直噴汽油車市區(qū)工況低溫排氣污染物及顆粒物排放研究

劉文亮，楊 健，姚向軍，王 猛，黃成林，趙陸明 Liu Wenliang，Yang Jian，Yao Xiangjun，Wang Meng，Huang Chenglin，Zhao Luming

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直噴汽油車市區(qū)工況低溫排氣污染物及顆粒物排放研究

劉文亮，楊 健，姚向軍，王 猛，黃成林，趙陸明 Liu Wenliang，Yang Jian，Yao Xiangjun，Wang Meng，Huang Chenglin，Zhao Luming

（北京奔馳汽車有限公司研發(fā)中心，北京100176）

對(duì)汽油車在低溫情況下市區(qū)工況尾氣污染物和顆粒物排放進(jìn)行測(cè)試，并與常溫下市區(qū)排放進(jìn)行比較，得到低溫對(duì)尾氣污染物和顆粒污染物排放的影響，得出結(jié)論：在低溫市區(qū)工況，車輛尾氣排放和顆粒物排放呈倍增加，冬季減少車輛在市區(qū)的短途出行及采取其他清潔出行措施是改善城市空氣質(zhì)量的有效手段。

顆粒物排放；低溫排放；市區(qū)工況；大氣污染

1 研究背景和意義

我國(guó)北方大部分地區(qū)冬季較為寒冷，隨著冬季來(lái)臨，華北地區(qū)等北方地區(qū)空氣質(zhì)量變差，空氣中顆粒物數(shù)量急劇增加，導(dǎo)致霧霾情況越來(lái)越嚴(yán)重。汽車尾氣排放是城市污染物主要來(lái)源之一，研究汽車在低溫市區(qū)工況下行駛時(shí)尾氣排放情況，為得到控制和減少城市污染物排放和顆粒物排放的有效方法提供依據(jù)。

2 研究方法和測(cè)試設(shè)備

2.1 研究對(duì)象和測(cè)試工況

研究對(duì)象為一輛搭載排量為1.6 L直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油車，發(fā)動(dòng)機(jī)是目前主流的動(dòng)力配置機(jī)型，市場(chǎng)保有量大，使測(cè)試結(jié)果具有普遍性和代表性，發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。測(cè)試工況采用國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況，只針對(duì)市區(qū)工況數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，市區(qū)工況持續(xù)時(shí)間為780s，持續(xù)里程為4 km，平均速度為17 km/h，最大車速為50 km/h，如圖1所示[1]。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖1 國(guó)V市區(qū)工況曲線圖

2.2 測(cè)試方法

在常溫25℃和低溫-7℃下，對(duì)這輛1.6 L渦輪增壓直噴汽油機(jī)分別按照GB 18352.5—2013《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）》中Ⅰ型和Ⅵ型試驗(yàn)條件進(jìn)行市區(qū)工況行駛及污染物排放采集測(cè)試，如圖2所示。車輛進(jìn)行預(yù)處理行駛后進(jìn)行常溫25℃和低溫-7℃浸車，第2天進(jìn)行冷啟動(dòng)工況行駛，對(duì)汽車尾氣進(jìn)行連續(xù)稀釋采樣，見(jiàn)表2。對(duì)比CO、NO、THC、PN（顆粒物數(shù)量）、PM（顆粒物質(zhì)量）和CO2在市區(qū)工況下的排放結(jié)果，并在測(cè)試過(guò)程中采集稀釋尾氣的模態(tài)數(shù)據(jù)，分析具體工況的排放情況。

表2 試驗(yàn)條件

2.3 測(cè)試設(shè)備

測(cè)試設(shè)備采用AVL底盤測(cè)功機(jī)和AVL AMA I60、CVS I60等主要排放測(cè)試系統(tǒng)，顆粒物測(cè)試系統(tǒng)為AVL489，環(huán)境艙為Imtech環(huán)境艙，見(jiàn)表3，且實(shí)驗(yàn)室已通過(guò)CNAS實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可。

表3 測(cè)試設(shè)備

3 結(jié)果分析

測(cè)試對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，在低溫市區(qū)工況下，主要污染物排放量是常溫下7～14倍，污染物排放量增加明顯，尤其是顆粒物數(shù)量增幅達(dá)到10倍以上，見(jiàn)表4。

表4 低溫環(huán)境排放污染物增加情況

車輛剛啟動(dòng)的一段時(shí)間內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻液、潤(rùn)滑油的溫度沒(méi)有達(dá)到正常工作溫度，需要經(jīng)過(guò)一個(gè)由冷到熱的過(guò)程，并且加速階段噴油量大，所以顆粒物數(shù)量主要集中在冷啟動(dòng)加速工況，隨著車輛行駛一段時(shí)間后，水溫和油溫上升，顆粒物數(shù)量明顯降低。市區(qū)工況常溫啟動(dòng)顆粒物數(shù)量最高為1011個(gè)/m3，在300 s后，顆粒物數(shù)量維持在108個(gè)/m3水平；低溫啟動(dòng)顆粒物數(shù)量是常溫下顆粒物數(shù)量10倍以上，峰值接近1.2×1012個(gè)/m3，低溫下啟動(dòng)顆粒物排放明顯高于常溫下，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度逐漸升高，在350 s后，顆粒物數(shù)量大幅降低，維持在109個(gè)/m3水平，如圖2所示。

圖2 PN在常、低溫模態(tài)下排放曲線

CO、HC和NO的排放情況如圖3～5所示，低溫下水溫、油溫較低，溫度上升需要時(shí)間，催化器達(dá)到工作溫度的時(shí)間也延遲[2]，低溫下污染物排放濃度增加，低溫啟動(dòng)后，各污染物濃度在100～200 s內(nèi)會(huì)降到較低水平。

圖3 CO在常、低溫模態(tài)下排放曲線

圖4 HC在常、低溫模態(tài)下排放曲線

圖5 NOx在常、低溫模態(tài)下排放曲線

4 結(jié)論及建議

在城市工況下，顆粒物生成主要集中在低速加速工況，加速工況噴油量大、燃燒不充分、發(fā)動(dòng)機(jī)油溫及水溫低，這些不可避免；市區(qū)工況下，測(cè)試車輛常溫啟動(dòng)后，顆粒物數(shù)量為8×1011個(gè)/ km，低溫啟動(dòng)后顆粒物數(shù)量是常溫時(shí)10倍以上，達(dá)到1×1013個(gè)/km，增加明顯，且顆粒物主要集中在啟動(dòng)后的350s內(nèi)，里程在3 km以內(nèi)。

低溫下啟動(dòng)，CO、HC、NO排放量較常溫時(shí)增加明顯，分別為常溫時(shí)9倍、7倍和1.5倍，且排放主要集中在車輛啟動(dòng)后200 s內(nèi)，200 s后隨著發(fā)動(dòng)機(jī)溫度上升，排放量也大幅減小。

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冬季城市工況下行駛車輛，顆粒污染物數(shù)量成10倍增長(zhǎng)，其他污染物也不同程度增加數(shù)倍，增加明顯。冬季減少車輛尾氣污染物排放，主要是減少車輛短途行駛，鼓勵(lì)公共交通出行，如地鐵、公交等，政府可以增加公共交通設(shè)施，如公共租賃電動(dòng)車等，引導(dǎo)市民減少短途汽車行駛；冬季時(shí)車輛盡量停入常溫條件的車庫(kù)，可降低冬季顆粒物及污染物排放水平。

[1]輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第五階段）：GB 18352.5-2013 [S].

[2]孫國(guó)斌. 輕型車低溫下冷啟動(dòng)后排放規(guī)律的試驗(yàn)探討[J]. 北京汽車，2006（3）：30-32.

2017-04-24

1002-4581（2017）05-0005-03

U467.4+99

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.05.002