輕型汽油車國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)可行性研究

王軍方，尹航，王宏麗，肖寒，郝春曉

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院機(jī)動(dòng)車排污監(jiān)控中心，北京 100012

輕型汽油車國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)可行性研究

王軍方，尹航*，王宏麗，肖寒，郝春曉

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院機(jī)動(dòng)車排污監(jiān)控中心，北京 100012

研究了國(guó)五排放水平的缸內(nèi)直噴(GDI)汽油車和普通進(jìn)氣道噴射(PFI)汽油車按照國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試規(guī)程在常溫(23 ℃)和低溫(-7 ℃)冷啟動(dòng)下污染物的排放特性。結(jié)果表明：PFI汽油車的CO和HC排放量比GDI汽油車高4.3%～39.5%，NOx、顆粒物質(zhì)量(PM)和顆粒物數(shù)量(PN)排放量低69.8%～82.7%。由于GDI汽油車PN的排放量較高，與PFI汽油車相比，達(dá)到國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的難度更大。2種汽油車低速時(shí)各種氣態(tài)污染物的排放量遠(yuǎn)高于中速、高速和超高速，但PFI汽油車NOx排放量在超高速下比中速和高速有所增高，僅比低速下低約22.2%。

汽油車；缸內(nèi)直噴；國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)；顆粒物；氣體污染物

近年來我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，2016年汽車產(chǎn)銷雙雙突破2 800萬臺(tái)[1]，連續(xù)7年成為世界第一，但接踵而至的是造成了大氣環(huán)境污染的居高不下，2016年我國(guó)汽車的CO、HC、NOx和PM排放量分別為2 998.5萬、355.0萬、534.6萬和51.2萬t[2]。由大氣細(xì)顆粒物(PM2.5)造成的重污染天氣在我國(guó)區(qū)域范圍內(nèi)頻發(fā)，京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角主要城市PM2.5源解析結(jié)果表明，機(jī)動(dòng)車尾氣是主要來源之一，貢獻(xiàn)率占11%～31%[3]。經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和快速的城市化進(jìn)程，使人口越來越集中于大城市?！吨袊?guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2015》顯示，我國(guó)民用汽車保有量由1978年的135.84萬輛迅速增加至2000年的1 608.91萬輛，到2015年已達(dá)到16 284.45萬輛[4]。機(jī)動(dòng)車排放的顆粒物成為我國(guó)城市大氣污染的重要來源[5-7]。

與目前市場(chǎng)占有率較高的普通進(jìn)氣道噴射(port fuel injection，PFI)汽油車相比，缸內(nèi)直噴(gasoline direct injection，GDI)汽油車的使用可以顯著降低燃油消耗和CO2的排放[8-9]。然而，由于油氣混合時(shí)間縮短，會(huì)導(dǎo)致油氣混合不均、燃油濕壁、局部過濃等現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而造成GDI汽油車的顆粒物排放水平升高。GDI汽油車排放的顆粒物數(shù)濃度高于PFI汽油車和已加裝顆粒物過濾器的柴油車[10-17]。因此GDI汽油車的環(huán)境影響值得關(guān)注和研究。機(jī)動(dòng)車的有機(jī)顆粒物排放受諸多因素的影響，包括燃油類型、運(yùn)行工況、環(huán)境溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷以及排放控制措施等[18-19]，空燃比、點(diǎn)火時(shí)刻、噴油時(shí)刻、燃油理化特性(如芳烴含量、蒸汽壓、揮發(fā)性、氧含量等)等也會(huì)對(duì)顆粒物的排放產(chǎn)生影響[20-21]。此外，有研究表明使用三元催化劑能部分削減顆粒物的排放[22]。筆者在符合“國(guó)家第五階段機(jī)動(dòng)車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)”(簡(jiǎn)稱國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn))的車輛上，按照國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及測(cè)量方法研究了常溫(23 ℃)和低溫(-7 ℃)條件下碳?xì)?HC)、非甲烷碳?xì)浠衔?NMHC)、CO、NOx及PM的排放特性，并對(duì)不同車速下污染物排放特性進(jìn)行了分析，以期了解不同技術(shù)路線車輛的達(dá)標(biāo)性能。

1 測(cè)試車輛和方法

1.1測(cè)試車輛

選取5輛符合國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車進(jìn)行測(cè)試，其中PFI汽油車2輛(1號(hào)和2號(hào))，GDI汽油車3輛(3號(hào)～5號(hào))。5輛車均使用三元催化器。

1.2測(cè)試方法

按照GB18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》附錄C和附錄H的規(guī)定，分別進(jìn)行常溫冷啟動(dòng)下排氣測(cè)試(Ⅰ型試驗(yàn))和低溫(-7℃)下冷啟動(dòng)排放測(cè)試(Ⅵ型試驗(yàn))。使用CVS(constantvolumesystem，定容稀釋系統(tǒng))進(jìn)行全流稀釋采樣，采用全球統(tǒng)一測(cè)試流程(worldwideharmonizedlightvehiclestestprocedures,WLTP)，測(cè)試工況為全球統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)(worldwideharmonizedlightvehiclestestcycle,WLTC)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 輕型汽油車WLTC測(cè)試循環(huán)Fig.1 The test cycle of light duty vehicle of WLTC

2 結(jié)果與討論

2.1HC和NMHC排放

按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法，測(cè)量常溫和低溫下HC和NMHC的排放量，結(jié)果見圖2和圖3。國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的6a和6b階段HC排放限值分別為0.1和0.05g/km，NMHC分別為0.068和0.035g/km。

圖2 常溫(23 ℃)下的HC和NMHC排放Fig.2 HC and NMHC emission at room temperatures (23 ℃)

圖3 低溫(-7 ℃)下的HC排放量Fig.3 HC emission at low temperature (-7 ℃)

由圖2可以看出，常溫下國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的GDI和PFI汽油車HC以及NMHC排放都能達(dá)到國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，其平均值都遠(yuǎn)低于國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的6a/6b排放限值。但相比較而言，在常溫下，PFI汽油車的HC和NMHC排放量高于GDI汽油車，其中，HC平均排放量比GDI汽油車高27.1%，NMHC平均排放量比GDI汽油車高39.2%。

低溫下國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了HC的排放限值，沒有規(guī)定NMHC。由圖3可以看出，國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的GDI和PFI汽油車HC排放都能達(dá)到國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，其排放量均值遠(yuǎn)低于國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的6a/6b排放限值。相比較而言，-7℃下，PFI汽油車的HC排放量高于GDI汽油車，其平均值比GDI汽油車高13.3%。

圖4 常溫和低溫下的CO排放量Fig.4 CO emission at 23 and -7 ℃

2.2CO排放

常溫和低溫下CO排放量見圖4。由圖4(a)可以看出，在常溫下，國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的GDI和PFI汽油車的CO排放都能達(dá)到國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，其平均值都低于國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的6a排放限值，略低于6b排放限值。本試驗(yàn)中GDI汽油車CO的排放水平略低于PFI汽油車，平均排放量低4.3%。

由圖4(b)可以看出，-7℃低溫下，車輛的達(dá)標(biāo)裕度更高，PFI和GDI汽油車CO排放量分別比國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)排放限值低48.9%和69.4%。本試驗(yàn)中GDI汽油車比PFI汽油車的CO平均排放量低39.5%。

2.3NOx排放

常溫和低溫下NOx排放量見圖5。由圖5(a)可以看出，在常溫下，國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的GDI和PFI汽油車排放都能達(dá)到國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，其平均值都低于國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的6a排放限值，略低于6b排放限值，有1輛GDI汽油車排放值與6b排放限值相當(dāng)。整體而言，本試驗(yàn)中GDI汽油車比PFI汽油車NOx平均排放量高約5.1%，排放水平幾乎相當(dāng)。

圖5 常溫和低溫下的NOx排放量Fig.5 NOx emission at 23 and -7 ℃

由圖5(b)可以看出，-7℃低溫下，車輛的NOx達(dá)標(biāo)裕度較高，PFI和GDI汽油車的NOx排放分別比國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)排放限值低91.5%和71.9%。本試驗(yàn)中GDI汽油車比PFI汽油車的NOx平均排放量高69.8%。

2.4顆粒物PM和PN排放

圖7 不同速度段下各污染物的排放量Fig.7 Pollutants emission at different speeds

常溫下顆粒物質(zhì)量(PM)和數(shù)量(PN)的排放情況見圖6。 由圖6(a)可以看出，常溫下，PFI汽油車的顆粒物質(zhì)量不論國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的6a還是6b排放限值均能滿足，其平均值比6a和6b排放限值低86.8%和80.3%。本試驗(yàn)中PFI汽油車的顆粒物質(zhì)量排放量遠(yuǎn)低于GDI汽油車，其平均值比GDI汽油車低82.7%。GDI汽油車的PM排放水平差距較大，有的車輛PM排放量高達(dá)9mg/km，有的車輛低于0.4mg/km，排放量平均值超過了6b排放限值，比6a排放限值低23.9%。

圖6 常溫下PM和PN的排放量Fig.6 PM and PN emission at 23 ℃

對(duì)于顆粒物數(shù)量(PN)來講，GDI和PFI汽油車都是達(dá)標(biāo)的難點(diǎn)。由圖6(b)可以看出，只有1輛PFI汽油車能夠滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)6a/6b的排放限值，其余PFI汽油車和所有的GDI汽油車都超過了6a/6b的排放限值。本試驗(yàn)中GDI汽油車顆粒物數(shù)量排放量為8×1011～6×1012個(gè)/km，均超過6×1011個(gè)/km的排放限值。

2.5不同車速范圍的排放結(jié)果

對(duì)常溫下HC、NMHC、CO和NOx污染物不同速度段下的排放量進(jìn)行了分析，結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，不論是GDI汽油車還是PFI汽油車，HC、NMHC和CO污染物在低速下的排放量均遠(yuǎn)高于中速、高速和超高速，幅度為72.7%～97.7%。分析認(rèn)為，本研究中不論是GDI汽油車還是PFI汽油車，都采用的是三元催化器技術(shù)，而三元催化器的凈化要求溫度達(dá)到300℃以上[23]，但低速下，汽油車處于冷啟動(dòng)狀態(tài)，因此三元催化起燃速度慢凈化效率低，會(huì)出現(xiàn)污染物排放較高的現(xiàn)象。

對(duì)于NOx來講，超高速下排放量有所增高，但還是低于低速下的排放量，本試驗(yàn)中GDI和PFI汽油車分別降低了75.4%和22.2%。分析認(rèn)為，超高速下車輛處于高速大負(fù)荷階段，混合氣加濃，空燃比增大，燃燒效率升高，生成的NOx增多。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于碳?xì)浠衔锖头羌淄樘細(xì)浠铮诔睾偷蜏叵翯DI和PFI汽油車都可以達(dá)到國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)，且達(dá)標(biāo)裕度較高。

(2)對(duì)于CO和NOx，無論是GDI還是PFI汽油車均可以達(dá)到國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的6a和6b排放限值，但常溫下CO和NOx達(dá)到6b排放限值裕度較低。

(3)顆粒物數(shù)量是GDI汽油車達(dá)標(biāo)的難點(diǎn)，所有GDI汽油車均未能夠達(dá)到限值規(guī)定。PFI汽油車達(dá)標(biāo)率為50%。

(4)相比較而言，無論低溫還是常溫下PFI汽油車的CO和HC排放量均高于GDI汽油車，幅度為4.3%～39.5%。PFI汽油車的NOx、PM和PN排放量要低于GDI汽油車，幅度為69.8%～82.7%。

(5)低速下各種污染物排放量明顯高于中速、高速和超高速段，NOx排放量在超高速時(shí)比中速和高速有所增高，但仍低于低速段，GDI和PFI汽油車分別比低速段降低75.4%和22.2%。

[1] 中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì).2016年12月汽車工業(yè)產(chǎn)銷情況簡(jiǎn)析[EB/OL].(2017-01-16).http://www.caam.org.cn/zhengche/20170116/1105204085.html.

[2] 環(huán)境保護(hù)部.中國(guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)[A/OL].(2017-06-05).http://dqhj.mep.gov.cn/jdchjgl/zhgldt/201706/P020170605550637870889.pdf.

[3] 北京市環(huán)境保護(hù)局.北京市正式發(fā)布PM2.5來源解析研究成果[EB/OL].(2014-04-16).http://www.bjepb.gov.cn/bjepb/323265/340674/396253/index.html.

[4] 中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2015[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,2016.

[5]YULD,WANGGF,ZHANGRJ,etal.CharacterizationandsourceapportionmentofPM2.5inanurbanenvironmentinBeijing[J].AerosolandAirQualityResearch,2013,13(2):574-583.

[6]HUM,GUOS,PENGJF,etal.InsightintocharacteristicsandsourcesofPM2.5intheBeijing-Tianjin-Hebeiregion,China[J].NationalScienceReview,2015,2(3):257-258.

[7]GUOS,HUM,ZAMORAML,etal.ElucidatingsevereurbanhazeformationinChina[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2014,111(49):17373-17378.

[8]ZHAOF,LAIMC,HARRINGTONDL.Automotivespark-igniteddirect-injectiongasolineengines[J].ProgressinEnergyandCombustionScience,1999,25(5):437-562.

[9]ANYZ,TENGSP,PEIYQ,etal.AnexperimentalstudyofpolycyclicaromatichydrocarbonsandsootemissionsfromaGDIenginefueledwithcommercialgasoline[J].Fuel,2016,164:160-171.

[10]PANGB,XIEMZ,JIAM,etal.ImprovedphenomenologicalsootmodelformulticomponentfuelbasedonvariationsinPAHcharacteristicswithfueltype[J].ActaPhysico-ChimicaSinica,2013,29(12):2523-2533.

[11]MYUNGCL,LEEH,CHOIK,etal.Effectsofgasoline,diesel,LPG,andlow-carbonfuelsandvariouscertificationmodesonnanoparticleemissioncharacteristicsinlight-dutyvehicles[J].InternationalJournalofAutomotiveTechnology,2009,10(5):537-544.

[12]SCHUETZCA,FRENKLACHM.Nucleationofsoot:moleculardynamicssimulationsofpyrenedimerization[J].ProceedingsoftheCombustionInstitute,2002,29(2):2307-2314.

[13] 帥石金,鄭榮,王銀輝,等.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)微粒排放特性的試驗(yàn)研究[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2014,5(3):304-310.

SHUAISJ,ZHENGR,WANGYH,etal.ExperimentalstudyonthecharacteristicsofparticulateemissionsfromGDIengines[J].JournalofAutomotiveSafetyandEnergy,2014,5(3):304-310.

[14] 帥石金,董哲林,鄭榮,等.車用汽油機(jī)顆粒物生成機(jī)理及排放特性研究進(jìn)展[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào),2016,34(2):105-116.

SHUAISJ,DONGZL,ZHENGR,etal.ReviewofformationmechanismandemissioncharacteristicsofparticulatematterfromAutomotivegasolineengines[J].TransactionsofCSICE,2016,34(2):105-116.

[15] 滕升平,裴毅強(qiáng),安彥召,等.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)多環(huán)芳烴排放特性的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(11):3929-3937.

TENGSP,PEIYQ,ANYZ,etal.PAHsemissioncharacteristicsofagasolinedirectinjectionengine[J].ActaScientiaeCircumstantiae,2016,36(11):3929-3937.

[16] 徐長(zhǎng)建,董偉,于秀敏,等.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)顆粒排放的熱物理特性研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2015(4):70-75.

XUCJ,DONGW,YUXM,etal.Thermalphysicalpropertyofparticulateemissionforgasolinedirectinjectionengine[J].VehicleEngine,2015(4):70-75.

[17] 李夢(mèng)仁,胡敏,吳宇聲,等.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)排放顆粒有機(jī)物特征及影響因素分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2016,36(16):4443-4451.

LIMR,HUM,WUYS,etal.Characteristicsofparticulateorganicmattersemissionsfromgasolinedirectinjectionengineanditsinfluencefactors[J].ProceedingsoftheCSEE,2016,36(16):4443-4451.

[18]MARICQM,PODSIADLIKDH,BREHOBDD,etal.Particulateemissionsfromadirect-injectionspark-ignition(DISI)engine[C]//InternationalFuels&LubricantsMeeting&Exposition,1999.doi:10.4271/1999-01-1530.

[19] 秦艷紅,胡敏,李夢(mèng)仁,等.缸內(nèi)直噴汽油機(jī)排放PM2.5的理化特征及影響因素[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2016,36(5):1332-1339.

QINYH,HUM,LIMR,etal.PhysicalandchemicalcharacteristicsofPM2.5emissionsfromgasolinedirectinjectionengineanditsinfluencefactors[J].ChinaEnvironmentalScience,2016,36(5):1332-1339.

[20]PEIYQ,QINJ,PANSZ.Experimentalstudyontheparticulatematteremissioncharacteristicsforadirect-injectiongasolineengine[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartD:JournalofAutomobileEngineering,2014,228(6):604-616.

[21]CHENLF,STONER,RICHARDSOND.AstudyofmixturepreparationandPMemissionsusingadirectinjectionenginefuelledwithstoichiometricgasoline/ethanolblends[J].Fuel,2012,96:120-130.

[22] 馮長(zhǎng)根,王大祥,王亞軍.車用三效催化劑的研究進(jìn)展[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2003,3(5):21-26.

[23] 蘭通仁.某輕型客車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)三元催化器匹配分析[J].時(shí)代汽車,2016(5):27-30. ?

StudyonprobabilityofcompliancewithChina6standardfortheemissionfromlightdutygasolinevehicles

WANG Junfang, YIN Hang, WANG Hongli, XIAO Han, HAO Chunxiao

Vehicle Emission Control Center, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

The emission characteristics of the gasoline direct injection (GDI) vehicle and the common port fuel injection (PFI) gasoline vehicle at China 5 emission level were studied under the test procedure of room temperature (23 ℃) and low temperature (-7 ℃) cold-start according to China 6 standard. The results show that the CO and HC of PFI vehicles are about 4.3%-39.5% higher than those of GDI vehicles, and the emission of NOx, particulate matter (PM) and particulate number (PN) is about 69.8%-82.7% lower. Because of the high emission of PN, GDI vehicles are more difficult to reach China 6 standard than PFI ones. In term of speeds, the emission of various gaseous pollutants at low speed is much higher than that at medium speed, high speed and super high speed. However, NOxemissions at super high speeds have increased, only about 22.2% lower than that of low speed.

gasoline vehicles; GDI; China 6 standard; particulates; gaseous pollutants

王軍方，尹航，王宏麗,等.輕型汽油車國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)可行性研究[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報(bào),2017,7(6):661-665.

WANG J F, YIN H, WANG H L, et al.Study on probability of compliance with China 6 standard for the emission from light duty gasoline vehicles[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(6):661-665.

2017-07-01

王軍方(1979—)，女，高級(jí)工程師，博士，主要從事機(jī)動(dòng)車污染防治技術(shù)研究，wangjf@vecc-mep.org.cn

*責(zé)任作者：尹航(1973—)，男，副研究員，博士，長(zhǎng)期從事機(jī)動(dòng)車和非道路移動(dòng)機(jī)械污染防治研究，yinhang@vecc-mep.org.cn

X51

1674-991X(2017)06-0661-05

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.06.091