缸內直噴汽油車WLTC顆粒物排放試驗研究＊

宋博 胡雷 全軼楓 史勖 胡志遠

（1.同濟大學，上海 201804；2.上海市機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805）

缸內直噴汽油車WLTC顆粒物排放試驗研究＊

宋博1胡雷2全軼楓2史勖2胡志遠1

（1.同濟大學，上海 201804；2.上海市機動車檢測認證技術研究中心有限公司，上海 201805）

對某國Ⅴ排放水平缸內直噴汽油車進行WLTC排放試驗，并對顆粒物質量、數量、粒徑分布和組分進行研究。結果表明，該車顆粒物質量排放為1.8 mg/km，固態顆粒物數量排放滿足國Ⅵ過渡限值，起動、加速工況固態顆粒物及總顆粒物數量排放增大，減速工況、熱機起動時減小；顆粒物以100 nm以下的超細顆粒物為主，呈雙峰分布形態，在10 nm、60 nm附近取顆粒物數量排放峰值；顆粒物可溶性有機組分主要為脂肪酸。

1 前言

將于2018年1月1日實施的GB18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》將首次限制缸內直噴（GDI）汽油車顆粒物質量排放（4.5 mg/km），將于2020年7月1日實施的GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》在采用世界輕型汽車測試循環（Worldwide Lightduty Test Cycle，WLTC）基礎上，還將限制固態顆粒物數量排放（6.0×1011個/km），2020年7月1日前，汽油車適用過渡限值為6.0×1012個/km。國內學者對GDI汽油車顆粒物質量、數量排放進行了很多研究，文獻[1]～文獻[7]表明國Ⅳ排放水平GDI汽油車顆粒物數量排放比進氣道噴射汽油車的高1～3個數量級；文獻[6]表明國Ⅴ排放水平GDI汽油車的顆粒物質量排放小于國Ⅳ車，但數量排放較大；文獻[8]～文獻[11]表明國Ⅴ排放水平GDI汽油車進行NEDC測試時顆粒物質量排放滿足國Ⅴ、國Ⅵ排放法規要求，但數量排放大于國Ⅵ法規要求；文獻[7]和文獻[12]表明采用更激進的測試循環時，GDI汽油車顆粒物數量排放增加；而對于國Ⅴ排放水平GDI汽油車進行國Ⅵ排放法規Ⅰ型試驗測試循環（WLTC）的顆粒物質量、數量、組分排放特性，未見報道。

本文以某國Ⅴ排放水平GDI汽油車為研究對象，使用固態顆粒計數系統、發動機排氣粒徑譜儀和氣相色譜-質譜聯用儀，研究該車進行WLTC的顆粒物質量、數量排放，粒徑分布特性和組分排放特性。

2 試驗方案

2.1 試驗樣車與燃油

試驗樣車為某1.4 T國Ⅴ排放水平的輕型汽油車，搭載直列4缸、水冷、渦輪增壓、GDI汽油機，其主要參數見表1。試驗用油為市售國Ⅴ95號汽油。

表1 試驗樣車主要技術參數

2.2 試驗設備與方案

試驗在德國衛仕（WEISS）整車排放環境艙中進行，利用德國申克（Schenck）底盤測功機模擬道路行駛阻力進行WLTC循環排放試驗，試驗方案如圖1所示。其中全流稀釋定容取樣系統（Constant Volume dilution Sam?pling system，CVS）的采樣流量為9.26 m3/min，射流稀釋器的稀釋比為8.21，稀釋溫度120℃；利用單通道顆粒采集裝置對顆粒物進行采樣，采樣介質為直徑47 mm的石英膜，利用氣相色譜-質譜聯用儀分析由超聲洗脫法得到的顆粒物可溶性有機組分（Soluble Organic Frac?tions，SOF）。顆粒物質量排放采用濾紙稱重法測量。

圖1 試驗方案示意

2.3 試驗工況

試驗工況為WLTC。試驗循環由低速段、中速段、高速段和超高速段4個特征工況組成，其車速-時間關系如圖2所示。

3 試驗結果與分析

3.1 污染物排放特性

表2為試驗樣車進行WLTC循環時，常規污染物排放結果。

圖2 WLTC車速-時間關系

表2 試驗樣車常規污染物排放

由表2可知，試驗樣車常規氣態排放污染物和顆粒物質量排放滿足GB18352.6—2016國Ⅵa階段和b階段的排放要求，固態顆粒物數量排放是國Ⅵ階段對GDI汽油車顆粒物數量排放限值要求（6.0×1011個/km）的1.49倍。

3.2 顆粒物數量排放特性

圖3為試驗樣車進行WLTC時，4個特征工況的固態顆粒物、總顆粒物數量瞬態排放特性圖。

由圖3可知，該車進行WLTC時，固態顆粒物數量濃度瞬態排放與發動機排氣粒徑譜儀測量的顆粒物數量濃度排放趨勢相近，但前者數值小于后者，特別是在加速工況下。這是因為固態顆粒計數系統僅測量23 nm以上的固態顆粒，不包含發動機排氣粒徑譜儀測量的5.6～23 nm粒徑范圍內的顆粒物和由揮發性、半揮發性物質形成的顆粒物。因此，該GDI汽油車的顆粒排放中部分顆粒粒徑分布在5.6～23 nm范圍內，揮發性和半揮發性物質影響顆粒物數量排放。

由圖3可知，該車進行WLTC時固態顆粒物和顆粒物數量濃度瞬時排放在起動工況和加速工況增大，在減速工況減小。在低速段30 s附近，固態顆粒物數量濃度和總顆粒物數量濃度瞬時排放分別取整個WLTC內的最大值3.7×107個/cm3、4.71×107個/cm3。這是因為加速工況時，為了保證發動機功率和扭矩等動力性輸出，會加濃混合氣，并且此時發動機轉速升高，使得燃油霧化蒸發時間和生成顆粒的氧化時間減少，顆粒物數量排放增加。在減速工況時，發動機循環供油量減小甚至為零，初級顆粒生成量減少，發動機轉速下降使得生成的顆粒物被氧化時間增長，二者綜合作用使得顆粒物數量排放減少。

圖3 WLTC顆粒物數量瞬態排放

為了考察車輛起動工況對顆粒物數量排放的影響，在冷機起動試驗結束30 min后，進行車輛熱機起動WLTC試驗。冷/熱機起動WLTC低速段固態顆粒物瞬態排放特性如圖4所示。由圖4可知，熱機起動WLTC時，前50 s內固態顆粒物瞬態排放比冷機起動時明顯減小。由此可知，試驗樣車固態顆粒物數量濃度瞬態排放在低速段30 s附近取WLTC的峰值是因為此時試驗樣車處于冷起動、暖機階段。此過程中為了保證發動機冷起動的可靠性、實現快速暖機會加濃混合氣，較低的缸體和冷卻液溫度又導致燃油蒸發慢、工質混合不均勻，二者綜合作用使得試驗樣車在低速段30 s附近加速時顆粒物數量排放明顯增加。

圖4 冷/熱機起動低速段固態顆粒物瞬態排放特性

圖5為試驗樣車進行冷機起動WLTC、4個特征工況和熱機起動WLTC低速段工況的顆粒物和THC排放特性。

圖5 不同特征工況顆粒物、THC排放特性

由圖5可知，WLTC時固態顆粒物數量排放因子低速段＞WLTC平均值＞超高速段＞高速段＞中速段，熱機起動WLTC循環時低速段固態顆粒數量排放因子最小。由此可知，起動工況對試驗樣車的固態顆粒物數量影響較大，平均速度較大的特征工況下，試驗樣車固態顆粒物數量排放增加。

4個特征工況及整個WLTC的總顆粒物數量排放均大于固態顆粒物數量排放，分別為固態顆粒物數量排放的1.86倍、2.57倍、1.94倍、3.25倍和2.41倍，此趨勢與THC質量排放因子變化趨勢相同，因此總顆粒物數量排放受尾氣中THC排放量的影響。

3.3 顆粒物粒徑分布特性

圖6為試驗樣車進行冷機起動WLTC、4個特征工況和熱機起動WLTC低速段工況的總顆粒物數量排放粒徑分布特性。可知，該車進行冷機起動WLTC的顆粒物數量排放主要為100 nm以下的超細顆粒，其中5.6～23 nm粒徑范圍內的顆粒物數量排放約為總顆粒物數量排放的43%。顆粒物數量排放整體呈雙峰分布形態，分別在10 nm、60 nm附近取顆粒物數量排放峰值，二者峰值大小相近。

圖6 不同特征工況顆粒物數量排放粒徑分布

由圖6可知，該車進行WLTC時，不同特征工況顆粒物數量排放粒徑分布特性與WLTC粒徑分布特性相同，均為雙峰分布形態，均在10 nm和60 nm附近取顆粒物數量排放峰值。熱機起動WLTC低速段工況時，10 nm附近顆粒物數量排放峰值增加97.6%，60 nm附近顆粒物數量排放峰值減小76.4%。根據Kittelson D B[13]、Rahman M Montajir等[14]的研究結果，50 nm以下顆粒物主要由揮發性有機物在排氣管中凝結形成，50 nm以上顆粒物主要由燃油不完全燃燒生成的初級碳粒團聚、吸附未燃碳氫、金屬灰燼和硫酸鹽等物質形成。因此，冷機起動時，缸內溫度低，油氣混合差，燃燒不完全，THC排放多，使得50 nm以上顆粒物數量排放較多；熱機起動時，較濃的混合氣以揮發性有機物的形式排出缸外，較少的初級碳粒使得較多的HC凝結形成50 nm以下顆粒物。

對于WLTC不同特征工況顆粒物數量排放粒徑分布，60 nm附近峰值大小順序為：冷機起動低速段＞超高速段＞WLTC＞高速段＞中速段＞熱機起動低速段。因此，當樣車處于熱機狀態時，隨著平均行駛速度的升高，60 nm附近顆粒物數量排放峰值增大，這可能是因為行駛速度越高，燃油蒸發、霧化、燃燒過程的絕對時間減小，使得較多的初級碳粒未被氧化而形成顆粒排出缸外。10 nm附近峰值大小順序為：熱機起動低速段＞冷機起動低速段＞超高速段＞WLTC＞中速段＞高速段。因此，當樣車處于熱機狀態時，隨著平均行駛速度的升高，10 nm附近顆粒物數量排放峰值減小，這可能是因為行駛速度越高，缸內湍流強度越高，燃燒越充分，THC排放減少。當至超高速段時，為了保證車輛的動力性，會采用功率混合氣，使THC排放增加，10 nm附近顆粒物數量排放峰值增大。

3.4 顆粒物SOF組分排放特性

顆粒物SOF組分主要包括脂肪酸、烷烴和多環芳烴（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）3類。圖7為該試驗樣車進行WLTC的顆粒物SOF組分排放特性。可知，顆粒物SOF組分的排放因子為0.419 mg/km，約為顆粒物質量排放的23.3%。顆粒物SOF組分主要是脂肪酸，約占96%；PAHs組分質量分數最小，約占1%。

圖7 顆粒物SOF組分質量分數排放特性

圖8為試驗樣車進行WLTC時，顆粒物SOF組分脂肪酸、烷烴、PAHs的質量分數排放特性。

圖8 顆粒物SOF 3種組分質量分數排放特性

由圖8a可知，該試驗樣車SOF含11種脂肪酸，主要由C14、C16和C18 3種脂肪酸組成，其質量和約為脂肪酸總量的90.6%。脂肪酸組分中，奇數碳原子脂肪酸排放量小于其相鄰的偶數碳原子脂肪酸。由圖8b可知，該試驗樣車SOF組分由C20～C26的7種烷烴組成，各物質組分質量分數呈鋸齒狀分布，隨著碳原子數的增大，奇數碳原子或偶數碳原子物質的質量分數減小。由圖8c可知，該試驗樣車SOF中含22種芳香烴，主要部分由萘、菲、熒蒽、芘、苯并[b+k]熒蒽、茚并[123-cd]芘和苯并[ghi]芘組成，約為芳香烴組分的67.3%。

根據文獻[15]的方法，將PAHs按分子量不同分為低（2、3環）、中（4環）和高（≥5環）分子量PAHs。則該試驗樣車低、中、高分子量PAHs的質量分數分別為41%、23.7%、35.3%，與文獻[15]和文獻[16]研究結果（柴油機以4環以下的PAHs為主）對比，該車PAHs排放中，高分子量PAHs比例較高，與文獻[17]結果一致。這是因為汽油的芳香烴含量大于柴油，且汽油機的燃燒溫度較高，二者共同作用使得更多的低分子量PAHs熱縮聚形成高分子量PAHs[17]。

4 結束語

a.WLTC時，顆粒物質量排放因子1.8 mg/km，固態顆粒物數量排放滿足國Ⅵ過渡限值要求，是國Ⅵ排放限值的1.49倍，固態顆粒物、總顆粒物數量排放在起動工況和加速工況增大，在減速工況減小；

b.WLTC時，顆粒物排放以100 nm以下超細顆粒物為主，呈雙峰分布形態，分別在10 nm、60 nm附近取顆粒物數量排放峰值；

c.熱機起動和平均速度較小的特征工況，固態顆粒物數量排放減小，10 nm附近顆粒物數量排放增大；

d. 顆粒物可溶性有機物組分主要是脂肪酸，與柴油機相比，汽油車PAHs排放中高分子量PAHs比例增大。

1 王鳳濱，包俊江，喬維高，等.循環測量工況下汽油車顆粒物排放試驗研究.汽車工程,2009,31（8）:737～740.

2 高俊華，李洧，高繼東，等.汽油車顆粒物排放特性.吉林大學學報（工學版），2010，40（4）:947～952.

3 彭磊，秦孔建，喬維高，等.國Ⅳ汽油車NEDC循環下的排放特性分析.汽車技術，2010（10）:22～25.

4 高俊華，高章，劉雙喜，等.國Ⅳ汽油車顆粒物數目排放特性研究.武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2013，37（2）:311～315.

5 付海超，李昕晏，王建海，等.GDI與PFI汽油車微粒排放特性的試驗研究.汽車工程,2014（10）:1163～1170.

6 王計廣，李孟良，徐月云.GDI和PFI汽油車的顆粒物排放特性研究.2014中國汽車工程學會年會論文集，2014.

7 陳銘.輕型車不同測試工況排放特性研究及換擋程序開發：[學位論文].北京：北京理工大學,2016.

8 解難，李昌，胡月昆，等.環境溫度對缸內直噴汽油車顆粒物排放特性的影響.車用發動機,2015（2）:49～52.

9 秦宏宇，胡葳，高俊華.F-T汽油對國Ⅴ直噴汽油轎車排放性能影響的研究.車用發動機,2015（2）:53～56.

10 倪虹，郭紅松，曹磊，等.MMT對輕型GDI車輛PM/PN/PAHs排放的影響.內燃機工程,2016（1）:57～61.

11 胡志遠，宋博，全軼楓，等.GDI汽油車NEDC循環顆粒物排放特性.汽車技術,2016（8）:53～57.

12 柳光洋.缸內直噴汽油機轎車微粒排放特性研究：[學位論文].長春：吉林大學,2014.

13 Kittelson D B.Engines and nanoparticles:a review.Jour?nal of Aerosol Science,1998,29（5–6）:575～588.

14 Rahman M Montajir,Terunao Kawai,Yuichi Goto,et al.Thermal Conditioning of Exhaust Gas:Potential for Stabiliz?ing Diesel Nano-Particles.SAE International,2005-01-0187.

15 朱利中，王靜，杜燁，等.汽車尾氣中多環芳烴（PAHs）成分譜圖研究.環境科學,2003,24（3）:26～29.

16 張文美.現代柴油機燃燒過程中微粒及多環芳香烴變化規律的研究：[學位論文].天津：天津大學,2007.

17 Marr L C,And T W K,Harley R A,et al.Characterization of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Motor Vehicle Fu?els and Exhaust Emissions.Environmental Science&Tech?nology,1999,33（18）:3091～3099.

（責任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2017年4月1日。

Experimental Study on Characteristics of Particulate Emission from A GDI Vehicle under WLTC

Song Bo1,Hu Lei2,Quan Yifeng2,Shi Xu2,Hu Zhiyuan1
（1.Tongji University,Shanghai 201804;2.Shanghai Motor Vehicle Inspection Certification&Tech Research Center Co.,LTD,Shanghai 201805）

The characteristics of particulate emissions from a Gasoline Direct Injection（GDI）vehicle complying with ChinaⅤemission standards were investigated under WLTC on the chassis dynamometer,particulate mass,particulate number,particle size distribution and components were studied.The results show that the particulate mass emission of the vehicle is 1.8 mg/km,and the number of solid particles meets ChinaⅥinterim emission limit,the number of solid particles and total particulate matter increase during the phases of start and acceleration,and decrease in deceleration and hot-start condition;Most of particulate emission is ultrafine particulate with a diameter of less than 100 nm,the characteristic of particle number size distribution is bimodal distribution,with peak values appearing at 10 nm and 60 nm respectively;Soluble Organic Fractions（SOF）are mainly composed of fatty acids.

GDI vehicles,Particulate matter,WLTC

缸內直噴汽油車 顆粒物 WLTC

U467.1+2

A

1000-3703（2017）06-0024-05

上海市科學技術委員會科技攻關計劃項目（15DZ1205503）。

胡雷（1982-），男，E-mail：Leih@smvic.com.cn。