国六轻型汽车超细颗粒排放特性研究

赖益土

(厦门环境保护机动车污染控制技术中心,厦门 361023)

颗粒物对人类的健康危害明显[1]，世界卫生组织(WHO)制定了《空气质量准则》[2]，我国于2012年也制定了环境空气质量标准，限值与WHO过渡目标一致，PM2.5日均值为75 μg/m3，年均值为35 μg/m3[3].研究表明，颗粒物和健康效应取决于暴露时间、颗粒大小和颗粒来源[4-5]].可吸入颗粒物在人体器官内的沉积效率与颗粒大小有关，粒径低于23 nm(Sub23)的颗粒对胸部、气管及支气管的沉积影响尤为明显[6].

当前，欧盟和中国的汽车排放标准仅对空气动力学直径23 nm以上的固态颗粒(Solid Particle Number，SPN)提出控制要求，未对23 nm以下的颗粒做要求.鉴于Sub23颗粒的危害性，欧盟计划在下一阶段标准中增加23 nm以下颗粒的控制要求.文中在国内首次使用满足全球技术法规GTR15最新修正案要求的SPN10颗粒计数系统，选取典型国六车辆，研究对比SPN23和SPN10的排放差异.

1 实验内容和实验设备

1.1 实验内容

实验选用6辆国六轻型汽车，其中，1～5号为汽油车(5号为混合动力汽车)，6号为柴油车.对于汽油车，除3号配置三元催化器(Three Way Catalytic，TWC)加汽油颗粒捕集器(Gasoline Particle Filter，GPF)外，其余4辆均采用TWC.柴油车采用的后处理技术路线为NSC+SCR+DPF.实验循环为轻型车全球统一工况(Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle, WLTC)，为保证实验结果的准确性，每辆样车采用国六基准燃油进行2次重复性实验.车辆信息见表1，表中：PFI为进气道喷射(Port Fuel Injection);GDI为缸内直喷(Gasoline Direct Injection);MxI为混合喷射(Mix Injection);DPF为柴油颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter);CRI为燃油共轨喷射(Common Rail Injection);NSC为氮氧存储催化器(NOXStorage Catalyst);SCR为选择性催化还原器(Selective Catalytic Reduction).

表1 实验车辆相关参数

1.2 实验设备

在底盘测功机上进行整车转鼓实验，实验室配置AVL四驱底盘测功机、CVS i60稀释采样系统、AMA i60分析系统、PSS i60颗粒质量采集系统以及Imtech环境模拟舱.使用满足现行23 nm颗粒测试要求的AVL489系统测量SPN23，满足GTR15修正案中10 nm颗粒测试要求的AVL488系统测量SPN10.颗粒测试系统如图1所示，颗粒测量设备信息见表2，表中：ET为蒸发加热管(Evaporation Tube)；CS为催化去除器(Catalytic Stripper).

表2 颗粒测试设备信息

图1 颗粒物测试系统示意图

2 数据处理方法

2.1 SPN数据处理方法

SPN10的数据处理与现行标准要求的SPN23数据处理方法一致，计算公式为

(1)

2.2 Sub23%数据处理方法

SPN10的计算方法与SPN23一致，车辆排气中,小于23 nm颗粒的占比定义为Sub23%，计算公式如下：

(2)

3 实验结果及讨论

不同排放控制技术路线车辆WLTC循环冷起动排放实验结果如表3所示.从结果上看，6辆样车SPN23排放结果均满足国六颗粒排放限值(6.0×1011个/km)要求.其中，进气道喷射(PFI)和缸内直喷(GDI)样车SPN10排放较高， 2次实验Sub23平均增幅分别为135.8%和53.2%；混合喷射样车(包含混动车辆)Sub23增幅为40%～45%；带颗粒捕集器的样车(包含GPF和DPF)Sub23排放增幅低于20%.

表3 WLTC循环冷起动排放实验结果

WLTC循环颗粒瞬态排放特性如图2所示.图中给出了WLTC循环瞬态SPN排放因子.

图2 WLTC循环SPN瞬态排放因子

图3对WLTC循环各个速度段的SPN排放进行统计，柱状图上的数值表示Sub23排放占比.从排放结果上看，冷起动仍是车辆SPN排放的主要阶段.对于进气道喷射(PFI)样车，WLTC循环超高速阶段产生大量的Sub23排放，Sub23占该阶段比例高达257%.对于缸内直喷(GDI)和混合喷射(MxI)样车，除冷起动外，颗粒排放主要产生于循环过程的各个加速阶段.带颗粒捕集器样车(DPF和GPF)的颗粒排放主要产生于冷起动阶段，颗粒捕集器在热机循环阶段对SPN10和SPN23均有较好的过滤效果.

图3 WLTC循环各速度段SPN排放因子

4 结 论

文章采用满足全球技术法规GTR15第6号修正案要求的SPN10和SPN23设备，研究不同排放控制技术路线国六轻型汽车在全球统一工况(WLTC)下颗粒物的排放特性，得出以下结论：

1)6辆不同排放控制技术路线国六样车WLTC冷起动排放实验的SPN23排放均满足限值(6.0×1011个/km)要求.对于SPN10排放，国六进气道喷射(PFI)车辆Sub23增量最高，达到120%～150%；国六缸内直喷(GDI)和混合喷射(MxI)车辆Sub23增量在40%～60%之间；国六带颗粒捕集器(GPF或DPF)的车辆，Sub23增量在0～20%左右.考虑Sub23后，PFI和GDI车辆均会超出当前SPN23限值要求;

2)冷起动仍是车辆SPN23和SPN10排放的主要阶段，相较于PFI和GDI样车，MxI和带颗粒捕集器(DPF或GPF)的样车冷起动颗粒排放得到较好的控制;

3)柴油颗粒捕集器(DPF)和汽油颗粒捕集器(GPF)对SPN10和SPN23均有较好的颗粒过滤作用，除冷起动阶段产生一定量颗粒排放外，热机循环阶段颗粒排放均低于1.0×1011个/km.