GDI與PFI汽油車微粒排放特性的試驗研究*

付海超, 李昕晏, 王建海, 鐘祥麟，張 凡，, 帥石金

(1.清華大學,汽車安全與節能國家重點實驗室,北京 100084； 2.中國汽車技術研究中心,北京 100176)

前言

缸內直噴汽油機(gasoline direct injection，GDI)具有顯著的節能效果及靈活的燃料噴射，目前已成為汽油機研究的熱點和主流技術[1]。有研究數據表明，2007年歐洲汽車廠家新開發的車用汽油機中，GDI汽油機所占的比例達到了70%，而2008年這一數據達到了100%[2]。2010年，美國環保局(EPA)的預測指出，2016年美國在用汽車中GDI汽油車的比例將達到60%，而2020年這一數據將提升到約70%[3]。由此可見，GDI汽油機將會成為未來汽油車的主流動力。

PFI汽油機燃油在進氣道噴射，在點火前燃油和空氣有充分的時間混合，從而形成均質混合氣，因此其燃燒廢氣中的微粒物較少。GDI汽油機燃料直接噴入氣缸，燃油碰壁現象時有發生以及燃油霧化時間短，導致燃燒前燃油與空氣不能充分混合，存在局部濃混合氣區域，因此其微粒物排放會顯著增加[4-7]。大量研究表明[3,8-12]，GDI汽油機的微粒數量排放較PFI汽油機和帶微粒捕集器(DPF)的柴油機有大幅度增加，并且絕大多數的微粒是小于100nm的超細微粒。而近年來的醫學研究表明，空氣中小于100nm的超細微粒對人類健康的影響最大，因為這些微粒能夠深入肺泡內部，對人類的呼吸系統產生嚴重危害[13-15]。因此，從歐Ⅴ法規開始對GDI汽油車的微粒質量排放進行限制，而2014年9月即將實施的歐Ⅵ法規將對GDI汽油車的微粒數量排放進行限制，如表1所示。

表1 歐Ⅴ、歐Ⅵ法規對PM、PN限值

① 只對缸內直噴汽油機適用。

② 自實施日期起前3年，該限值為6×1012。

內燃機的微粒物排放可分為核態(nucleation mode)和積聚態(accumulation mode)兩部分。核態微粒主要由可揮發的物質凝結而成，如硫酸鹽和重組分的未燃碳氫等。積聚態微粒以碳煙為基礎，可溶性有機物和硫酸鹽附著在其表面[4-6]。附著在微粒表面的有機物同樣會對人類健康產生負面影響。

由此可見，了解并掌握GDI汽油車微粒物質量和數量的排放水平和排放特性對環境保護和人類健康有著重要意義，同時將對減少GDI汽車微粒排放提供有力的數據支持。

1 試驗裝置與試驗條件

1.1 試驗車輛

本研究所用的試驗車輛為中國市場上常見的4輛汽油車，其中3輛為GDI汽車，1輛為PFI汽車。試驗車輛及其發動機主要參數如表2所示。

1.2 試驗用油

本研究采用3種辛烷值不同的汽油作為燃料，3種汽油的研究法辛烷值(RON)分別為91.9、94.0和97.4。其中燃油1的硫質量分數為80×10-6，燃油2和燃油3的硫質量分數分別為21×10-6和16×10-6。3種燃油的其余參數見表3。

表2 試驗車輛參數

表3 試驗用油參數

1.3 試驗條件與試驗設備

試驗對每一輛車在新歐洲駕駛循環(NEDC)循環上進行冷起動和熱起動測試。NEDC循環全程共1 180s，其中前780s為城市循環，后400s為郊區循環。試驗車輛更換燃油后須運行NEDC循環一次進行預處理。試驗前將試驗車輛放置在溫度相對穩定在20～30℃之間的室內預置6h以上，直至發動機機油溫度和冷卻液溫度達到室內溫度的±2℃范圍內，之后進行冷起動試驗。試驗期間，室內溫度控制在20～30℃之間，空氣絕對濕度H(水/干空氣)控制在5.5～12.2g/kg之間。熱起動試驗在冷起動試驗結束5min后進行。

試驗設備及采樣系統如圖1所示。試驗所用的微粒粒徑分析設備為英國Cambustion公司生產的DMS500型快速微粒分析儀。該分析儀對汽車排氣進行直接采樣，可以對排氣中微粒的瞬態數量和粒徑分布進行實時測量，其測量范圍為5～1 000nm，采樣間隔為0.1s。此外，該分析儀還可以根據測量結果擬合出核態和積聚態微粒分布曲線。粒徑分析采樣之后，用背景空氣對汽車排氣進行稀釋，并用定容采樣(CVS)系統控制氣體流量。利用HORIBA公司的MEXA-7400HLE型排放分析儀測量稀釋后的瞬態排放。PM和PN的測量采用微粒測量項目(PMP)規定的方法，即利用稀釋加熱器、蒸發管和稀釋冷卻器組成的揮發性微粒去除裝置(VPR)將可揮發的核態微粒去除，濾紙和微粒計數器只對固態的積聚態微粒進行采集和測量。所采用的微粒計數器為HORIBA 公司的MEXA-1000SPCS型。微粒質量測量采用濾紙稱重法，用兩張濾紙分別對城市循環和郊區循環的微粒質量進行測量。

2 GDI與PFI汽油車微粒物排放對比分析

2.1 微粒質量和數量排放

為了保證試驗數據能夠反映發動機正常工作時的真實情況，圖2中的數據均為燃用燃油3(RON 97.4)時獲取的。

圖2和圖3分別給出了4輛試驗車在NEDC循環上的PM和PN排放結果。從這兩幅圖可以看出，4輛試驗車在城市循環的PM和PN排放要高于郊區循環。這主要是因為城市循環包含了冷起動階段，此時發動機的冷卻水溫和機油溫度較低，燃油蒸發速度較慢，燃油與空氣混合的不均勻度較高。此外在冷起動階段，為了讓三效催化器快速起作用會采用混合氣加濃的方式來提高排氣溫度，此時混合氣不均勻度進一步提高，因此微粒排放較高。當試驗車輛運轉到郊區循環時，發動機的冷卻水溫和機油溫度都已升高到正常溫度，混合氣不再加濃，燃油與空氣混合相對均勻，因此微粒物的生成減少。此外，郊區循環的負荷較高，較高的排氣溫度加速了微粒物的氧化，同樣會導致微粒物排放減少。

由圖2可以看出，4輛試驗車的NEDC循環平均PM排放均能滿足歐Ⅵ法規的要求，而PFI汽車(D車)的PM排放約為GDI汽車的1/4。從圖3可以看出，PFI汽車(D車)的PN排放能夠滿足歐Ⅵ法規的要求，而其余3輛GDI試驗車的PN排放均不能達到歐Ⅵ法規的要求。

此外，采用渦輪增壓的A、B車和采用自然吸氣的C車PM、PN差距并不明顯，由此可知進氣方式對微粒排放的影響不大。

2.2 不同車輛微粒瞬態排放

圖4給出了4輛車分別在冷起動和熱起動時的瞬態微粒物數量排放曲線。由圖4中冷起動曲線和熱起動曲線的對比可知， GDI和PFI汽車在冷起動的暖機階段都會有大量的微粒排放。如前所述，在冷起動暖機階段，GDI和PFI發動機內部發生的是加濃的非均質混合氣點燃燃燒，燃燒過程中生成的碳煙很多，因此排氣中生成的微粒也相當多。當暖機結束后，在PFI汽車(D車)發動機內部實現了理論空燃比下的均質混合氣點燃，由于不存在混合氣濃區，此燃燒過程中形成的碳煙極少，因此排氣中的微粒物也極少。而GDI汽車雖然采用進氣沖程噴油試圖在點火前盡量實現均質混合氣，但畢竟較PFI發動機，其油氣混合時間大幅縮短， 因此混合不均勻度較高。此外GDI汽車在加速和減速工況時發動機進氣量、噴油量以及氣缸內氣流運動的變化會導致油氣混合不均勻度大幅提高，此時發動機內部為理論空燃比下的非均質混合氣點燃燃燒，因此微粒排放較高。PFI汽車燃油在進入氣缸前已經與空氣充分混合，因此工況的改變并不會影響混合氣質量，在任何工況下都能實現均質混合氣點燃，因此其微粒排放在任何工況下都極低。

圖5給出了4輛試驗車在冷起動NEDC循環的瞬態核態微粒和積聚態微粒的數量排放。如前所述，雖然在冷起動暖機階段GDI和PFI發動機內部均為加濃的非均質混合氣點燃燃燒，但PFI發動機油氣混合氣時間長，混合氣不均勻度較GDI發動機要低，因此燃燒過程中生成的碳煙相對較少，排氣中形成的積聚態微粒也要少一些。從圖5還可以看出， GDI汽車的高。這是因為PFI汽車的混合氣較均勻，可燃混合氣能夠滲入到燃燒室的各種狹窄縫隙中，如活塞頭與氣缸壁之間的窄縫、火花塞中心電極周圍、進排氣門頭部周圍等，燃燒過程中火焰無法到達這些地方，而在膨脹過程中缸內壓力下降，縫隙中的未完全燃燒碳氫化合物隨排氣一起排出并在排氣管中凝結，從而會有大量的核態微粒生成[16]。GDI汽車燃燒室內混合氣呈中間濃外圍稀的狀態，因而隙中的可燃物質很少，其THC排放較低，核態微粒排放也相對較少。圖6給出了4輛試驗車冷起動暖機階段的THC排放曲線。

2.3 粒徑分布

圖7為4輛車冷起動時的微粒物瞬態粒徑分布圖。它可以進一步證明之前得到的結論，即冷起動暖機階段無論是GDI汽車還是PFI汽車均有大量微粒排放；暖機結束后GDI汽車在加速和減速工況下會有顯著的微粒排放，而PFI汽車的微粒排放則少得多。由圖7還可看出，對于GDI汽車其微粒排放可分為兩個模態，即核態和積聚態。其中，核態微粒粒徑為5～30nm，積聚態微粒粒徑為30～200nm。PFI汽車只在冷起動NEDC前200s內有顯著的微粒排放，其核態微粒粒徑同樣為5～30nm，而凝聚態微粒粒徑范圍為30～150nm，較GDI汽車要略小一些。

圖8給出了4輛試驗車NEDC循環的平均粒徑分布曲線。由圖可見，GDI汽車的核態微粒峰值粒徑約為18nm，積聚態峰值粒徑約為80nm。由于在燃燒過程中有大量碳煙生成，因此GDI汽車微粒數量主要集中在積聚態。而PFI汽車由于混合氣較均勻，燃燒過程生成碳煙較少，因此其積聚態微粒要明顯低于GDI汽車，其微粒物數量主要集中在核態，核態微粒峰值粒徑約為12nm，積聚態峰值粒徑約為60nm。

3 辛烷值對汽油車微粒排放的影響分析

3.1 對微粒質量和數量的影響

圖9給出了4輛車分別燃用不同燃油時NEDC循環平均PM排放。由圖9可知，除B車燃用燃油1(RON 91.9)以外，其余情況下的微粒質量排放均滿足歐Ⅵ法規。

對于采用渦輪增壓直噴發動機的A車和采用自然吸氣直噴發動機的C車，二者進氣方式雖然不同，但推薦燃油辛烷值均為93#，兩輛車的PM排放水平相當，隨著燃油辛烷值的升高，PM排放沒有呈現出明顯的規律。對于B車和D車，二者的推薦燃油辛烷值均為97#，D車由于采用進氣道噴射，其PM排放約為B車的1/4，但隨著辛烷值的提高兩輛車的PM呈下降趨勢。 這是因為當這兩輛車燃用辛烷值較低的燃油1和2時，發動機的爆震傾向更為明顯，在大負荷時更需要大幅度推遲點火時刻來抑制爆震的發生。因此，B車和D車在燃用燃油1和2時，發動機的運行狀況與正常狀況相差較大。爆震的發生以及不理想燃燒的綜合作用使得B車和D車在燃用低辛烷值燃油時的PM排放增加。此外，B車燃用燃油1時PM的增加還可能與燃油1較高的硫含量有關。

圖10為4輛試驗車燃用3種燃油時的NEDC循環平均PN排放值。由圖可見，辛烷值對PN排放的影響未呈現出明顯的規律。由之前的分析可知，B車在燃用燃油1時的PM排放要明顯高于燃用燃油2和3時，而從圖10可以看出，B車燃用燃油1時的微粒數量排放最低。這是因為燃用燃油1時輕微爆震的發生以及點火推遲導致后燃的增加都會導致碳煙氧化的加劇，因而生成的積聚態微粒會減少。

3.2 對瞬態微粒數量和粒徑分布的影響

對4輛試驗車的瞬態微粒數量和粒徑分布的測量結果顯示A、C、D 3輛車在燃用3種燃油時的微粒數量和粒徑分布沒有明顯區別，而B車在高負荷時的測量結果差別較大。下面就對B車的瞬態微粒排放以及粒徑分布進行詳細分析。

圖11給出了試驗車B在燃用不同燃油時的瞬態微粒數量曲線。由圖可見， 在城市工況和絕大多數郊區工況下，B車燃用3種燃油時的瞬態微粒數量排放基本相同，燃用燃油1時的排放值略低。這主要是因為燃用燃油1時的點火推遲導致后燃加重，加速了廢氣中碳煙和未然碳氫的氧化。而在車速由100加速到120km/h工況下，燃用燃油1時的微粒數量會急劇增加。

圖12給出了試驗車B燃用不同辛烷值燃油時的核態和積聚態微粒數量排放曲線。由圖可見，在車速由100加速到120km/h的工況下，B車燃用燃油1時的核態微粒和積聚態微粒排放都會顯著增加。在其他工況下，B車燃用3種燃油的核態微粒排放基本相同，而燃用燃油1時的積聚態微粒排放則略有降低，這與圖10的結果相符。

圖13給出了NEDC高負荷工況時B車燃用不同燃油時的點火時刻和THC排放曲線。從點火時刻曲線可以看出，在車速由100km/h加速之前，隨著燃油辛烷值的降低點火時刻逐步推后。這是因為燃用較低辛烷值燃油時會有爆震發生，ECU通過爆震傳感器的閉環控制推遲點火時刻，從而抑制爆震發生。當車速由100km/h加速到120km/h時，燃用燃油1時的點火時刻發生強烈震蕩，其點火時刻最早達到了上止點前30°CA。這是因為燃油1的辛烷值與B車的推薦辛烷值差別較大，工況的突然變化和強烈爆震的發生使得爆震傳感器的閉環控制的穩定性和響應時間受到強烈影響。從THC排放曲線可以看出，點火時刻的震蕩導致THC排放激增，并產生相應的震蕩。由此可見，THC排放的激增使得核態微粒排放增加，而強烈爆震的發生則會導致燃燒過程碳煙生成的增加，從而使得排氣中形成的積聚態微粒增加。而在其它工況下，點火時刻的推遲導致后燃加重，加速了碳煙的氧化，從而使排氣中的積聚態微粒減少。

圖14為B車燃用不同燃油時的NEDC循環平均粒徑分布曲線。由圖可見，B車燃用燃油2和3時的粒徑分布曲線基本重合。而燃用燃油1時，由于100-120km/h加速階段有大量的核態微粒生成，因此其核態波峰有大幅度升高；對于積聚態微粒，由于只在100-120km/h加速階段增加，而其它階段都有小幅減小，因而總循環平均峰值降低。

4 結論

(1) GDI汽車PM排放可以滿足歐Ⅵ法規要求，但其PN排放遠超出歐Ⅵ法規限值。PFI汽車的PM和PN排放均可滿足歐Ⅵ法規。

(2)GDI汽車在冷起動暖機階段有大量微粒排放，暖機結束后的瞬態工況有明顯微粒排放。PFI汽車則只在冷起動暖機階段有明顯微粒排放。

(3)GDI汽車的核態微粒粒徑范圍為5～30nm，峰值粒徑約為18nm；積聚態微粒粒徑范圍為30～200nm，峰值粒徑約為80nm，微粒數量集中在積聚態。PFI汽車的核態微粒粒徑范圍為5～30nm，峰值粒徑約為12nm；積聚態微粒粒徑范圍為30～150nm，峰值粒徑約為60nm，微粒數量集中在核態。

(4)在高負荷工況下，GDI汽車在燃用低辛烷值汽油時發生的強烈爆震會同時增加核態微粒和積聚態微粒的生成。

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