GDI汽油車NEDC循環(huán)顆粒物排放特性*

胡志遠(yuǎn)　宋博　全軼楓　史勖　趙曜（.同濟(jì)大學(xué)，上海0804；.上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)中心，上海0805）

·節(jié)能環(huán)保·

GDI汽油車NEDC循環(huán)顆粒物排放特性*

胡志遠(yuǎn)1宋博1全軼楓2史勖2趙曜1
（1.同濟(jì)大學(xué)，上海201804；2.上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)中心，上海201805）

對(duì)某國(guó)Ⅴ排放水平GDI汽油車NEDC循環(huán)的顆粒數(shù)量排放及粒徑分布特性進(jìn)行研究。結(jié)果表明，該GDI汽油車的顆粒排放主要為粒徑小于100 nm的超細(xì)顆粒，其中粒徑小于50 nm的核模態(tài)顆粒約為總顆粒的70%，粒徑為5.6～23 nm的顆粒數(shù)量約為總顆粒的57%；核模態(tài)、聚集態(tài)和總顆粒的數(shù)量濃度瞬態(tài)排放在起動(dòng)工況和加速工況增大，在減速工況減小；ECEⅠ和EUDC階段聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度排放大于ECEⅡ～ECEⅣ階段，核模態(tài)顆粒數(shù)量濃度排放小于ECEⅡ～ECEⅣ階段。

主題詞：GDI汽油車NEDC循環(huán)顆粒物排放

1 前言

相對(duì)于傳統(tǒng)進(jìn)氣道噴射（Port Fuel Injection，PFI）汽油機(jī)，GDI汽油機(jī)直接將燃油噴入氣缸燃燒室內(nèi)，油耗可降低10%［1］，但顆粒物排放也因此而增大。研究表明，GDI汽油機(jī)的超細(xì)顆粒物排放比PFI汽油機(jī)高1～3個(gè)數(shù)量級(jí)［2～3］。超細(xì)顆粒物長(zhǎng)時(shí)間懸浮在空氣中，通過擴(kuò)散作用沉積在人體支氣管和肺泡中，同時(shí)大的比表面積使得更多的致癌、致突變物質(zhì)附著在顆粒物表面進(jìn)入人體，對(duì)人體危害更大［4］。

目前，國(guó)外對(duì)GDI汽油車顆粒物排放特性研究較多，WeiQ［5］研究了不同測(cè)試循環(huán)對(duì)顆粒物排放特性的影響，表明汽油車進(jìn)行SFTP-US06循環(huán)在冷起動(dòng)階段的顆粒物質(zhì)量排放是EPA FTP 72和NEDC循環(huán)的兩倍以上，顆粒物中碳元素的含量（56.6%）也高于FTP 72循環(huán)的9.1%及NEDC循環(huán)的6.3%；Storey JM［6］研究了不同燃燒模式的GDI汽油車燃用乙醇汽油的顆粒物排放特性，發(fā)現(xiàn)使用乙醇汽油可以減少GDI汽油車的顆粒物數(shù)量排放，稀薄燃燒模式的GDI汽油車顆粒物數(shù)量排放較多、顆粒物平均粒徑較小。Karavalakis G［7］研究了汽油芳香烴含量對(duì)顆粒物排放的影響，表明汽油車的顆粒物質(zhì)量和數(shù)量排放隨汽油芳香烴的含量升高而增大；Momenimovahed A［8］研究了不同測(cè)試方法對(duì)GDI汽油車顆粒物排放的影響。國(guó)內(nèi)對(duì)GDI汽油車顆粒物排放特性的研究主要集中在國(guó)Ⅳ排放水平的GDI汽油車顆粒物排放特性［9～14］、PFI汽油車與國(guó)Ⅳ排放水平的GDI汽油車的顆粒物排放特性對(duì)比［15～17］等方面，鐘祥麟［18］利用MEXA-1000型固態(tài)顆粒物計(jì)數(shù)系統(tǒng)（Solid Particle Counting System，SPCS）研究了京Ⅴ排放GDI汽油車23 nm～2.5μm粒徑范圍內(nèi)的顆粒物數(shù)量排放特性；徐長(zhǎng)建［19］對(duì)國(guó)Ⅴ排放GDI汽油機(jī)顆粒物排放熱物理特性研究表明，GDI汽油機(jī)排放的部分顆粒物粒徑小于23 nm。因此有必要對(duì)國(guó)Ⅴ排放GDI汽油車的顆粒物數(shù)量排放及粒徑分布特性進(jìn)一步分析。

本文以一輛國(guó)Ⅴ排放水平的1.4TGDI汽油車為研究對(duì)象，同時(shí)使用SPCS和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣粒徑譜儀（Engine Exhaust Particle Sizer Spectrometer，EEPS）研究該GDI汽油車NEDC循環(huán)的顆粒物質(zhì)量排放、23 nm～2.5μm固態(tài)顆粒物數(shù)量排放、核模態(tài)顆粒物（5.6～50 nm）數(shù)量排放、聚集態(tài)顆粒物（50～560 nm）數(shù)量排放及粒徑分布特性。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)樣車與燃油

試驗(yàn)樣車搭載水冷直列4缸、渦輪增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。試驗(yàn)用油為市售國(guó)Ⅴ95號(hào)汽油。

表1　試驗(yàn)樣車主要技術(shù)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

試驗(yàn)在德國(guó)WEISS整車排放環(huán)境艙中進(jìn)行，采用德國(guó)Schenck底盤測(cè)功機(jī)模擬道路行駛阻力，試驗(yàn)過程中美國(guó)TSI公司的3090型EEPS與日本HORIBA公司的MEXA-2000型SPCS并聯(lián)，利用SPCS測(cè)量車輛尾氣中23 nm～2.5μm粒徑范圍內(nèi)的固態(tài)顆粒物數(shù)量排放，利用EEPS測(cè)量車輛尾氣中5.6～560 nm粒徑范圍內(nèi)的顆粒物數(shù)量瞬態(tài)排放。采用DEKATI公司的射流稀釋器（Fine Particle Sampler-4 000，F(xiàn)PS-4 000）對(duì)車輛尾氣進(jìn)行稀釋，稀釋比8.21，稀釋溫度120℃，EEPS稀釋后的采樣流量為10 L/min，約是汽車排氣流量平均值398.6 L/min的0.3%，對(duì)CVS的測(cè)量精度基本沒有影響。顆粒物質(zhì)量排放采用濾紙稱重法測(cè)量，汽車尾氣HC排放采用日本HORIBA公司的汽車尾氣排放測(cè)試分析儀測(cè)量。試驗(yàn)方案示意如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)方案示意

試驗(yàn)運(yùn)行工況為GB18352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)試方法（中國(guó)第5階段）》I型試驗(yàn)循環(huán)，等同于NEDC循環(huán)。試驗(yàn)循環(huán)全程1 180 s，由1部（市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，Urban Driving Cycle，UDC）和2部（市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)，Extra Urban Driving Cycle，EUDC）組成，其中1部由4個(gè)相同的持續(xù)時(shí)間為195 s的ECE-15循環(huán)單元組成，分別稱為ECEⅠ、ECEⅡ、ECEⅢ和ECEⅣ循環(huán)，每個(gè)循環(huán)單元的平均車速為19 km/h，理論行駛距離1.013 km；2部由一個(gè)持續(xù)時(shí)間為400 s的郊區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)工況組成，平均車速為62.6 km/h，理論行駛距離6.955 km，最大車速120 km/h，最大加速度0.833m/s2，最大減速度-1.389m/s2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 顆粒物排放特性

表2為該GDI汽油車NEDC循環(huán)顆粒物和HC排放結(jié)果，滿足GB18 352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)試方法（中國(guó)第五階段）》對(duì)GDI汽油車污染物排放的限值要求。

3.2 顆粒物數(shù)量排放特性

該GDI汽油車NEDC循環(huán)總顆粒物、固態(tài)顆粒物、核模態(tài)顆粒物、聚集態(tài)顆粒物數(shù)量和HC瞬態(tài)排放特性如圖2所示。為了顯示清晰，SPCS測(cè)量結(jié)果放大了2倍，ECEⅠ循環(huán)后，HC排放數(shù)值放大了10倍。

圖2　NEDC循環(huán)顆粒物數(shù)量和HC瞬態(tài)排放特性

由圖2（a）可知，SPCS測(cè)量的顆粒物數(shù)量濃度變化趨勢(shì)與EEPS的測(cè)量結(jié)果相近，但顆粒物數(shù)量濃度的數(shù)值均小于同時(shí)刻下EEPS的測(cè)量結(jié)果。這是因?yàn)镾PCS和EEPS的粒徑測(cè)量范圍不同，相對(duì)于EEPS，SPCS不能測(cè)量5.6～23 nm粒徑范圍內(nèi)的顆粒物。由此可知，該GDI汽油車的顆粒物排放中部分顆粒物粒徑分布在5.6～23 nm范圍內(nèi)。由圖2（b）可知，該GDI汽油車核模態(tài)顆粒物、聚集態(tài)顆粒物和總顆粒物數(shù)量濃度瞬態(tài)排放在起動(dòng)工況和加速工況增大，在減速工況減小。在ECEⅠ階段的30 s附近，聚集態(tài)顆粒物和總顆粒物取整個(gè)NEDC循環(huán)的數(shù)量濃度排放峰值，這是因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于冷起動(dòng)階段，缸內(nèi)溫度低，燃油蒸發(fā)慢，轉(zhuǎn)速低，氣體流動(dòng)弱，工質(zhì)混合不均勻，此外冷起動(dòng)過程為了盡快暖機(jī)和達(dá)到催化劑的起燃溫度會(huì)加濃混合氣，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃油燃燒不完全，初級(jí)碳粒和未燃HC增多，初級(jí)碳粒團(tuán)聚并吸附HC、金屬灰燼和硫酸鹽等物質(zhì)形成聚集態(tài)顆粒物［20］，使得聚集態(tài)顆粒物、總顆粒物數(shù)量濃度排放增大。

在加速工況時(shí)，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)功率和扭矩的輸出，混合氣加濃，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，燃油蒸發(fā)霧化燃燒時(shí)間減少，顆粒物氧化時(shí)間減少，顆粒物數(shù)量濃度增大。NEDC循環(huán)的ECEⅠ和EUDC兩個(gè)階段的核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度在加速工況的峰值小于ECEⅡ、ECEⅢ和ECEⅣ3個(gè)階段的峰值。這是因?yàn)樵贓CEⅠ階段，發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)起動(dòng)，燃料不完全燃燒生成的初級(jí)顆粒物吸附未燃HC形成聚集態(tài)顆粒物，抑制了未燃HC凝結(jié)形成核模態(tài)顆粒物［21］，因此ECEⅠ加速工況核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值減小。在EUDC階段，發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速大負(fù)荷階段，這一工況對(duì)顆粒物的生成產(chǎn)生兩方面的影響，一方面高速大負(fù)荷時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)供油量增大，混合氣過量空氣系數(shù)減小，轉(zhuǎn)速高燃油蒸發(fā)霧化時(shí)間短，未燃HC增多，核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度排放增加；另一方面高速大負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)溫度和排氣溫度高，轉(zhuǎn)速高，氣體擾動(dòng)強(qiáng)度高，對(duì)顆粒物氧化作用強(qiáng)，核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度排放減少，其對(duì)該GDI汽油車影響較大，因此核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值較小。

在減速工況時(shí)，循環(huán)供油量減小，空氣相對(duì)較多，初級(jí)顆粒物和未燃HC生成量下降，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，燃油蒸發(fā)霧化時(shí)間增長(zhǎng)，生成顆粒物被氧化時(shí)間增長(zhǎng)，顆粒物數(shù)量濃度排放減少。

圖3為EEPS測(cè)量下GDI汽油車進(jìn)行NEDC循環(huán)及ECEⅠ～ECEⅣ和EUDC 5個(gè)階段的核模態(tài)、聚集態(tài)和總顆粒物的數(shù)量濃度排放平均值以及SPCS測(cè)量下的顆粒物數(shù)量濃度排放平均值。

圖3　NEDC循環(huán)不同階段顆粒物數(shù)量濃度

由圖3可知，SPCS測(cè)量的顆粒物數(shù)量濃度在ECEⅠ～ECEⅣ和EUDC 5個(gè)階段以及整個(gè)NEDC循環(huán)內(nèi)均小于EEPS的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于整個(gè)NEDC循環(huán)，SPCS測(cè)量結(jié)果約為EEPS測(cè)量結(jié)果的36%。因此，SPCS的測(cè)量結(jié)果不能完全反映GDI汽油車的顆粒物數(shù)量排放特性。

對(duì)于圖3中不同的循環(huán)階段，ECEⅠ階段的核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度平均值小于ECEⅡ～ECEⅣ3個(gè)階段，大于EUDC階段。這是因?yàn)樵囼?yàn)進(jìn)行ECEⅡ～ECEⅣ3個(gè)階段時(shí)，缸內(nèi)溫度升高，利于未燃HC成核形成核模態(tài)顆粒物，而EUDC階段處于大負(fù)荷工況，排氣溫度高，核模態(tài)顆粒物被氧化而減少。ECEⅠ階段的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度平均值大于EUDC階段及ECEⅡ～ECEⅣ3個(gè)階段，這是因?yàn)镋CEⅠ階段包括了發(fā)動(dòng)機(jī)的冷起動(dòng)過程，聚集態(tài)顆粒物排放明顯增多，而EUDC階段處于高速大負(fù)荷階段，混合氣加濃，聚集態(tài)顆粒物較多。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，ECEⅡ～ECEⅣ3個(gè)階段的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度呈減小趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著試驗(yàn)的進(jìn)行，冷卻水和潤(rùn)滑油的溫度升高，壁面油膜蒸發(fā)速度增大，濕壁現(xiàn)象影響減少，聚集態(tài)顆粒物數(shù)量減少。

對(duì)于圖3中各個(gè)循環(huán)階段，ECEⅠ階段核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度與聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度相近，ECEⅡ～ECEⅣ3個(gè)階段核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度是聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的6～8倍；EUDC階段核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度是聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的2倍；對(duì)于整個(gè)NEDC循環(huán)，核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度是聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度的2.7倍。由上述分析可知，該GDI汽油車進(jìn)行NEDC循環(huán)時(shí)顆粒物排放主要是核模態(tài)顆粒物，其約為總顆粒物的70%，與胡志遠(yuǎn)等［22］研究的歐Ⅳ排放水平電控燃油進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射的桑塔納汽油車進(jìn)行NEDC循環(huán)核模態(tài)顆粒物約為總顆粒物數(shù)量的90%相比較小。這是因?yàn)镻FI汽油機(jī)將燃油噴射在進(jìn)氣道內(nèi)，無濕壁現(xiàn)象，油氣混合時(shí)間長(zhǎng)，燃料燃燒更加充分，初級(jí)顆粒物減少，聚集態(tài)顆粒物數(shù)量減少。

3.3 顆粒物粒徑分布特性

圖4為EEPS測(cè)量下GDI汽油車進(jìn)行NEDC循環(huán)的顆粒物數(shù)量濃度排放粒徑分布特性。

圖4　NEDC循環(huán)顆粒物數(shù)量濃度排放粒徑分布

由圖4可知，GDI汽油車進(jìn)行NEDC循環(huán)的顆粒物排放主要為100 nm以下的超細(xì)顆粒物，其中5.6～23 nm粒徑范圍內(nèi)的顆粒物數(shù)量濃度排放約為總顆粒物數(shù)量濃度排放的57%。顆粒物數(shù)量濃度排放整體呈三峰分布形態(tài)，分別在9.31 nm、19.1 nm和60.4 nm附近取顆粒物數(shù)量濃度排放峰值，其中19.1 nm處波峰不明顯，9.31 nm和60.4 nm波峰明顯且兩者峰值大小有明顯區(qū)別，9.31 nm附近的核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值（2.4×105個(gè)/cm3）是60.4 nm附近聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值（1.4×105個(gè)/cm3）的1.7倍。

圖5為EEPS測(cè)量下GDI汽油車進(jìn)行NEDC循環(huán)及ECEⅠ～ECEⅣ和EUDC 5個(gè)階段的顆粒物數(shù)量濃度排放粒徑分布特性。

圖5　不同階段顆粒物數(shù)量濃度排放粒徑分布

由圖5可知，NEDC循環(huán)的ECEⅠ～ECEⅣ和EUDC 5個(gè)階段的顆粒物排放均主要是小于100 nm的超細(xì)顆粒物，其中ECEI階段顆粒物數(shù)量濃度呈雙峰形態(tài)分布；ECEⅡ～ECEⅣ3個(gè)階段的粒徑分布特性與NEDC循環(huán)呈三峰分布形態(tài)，其中19.1 nm處的波峰不明顯；EUDC階段粒徑分布呈單峰分布形態(tài)，此外在6～15 nm粒徑范圍內(nèi)顆粒物數(shù)量濃度呈逐漸遞減狀態(tài)。ECEⅠ～ECEⅣ4個(gè)階段及NEDC循環(huán)的核模態(tài)顆粒物峰值分布在9～11 nm范圍內(nèi)，聚集態(tài)顆粒物峰值分布在50～60 nm范圍內(nèi)，除ECEⅠ階段聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值大于核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值的循環(huán)外，ECEⅡ～ECEⅣ3個(gè)階段及NEDC循環(huán)的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值均小于核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值。

對(duì)于圖5中各個(gè)循環(huán)階段，ECEⅠ階段10.8 nm附近核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值為2.12×105個(gè)/cm3，與NEDC循環(huán)核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值相近，在60.4 nm處聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值為3.26×105個(gè)/cm3，為NEDC循環(huán)聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值的2.3倍。ECEⅡ～ECEⅣ3個(gè)階段在19.1 nm附件的波峰不明顯，9～11 nm核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值是NEDC循環(huán)核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值的1.5倍，60.4 nm附近聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度排放峰值為NEDC循環(huán)聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值的50%。EUDC階段在60.4 nm處取聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值1.35×105個(gè)/cm3。由上述分析可知，市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)UDC的不同階段顆粒物粒徑分布形態(tài)不同；ECEⅡ～ECEⅣ3個(gè)階段對(duì)NEDC循環(huán)的核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度排放粒徑分布影響較大，ECEⅠ和EUDC階段對(duì)NEDC循環(huán)的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度排放粒徑分布影響較大。

4 結(jié)束語

a.GDI汽油車進(jìn)行NEDC循環(huán)的顆粒物排放主要為100 nm以下的超細(xì)顆粒物，其中核模態(tài)顆粒物約為總顆粒物數(shù)的70%，5.6～23 nm粒徑范圍內(nèi)的顆粒物數(shù)量濃度排放約為總顆粒物數(shù)量濃度排放的57%；

b.GDI汽油車進(jìn)行NEDC循環(huán)測(cè)試時(shí)，核模態(tài)、聚集態(tài)和總顆粒物的數(shù)量濃度瞬態(tài)排放在起動(dòng)工況和加速工況增大，在減速工況減小；

c.NEDC循環(huán)中，ECEⅠ和EUDC階段的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度排放大于ECEⅡ～ECEⅣ3個(gè)階段的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度排放，ECEⅠ和EUDC階段的核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度排放則小于ECEⅡ～ECEⅣ3個(gè)階段的核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度排放；

d.NEDC循環(huán)、ECEⅠ～ECEⅣ及EUDC 5個(gè)階段的核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值分布在6～11 nm范圍內(nèi)，聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值分布在50～60 nm范圍內(nèi)；

e.SPCS的測(cè)量結(jié)果不能完全反映GDI汽油車的顆粒物數(shù)量排放特性。

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22胡志遠(yuǎn)，李金，譚丕強(qiáng)，等.汽油轎車NEDC循環(huán)超細(xì)顆粒物排放特性.環(huán)境科學(xué)，2012，12：4181～4187.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年3月16日。

Particulate M atter Em issions Characteristics from a Gasoline Direct Injection Vehicles under New European Driving Cycle

Hu Zhiyuan1，Song Bo1，Quan Yifeng2，Shi Xu2，Zhao Yao1
（1.Tongji University，Shanghai201804；2.ShanghaiMotor Vehicle Inspection Center，Shanghai201805）

【Abstract】The characteristics of particulatematter emissions from a gasoline direct injection（GDI）vehicle complying with ChinaⅤemission standards are investigated in NEDC.The results show thatmost of particulatematter emission from the GDI vehicle is ultrafine particulate with a diameter less than 100 nm，in which the number of nuclear mode particles with diameter less than 50 nm and particles with diameter ranging from 5.6 to 23 nm are 70%and 57%respectively of the total particles emissions.The particle number concentration emission of nuclear mode particles，accumulation mode particles，as well as total particles increase at the start and acceleration conditions，whereas they decline at the deceleration condition.The number concentration of accumulation mode particles from the ECEⅠand EUDC is higher than ECEⅡ～ECEⅣ，and the number concentration of nuclearmode particles is conversely.

GDIvehicles，NEDC，Particlematter，Em ission

U467.4+8

A

1000-3703（2016）08-0053-05

質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)（201410146）。