汽油車顆粒物排放影響試驗研究

李薛，張凱，駱洪燕，張劍，鐘靈貴

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

2020年7月1日在全國范圍內實施的《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》GB18352.6-2016中對車輛顆粒物排放提出了嚴格的要求。其中國6b階段要求整車在進行I型試驗，即整車在世界輕型汽車測試循環（Worldwide Light-duty Test Cycle，WLTC）下測試時的顆粒物重量（Particulate Matter，PM）的排放需要滿足3mg/km的要求，顆粒物數量（Particulate Numbers，PN）的排放需要滿足6×1011個/km的要求，2020年7月1日前，汽油車的過渡限值為6×1012個/km。法規同時要求對于I型試驗的生產一致性檢查，車輛原則上不進行磨合。如生產企業提出書面申請，對僅使用三元催化器的車輛，試驗前最多磨合300km[1]。新下線車輛通過磨合能降低尾氣排放[2]，但是磨合里程越長，主機廠需要付出的成本也就越高。

直噴發動機由于能對進入缸內的燃油量和噴油時刻進行精確控制，使噴油策略更加靈活，實現均質或分層燃燒，因而成為汽油機節能技術發展的主流路線；隨著排放、油耗要求的不斷提升，增壓直噴內燃機在乘用車領域有了越來越大的應用[3-4]。但是缸內直噴燃燒模式因混合氣形成方式的不同而導致燃燒過程區別很大，其混合氣的形成時間較少，因而顆粒物的排放會明顯增加[5-8]。

對于直噴汽油機車輛的顆粒物排放控制及車輛排放的生產一致性的控制是主機廠面臨的一個重大的課題。怎樣在設計過程中降低車輛顆粒物排放量，以及以何種方式去滿足排放生產一致性的要求是值得探索的問題。

本文基于汽油車WLTC循環下不同車輛磨合工況、排氣消聲器內消音棉塑料袋包裹對整車顆粒物排放的影響進行了試驗研究，對整車顆粒物排放控制設計及滿足法規生產一致性要求提供了一定的參考。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗樣車與樣件

本文中的試驗研究基于某款搭載1.5L增壓直噴汽油發動機的車型開展，整車與發動機的主要參數如表1所示。

表1 車輛及發動機主要參數

本次試驗研究中一共使用了6輛上述型號的車輛，其中5輛為0km車輛，編號依次為V1、V2、V3、V4、V5；另外1輛為做WLTC排放試驗，使用約3000km后的，車輛編號為V6。

車輛的排氣系統由兩級三元催化器和兩級消聲器組成，排氣系統示意圖如圖1所示。

圖1 排氣系統示意圖

圖2 消聲棉包裹單元及拆分后狀態圖

消聲器為阻抗復合型結構，消聲器內部填充了的消音棉，消音棉材料為玻璃纖維；原設計狀態的消聲器消音棉填入時有塑料袋包裹，制作時以多個包裹的消音棉單元填充在消聲器腔內，方便生產操作。包裹的消音棉單元及消音棉從塑料袋中拆分后結構如圖2所示。目前也有設計將塑料包裹袋用玻璃纖維編制包裹袋替代，或直接取消包裹袋用注絲機將消音棉填充在消聲器內，但是都會導致成本增加。本文中研究的消聲器消音棉包裹塑料袋的材質為聚乙烯（PE），其燃點在350℃左右。

由于前級消聲器內填充的消音棉單元少，后級消聲器的內部填充的消音棉單元多，本文研究中做的去除消音棉包裹塑料袋的消聲器樣件特指后級消聲器，后級消聲器內部結構簡圖如圖3所示，箭頭為氣流方向示意。消聲器內部由4塊穿孔隔板分成5個區域，其中陰影部分表示為消音棉填充的2個區域，車輛正常使用時，排氣會從消音棉包裹的穿孔管中流過。本文試驗研究中各類型的消聲器樣件編號及狀態信息如表2所示。

圖3 后級消聲器內部結構示意圖

表2 各類型消聲器樣件狀態表

1.2 試驗設備

本文中的試驗研究在整車排放轉鼓試驗臺上進行，試驗循環為WLTC。試驗的測試系統由底盤測功機、定容稀釋系統、排放分析系統、顆粒物數量測試系統、顆粒物重量測試系統及濾紙稱重天平等組成，相關的設備信息如表3所示。

表3 轉鼓測試系統設備信息

1.3 試驗方案

試驗首先用車輛V1和V2分別進行了0km的WLTC循環排放測試，之后對車輛V1按磨合方式1（80km/h的勻速工況）磨合300km后進行WLTC循環排放測試；對車輛V2、V3、V4、V5按磨合方式2（WLTC循環的高速和超高速部分工況）磨合300km后分別進行WLTC循環排放測試，從而對比和驗證磨合及磨合工況對顆粒物排放的影響。之后在對車輛V6進行排放測試后將V5和V6的消聲器對換再分別進行WLTC循環排放測試，以驗證消聲器對顆粒物排放的影響。最后將新生產的M1類型消聲器和M3類型的消聲器分別裝在車輛V6車上進行排放試驗，對比兩種類型的消聲器在使用300km左右的過程中對整車顆粒物的排放差異。

2 試驗結果與分析

2.1 磨合及磨合工況對顆粒物排放的影響

車輛磨合與磨合工況對PM排放影響的結果如圖4所示，其中排放結果以該圖中所有試驗中結果最高值的為基準，即100%，其它試驗結果為相對其值的百分比（本文中后續的PM和PN排放結果對比圖均按此方式進行表示）。從圖4可以看出，在不進行磨合的情況下（0km測試），車輛V1和V2的PM的排放結果較高；當車輛V1使用磨合方式1進行300km磨合后，PM排放結果降低到40%左右，車輛V2使用磨合方式2進行300km磨合后，PM排放結果降低到10%；車輛V3、V4、V5均按磨合方式2進行300km磨合后，PM的排放結果分別均在10%左右；由此可知，0km車輛按磨合方式2進行300km磨合后能有效地降低車輛PM排放。

車輛V1、V2在300km磨合前后的PN排放結果如圖5所示。由圖5可以看出，車輛V1磨合前后PN排放基本無變化，車輛V2磨合前后PN排放結果差異在5%左右，由此判斷，是否磨合及不同方式的磨合對PN的影響很小。

圖4 不同磨合情況下PM排放

圖5 不同磨合情況下PN排放

車輛V1和V2分別按磨合方式1和磨合方式2進行300km磨合后，車輛V1的PM排放是車輛V2的4倍左右。由于排放測試中無法獲得PM的每秒排放數據，為了分析PM排放高的原因，用PN的每秒排放結果作為參考進行原因分析。

圖6為車輛V2兩次試驗中PN的每秒排放數據曲線圖，從圖6可以看出，WLTC循環最后的一個減速階段會有一個明顯的PN排放峰值，車輛在0km狀態下的排放時該現象更為明顯。圖7為WLTC循環時的車速、空燃比及排氣入口溫度，從圖7中可以看出，在WLTC循環最后一個減速階段，發動機出現多次長時間的斷油工況，斷油時發動機基本無顆粒物排出，即使恢復供油后由于發動機轉速負荷很低，顆粒物排放量很少；由此判斷在最后一個減速工況時排氣系統中的某些可燃物質，比如油脂、薄膜[2]等在高溫、氧氣充足的條件下被燃燒后產生出大粒徑或是高密度的顆粒物，從而在PN排放結果無明顯變化的情況下，PM排放會有明顯的升高。

磨合方式1為穩定工況，排氣系統入口溫度較低，在580℃左右，消聲器入口溫度在380℃左右，稍高于PE材料燃點；且工況穩定，發動機不會出現斷油情況，所以即使在溫度滿足燃氣的情況下，由于排氣中無足量的氧氣，排氣系統中的PE塑料袋等可燃物質很難快速地在磨合過程中燃燒耗盡。磨合方式2，車輛運行中在WLTC循環最后一個減速階段排溫高，排氣入口溫度超過750℃，后級消聲器入口溫度在550℃以上，遠超過PE材料的燃點；且有較長時間的斷油工況，能給排氣系統的中可燃物質提供充足的氧氣使其快速地進行燃燒后分解。

圖6 排放測試PN秒采數據

圖7 排放測試中溫度與過量空氣系數

2.2 磨合后消聲器對顆粒物排放的影響

將車輛V5和V6進行了的消聲器交叉互換后的排放測試，PM和PN的測試結果分別如圖8和圖9所示。V5-M1、V5-M2、V6-M1、V6-M2分別代表車輛V5加原車消聲器（磨合300km后）、車輛V5裝車輛V6的消聲器、車輛V6裝車輛V5消聲器（磨合300km后）、車輛V6加原車的消聲器。每個狀態均進行了兩次排放測試。箱形圖上下線分別為兩次試驗的結果，中心線為兩次試驗結果的平均值。

從圖8可以看出，V5-M1、V5-M2對應兩次測試的PM平均值分別為99%、40%左右，即車輛V5換上M2消聲器后PM排放結果下降約60%；V6-M1、V6-M2對應兩次測試的PM平均值分別為80%、30%左右，即車輛V6換上M1（按磨合方式2磨合300km后）消聲器，PM排放結果上升50%左右；由此可知，M1類型消聲器在按磨合方式2磨合300km后對應整車的PM排放相對于M2類型消聲器對應整車的PM排放要高出一定量。

從圖9可以看出，交叉對換消聲器后，車輛的PN排放結果差異不是很明顯。由于不同時間段的PN測試結果波動較大，本文試驗結果未有規律性的變化。

圖8 互換消聲器后的PM排放結果

圖9 互換消聲器后的PN排放結果

2.3 消音棉塑料包裹袋對顆粒物排放影響

為研究消聲器中消音棉的塑料包裹袋對顆粒物排放的影響，將新制作的M1和M3類型消聲器分別裝在V6車上進行0km和按磨合方式2磨合300km～400km左右（排放測試時的里程計算在內）后的排放測試，不同里程下的PM和PN排放測試結果如圖10和圖11所示。

從圖10中可以看出用新制作的消聲器進行0km及一定磨合里程后的排放測試，隨著里程的增加，PM排放量逐漸降低，其中前100km的PM排放量隨里程增加下降很迅速，隨后下降趨勢隨里程增長逐漸變緩。在里程到達300km左右時，相對于有塑料包裹袋的消聲器，去除塑料包裹袋的消聲器能使整車的PM排放降低到原狀態的一半以下。

從圖11可以看出，裝不同類型消聲器的車輛PN排放基本無差異，且本文試驗研究中，PN排放隨里程無明顯規律性變化。

圖10 不同里程下的PM排放結果

圖11 不同里程下的PN排放結果

3 結論

（1）對于0km的車輛通過300km磨合后能大幅降低WLTC循環中PM的排放，但是磨合前后PN的排放結果無明顯變化；

（2）運用有斷油情況出現的高速過渡工況磨合比運用穩定高車速工況磨合對車輛PM排放的改善效果更好；

（3）在消聲器內消音棉有塑料包裹袋的情況下，運用高速過渡工況磨合300km后的消聲器對應整車在WLTC循環中的PM排放相對于使用3000km的消聲器對應整車的PM排放要高出一定量，PN基本無明顯差異；

（4）去除消聲器消音棉的塑料包裹袋能降低車輛WLTC循環下的PM排放量，對PN排放基本無明顯影響；在里程到達300km左右時，相對于有塑料包裹袋的消聲器，去除塑料包裹袋的消聲器能使整車的PM排放降低到原狀態的一半以下。