了一半左右，而GDI汽油机与柴油机的核态颗粒数量相对较少。GDI汽油机颗粒物排放呈现明显的正态双峰分布，核态颗粒物基本分布在30 nm以下，峰值在10 nm～20 nm，凝聚态颗粒基本分布在30 nm～110 nm，峰值在60 nm～90 nm；PFI汽油机颗粒物排放主峰大体呈现两个，分别表征凝聚态颗粒与核态颗粒物，其中凝聚态颗粒的峰值在125 nm～132 nm，要比GDI发动机的60 nm～90 nm大很多，而核态颗粒峰值在10 nm 左右，与GDI汽油机的10 nm～20 nm相差不大。但GDI汽油机颗粒物数量排放因子却要比PFI汽油机高109.4倍～197.3倍。

（10）GDI汽油机排放的颗粒物形貌与柴油机类似，都是由很多个小颗粒通过团聚生长而成，呈现簇状、枝状等不规则形状。

（11）GDI汽油机排放的颗粒物可以分为碳质颗粒与非碳质颗粒两大类。碳质颗粒物可以分为soot 颗粒物与有机颗粒物（OP）；非碳质颗粒物可以分为富硫颗粒（S-rich）、富铁颗粒（Fe-rich）、混合颗粒（mix P）及灰烬（ASH）颗粒等4类。

（12）GDI汽油机在分层混合气下的炭烟排放要比均质混合气条件下的高；GDI汽油机采用喷雾引导时要比采用壁面引导的颗粒物排放低（在冷起动时尤为明显），同PFI汽油机相近；而喷雾引导的GDI汽油机在分层模式运行时颗粒物数量（PN）排放明显上升。

（13）GDI汽油机在满负荷工况下，颗粒物排放大幅增加，随着过量空气系数的增加和点火时刻的推迟，颗粒物排放呈减少趋势。

（14）在低转速、小负荷时，内部EGR比外部EGR降低颗粒物排放更有效。EGR会使可溶性颗粒物的数量排放上升，这与EGR的稀释冷却有关。EGR会使得GDI汽油机的凝聚态颗粒物排放下降，但核态颗粒物的排放上升。

（15）在低转速时，三元催化转化器（TWC）对小粒径颗粒物的去除效果比较明显，但随着转速上升，降低幅度明显下降。TWC后的颗粒物几何平均直径明显大于TWC前的。GDI汽油机在冷起动时，98%左右颗粒物的粒径在25 nm以下，冷起动时TWC前的颗粒物数量（PN）要比TWC后的高3个数量级；发动机在低速、低负荷下热机结束后，TWC达到了起燃温度，颗粒物在经过TWC后颗粒物数量（PN）会降低98%以上，而对于颗粒物的减少主要是由于TWC的氧化作用，还是由于系统的稀释冷凝，尚有待进一步的研究探索。TWC后的核态颗粒峰值要明显低于TWC前的，并且混合气越浓（100%负荷），核态颗粒物峰值降幅越大，原因是核态颗粒物主要由可挥发的未燃碳氢凝结而成，TWC对降低未燃碳氢浓度效果明显。

（16）高挥发性的燃油在减少颗粒物排放方面有更好的表现，因为挥发性高的燃油能够快速雾化蒸发，减少缸内浓区的形成。汽油中掺混乙醇后能够明显减少颗粒物排放，一方面乙醇具有较高的挥发性，燃油雾化蒸发快，混合气形成更均匀；另一方面，乙醇自身含氧，比燃烧纯汽油更加充分完全。

（17）涡轮增压缸内直喷汽油机（TGDI）与传统的气道多点喷射汽油机相比具有更高的效率及更好的响应性，已经成为汽油发动机发展的必然趋势。但喷油方式的改变以及油气混合气形成的时间较短导致了颗粒物排放明显高于传统汽油机。

就现有的发动机PN排放摸底情况的统计资料来看，满足国Ⅴ排放法规的MPI汽油机的PN排放水平在3×1011颗/km~9×1011颗/km，GDI汽油机PN排放水平在5×1011颗/km~3×1012颗/km，部分PFI汽油机的PN排放水平在3×1011颗/km~3.5×1012颗/km。

颗粒物排放是个复杂的动态过程，主要由炭烟、来源于燃烧和机油的可溶性有机物、燃烧中硫（S）燃烧后生成的硫酸盐及添加剂组成。发动机中颗粒物的排放主要是由于空气与燃油混合不均匀导致燃烧不完全，在高温缺氧的条件下氧化裂解而形成。影响颗粒物排放的主要因素包括以下几方面：整车（驾驶技术、行驶阻力、换挡及行驶工况）、发动机（燃烧系统、标定控制策略、燃油组分润滑油及冷却系统）。