輕型車顆粒物數量排放特性研究

李國棟 郭曉鑫 趙 碩 魏有杰 陳 美

（中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶 401120）

引言

中國汽車市場早已成為世界第一大市場，汽車銷量逐年遞增。隨著國內汽車保有量與日劇增，機動車所引起的環境污染問題尤其是近年來北方冬季霧霾問題日益受到國家及各相關部委的重視。2016 年12 月23 日，堪稱世界最嚴排放標準輕型車國六標準正式發布，其中在常溫冷起動后排氣污染物排放試驗中，對汽油車新增加顆粒物數量（PN）的要求，這對于汽油車尾氣排放控制來講是嶄新及具有相當難度的挑戰，各主機廠研發不同的控制策略進行顆粒物數量的控制。

1 輕型車國六標準介紹

GB 18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）于2013 年1 月開始進行預研究，2015 年7 月正式開題，2016 年12 月23 日正式發布，2020 年7 月1 正式實施[1]。輕型車國六標準是延續歐盟排放標準、協調全球技術法規、融合美國排放標準創新而形成的排放標準。相比較國五，國六排放污染物限值加嚴，且針對汽油車增加顆粒物數量（PN）的要求。

2 顆粒物組成、產生機理及處理方案

機動車顆粒物污染物主要由可溶性有機物、碳煙、硫酸鹽組成。其中碳煙占總量的50%～80%；可溶性有機物的生成有60%～70%是來自于機油的燃燒；硫化物顆粒的生成主要是源自燃料中的硫成分，這些硫有98%生成SO2，剩下的2%就是硫酸鹽，而硫酸鹽就是硫化顆粒物的主要來源。雖然硫化顆粒物的含量最少，但它對環境的危害最大。

在發動機燃燒過程中，當油氣混合物結合不均勻時，就會出現燃燒不充分，未完全燃燒的碳煙顆粒物具有極大的表面積且還有很多孔，碳是具有吸附功能的，那么上述的其它成分就會被吸附形成顆粒物。燃油噴射時會碰壁形成油滴，在燃燒過程中也會產生比較多的顆粒物，高溫高壓會使缺氧燃油更快形成顆粒物[2-3]。

發動機按照噴射方式分為缸內直噴發動機與進氣道噴射發動機。其中缸內直噴發動機因其噴射方式導致其油氣混合局部會出現不均勻，出現高溫缺氧區域，導致顆粒物的大量生成。而進氣道噴射發動機油氣混合均勻，且缸內負荷、壓力、溫度都較低，產生顆粒物較少。

目前，大部分車型國六顆粒物控制方案都是在后處理系統中配置顆粒捕集器（GPF），顆粒捕集器是通過收集尾氣中的顆粒物來降低排氣中顆粒物質量和數量。而部分進氣道噴射發動機車型，因顆粒物本身產生量較小，未配置顆粒捕集器，通過優化燃燒等技術手段來滿足國六標準對于顆粒物質量及數量的要求。

3 試驗設計

3.1 輕型車國六工況運行中顆粒物數量排放特性分析

選取一臺配置GPF 樣車與一臺未配置GPF 樣車，按輕型車國六標準要求進行試驗，記錄試驗過程中顆粒物數量瞬態數值，分析顆粒物數量在試驗過程中的排放特性。

3.2 配置GPF 車型與未配置GPF 車型顆粒物數量排放結果對比分析

選取五臺配置GPF 發動機樣車與5 臺未配置GPF 發動機樣車，按輕型車國六標準要求進行試驗，記錄顆粒物數量排放試驗結果，對比分析配置GPF發動機與未配置GPF 發動機顆粒物結果。

3.3 輕型車冷起動與熱起動顆粒物數量排放特性分析

選取2 臺樣車，進行正常國六I 型試驗及先進行WLTC 工況熱車后再進行國六試驗，記錄試驗過程中顆粒物數量瞬態數值及最終試驗結果。對比分析冷態及熱態下顆粒物數量排放特性。

3.4 測試方法及測試設備

試驗樣車依據GB 18352.6-2016 標準中附錄C要求開展排放試驗。車輛初始狀態、浸車環境、滑行阻力設定都應符合標準中附錄C 的要求。

試驗工況為輕型車國六I 型試驗工況WLTC，如圖1 所示。

圖1 試驗工況（WLTC）

試驗用測試儀器設備信息如表1 所示。

表1 試驗用設備

顆粒物數量分析系統采用HORIBA MEXA-2000SPCS 設備，其中一二級系數比分別設定為10和15。

4 試驗結果分析

4.1 輕型車國六工況運行中顆粒物數量排放特性分析

表2 為2 車型顆粒物數量試驗結果。

表2 試驗結果#（/kW·h）

圖2、3、4 為2 車型顆粒物數量試驗過程中瞬態結果。

圖2 配置GPF 顆粒物數量排放

圖3 未配置GPF 顆粒物數量排放

圖4 2 樣車顆粒物數量排放對比

通過圖2、3 顆粒物數量排放結果瞬態值可以看出，配置GPF 樣車與未配置GPF 樣車顆粒物排放數量瞬態值整體趨勢相似。顆粒物數量在加速工況及高負荷工況運行狀態下，排放量激增，穩態工況及怠速工況下，排放量較低。冷起動階段顆粒物數量數值較高，顆粒物產生的主要工況在超高速工況。發動機顆粒物排放在怠速工況下幾乎很少，微乎其微，數值為幾十甚至個位數，而在加速及高速高負荷階段，顆粒物數量排放值急劇增加，最高點顆粒物數量可以達到幾千的數值。

根據顆粒物生成機理可知，發動機在油氣混合不均勻，高壓高負荷工況下易形成顆粒物。發動機在加速工況及高負荷工況下，噴油量增加，油氣混合不均勻及燃油未充分揮發，產生大量顆粒物數量。冷起動工況下，需提高噴油量使發動機盡快達到正常工作狀態，也導致起步狀態顆粒物數量偏高。

通過圖3 可知，選取的未配置GPF 車型怠速工況與配置GPF 車型顆粒物數量排放量近似，加速工況及高負荷工況下，未配置GPF 顆粒物數量明顯高于配置GPF 樣車，最高可以達到4 000×109#/（kW·h）左右，而配置GPF 樣車顆粒物數量排放峰值最高僅為1 000×109#/（kW·h）左右。

4.2 配置GPF 車型與未配置GPD 車型顆粒物數量排放結果對比分析

2 種車型顆粒物數量試驗結果對比如表3、圖5所示。

表3 2 種車型顆粒物數量試驗結果#（/kW·h）

圖5 2 種車型顆粒物數量試驗結果對比

通過表3 和圖5 可以看出未配置GPF 車型整體高于配置GPF 車型，且部分車型試驗結果已經接近國六標準要求限值。配置GPF 部分樣車可以達到比國六限值低一個數量級的排放水平，未配置GPF 樣車沒有一個樣車可以達到這樣的排放水平。

GPF 可以有效降低汽車顆粒物的排放量。未配置GPF 車型都是進氣道噴射車型，通過試驗結果可以得出該類型發動機國六WLTC 工況下顆粒物數量排放量也不是很低，因此目前國六主流車型都已配置GPF。

4.3 輕型車、冷起動與熱起動顆粒物數量排放特性分析

冷起動、熱起動顆粒物數量試驗結果對比如表4、圖6 所示。

圖6 冷起動、熱起動顆粒物數量試驗結果對比

表4 冷起動、熱起動試驗結果#（/kW·h）

通過表4 試驗結果和圖6 冷起動、熱起動顆粒數數量排放對比可以看出，熱起動后最終顆粒物數量結果低于冷起動排放，2 種試驗結果主要差異在于車輛起動階段，冷起動顆粒物數量排放明顯高于熱起動車輛，最高數值可以達到1 800×109#/（kW·h）左右，而熱起動最高數值僅為200×109#/（kW·h）左右。

樣車在開始工況100 s 以后，車輛冷起動顆粒物排放整體仍高于熱起動排放，但差距不是很大，在車輛運行至高速工況及超高速工況時，顆粒物排放數量基本一致。到達該工況時，樣車整體已達到熱車狀態，因此顆粒物排放數量基本一致。

5 結束語

通過不同配置樣車在國六工況和冷起動、熱起動初始狀態下的顆粒物排放數量分析，可以得出以下結論和建議。

1）輕型車在加速及高負荷工況下顆粒物排放數量較高，在怠速工況下顆粒物排放很低。針對顆粒物排放數量機內控制技術可重點優化該工況下的顆粒物數量排放。

2）配置GPF 輕型車顆粒物排放水平整體優于未配置GPF 輕型車。GPF 可以有效控制輕型車的顆粒物數量排放。

3）輕型車冷起動初始工況下，顆粒物排放數量較高，輕型車熱車完成后顆粒物排放數量明顯減少。