付海超, 李昕晏, 王建海, 钟祥麟，张 凡，, 帅石金

(1.清华大学,汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084； 2.中国汽车技术研究中心,北京 100176)

前言

缸内直喷汽油机(gasoline direct injection，GDI)具有显著的节能效果及灵活的燃料喷射，目前已成为汽油机研究的热点和主流技术[1]。有研究数据表明，2007年欧洲汽车厂家新开发的车用汽油机中，GDI汽油机所占的比例达到了70%，而2008年这一数据达到了100%[2]。2010年，美国环保局(EPA)的预测指出，2016年美国在用汽车中GDI汽油车的比例将达到60%，而2020年这一数据将提升到约70%[3]。由此可见，GDI汽油机将会成为未来汽油车的主流动力。

PFI汽油机燃油在进气道喷射，在点火前燃油和空气有充分的时间混合，从而形成均质混合气，因此其燃烧废气中的微粒物较少。GDI汽油机燃料直接喷入气缸，燃油碰壁现象时有发生以及燃油雾化时间短，导致燃烧前燃油与空气不能充分混合，存在局部浓混合气区域，因此其微粒物排放会显著增加[4-7]。大量研究表明[3,8-12]，GDI汽油机的微粒数量排放较PFI汽油机和带微粒捕集器(DPF)的柴油机有大幅度增加，并且绝大多数的微粒是小于100nm的超细微粒。而近年来的医学研究表明，空气中小于100nm的超细微粒对人类健康的影响最大，因为这些微粒能够深入肺泡内部，对人类的呼吸系统产生严重危害[13-15]。因此，从欧Ⅴ法规开始对GDI汽油车的微粒质量排放进行限制，而2014年9月即将实施的欧Ⅵ法规将对GDI汽油车的微粒数量排放进行限制，如表1所示。

表1 欧Ⅴ、欧Ⅵ法规对PM、PN限值

① 只对缸内直喷汽油机适用。

② 自实施日期起前3年，该限值为6×1012。

内燃机的微粒物排放可分为核态(nucleation mode)和积聚态(accumulation mode)两部分。核态微粒主要由可挥发的物质凝结而成，如硫酸盐和重组分的未燃碳氢等。积聚态微粒以碳烟为基础，可溶性有机物和硫酸盐附着在其表面[4-6]。附着在微粒表面的有机物同样会对人类健康产生负面影响。

由此可见，了解并掌握GDI汽油车微粒物质量和数量的排放水平和排放特性对环境保护和人类健康有着重要意义，同时将对减少GDI汽车微粒排放提供有力的数据支持。

1 试验装置与试验条件

1.1 试验车辆

本研究所用的试验车辆为中国市场上常见的4辆汽油车，其中3辆为GDI汽车，1辆为PFI汽车。试验车辆及其发动机主要参数如表2所示。

1.2 试验用油

本研究采用3种辛烷值不同的汽油作为燃料，3种汽油的研究法辛烷值(RON)分别为91.9、94.0和97.4。其中燃油1的硫质量分数为80×10-6，燃油2和燃油3的硫质量分数分别为21×10-6和16×10-6。3种燃油的其余参数见表3。

表2 试验车辆参数

表3 试验用油参数

1.3 试验条件与试验设备

试验对每一辆车在新欧洲驾驶循环(NEDC)循环上进行冷起动和热起动测试。NEDC循环全程共1 180s，其中前780s为城市循环，后400s为郊区循环。试验车辆更换燃油后须运行NEDC循环一次进行预处理。试验前将试验车辆放置在温度相对稳定在20～30℃之间的室内预置6h以上，直至发动机机油温度和冷却液温度达到室内温度的±2℃范围内，之后进行冷起动试验。试验期间，室内温度控制在20～30℃之间，空气绝对湿度H(水/干空气)控制在5.5～12.2g/kg之间。热起动试验在冷起动试验结束5min后进行。

试验设备及采样系统如图1所示。试验所用的微粒粒径分析设备为英国Cambustion公司生产的DMS500型快速微粒分析仪。该分析仪对汽车排气进行直接采样，可以对排气中微粒的瞬态数量和粒径分布进行实时测量，其测量范围为5～1 000nm，采样间隔为0.1s。此外，该分析仪还可以根据测量结果拟合出核态和积聚态微粒分布曲线。粒径分析采样之后，用背景空气对汽车排气进行稀释，并用定容采样(CVS)系统控制气体流量。利用HORIBA公司的MEXA-7400HLE型排放分析仪测量稀释后的瞬态排放。PM和PN的测量采用微粒测量项目(PMP)规定的方法，即利用稀释加热器、蒸发管和稀释冷却器组成的挥发性微粒去除装置(VPR)将可挥发的核态微粒去除，滤纸和微粒计数器只对固态的积聚态微粒进行采集和测量。所采用的微粒计数器为HORIBA 公司的MEXA-1000SPCS型。微粒质量测量采用滤纸称重法，用两张滤纸分别对城市循环和郊区循环的微粒质量进行测量。

2 GDI与PFI汽油车微粒物排放对比分析

2.1 微粒质量和数量排放

为了保证试验数据能够反映发动机正常工作时的真实情况，图2中的数据均为燃用燃油3(RON 97.4)时获取的。

图2和图3分别给出了4辆试验车在NEDC循环上的PM和PN排放结果。从这两幅图可以看出，4辆试验车在城市循环的PM和PN排放要高于郊区循环。这主要是因为城市循环包含了冷起动阶段，此时发动机的冷却水温和机油温度较低，燃油蒸发速度较慢，燃油与空气混合的不均匀度较高。此外在冷起动阶段，为了让三效催化器快速起作用会采用混合气加浓的方式来提高排气温度，此时混合气不均匀度进一步提高，因此微粒排放较高。当试验车辆运转到郊区循环时，发动机的冷却水温和机油温度都已升高到正常温度，混合气不再加浓，燃油与空气混合相对均匀，因此微粒物的生成减少。此外，郊区循环的负荷较高，较高的排气温度加速了微粒物的氧化，同样会导致微粒物排放减少。

由图2可以看出，4辆试验车的NEDC循环平均PM排放均能满足欧Ⅵ法规的要求，而PFI汽车(D车)的PM排放约为GDI汽车的1/4。从图3可以看出，PFI汽车(D车)的PN排放能够满足欧Ⅵ法规的要求，而其余3辆GDI试验车的PN排放均不能达到欧Ⅵ法规的要求。

此外，采用涡轮增压的A、B车和采用自然吸气的C车PM、PN差距并不明显，由此可知进气方式对微粒排放的影响不大。

2.2 不同车辆微粒瞬态排放

图4给出了4辆车分别在冷起动和热起动时的瞬态微粒物数量排放曲线。由图4中冷起动曲线和热起动曲线的对比可知， GDI和PFI汽车在冷起动的暖机阶段都会有大量的微粒排放。如前所述，在冷起动暖机阶段，GDI和PFI发动机内部发生的是加浓的非均质混合气点燃燃烧，燃烧过程中生成的碳烟很多，因此排气中生成的微粒也相当多。当暖机结束后，在PFI汽车(D车)发动机内部实现了理论空燃比下的均质混合气点燃，由于不存在混合气浓区，此燃烧过程中形成的碳烟极少，因此排气中的微粒物也极少。而GDI汽车虽然采用进气冲程喷油试图在点火前尽量实现均质混合气，但毕竟较PFI发动机，其油气混合时间大幅缩短， 因此混合不均匀度较高。此外GDI汽车在加速和减速工况时发动机进气量、喷油量以及气缸内气流运动的变化会导致油气混合不均匀度大幅提高，此时发动机内部为理论空燃比下的非均质混合气点燃燃烧，因此微粒排放较高。PFI汽车燃油在进入气缸前已经与空气充分混合，因此工况的改变并不会影响混合气质量，在任何工况下都能实现均质混合气点燃，因此其微粒排放在任何工况下都极低。

图5给出了4辆试验车在冷起动NEDC循环的瞬态核态微粒和积聚态微粒的数量排放。如前所述，虽然在冷起动暖机阶段GDI和PFI发动机内部均为加浓的非均质混合气点燃燃烧，但PFI发动机油气混合气时间长，混合气不均匀度较GDI发动机要低，因此燃烧过程中生成的碳烟相对较少，排气中形成的积聚态微粒也要少一些。从图5还可以看出， GDI汽车的高。这是因为PFI汽车的混合气较均匀，可燃混合气能够渗入到燃烧室的各种狭窄缝隙中，如活塞头与气缸壁之间的窄缝、火花塞中心电极周围、进排气门头部周围等，燃烧过程中火焰无法到达这些地方，而在膨胀过程中缸内压力下降，缝隙中的未完全燃烧碳氢化合物随排气一起排出并在排气管中凝结，从而会有大量的核态微粒生成[16]。GDI汽车燃烧室内混合气呈中间浓外围稀的状态，因而隙中的可燃物质很少，其THC排放较低，核态微粒排放也相对较少。图6给出了4辆试验车冷起动暖机阶段的THC排放曲线。

2.3 粒径分布

图7为4辆车冷起动时的微粒物瞬态粒径分布图。它可以进一步证明之前得到的结论，即冷起动暖机阶段无论是GDI汽车还是PFI汽车均有大量微粒排放；暖机结束后GDI汽车在加速和减速工况下会有显著的微粒排放，而PFI汽车的微粒排放则少得多。由图7还可看出，对于GDI汽车其微粒排放可分为两个模态，即核态和积聚态。其中，核态微粒粒径为5～30nm，积聚态微粒粒径为30～200nm。PFI汽车只在冷起动NEDC前200s内有显著的微粒排放，其核态微粒粒径同样为5～30nm，而凝聚态微粒粒径范围为30～150nm，较GDI汽车要略小一些。

图8给出了4辆试验车NEDC循环的平均粒径分布曲线。由图可见，GDI汽车的核态微粒峰值粒径约为18nm，积聚态峰值粒径约为80nm。由于在燃烧过程中有大量碳烟生成，因此GDI汽车微粒数量主要集中在积聚态。而PFI汽车由于混合气较均匀，燃烧过程生成碳烟较少，因此其积聚态微粒要明显低于GDI汽车，其微粒物数量主要集中在核态，核态微粒峰值粒径约为12nm，积聚态峰值粒径约为60nm。

3 辛烷值对汽油车微粒排放的影响分析

3.1 对微粒质量和数量的影响

图9给出了4辆车分别燃用不同燃油时NEDC循环平均PM排放。由图9可知，除B车燃用燃油1(RON 91.9)以外，其余情况下的微粒质量排放均满足欧Ⅵ法规。

对于采用涡轮增压直喷发动机的A车和采用自然吸气直喷发动机的C车，二者进气方式虽然不同，但推荐燃油辛烷值均为93#，两辆车的PM排放水平相当，随着燃油辛烷值的升高，PM排放没有呈现出明显的规律。对于B车和D车，二者的推荐燃油辛烷值均为97#，D车由于采用进气道喷射，其PM排放约为B车的1/4，但随着辛烷值的提高两辆车的PM呈下降趋势。 这是因为当这两辆车燃用辛烷值较低的燃油1和2时，发动机的爆震倾向更为明显，在大负荷时更需要大幅度推迟点火时刻来抑制爆震的发生。因此，B车和D车在燃用燃油1和2时，发动机的运行状况与正常状况相差较大。爆震的发生以及不理想燃烧的综合作用使得B车和D车在燃用低辛烷值燃油时的PM排放增加。此外，B车燃用燃油1时PM的增加还可能与燃油1较高的硫含量有关。

图10为4辆试验车燃用3种燃油时的NEDC循环平均PN排放值。由图可见，辛烷值对PN排放的影响未呈现出明显的规律。由之前的分析可知，B车在燃用燃油1时的PM排放要明显高于燃用燃油2和3时，而从图10可以看出，B车燃用燃油1时的微粒数量排放最低。这是因为燃用燃油1时轻微爆震的发生以及点火推迟导致后燃的增加都会导致碳烟氧化的加剧，因而生成的积聚态微粒会减少。

3.2 对瞬态微粒数量和粒径分布的影响

对4辆试验车的瞬态微粒数量和粒径分布的测量结果显示A、C、D 3辆车在燃用3种燃油时的微粒数量和粒径分布没有明显区别，而B车在高负荷时的测量结果差别较大。下面就对B车的瞬态微粒排放以及粒径分布进行详细分析。

图11给出了试验车B在燃用不同燃油时的瞬态微粒数量曲线。由图可见， 在城市工况和绝大多数郊区工况下，B车燃用3种燃油时的瞬态微粒数量排放基本相同，燃用燃油1时的排放值略低。这主要是因为燃用燃油1时的点火推迟导致后燃加重，加速了废气中碳烟和未然碳氢的氧化。而在车速由100加速到120km/h工况下，燃用燃油1时的微粒数量会急剧增加。

图12给出了试验车B燃用不同辛烷值燃油时的核态和积聚态微粒数量排放曲线。由图可见，在车速由100加速到120km/h的工况下，B车燃用燃油1时的核态微粒和积聚态微粒排放都会显著增加。在其他工况下，B车燃用3种燃油的核态微粒排放基本相同，而燃用燃油1时的积聚态微粒排放则略有降低，这与图10的结果相符。

图13给出了NEDC高负荷工况时B车燃用不同燃油时的点火时刻和THC排放曲线。从点火时刻曲线可以看出，在车速由100km/h加速之前，随着燃油辛烷值的降低点火时刻逐步推后。这是因为燃用较低辛烷值燃油时会有爆震发生，ECU通过爆震传感器的闭环控制推迟点火时刻，从而抑制爆震发生。当车速由100km/h加速到120km/h时，燃用燃油1时的点火时刻发生强烈震荡，其点火时刻最早达到了上止点前30°CA。这是因为燃油1的辛烷值与B车的推荐辛烷值差别较大，工况的突然变化和强烈爆震的发生使得爆震传感器的闭环控制的稳定性和响应时间受到强烈影响。从THC排放曲线可以看出，点火时刻的震荡导致THC排放激增，并产生相应的震荡。由此可见，THC排放的激增使得核态微粒排放增加，而强烈爆震的发生则会导致燃烧过程碳烟生成的增加，从而使得排气中形成的积聚态微粒增加。而在其它工况下，点火时刻的推迟导致后燃加重，加速了碳烟的氧化，从而使排气中的积聚态微粒减少。

图14为B车燃用不同燃油时的NEDC循环平均粒径分布曲线。由图可见，B车燃用燃油2和3时的粒径分布曲线基本重合。而燃用燃油1时，由于100-120km/h加速阶段有大量的核态微粒生成，因此其核态波峰有大幅度升高；对于积聚态微粒，由于只在100-120km/h加速阶段增加，而其它阶段都有小幅减小，因而总循环平均峰值降低。

4 结论

(1) GDI汽车PM排放可以满足欧Ⅵ法规要求，但其PN排放远超出欧Ⅵ法规限值。PFI汽车的PM和PN排放均可满足欧Ⅵ法规。

(2)GDI汽车在冷起动暖机阶段有大量微粒排放，暖机结束后的瞬态工况有明显微粒排放。PFI汽车则只在冷起动暖机阶段有明显微粒排放。

(3)GDI汽车的核态微粒粒径范围为5～30nm，峰值粒径约为18nm；积聚态微粒粒径范围为30～200nm，峰值粒径约为80nm，微粒数量集中在积聚态。PFI汽车的核态微粒粒径范围为5～30nm，峰值粒径约为12nm；积聚态微粒粒径范围为30～150nm，峰值粒径约为60nm，微粒数量集中在核态。

(4)在高负荷工况下，GDI汽车在燃用低辛烷值汽油时发生的强烈爆震会同时增加核态微粒和积聚态微粒的生成。

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