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冷热起动模式和后处理对轻型车实际行驶细颗粒物排放的影响

2024-12-16 24 上传者：管理员

摘要：采用实际行驶污染物排放测试的方法，对两辆国六轻型汽油车的细颗粒物排放进行研究，重点分析冷、热起动两种模式和汽油机颗粒捕集器（gasoline particulate filter, GPF）对细颗粒物的影响。结果表明，PN10主要产生于冷起动阶段，且排放峰值易出现在急加速和急减速工况，最高排放峰值为8.10×1011个/s。带GPF车辆的PN23和PN10在各速度段的占比分布差异较大，总行程的PN10数量较PN23增长30.9%，增长率为不配备GPF车辆的3倍左右。低温下的细颗粒物排放较常温大幅上升，且带有GPF车的增长幅度明显高于未配备GPF的车辆。研究表明，冷起动阶段的细颗粒排放控制是未来监管的重点。

关键词：
冷起动
实际行驶污染物排放
汽油机颗粒捕集器
热起动
细颗粒物
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汽车排放的尾气中含有大量颗粒物，已成为大气污染的重要来源[1–3]。为控制轻型车颗粒物排放，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）》[4]标准增加了对粒径大于23 nm的颗粒数量（PN23）在每个测试循环中不超过6×1011个/km的限制要求。2023年12月18日欧洲议会和欧盟理事会也对欧7排放法规达成了临时协议，在保留原来的排气颗粒数（particle number,PN）限值基础上采用PN10（粒径≥10 nm的颗粒数量）代替PN23，加严了对颗粒物粒径的监管范围。已有大量研究[5–7]表明，粒径小于23 nm的颗粒在尾气中有较大贡献，引入对细颗粒物的监管对大气环境保护有重要意义。

为减少颗粒物排放，轻型车采取安装汽油机颗粒捕集器（gasoline particulate filter,GPF）的方法来满足法规的限制要求[8-9]。文献[10–11]中研究得出，使用GPF可以显著降低粒径大于23 nm的颗粒物质量和数量。但文献[12]中研究发现，GPF会对颗粒物的微观结构产生影响，这表示缸内生成的颗粒物在经过GPF后形态会发生改变，从而影响排出的颗粒物粒径范围。未来加严对细颗粒物的限制后，带有GPF的车辆是否还能满足排放要求目前还未可知，PN排放超标的风险仍存在。

实际行驶污染物排放（real drive emission,RDE）测试不同于实验室测试循环，RDE试验可以反映车辆真实使用场景下的排放特征，使结果与实际状况更相符。文献[13–14]中研究了在RDE工况下的颗粒物排放水平。欧6e法规[15]中提出，要同时开展RDE测试的冷起动和热起动测试，以模拟不同的使用场景。对于细颗粒物在两种起动模式下的排放特征目前并无足够的研究结果支撑。

本文中选取两辆满足国六排放标准的轻型汽油车，针对冷热起动和GPF对细颗粒物的影响开展研究，测量不同车辆的粒径大于23 nm及粒径大于10 nm的颗粒物排放数量，进一步了解国六标准车辆在RDE工况下的细颗粒物排放水平，为应对未来更严格的排放监管提供参考。

1、研究理论与试验方案

1.1试验系统与采样方法

本研究所有的测试均符合国六标准对Ⅱ型实际行驶污染物排放的的规程要求，即测试车辆分别在市区（<60 km/h）、市郊（60 km/h～90 km/h）、高速（>90 km/h）路段上进行测试，总行驶时间不少于90 min，且行驶路线应包括34%（±10%）的市区路段、33%（±10%）的市郊路段和33%（±10%）的高速路段。

选用日本HORIBA公司生产的轻型车便携式车载排放测试系统OBS-ONE进行排放测试。车载排放测试系统主要由气体分析仪模块、颗粒物分析仪模块、电源模块、排气流量计、全球定位系统（global positioning system,GPS）、气象站及控制单元组成，分析仪带有PN23测量模块和PN10测量模块。试验设备安装示意图如图1所示。

图1 实际道路测试系统示意图

1.2试验车辆

研究选用两辆国六标准车辆，两车的排量相同，整备质量相近，A车后处理为三元催化转化器（three way catalyst,TWC),B车为TWC加GPF，测试车辆的主要技术参数如表1所示。

表1 试验车辆参数

2、试验结果及分析

2.1冷起动和热起动的排放差异

在同一测试路线上选用A车分别进行冷、热起动两次PN10测试，具体环境和行程参数见表2。试验过程中的环境温度和海拔条件一致，市区、市郊、高速行程的里程占比相近。

表2 测试环境和行程参数

图2为在常温冷起动工况和热起动工况下各速度段和总行程的细颗粒排放因子，由于采用移动平均窗口法计算会剔除冷起动部分，因此采用总里程平均排放计算。可以发现，市区段冷、热起动的细颗粒物排放差异最大，冷起动工况下排放的细颗粒物排放因子约为热起动工况排放的1.9倍，到市郊段和高速段冷起动工况的细颗粒物排放因子反而较热起动工况有所减小。热起动在市区、市郊、高速段的排放因子相差不大。冷起动的市区段细颗粒物排放在总行程中贡献突出，说明细颗粒物主要产生于冷起动阶段。

图2 不同启动方式下的PN排放因子

为进一步分析冷、热起动工况下的细颗粒物排放特征，图3给出了两种工况下前550 s内细颗粒物的瞬时排放量及冷却水温度的变化曲线图。热起动的初始冷却水温为70℃，冷起动的初始冷却水温为20℃。从图中可以看出，在冷起动工况下，发动机起动的瞬间细颗粒物数量迅速增加，达到最高排放峰值（8.10×1011个/s），并随时间的增长呈波动下降趋势。而热起动的细颗粒物在全过程中未出现明显峰值，均在较小的排放速率范围内波动。

图3 颗粒物排放瞬时速率

冷起动的排放峰值大概率出现在急加速和急减速的工况，在减速断油时，缸内温度和压力下降，部分燃油在缸内形成油膜导致不完全燃烧，形成细颗粒，催化器温度较低也使缸内生成的细颗粒物的后期氧化过程受阻；而加速过程动力性要求相对较高，喷油量加大，且活塞往复运动速度加快，导致燃油流动不均匀产生局部过浓的现象，加剧了不完全燃烧的程度，产生大量碳烟。

2.2 GPF对细颗粒物排放的影响

2.2.1 PN23和PN10的差异

分别对A、B两车进行PN23和PN10的RDE测试，所有的试验路线均相同，试验过程中的环境温度为6℃，海拔为28 m，测试的具体行程参数见表3。A、B两车的PN23和PN10总排放量均在同一数量级，但B车的PN10总数量较PN23增长30.9%，增长率明显高于A车的11.5%。此外，B车的PN10总里程平均排放为5.8×1011个/km，已逼近国六排放限值。

表3 测试环境和行程参数

2.2.2各速度段排放占比

图4为A、B两车在不同速度段的颗粒物数量占行程总数量的比例，其中市区部分包括冷起动阶段和除冷起动外的其他部分。从图中可以发现，B车PN23和PN10两次测试各速度段的占比分布差异较大，体现在其PN10的冷起动占比相较于PN23提高一倍，高速段占比缩小至一半。由图3可知，细颗粒物易在冷起动中出现排放峰值，颗粒物在GPF中是通过扩散、拦截、重力和惯性四种方式被捕集在载体的壁面内及壁面上，细颗粒物惯性小，不易被空隙吸附，因此加大了冷起动排放占比。也说明在冷起动阶段产生的10 nm～23 nm粒径之间的细颗粒较多，目前的颗粒捕集器仅对大于23 nm的粒径具有较好的捕集效果。而对于无GPF的A车，PN23和PN10两者的占比规律几乎一致，表明车辆颗粒大小为10 nm～23 nm和大于23 nm的粒径形成和工况之间的相关性类似。

2.2.3带GPF车辆的瞬时排放特征

由图4可知，带GPF的B车PN23和PN10的占比差别较大，进一步分析两次试验的排放特征。图5为B车PN23和PN10的瞬时排放速率。PN23和PN10两者的差距主要体现在市区冷起动阶段。PN23行程中并未出现明显的排放恶劣情况，说明GPF可以有效地控制23 nm以上粒径的颗粒排放，即使在冷起动阶段也保持较低的排放水平，但在高速段大颗粒排放明显增长，原因在于高速段后期车辆负荷升高，喷油量上升，缸内燃烧更为恶劣，且缸内燃烧温度升高，促使更多的粒子发生凝聚，形成较大颗粒物排出。PN10在冷起动阶段尤为突出，排放速率峰值高达1.40×1012个/s，而PN23的峰值仅为2.24×1011个/s，两者相差近一个数量级，由此说明冷起动期间产生的颗粒处在10 nm～23 nm范围的占比较大，冷起动阶段的排放控制也是未来细颗粒物监管的重点。

图4 各速度段颗粒物排放占比

图5 B车颗粒物排放瞬时速率

2.3常温和低温的排放差异

分别对A车和B车进行常温和低温下的RDE测试，常温的环境温度为6℃，低温的环境温度为-8℃，所有试验的海拔均符合国六法规中规定的海拔高度不高于700 m的普通海拔条件。

图6为低温下测得的冷起动、市区、市郊、高速、总行程段细颗粒物排放因子与常温排放因子比值。可以发现所有速度段的比值均大于1，说明低温下的细颗粒物排放无论在何种工况下均有不同程度的上升，且带有GPF的B车的增长幅度明显高于不配备GPF的A车。总体来说，受低温冷起动的影响，燃料雾化与燃烧品质不佳，导致燃烧不完全，A、B两车在低温市区段的比值均是最大的。在低温环境下颗粒物更容易凝结和沉积在GPF上，从而导致GPF堵塞，过滤效果降低，因此B车排放呈现出对环境温度更敏感的特征。

图6 低温与常温排放因子比值

图7为A、B两车在低温环境下进行测试时细颗粒物的瞬时排放，图中下半部分20～60 km/h为市区速度曲线，60～90 km/h表示市郊速度曲线，90 km/h以上表示高速速度曲线。图中阴影区域标记了两处明显的排放峰值。可以发现A车只在冷起动阶段有明显的排放峰值，而B车在市区、市郊、高速段均产生排放峰值，并且瞬时速率远高于A车。其原因在于：低温低速条件下难以达到GPF主动再生的条件，GPF再生受阻致使颗粒物一直处于完全堆积状态，排气背压上升导致B车市区段更容易产生细颗粒物排放；高速段达到GPF再生的工况条件，颗粒物在氧化过程中若氧化不完全，大粒径颗粒分解为小粒径颗粒，也会导致颗粒物数量增加。此外，随着后处理温度上升，一部分非固态颗粒物通过GPF后在尾气中发生冷凝现象，导致小粒径细颗粒物的数量有所增加。

图7 A、B两车瞬时排放速率

3、结论

(1) PN10主要产生在冷起动阶段，发动机起动瞬间迅速增加，且排放峰值易出现在急加速和急减速的工况。热起动的细颗粒物在全过程中未出现明显峰值。

(2）受排气背压和大颗粒物氧化的影响，带GPF车辆总行程的PN10数量较PN23增长30.9%，增长率为不配备GPF车辆的3倍左右。带GPF车辆的PN23和PN10在各速度段的占比分布差异较大，体现在冷起动提高一倍，高速段占比缩小至一半。

(3）带GPF车辆的PN10在冷起动阶段尤为突出，排放速率峰值高达1.40×1012个/s，而PN23的峰值仅为2.24×1011个/s，两者相差近一个数量级。

(4）低温下细颗粒物排放无论在何种工况下较常温均上升，且带有GPF车的增长幅度明显较高。带GPF车辆在低温环境行驶的市区、市郊、高速段均产生排放峰值，且瞬时速率远高于不配备GPF车辆。

参考文献:

[2]李新.轻型汽车排放控制综述[C]//中国环境科学学会2021年科学技术年会--环境工程技术创新与应用分会场论文集(三).天津:中国环境科学学会,2021:159-164,171.

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