GDI汽油車NEDC循環(huán)顆粒物排放特性*

胡志遠　宋博　全軼楓　史勖　趙曜（.同濟大學，上海0804；.上海機動車檢測中心，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1宋博1全軼楓2史勖2趙曜1
（1.同濟大學，上海201804；2.上海機動車檢測中心，上海201805）

對某國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行研究。結果表明，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

相對于傳統(tǒng)進氣道噴射（Port Fuel Injection，PFI）汽油機，GDI汽油機直接將燃油噴入氣缸燃燒室內，油耗可降低10%［1］，但顆粒物排放也因此而增大。研究表明，GDI汽油機的超細顆粒物排放比PFI汽油機高1～3個數(shù)量級［2～3］。超細顆粒物長時間懸浮在空氣中，通過擴散作用沉積在人體支氣管和肺泡中，同時大的比表面積使得更多的致癌、致突變物質附著在顆粒物表面進入人體，對人體危害更大［4］。

目前，國外對GDI汽油車顆粒物排放特性研究較多，WeiQ［5］研究了不同測試循環(huán)對顆粒物排放特性的影響，表明汽油車進行SFTP-US06循環(huán)在冷起動階段的顆粒物質量排放是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顆粒物排放的影響，表明汽油車的顆粒物質量和數(shù)量排放隨汽油芳香烴的含量升高而增大；Momenimovahed A［8］研究了不同測試方法對GDI汽油車顆粒物排放的影響。國內對GDI汽油車顆粒物排放特性的研究主要集中在國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Ⅳ排放水平的GDI汽油車的顆粒物排放特性對比［15～17］等方面，鐘祥麟［18］利用MEXA-1000型固態(tài)顆粒物計數(shù)系統(tǒng)（Solid Particle Counting System，SPCS）研究了京Ⅴ排放GDI汽油車23 nm～2.5μm粒徑范圍內的顆粒物數(shù)量排放特性；徐長建［19］對國Ⅴ排放GDI汽油機顆粒物排放熱物理特性研究表明，GDI汽油機排放的部分顆粒物粒徑小于23 nm。因此有必要對國Ⅴ排放GDI汽油車的顆粒物數(shù)量排放及粒徑分布特性進一步分析。

本文以一輛國Ⅴ排放水平的1.4TGDI汽油車為研究對象，同時使用SPCS和發(fā)動機排氣粒徑譜儀（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 試驗方案

2.1 試驗樣車與燃油

試驗樣車搭載水冷直列4缸、渦輪增壓缸內直噴汽油機，其主要技術參數(shù)如表1所列。試驗用油為市售國Ⅴ95號汽油。

表1　試驗樣車主要技術參數(shù)

2.2 試驗設備與方案

試驗在德國WEISS整車排放環(huán)境艙中進行，采用德國Schenck底盤測功機模擬道路行駛阻力，試驗過程中美國TSI公司的3090型EEPS與日本HORIBA公司的MEXA-2000型SPCS并聯(lián)，利用SPCS測量車輛尾氣中23 nm～2.5μm粒徑范圍內的固態(tài)顆粒物數(shù)量排放，利用EEPS測量車輛尾氣中5.6～560 nm粒徑范圍內的顆粒物數(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）對車輛尾氣進行稀釋，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CVS的測量精度基本沒有影響。顆粒物質量排放采用濾紙稱重法測量，汽車尾氣HC排放采用日本HORIBA公司的汽車尾氣排放測試分析儀測量。試驗方案示意如圖1所示。

圖1　試驗方案示意

試驗運行工況為GB18352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測試方法（中國第5階段）》I型試驗循環(huán)，等同于NEDC循環(huán)。試驗循環(huán)全程1 180 s，由1部（市區(qū)運轉循環(huán)，Urban Driving Cycle，UDC）和2部（市郊運轉循環(huán)，Extra Urban Driving Cycle，EUDC）組成，其中1部由4個相同的持續(xù)時間為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部由一個持續(xù)時間為400 s的郊區(qū)運轉工況組成，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 試驗結果與分析

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排放結果，滿足GB18 352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測試方法（中國第五階段）》對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測量結果放大了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測量的顆粒物數(shù)量濃度變化趨勢與EEPS的測量結果相近，但顆粒物數(shù)量濃度的數(shù)值均小于同時刻下EEPS的測量結果。這是因為SPCS和EEPS的粒徑測量范圍不同，相對于EEPS，SPCS不能測量5.6～23 nm粒徑范圍內的顆粒物。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。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NEDC循環(huán)的數(shù)量濃度排放峰值，這是因為此時發(fā)動機處于冷起動階段，缸內溫度低，燃油蒸發(fā)慢，轉速低，氣體流動弱，工質混合不均勻，此外冷起動過程為了盡快暖機和達到催化劑的起燃溫度會加濃混合氣，導致發(fā)動機燃油燃燒不完全，初級碳粒和未燃HC增多，初級碳粒團聚并吸附HC、金屬灰燼和硫酸鹽等物質形成聚集態(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，為了保證發(fā)動機功率和扭矩的輸出，混合氣加濃，發(fā)動機轉速升高，燃油蒸發(fā)霧化燃燒時間減少，顆粒物氧化時間減少，顆粒物數(shù)量濃度增大。NEDC循環(huán)的ECEⅠ和EUDC兩個階段的核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度在加速工況的峰值小于ECEⅡ、ECEⅢ和ECEⅣ3個階段的峰值。這是因為在ECEⅠ階段，發(fā)動機冷機起動，燃料不完全燃燒生成的初級顆粒物吸附未燃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)動機處于高速大負荷階段，這一工況對顆粒物的生成產生兩方面的影響，一方面高速大負荷時發(fā)動機循環(huán)供油量增大，混合氣過量空氣系數(shù)減小，轉速高燃油蒸發(fā)霧化時間短，未燃HC增多，核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度排放增加；另一方面高速大負荷時，缸內溫度和排氣溫度高，轉速高，氣體擾動強度高，對顆粒物氧化作用強，核模態(tài)顆粒物數(shù)量濃度排放減少，其對該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，循環(huán)供油量減小，空氣相對較多，初級顆粒物和未燃HC生成量下降，發(fā)動機轉速下降，燃油蒸發(fā)霧化時間增長，生成顆粒物被氧化時間增長，顆粒物數(shù)量濃度排放減少。

圖3為EEPS測量下GDI汽油車進行NEDC循環(huán)及ECEⅠ～ECEⅣ和EUDC 5個階段的核模態(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測量的顆粒物數(shù)量濃度在ECEⅠ～ECEⅣ和EUDC 5個階段以及整個NEDC循環(huán)內均小于EEPS的測量結果。對于整個NEDC循環(huán)，SPCS測量結果約為EEPS測量結果的36%。因此，SPCS的測量結果不能完全反映GDI汽油車的顆粒物數(shù)量排放特性。

對于圖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個階段，大于EUDC階段。這是因為試驗進行ECEⅡ～ECEⅣ3個階段時，缸內溫度升高，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個階段，這是因為ECEⅠ階段包括了發(fā)動機的冷起動過程，聚集態(tài)顆粒物排放明顯增多，而EUDC階段處于高速大負荷階段，混合氣加濃，聚集態(tài)顆粒物較多。隨著試驗的進行，ECEⅡ～ECEⅣ3個階段的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度呈減小趨勢，這是因為隨著試驗的進行，冷卻水和潤滑油的溫度升高，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。

對于圖3中各個循環(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；對于整個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汽油車進行NEDC循環(huán)時顆粒物排放主要是核模態(tài)顆粒物，其約為總顆粒物的70%，與胡志遠等［22］研究的歐Ⅳ排放水平電控燃油進氣道多點噴射的桑塔納汽油車進行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。這是因為PFI汽油機將燃油噴射在進氣道內，無濕壁現(xiàn)象，油氣混合時間長，燃料燃燒更加充分，初級顆粒物減少，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測量下GDI汽油車進行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汽油車進行NEDC循環(huán)的顆粒物排放主要為100 nm以下的超細顆粒物，其中5.6～23 nm粒徑范圍內的顆粒物數(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/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/cm3）的1.7倍。

圖5為EEPS測量下GDI汽油車進行NEDC循環(huán)及ECEⅠ～ECEⅣ和EUDC 5個階段的顆粒物數(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個階段的顆粒物排放均主要是小于100 nm的超細顆粒物，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粒徑范圍內顆粒物數(shù)量濃度呈逐漸遞減狀態(tài)。ECEⅠ～ECEⅣ4個階段及NEDC循環(huán)的核模態(tài)顆粒物峰值分布在9～11 nm范圍內，聚集態(tài)顆粒物峰值分布在50～60 nm范圍內，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。

對于圖5中各個循環(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/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/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/cm3。由上述分析可知，市區(qū)運轉循環(huán)UDC的不同階段顆粒物粒徑分布形態(tài)不同；ECEⅡ～ECEⅣ3個階段對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 結束語

a.GDI汽油車進行NEDC循環(huán)的顆粒物排放主要為100 nm以下的超細顆粒物，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汽油車進行NEDC循環(huán)測試時，核模態(tài)、聚集態(tài)和總顆粒物的數(shù)量濃度瞬態(tài)排放在起動工況和加速工況增大，在減速工況減?。?/p>

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，聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度峰值分布在50～60 nm范圍內；

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

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（責任編輯晨曦）

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

質檢公益性行業(yè)科研專項（201410146）。