轻型车颗粒物数量排放特性研究

李国栋 郭晓鑫 赵 硕 魏有杰 陈 美

（中国汽车工程研究院股份有限公司 重庆 401120）

引言

中国汽车市场早已成为世界第一大市场，汽车销量逐年递增。随着国内汽车保有量与日剧增，机动车所引起的环境污染问题尤其是近年来北方冬季雾霾问题日益受到国家及各相关部委的重视。2016 年12 月23 日，堪称世界最严排放标准轻型车国六标准正式发布，其中在常温冷起动后排气污染物排放试验中，对汽油车新增加颗粒物数量（PN）的要求，这对于汽油车尾气排放控制来讲是崭新及具有相当难度的挑战，各主机厂研发不同的控制策略进行颗粒物数量的控制。

1 轻型车国六标准介绍

GB 18352.6-2016 轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）于2013 年1 月开始进行预研究，2015 年7 月正式开题，2016 年12 月23 日正式发布，2020 年7 月1 正式实施[1]。轻型车国六标准是延续欧盟排放标准、协调全球技术法规、融合美国排放标准创新而形成的排放标准。相比较国五，国六排放污染物限值加严，且针对汽油车增加颗粒物数量（PN）的要求。

2 颗粒物组成、产生机理及处理方案

机动车颗粒物污染物主要由可溶性有机物、碳烟、硫酸盐组成。其中碳烟占总量的50%～80%；可溶性有机物的生成有60%～70%是来自于机油的燃烧；硫化物颗粒的生成主要是源自燃料中的硫成分，这些硫有98%生成SO2，剩下的2%就是硫酸盐，而硫酸盐就是硫化颗粒物的主要来源。虽然硫化颗粒物的含量最少，但它对环境的危害最大。

在发动机燃烧过程中，当油气混合物结合不均匀时，就会出现燃烧不充分，未完全燃烧的碳烟颗粒物具有极大的表面积且还有很多孔，碳是具有吸附功能的，那么上述的其它成分就会被吸附形成颗粒物。燃油喷射时会碰壁形成油滴，在燃烧过程中也会产生比较多的颗粒物，高温高压会使缺氧燃油更快形成颗粒物[2-3]。

发动机按照喷射方式分为缸内直喷发动机与进气道喷射发动机。其中缸内直喷发动机因其喷射方式导致其油气混合局部会出现不均匀，出现高温缺氧区域，导致颗粒物的大量生成。而进气道喷射发动机油气混合均匀，且缸内负荷、压力、温度都较低，产生颗粒物较少。

目前，大部分车型国六颗粒物控制方案都是在后处理系统中配置颗粒捕集器（GPF），颗粒捕集器是通过收集尾气中的颗粒物来降低排气中颗粒物质量和数量。而部分进气道喷射发动机车型，因颗粒物本身产生量较小，未配置颗粒捕集器，通过优化燃烧等技术手段来满足国六标准对于颗粒物质量及数量的要求。

3 试验设计

3.1 轻型车国六工况运行中颗粒物数量排放特性分析

选取一台配置GPF 样车与一台未配置GPF 样车，按轻型车国六标准要求进行试验，记录试验过程中颗粒物数量瞬态数值，分析颗粒物数量在试验过程中的排放特性。

3.2 配置GPF 车型与未配置GPF 车型颗粒物数量排放结果对比分析

选取五台配置GPF 发动机样车与5 台未配置GPF 发动机样车，按轻型车国六标准要求进行试验，记录颗粒物数量排放试验结果，对比分析配置GPF发动机与未配置GPF 发动机颗粒物结果。

3.3 轻型车冷起动与热起动颗粒物数量排放特性分析

选取2 台样车，进行正常国六I 型试验及先进行WLTC 工况热车后再进行国六试验，记录试验过程中颗粒物数量瞬态数值及最终试验结果。对比分析冷态及热态下颗粒物数量排放特性。

3.4 测试方法及测试设备

试验样车依据GB 18352.6-2016 标准中附录C要求开展排放试验。车辆初始状态、浸车环境、滑行阻力设定都应符合标准中附录C 的要求。

试验工况为轻型车国六I 型试验工况WLTC，如图1 所示。

图1 试验工况（WLTC）

试验用测试仪器设备信息如表1 所示。

表1 试验用设备

颗粒物数量分析系统采用HORIBA MEXA-2000SPCS 设备，其中一二级系数比分别设定为10和15。

4 试验结果分析

4.1 轻型车国六工况运行中颗粒物数量排放特性分析

表2 为2 车型颗粒物数量试验结果。

表2 试验结果#（/kW·h）

图2、3、4 为2 车型颗粒物数量试验过程中瞬态结果。

图2 配置GPF 颗粒物数量排放

图3 未配置GPF 颗粒物数量排放

图4 2 样车颗粒物数量排放对比

通过图2、3 颗粒物数量排放结果瞬态值可以看出，配置GPF 样车与未配置GPF 样车颗粒物排放数量瞬态值整体趋势相似。颗粒物数量在加速工况及高负荷工况运行状态下，排放量激增，稳态工况及怠速工况下，排放量较低。冷起动阶段颗粒物数量数值较高，颗粒物产生的主要工况在超高速工况。发动机颗粒物排放在怠速工况下几乎很少，微乎其微，数值为几十甚至个位数，而在加速及高速高负荷阶段，颗粒物数量排放值急剧增加，最高点颗粒物数量可以达到几千的数值。

根据颗粒物生成机理可知，发动机在油气混合不均匀，高压高负荷工况下易形成颗粒物。发动机在加速工况及高负荷工况下，喷油量增加，油气混合不均匀及燃油未充分挥发，产生大量颗粒物数量。冷起动工况下，需提高喷油量使发动机尽快达到正常工作状态，也导致起步状态颗粒物数量偏高。

通过图3 可知，选取的未配置GPF 车型怠速工况与配置GPF 车型颗粒物数量排放量近似，加速工况及高负荷工况下，未配置GPF 颗粒物数量明显高于配置GPF 样车，最高可以达到4 000×109#/（kW·h）左右，而配置GPF 样车颗粒物数量排放峰值最高仅为1 000×109#/（kW·h）左右。

4.2 配置GPF 车型与未配置GPD 车型颗粒物数量排放结果对比分析

2 种车型颗粒物数量试验结果对比如表3、图5所示。

表3 2 种车型颗粒物数量试验结果#（/kW·h）

图5 2 种车型颗粒物数量试验结果对比

通过表3 和图5 可以看出未配置GPF 车型整体高于配置GPF 车型，且部分车型试验结果已经接近国六标准要求限值。配置GPF 部分样车可以达到比国六限值低一个数量级的排放水平，未配置GPF 样车没有一个样车可以达到这样的排放水平。

GPF 可以有效降低汽车颗粒物的排放量。未配置GPF 车型都是进气道喷射车型，通过试验结果可以得出该类型发动机国六WLTC 工况下颗粒物数量排放量也不是很低，因此目前国六主流车型都已配置GPF。

4.3 轻型车、冷起动与热起动颗粒物数量排放特性分析

冷起动、热起动颗粒物数量试验结果对比如表4、图6 所示。

图6 冷起动、热起动颗粒物数量试验结果对比

表4 冷起动、热起动试验结果#（/kW·h）

通过表4 试验结果和图6 冷起动、热起动颗粒数数量排放对比可以看出，热起动后最终颗粒物数量结果低于冷起动排放，2 种试验结果主要差异在于车辆起动阶段，冷起动颗粒物数量排放明显高于热起动车辆，最高数值可以达到1 800×109#/（kW·h）左右，而热起动最高数值仅为200×109#/（kW·h）左右。

样车在开始工况100 s 以后，车辆冷起动颗粒物排放整体仍高于热起动排放，但差距不是很大，在车辆运行至高速工况及超高速工况时，颗粒物排放数量基本一致。到达该工况时，样车整体已达到热车状态，因此颗粒物排放数量基本一致。

5 结束语

通过不同配置样车在国六工况和冷起动、热起动初始状态下的颗粒物排放数量分析，可以得出以下结论和建议。

1）轻型车在加速及高负荷工况下颗粒物排放数量较高，在怠速工况下颗粒物排放很低。针对颗粒物排放数量机内控制技术可重点优化该工况下的颗粒物数量排放。

2）配置GPF 轻型车颗粒物排放水平整体优于未配置GPF 轻型车。GPF 可以有效控制轻型车的颗粒物数量排放。

3）轻型车冷起动初始工况下，颗粒物排放数量较高，轻型车热车完成后颗粒物排放数量明显减少。