轻型汽油车颗粒物数浓度排放特征研究*

马 超 张潇文 李 倩 赵成国 边向征 吴 琳 毛洪钧#

(1.南开大学环境科学与工程学院，天津市城市交通污染防治研究重点实验室，天津 300071；2.天津市中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；3.天津津环环境工程咨询有限公司，天津 300301；4.天津市生态环境保护综合行政执法总队，天津 300191；5.廊坊市环境科学研究院，河北 廊坊 065000)

近年来，机动车的颗粒物排放逐渐成为城市空气颗粒物的主要排放源之一。据报道，机动车颗粒物排放对北京、郑州、西安等城市空气PM2.5的贡献率在10.0%～38.0%[1-3]，是当前城市空气污染防治关注的重点之一。早前针对机动车颗粒物排放的研究主要集中在对柴油车排放的颗粒物质量浓度(PM)的测定上[4-6]。近期研究发现，细颗粒物对健康的威胁更大[7-8]，但其在PM中占比较小[9]；此外，颗粒物数浓度(PN)测量在分辨率、速度和精度方面优于PM测量[10]。因此，PN正取代PM，成为颗粒物测量的新手段。

目前，汽油直喷(GDI)正取代传统的进气道燃油喷射(PFI)成为轻型汽油车发动机中的主要类型[11]243，GDI车排放的PN不仅高于PFI车[12]116941，甚至比配备柴油颗粒过滤器(DPF)的柴油车高4～4 500倍[13]。因此，以GDI车为代表的轻型汽油车颗粒物排放是城市空气污染防治面临的新问题。国外针对GDI车的PN排放已进行了大量研究，很多学者通过路上实测或法规工况对GDI车的PN排放进行测定，并与PFI车进行了对比[14-15]，但国内在该方面的研究中稍显不足，特别是针对速度、加速度等影响因素下GDI车的PN排放特征研究仍相对较少。因此，本研究选取发动机类型为GDI及PFI的轻型汽油车为对象，在底盘测功机上进行全球统一轻型车排放测试循环(WLTC)工况测试，分析发动机类型、速度和加速度等对PN排放的影响，为完善轻型汽油车颗粒物排放特征研究，加强机动车污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 测试车辆

试验测试车辆信息见表1，测试车辆用油均为天津市售E10汽油。

1.2 测试设备

试验中使用的颗粒物在线测试设备由芬兰Dekati公司的静电低压撞击器(ELPI)、ELPI加热套件(HU)及芬兰Pegasor公司的MI3加热采样管组成，加热温度为180 ℃。ELPI根据各粒径段的平均空气动力学直径将颗粒物分为14个粒径段，并通过设备软件将其扩展为100个粒径段。底盘测功机为奥地利AVL公司的VECON_2016，可以模拟车辆测试工况，并实时记录车辆的速度和加速度信息。连接尾气管的耐高温聚氯乙烯(PVC)采样管中的尾气一部分进入MI3加热管，供测试系统分析测试，多余的尾气引出室外。试验中测试设备的布置见图1。

1.3 测试工况

试验工况为WLTC工况，其总运行时间为1 800 s，最高速度123.1 km/h，行驶里程23.27 km，加速度范围-1.2～1.0 m/s2，相比新欧洲工况(NEDC)具有更长的加速段和驱动段，相比美国环保署测试工况(FTP-75)具有更高的平均速度和最大速度，因此更接近实际道路行驶工况[12]116942。

1.4 质量控制

试验开始前，开启测试仪器并进行预热、反吹和标零等工作。其中ELPI开机后需要反吹30 min左右，使测试数值稳定。测试前将车辆在底盘测功机上运行NEDC工况，使得车辆充分预热，发动机冷却液温度达到转毂实验室内温度，即(25±2)℃，然后开始试验测试。为保证测试结果的准确性，每辆车重复测试WLTC工况3次，并且两次测试的时间间隔不低于12 h。试验结束后，对收集到的数据进行处理，包括对车速、尾气流量和PN排放数据进行时间对正；去除数据中的负值、缺失值和异常值。

表1 试验测试车辆主要信息

图1 测试设备布置

表2 测试车辆的PN平均排放因子以及与参考文献对照

注：1)为日本HORIBA公司生产的MEXA-7400HTR-LE型车载尾气排放测试(PEMS)设备；2)为日本HORIBA公司生产的OBS-ONE型PEMS设备。

2 结果与讨论

2.1 PN排放因子

测试车辆WLTC工况下的PN排放因子测试结果见表2。由表2可知，3#、4#测试车的平均PN排放因子分别为2.098×1013、2.619×1013个/km，明显高于1#、2#测试车的7.486×1011、3.174×1012个/km，可见GDI技术导致了PN排放的增加，文献[15]、文献[16]、文献[17]中也发现了相似的规律。

由表2可见，本研究PFI和GDI测试车的PN平均排放因子与文献值相差较大，这是因为本研究中颗粒物测量方法为加热直采，全过程保持180 ℃高温，避免了稀释及降温对超细颗粒物的影响，加之车辆行驶里程、测试工况、发动机技术和测试设备类型等的不同，使得测试值与文献存在一定偏差。

2.2 颗粒物粒径分布

依据测试车辆PN排放速率得到颗粒物的粒径分布，将颗粒物分为核模态颗粒(0～0.010 μm)、艾根模态颗粒(0.010～0.100 μm)、积聚颗粒(0.100～2.000 μm)和粗颗粒(2.000～10.000 μm)[18]。参照LEACH等[19]602的颗粒物粒径分布表示方式，将PN排放速率的量值转化为对应的标准化数浓度，其计算见式(1)。PFI和GDI测试车的PN排放速率的粒径分布分别见图2、图3。

(1)

式中：N为颗粒物排放数浓度，个/s；Dp为颗粒物所在粒径段的中值粒径，μm；Dp,u为粒径段上限，μm；Dp,l为粒径段下限，μm。

从图2、图3可见，PFI和GDI测试车的PN均呈现双峰分布，峰值分别位于0.008～0.010、0.028～0.033 μm，与LEACH等[19]603的研究结果相似。PFI测试车排放的PN中50%集中于粒径小于0.033 μm的粒径段，GDI测试车排放的PN中50%集中于粒径小于0.010 μm的粒径段。LEACH等[19]600、ZHU等[20]231和LIANG等[21]研究的GDI车及PFI车的PN累积50%的粒径为0.023 μm，相比而言，本研究中PFI测试车PN累积50%的粒径相对偏大。出现偏差的原因除环境温度、测试车辆型号等以外，还可能是由于不同测试仪器颗粒物穿透性能和检测效率的差异导致。此外，PFI测试车排放的PN中艾根模态颗粒占比最高，占PN的70%以上，PN最高值在0.028～0.033 μm。与之相比，GDI测试车排放的PN中核模态颗粒占比上升，达到40%～60%，PN最高值在0.008～0.010 μm。

图2 PFI测试车PN排放速率的粒径分布

图3 GDI测试车PN排放速率的粒径分布

2.3 速度、加速度对PN排放的影响

根据WLTC工况点的速度、加速度分布，将测试车辆的行驶状态划分为减速(加速度<-0.14 m/s2)，均速(-0.14 m/s2≤加速度≤0.14 m/s2)和加速(加速度>0.14 m/s2)3个工况，每个工况划分5个速度区间，各速度区间的工况点数量见图4。由图4可知，测速全区间减速、匀速和加速各包括524、735、541个工况点，每个速度区间的工况点数量为67～281个。

图4 WLTC在各速度区间中的工况点数量

4辆测试车的PN排放速率与速度、加速度关系见图5。由图5可知，匀速工况下PFI测试车的PN排放速率随着车速的增加先升高后降低，在车速达到≥80 km/h时又重新升高，排放高峰分布在20～40 km/h的低速区间和≥80 km/h的高速区间；GDI测试车PN排放速率随速度增加总体呈上升趋势，排放高峰分布在≥80 km/h的高速区间。在车速为0～40 km/h时，PFI和GDI发动机因燃烧室温度较低而燃烧不充分[22]，引起PN排放增加；当车速处于40～80 km/h时，PFI发动机燃烧室内温度上升，燃油充分燃烧，PN排放逐步下降，而GDI发动机因燃油喷射系统难于使燃料雾化形成均匀的混合物，不完全燃烧仍较多，PN排放随发动机负荷、喷油量升高而进一步上升[23]7,[24]17；车速处于≥80 km/h的高速区间时，发动机负荷增加导致喷油量增加[25]433，空燃比下降[24]16，促进了颗粒物的团聚过程[25]433，大量粒径在0.010～0.020 μm以及低于0.006 μm的颗粒物产生[20]231，导致PN排放量增加[26]。

总体看来，PFI测试车在加速和减速工况以及GDI测试车在加速工况下，PN的排放速率在40～80 km/h的中速区间高于匀速工况，分别是匀速工况PN排放速率的1.09～1.52、1.23～4.11、1.12～2.07倍。GDI测试车加速和减速工况下PN的排放速率在0～20 km/h的低速区间高于匀速工况，是匀速工况的1.26～1.75、1.39～4.45倍。当车辆处于40～80 km/h的中速行驶状态时，加速导致更多的燃油被注入发动机[24]17，发动机富燃区域扩大，PN排放量升高，与此同时中速行驶状态下发动机温度较高，有利于燃油快速裂解产生半挥发性有机物，其在富燃条件下快速团聚生成大量核模态和艾根模态颗粒物[27]，导致4辆测试车在40～80 km/h加速时PN排放超过匀速工况。对于减速过程中PN排放增加的情况，LANG等[23]10和ZHU等[20]230在对PFI车和GDI车的测试中已有发现，这种现象同样在重型柴油车的测试中发现[28]，但目前较少有文献对该问题进行探讨。较可靠的解释为：当车辆处于减速状态时，缸内燃烧温度降低，未充分燃烧的碳氢化合物(HC)浓度上升[29]，而粒径4～8 nm的颗粒90%由HC产生[30]6。减速过程中发动机燃烧温度的降低，导致尾气中半挥发性有机化合物(SVOC)凝结成核，在排气中重新形成颗粒，因此PN排放增加[30]10。GDI车因涡轮增压的进气方式使得发动机有较高的燃烧温度和空燃比[31]，不利于凝结成核，因此在20～80 km/h的减速工况排放较低。但在0～20 km/h，GDI测试车在匀速工况下PN排放因发动机涡轮增压的进气控制及燃油直喷系统精确的喷油控制而排放较低，但WLTC工况在该速度区间中包含许多启停和瞬态加减速工况，在启停和瞬态加减速过程中，负荷变化快且频繁，涡轮增压器的空气供应无法立即与燃料流量相匹配，因此非理想燃烧频繁出现[11]247，加之燃烧温度和排放温度较低，促使加速和减速工况下PN排放的增加。

图5 PN排放速率与速度、加速度关系

3 结 论

(1)GDI测试车的PN平均排放因子为2.098×1013～2.619×1013个/km，远高于PFI测试车的7.486×1011～3.174×1012个/km。

(2)PFI测试车排放的PN中50%以上集中于粒径小于0.033 μm的粒径段；GDI测试车排放的PN中50%以上集中于粒径小于0.010 μm的粒径段。

(3)匀速工况下，PFI测试车PN的排放高峰分布在20～40 km/h的低速区间和≥80 km/h的高速区间，GDI测试车PN的排放高峰分布在≥80 km/h的高速区间。

(4)PFI测试车加速和减速工况下，PN排放速率在40～80 km/h的中速区间高于匀速工况。GDI测试车加速工况的PN排放速率，在0～20 km/h的低速区间和40～80 km/h的中速区间高于匀速工况；减速工况的PN排放速率在0～20 km/h的低速区间内高于匀速工况。