轻型汽油车国六排放标准可行性研究

王军方，尹航，王宏丽，肖寒，郝春晓

中国环境科学研究院机动车排污监控中心，北京 100012

轻型汽油车国六排放标准可行性研究

王军方，尹航*，王宏丽，肖寒，郝春晓

中国环境科学研究院机动车排污监控中心，北京 100012

研究了国五排放水平的缸内直喷(GDI)汽油车和普通进气道喷射(PFI)汽油车按照国六排放标准规定的测试规程在常温(23 ℃)和低温(-7 ℃)冷启动下污染物的排放特性。结果表明：PFI汽油车的CO和HC排放量比GDI汽油车高4.3%～39.5%，NOx、颗粒物质量(PM)和颗粒物数量(PN)排放量低69.8%～82.7%。由于GDI汽油车PN的排放量较高，与PFI汽油车相比，达到国六排放标准的难度更大。2种汽油车低速时各种气态污染物的排放量远高于中速、高速和超高速，但PFI汽油车NOx排放量在超高速下比中速和高速有所增高，仅比低速下低约22.2%。

汽油车；缸内直喷；国六排放标准；颗粒物；气体污染物

近年来我国汽车产业快速发展，2016年汽车产销双双突破2 800万台[1]，连续7年成为世界第一，但接踵而至的是造成了大气环境污染的居高不下，2016年我国汽车的CO、HC、NOx和PM排放量分别为2 998.5万、355.0万、534.6万和51.2万t[2]。由大气细颗粒物(PM2.5)造成的重污染天气在我国区域范围内频发，京津冀、长三角和珠三角主要城市PM2.5源解析结果表明，机动车尾气是主要来源之一，贡献率占11%～31%[3]。经济的高速发展和快速的城市化进程，使人口越来越集中于大城市。《中国统计年鉴2015》显示，我国民用汽车保有量由1978年的135.84万辆迅速增加至2000年的1 608.91万辆，到2015年已达到16 284.45万辆[4]。机动车排放的颗粒物成为我国城市大气污染的重要来源[5-7]。

与目前市场占有率较高的普通进气道喷射(port fuel injection，PFI)汽油车相比，缸内直喷(gasoline direct injection，GDI)汽油车的使用可以显著降低燃油消耗和CO2的排放[8-9]。然而，由于油气混合时间缩短，会导致油气混合不均、燃油湿壁、局部过浓等现象的出现，从而造成GDI汽油车的颗粒物排放水平升高。GDI汽油车排放的颗粒物数浓度高于PFI汽油车和已加装颗粒物过滤器的柴油车[10-17]。因此GDI汽油车的环境影响值得关注和研究。机动车的有机颗粒物排放受诸多因素的影响，包括燃油类型、运行工况、环境温度、发动机的负荷以及排放控制措施等[18-19]，空燃比、点火时刻、喷油时刻、燃油理化特性(如芳烃含量、蒸汽压、挥发性、氧含量等)等也会对颗粒物的排放产生影响[20-21]。此外，有研究表明使用三元催化剂能部分削减颗粒物的排放[22]。笔者在符合“国家第五阶段机动车污染物排放标准”(简称国五排放标准)的车辆上，按照国六排放标准规定及测量方法研究了常温(23 ℃)和低温(-7 ℃)条件下碳氢(HC)、非甲烷碳氢化合物(NMHC)、CO、NOx及PM的排放特性，并对不同车速下污染物排放特性进行了分析，以期了解不同技术路线车辆的达标性能。

1 测试车辆和方法

1.1测试车辆

选取5辆符合国五排放标准的轻型汽油车进行测试，其中PFI汽油车2辆(1号和2号)，GDI汽油车3辆(3号～5号)。5辆车均使用三元催化器。

1.2测试方法

按照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)》附录C和附录H的规定，分别进行常温冷启动下排气测试(Ⅰ型试验)和低温(-7℃)下冷启动排放测试(Ⅵ型试验)。使用CVS(constantvolumesystem，定容稀释系统)进行全流稀释采样，采用全球统一测试流程(worldwideharmonizedlightvehiclestestprocedures,WLTP)，测试工况为全球统一测试循环(worldwideharmonizedlightvehiclestestcycle,WLTC)，结果如图1所示。

图1 轻型汽油车WLTC测试循环Fig.1 The test cycle of light duty vehicle of WLTC

2 结果与讨论

2.1HC和NMHC排放

按照标准规定的测试方法，测量常温和低温下HC和NMHC的排放量，结果见图2和图3。国六排放标准规定的6a和6b阶段HC排放限值分别为0.1和0.05g/km，NMHC分别为0.068和0.035g/km。

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

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

由图2可以看出，常温下国五排放标准的GDI和PFI汽油车HC以及NMHC排放都能达到国六排放标准，其平均值都远低于国六排放标准的6a/6b排放限值。但相比较而言，在常温下，PFI汽油车的HC和NMHC排放量高于GDI汽油车，其中，HC平均排放量比GDI汽油车高27.1%，NMHC平均排放量比GDI汽油车高39.2%。

低温下国六排放标准只规定了HC的排放限值，没有规定NMHC。由图3可以看出，国五排放标准的GDI和PFI汽油车HC排放都能达到国六排放标准，其排放量均值远低于国六排放标准的6a/6b排放限值。相比较而言，-7℃下，PFI汽油车的HC排放量高于GDI汽油车，其平均值比GDI汽油车高13.3%。

图4 常温和低温下的CO排放量Fig.4 CO emission at 23 and -7 ℃

2.2CO排放

常温和低温下CO排放量见图4。由图4(a)可以看出，在常温下，国五排放标准的GDI和PFI汽油车的CO排放都能达到国六排放标准，其平均值都低于国六排放标准的6a排放限值，略低于6b排放限值。本试验中GDI汽油车CO的排放水平略低于PFI汽油车，平均排放量低4.3%。

由图4(b)可以看出，-7℃低温下，车辆的达标裕度更高，PFI和GDI汽油车CO排放量分别比国六排放标准排放限值低48.9%和69.4%。本试验中GDI汽油车比PFI汽油车的CO平均排放量低39.5%。

2.3NOx排放

常温和低温下NOx排放量见图5。由图5(a)可以看出，在常温下，国五排放标准的GDI和PFI汽油车排放都能达到国六排放标准，其平均值都低于国六排放标准的6a排放限值，略低于6b排放限值，有1辆GDI汽油车排放值与6b排放限值相当。整体而言，本试验中GDI汽油车比PFI汽油车NOx平均排放量高约5.1%，排放水平几乎相当。

图5 常温和低温下的NOx排放量Fig.5 NOx emission at 23 and -7 ℃

由图5(b)可以看出，-7℃低温下，车辆的NOx达标裕度较高，PFI和GDI汽油车的NOx排放分别比国六排放标准排放限值低91.5%和71.9%。本试验中GDI汽油车比PFI汽油车的NOx平均排放量高69.8%。

2.4颗粒物PM和PN排放

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

常温下颗粒物质量(PM)和数量(PN)的排放情况见图6。 由图6(a)可以看出，常温下，PFI汽油车的颗粒物质量不论国六排放标准的6a还是6b排放限值均能满足，其平均值比6a和6b排放限值低86.8%和80.3%。本试验中PFI汽油车的颗粒物质量排放量远低于GDI汽油车，其平均值比GDI汽油车低82.7%。GDI汽油车的PM排放水平差距较大，有的车辆PM排放量高达9mg/km，有的车辆低于0.4mg/km，排放量平均值超过了6b排放限值，比6a排放限值低23.9%。

图6 常温下PM和PN的排放量Fig.6 PM and PN emission at 23 ℃

对于颗粒物数量(PN)来讲，GDI和PFI汽油车都是达标的难点。由图6(b)可以看出，只有1辆PFI汽油车能够满足国六排放标准6a/6b的排放限值，其余PFI汽油车和所有的GDI汽油车都超过了6a/6b的排放限值。本试验中GDI汽油车颗粒物数量排放量为8×1011～6×1012个/km，均超过6×1011个/km的排放限值。

2.5不同车速范围的排放结果

对常温下HC、NMHC、CO和NOx污染物不同速度段下的排放量进行了分析，结果见图7。由图7可以看出，不论是GDI汽油车还是PFI汽油车，HC、NMHC和CO污染物在低速下的排放量均远高于中速、高速和超高速，幅度为72.7%～97.7%。分析认为，本研究中不论是GDI汽油车还是PFI汽油车，都采用的是三元催化器技术，而三元催化器的净化要求温度达到300℃以上[23]，但低速下，汽油车处于冷启动状态，因此三元催化起燃速度慢净化效率低，会出现污染物排放较高的现象。

对于NOx来讲，超高速下排放量有所增高，但还是低于低速下的排放量，本试验中GDI和PFI汽油车分别降低了75.4%和22.2%。分析认为，超高速下车辆处于高速大负荷阶段，混合气加浓，空燃比增大，燃烧效率升高，生成的NOx增多。

3 结论

(1)对于碳氢化合物和非甲烷碳氢化物，在常温和低温下GDI和PFI汽油车都可以达到国六排放标准，且达标裕度较高。

(2)对于CO和NOx，无论是GDI还是PFI汽油车均可以达到国六排放标准的6a和6b排放限值，但常温下CO和NOx达到6b排放限值裕度较低。

(3)颗粒物数量是GDI汽油车达标的难点，所有GDI汽油车均未能够达到限值规定。PFI汽油车达标率为50%。

(4)相比较而言，无论低温还是常温下PFI汽油车的CO和HC排放量均高于GDI汽油车，幅度为4.3%～39.5%。PFI汽油车的NOx、PM和PN排放量要低于GDI汽油车，幅度为69.8%～82.7%。

(5)低速下各种污染物排放量明显高于中速、高速和超高速段，NOx排放量在超高速时比中速和高速有所增高，但仍低于低速段，GDI和PFI汽油车分别比低速段降低75.4%和22.2%。

[1] 中国汽车工业协会.2016年12月汽车工业产销情况简析[EB/OL].(2017-01-16).http://www.caam.org.cn/zhengche/20170116/1105204085.html.

[2] 环境保护部.中国机动车环境管理年报[A/OL].(2017-06-05).http://dqhj.mep.gov.cn/jdchjgl/zhgldt/201706/P020170605550637870889.pdf.

[3] 北京市环境保护局.北京市正式发布PM2.5来源解析研究成果[EB/OL].(2014-04-16).http://www.bjepb.gov.cn/bjepb/323265/340674/396253/index.html.

[4] 中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴2015[M].北京:中国统计出版社,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] 帅石金,郑荣,王银辉,等.缸内直喷汽油机微粒排放特性的试验研究[J].汽车安全与节能学报,2014,5(3):304-310.

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

[14] 帅石金,董哲林,郑荣,等.车用汽油机颗粒物生成机理及排放特性研究进展[J].内燃机学报,2016,34(2):105-116.

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

[15] 滕升平,裴毅强,安彦召,等.缸内直喷汽油机多环芳烃排放特性的试验研究[J].环境科学学报,2016,36(11):3929-3937.

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

[16] 徐长建,董伟,于秀敏,等.缸内直喷汽油机颗粒排放的热物理特性研究[J].车用发动机,2015(4):70-75.

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

[17] 李梦仁,胡敏,吴宇声,等.缸内直喷汽油机排放颗粒有机物特征及影响因素分析[J].中国电机工程学报,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] 秦艳红,胡敏,李梦仁,等.缸内直喷汽油机排放PM2.5的理化特征及影响因素[J].中国环境科学,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] 冯长根,王大祥,王亚军.车用三效催化剂的研究进展[J].安全与环境学报,2003,3(5):21-26.

[23] 兰通仁.某轻型客车汽油发动机三元催化器匹配分析[J].时代汽车,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

王军方，尹航，王宏丽,等.轻型汽油车国六排放标准可行性研究[J].环境工程技术学报,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

王军方(1979—)，女，高级工程师，博士，主要从事机动车污染防治技术研究，wangjf@vecc-mep.org.cn

*责任作者：尹航(1973—)，男，副研究员，博士，长期从事机动车和非道路移动机械污染防治研究，yinhang@vecc-mep.org.cn

X51

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

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