宋博 胡雷 全轶枫 史勖 胡志远

（1.同济大学，上海 201804；2.上海市机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805）

缸内直喷汽油车WLTC颗粒物排放试验研究＊

宋博1胡雷2全轶枫2史勖2胡志远1

（1.同济大学，上海 201804；2.上海市机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805）

对某国Ⅴ排放水平缸内直喷汽油车进行WLTC排放试验，并对颗粒物质量、数量、粒径分布和组分进行研究。结果表明，该车颗粒物质量排放为1.8 mg/km，固态颗粒物数量排放满足国Ⅵ过渡限值，起动、加速工况固态颗粒物及总颗粒物数量排放增大，减速工况、热机起动时减小；颗粒物以100 nm以下的超细颗粒物为主，呈双峰分布形态，在10 nm、60 nm附近取颗粒物数量排放峰值；颗粒物可溶性有机组分主要为脂肪酸。

1 前言

将于2018年1月1日实施的GB18352.5—2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》将首次限制缸内直喷（GDI）汽油车颗粒物质量排放（4.5 mg/km），将于2020年7月1日实施的GB18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》在采用世界轻型汽车测试循环（Worldwide Lightduty Test Cycle，WLTC）基础上，还将限制固态颗粒物数量排放（6.0×1011个/km），2020年7月1日前，汽油车适用过渡限值为6.0×1012个/km。国内学者对GDI汽油车颗粒物质量、数量排放进行了很多研究，文献[1]～文献[7]表明国Ⅳ排放水平GDI汽油车颗粒物数量排放比进气道喷射汽油车的高1～3个数量级；文献[6]表明国Ⅴ排放水平GDI汽油车的颗粒物质量排放小于国Ⅳ车，但数量排放较大；文献[8]～文献[11]表明国Ⅴ排放水平GDI汽油车进行NEDC测试时颗粒物质量排放满足国Ⅴ、国Ⅵ排放法规要求，但数量排放大于国Ⅵ法规要求；文献[7]和文献[12]表明采用更激进的测试循环时，GDI汽油车颗粒物数量排放增加；而对于国Ⅴ排放水平GDI汽油车进行国Ⅵ排放法规Ⅰ型试验测试循环（WLTC）的颗粒物质量、数量、组分排放特性，未见报道。

本文以某国Ⅴ排放水平GDI汽油车为研究对象，使用固态颗粒计数系统、发动机排气粒径谱仪和气相色谱-质谱联用仪，研究该车进行WLTC的颗粒物质量、数量排放，粒径分布特性和组分排放特性。

2 试验方案

2.1 试验样车与燃油

试验样车为某1.4 T国Ⅴ排放水平的轻型汽油车，搭载直列4缸、水冷、涡轮增压、GDI汽油机，其主要参数见表1。试验用油为市售国Ⅴ95号汽油。

表1 试验样车主要技术参数

2.2 试验设备与方案

试验在德国卫仕（WEISS）整车排放环境舱中进行，利用德国申克（Schenck）底盘测功机模拟道路行驶阻力进行WLTC循环排放试验，试验方案如图1所示。其中全流稀释定容取样系统（Constant Volume dilution Sam⁃pling system，CVS）的采样流量为9.26 m3/min，射流稀释器的稀释比为8.21，稀释温度120℃；利用单通道颗粒采集装置对颗粒物进行采样，采样介质为直径47 mm的石英膜，利用气相色谱-质谱联用仪分析由超声洗脱法得到的颗粒物可溶性有机组分（Soluble Organic Frac⁃tions，SOF）。颗粒物质量排放采用滤纸称重法测量。

图1 试验方案示意

2.3 试验工况

试验工况为WLTC。试验循环由低速段、中速段、高速段和超高速段4个特征工况组成，其车速-时间关系如图2所示。

3 试验结果与分析

3.1 污染物排放特性

表2为试验样车进行WLTC循环时，常规污染物排放结果。

图2 WLTC车速-时间关系

表2 试验样车常规污染物排放

由表2可知，试验样车常规气态排放污染物和颗粒物质量排放满足GB18352.6—2016国Ⅵa阶段和b阶段的排放要求，固态颗粒物数量排放是国Ⅵ阶段对GDI汽油车颗粒物数量排放限值要求（6.0×1011个/km）的1.49倍。

3.2 颗粒物数量排放特性

图3为试验样车进行WLTC时，4个特征工况的固态颗粒物、总颗粒物数量瞬态排放特性图。

由图3可知，该车进行WLTC时，固态颗粒物数量浓度瞬态排放与发动机排气粒径谱仪测量的颗粒物数量浓度排放趋势相近，但前者数值小于后者，特别是在加速工况下。这是因为固态颗粒计数系统仅测量23 nm以上的固态颗粒，不包含发动机排气粒径谱仪测量的5.6～23 nm粒径范围内的颗粒物和由挥发性、半挥发性物质形成的颗粒物。因此，该GDI汽油车的颗粒排放中部分颗粒粒径分布在5.6～23 nm范围内，挥发性和半挥发性物质影响颗粒物数量排放。

由图3可知，该车进行WLTC时固态颗粒物和颗粒物数量浓度瞬时排放在起动工况和加速工况增大，在减速工况减小。在低速段30 s附近，固态颗粒物数量浓度和总颗粒物数量浓度瞬时排放分别取整个WLTC内的最大值3.7×107个/cm3、4.71×107个/cm3。这是因为加速工况时，为了保证发动机功率和扭矩等动力性输出，会加浓混合气，并且此时发动机转速升高，使得燃油雾化蒸发时间和生成颗粒的氧化时间减少，颗粒物数量排放增加。在减速工况时，发动机循环供油量减小甚至为零，初级颗粒生成量减少，发动机转速下降使得生成的颗粒物被氧化时间增长，二者综合作用使得颗粒物数量排放减少。

图3 WLTC颗粒物数量瞬态排放

为了考察车辆起动工况对颗粒物数量排放的影响，在冷机起动试验结束30 min后，进行车辆热机起动WLTC试验。冷/热机起动WLTC低速段固态颗粒物瞬态排放特性如图4所示。由图4可知，热机起动WLTC时，前50 s内固态颗粒物瞬态排放比冷机起动时明显减小。由此可知，试验样车固态颗粒物数量浓度瞬态排放在低速段30 s附近取WLTC的峰值是因为此时试验样车处于冷起动、暖机阶段。此过程中为了保证发动机冷起动的可靠性、实现快速暖机会加浓混合气，较低的缸体和冷却液温度又导致燃油蒸发慢、工质混合不均匀，二者综合作用使得试验样车在低速段30 s附近加速时颗粒物数量排放明显增加。

图4 冷/热机起动低速段固态颗粒物瞬态排放特性

图5为试验样车进行冷机起动WLTC、4个特征工况和热机起动WLTC低速段工况的颗粒物和THC排放特性。

图5 不同特征工况颗粒物、THC排放特性

由图5可知，WLTC时固态颗粒物数量排放因子低速段＞WLTC平均值＞超高速段＞高速段＞中速段，热机起动WLTC循环时低速段固态颗粒数量排放因子最小。由此可知，起动工况对试验样车的固态颗粒物数量影响较大，平均速度较大的特征工况下，试验样车固态颗粒物数量排放增加。

4个特征工况及整个WLTC的总颗粒物数量排放均大于固态颗粒物数量排放，分别为固态颗粒物数量排放的1.86倍、2.57倍、1.94倍、3.25倍和2.41倍，此趋势与THC质量排放因子变化趋势相同，因此总颗粒物数量排放受尾气中THC排放量的影响。

3.3 颗粒物粒径分布特性

图6为试验样车进行冷机起动WLTC、4个特征工况和热机起动WLTC低速段工况的总颗粒物数量排放粒径分布特性。可知，该车进行冷机起动WLTC的颗粒物数量排放主要为100 nm以下的超细颗粒，其中5.6～23 nm粒径范围内的颗粒物数量排放约为总颗粒物数量排放的43%。颗粒物数量排放整体呈双峰分布形态，分别在10 nm、60 nm附近取颗粒物数量排放峰值，二者峰值大小相近。

图6 不同特征工况颗粒物数量排放粒径分布

由图6可知，该车进行WLTC时，不同特征工况颗粒物数量排放粒径分布特性与WLTC粒径分布特性相同，均为双峰分布形态，均在10 nm和60 nm附近取颗粒物数量排放峰值。热机起动WLTC低速段工况时，10 nm附近颗粒物数量排放峰值增加97.6%，60 nm附近颗粒物数量排放峰值减小76.4%。根据Kittelson D B[13]、Rahman M Montajir等[14]的研究结果，50 nm以下颗粒物主要由挥发性有机物在排气管中凝结形成，50 nm以上颗粒物主要由燃油不完全燃烧生成的初级碳粒团聚、吸附未燃碳氢、金属灰烬和硫酸盐等物质形成。因此，冷机起动时，缸内温度低，油气混合差，燃烧不完全，THC排放多，使得50 nm以上颗粒物数量排放较多；热机起动时，较浓的混合气以挥发性有机物的形式排出缸外，较少的初级碳粒使得较多的HC凝结形成50 nm以下颗粒物。

对于WLTC不同特征工况颗粒物数量排放粒径分布，60 nm附近峰值大小顺序为：冷机起动低速段＞超高速段＞WLTC＞高速段＞中速段＞热机起动低速段。因此，当样车处于热机状态时，随着平均行驶速度的升高，60 nm附近颗粒物数量排放峰值增大，这可能是因为行驶速度越高，燃油蒸发、雾化、燃烧过程的绝对时间减小，使得较多的初级碳粒未被氧化而形成颗粒排出缸外。10 nm附近峰值大小顺序为：热机起动低速段＞冷机起动低速段＞超高速段＞WLTC＞中速段＞高速段。因此，当样车处于热机状态时，随着平均行驶速度的升高，10 nm附近颗粒物数量排放峰值减小，这可能是因为行驶速度越高，缸内湍流强度越高，燃烧越充分，THC排放减少。当至超高速段时，为了保证车辆的动力性，会采用功率混合气，使THC排放增加，10 nm附近颗粒物数量排放峰值增大。

3.4 颗粒物SOF组分排放特性

颗粒物SOF组分主要包括脂肪酸、烷烃和多环芳烃（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，PAHs）3类。图7为该试验样车进行WLTC的颗粒物SOF组分排放特性。可知，颗粒物SOF组分的排放因子为0.419 mg/km，约为颗粒物质量排放的23.3%。颗粒物SOF组分主要是脂肪酸，约占96%；PAHs组分质量分数最小，约占1%。

图7 颗粒物SOF组分质量分数排放特性

图8为试验样车进行WLTC时，颗粒物SOF组分脂肪酸、烷烃、PAHs的质量分数排放特性。

图8 颗粒物SOF 3种组分质量分数排放特性

由图8a可知，该试验样车SOF含11种脂肪酸，主要由C14、C16和C18 3种脂肪酸组成，其质量和约为脂肪酸总量的90.6%。脂肪酸组分中，奇数碳原子脂肪酸排放量小于其相邻的偶数碳原子脂肪酸。由图8b可知，该试验样车SOF组分由C20～C26的7种烷烃组成，各物质组分质量分数呈锯齿状分布，随着碳原子数的增大，奇数碳原子或偶数碳原子物质的质量分数减小。由图8c可知，该试验样车SOF中含22种芳香烃，主要部分由萘、菲、荧蒽、芘、苯并[b+k]荧蒽、茚并[123-cd]芘和苯并[ghi]芘组成，约为芳香烃组分的67.3%。

根据文献[15]的方法，将PAHs按分子量不同分为低（2、3环）、中（4环）和高（≥5环）分子量PAHs。则该试验样车低、中、高分子量PAHs的质量分数分别为41%、23.7%、35.3%，与文献[15]和文献[16]研究结果（柴油机以4环以下的PAHs为主）对比，该车PAHs排放中，高分子量PAHs比例较高，与文献[17]结果一致。这是因为汽油的芳香烃含量大于柴油，且汽油机的燃烧温度较高，二者共同作用使得更多的低分子量PAHs热缩聚形成高分子量PAHs[17]。

4 结束语

a.WLTC时，颗粒物质量排放因子1.8 mg/km，固态颗粒物数量排放满足国Ⅵ过渡限值要求，是国Ⅵ排放限值的1.49倍，固态颗粒物、总颗粒物数量排放在起动工况和加速工况增大，在减速工况减小；

b.WLTC时，颗粒物排放以100 nm以下超细颗粒物为主，呈双峰分布形态，分别在10 nm、60 nm附近取颗粒物数量排放峰值；

c.热机起动和平均速度较小的特征工况，固态颗粒物数量排放减小，10 nm附近颗粒物数量排放增大；

d. 颗粒物可溶性有机物组分主要是脂肪酸，与柴油机相比，汽油车PAHs排放中高分子量PAHs比例增大。

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（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2017年4月1日。

Experimental Study on Characteristics of Particulate Emission from A GDI Vehicle under WLTC

Song Bo1,Hu Lei2,Quan Yifeng2,Shi Xu2,Hu Zhiyuan1
（1.Tongji University,Shanghai 201804;2.Shanghai Motor Vehicle Inspection Certification&Tech Research Center Co.,LTD,Shanghai 201805）

The characteristics of particulate emissions from a Gasoline Direct Injection（GDI）vehicle complying with ChinaⅤemission standards were investigated under WLTC on the chassis dynamometer,particulate mass,particulate number,particle size distribution and components were studied.The results show that the particulate mass emission of the vehicle is 1.8 mg/km,and the number of solid particles meets ChinaⅥinterim emission limit,the number of solid particles and total particulate matter increase during the phases of start and acceleration,and decrease in deceleration and hot-start condition;Most of particulate emission is ultrafine particulate with a diameter of less than 100 nm,the characteristic of particle number size distribution is bimodal distribution,with peak values appearing at 10 nm and 60 nm respectively;Soluble Organic Fractions（SOF）are mainly composed of fatty acids.

GDI vehicles,Particulate matter,WLTC

缸内直喷汽油车 颗粒物 WLTC

U467.1+2

A

1000-3703（2017）06-0024-05

上海市科学技术委员会科技攻关计划项目（15DZ1205503）。

胡雷（1982-），男，E-mail：Leih@smvic.com.cn。