高原轻型车用发动机PN排放特性的试验研究

赵龙龙　罗飞　李瑞　侯春元　解礼兵

摘 要：基于1900m海拔的发动机试验台架，针对一台国六轻型车用发动机，开展搭载后处理系统的整机PN排放特性的试验研究，分析其在高原下原机PN与尾排PN的变化规律，为高原轻型车后处理系统开发提供数据支持。研究发现：高原汽油机原机PN排放随着车速的升高而不断降低，捕集效率随车速的增加呈先增加后减小的趋势，主要与载体孔隙及是否高温灼烧相关；原机PN排放值对捕集效率的影响较大，尤其是冷启动条件下，受发动机缸内温度低、燃烧不充分等影响较大；为增大颗粒物捕集效率，可为GPF添加（或涂覆）部分不可灼烧的的灰分或其它成分以减小孔径孔隙。

关键词：高原 轻型车用发动机 PN排放特性

1 前言

随着我国进入国六阶段，后处理对汽车减排的作用越來越重要。自2016年正式发布的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 18352.6-2016）提出了对颗粒数目（PN，Particle Num-ber）的限值要求[1-2]，颗粒物捕集器被广泛应用于整车减排过程，但其效率受诸多因素影响，如海拔、温度等，因此有必要展开高原轻型车用发动机的PN排放特性研究。

国六排放法规实施后，对汽油车颗粒物排放提出了更严格的要求，相比于国五，颗粒物质量（PM）要求大幅提高，且新增对颗粒物数量（PN）的限值要求。目前，为降低汽油机的颗粒排放，多通过装配颗粒捕集器（GPF）的方式以实现满足国VI新标准的目标。GPF是一种壁流式的颗粒捕集装置，过滤体内有很多平行孔道，相邻的两个孔道一个进口开放，另一个出口开放。排气从开放的进口孔道流入，通过GPF载体多孔壁面至相邻孔道排出，而颗粒物被滞留在孔道内，从而实现捕集颗粒物的作用。

同时，严控颗粒污染物，不仅因其对环境的破坏极大，而且严重影响人类健康，主要损害人体呼吸系统，引发哮喘和慢性支气管炎等，甚至引起死亡。颗粒物污染物主要由干碳烟、可溶有机组分、硫酸盐、灰分和水分组成的复杂污染物[3-5]。汽车是产生该污染物的主要来源之一，因此亟需对车辆的排放进行控制，主要控制措施是利用颗粒捕集器进行颗粒污染物的捕集，利用高温对捕集到的颗粒物进行灼烧，降低其危害程度。

近年，“双碳”目标的提出，需要对我国中西部地区经济快速发展过程中同步考虑高原地区环境保护、防患于未然，避免环境污染的进一步加剧。另外，我国高原地域面积广阔，随着国家的发展，高原地区的车辆也越来越多，轻型车的占比越来越大[2]，对高原环境的影响也日益突出。因此，依托于1900m的高原试验条件，开展高原轻型车用发动机及后处理系统的PN排放特性研究，助力减少高原汽车颗粒物排放，保护高原环境。

综上，我们需要对高原轻型车PN的排放特性进行研究，主要研究搭载后处理系统的轻型用汽油机各工况下的PN排放特性，从而协助管控汽车运行，减少排放，同时助力高原轻型车用后处理零部件的开发验证，使其更好的适应车辆运行条件。

2 试验方案

研究对象为一台增压中冷直列４缸汽油机，额定功率为88kw，其后处理主要配置为三元催化器（TWC）加颗粒物捕集器（GPF）。测试系统采用HORIBA公司的HT250电力测功机、双路直采排放分析仪、双路PN测试设备以及AVL7351油耗仪和进气空调等搭建的测试平台。汽油机主要参数如表１所示。

为探究汽车发动机在国六法规规定的工况下PN排放特性，采用符合GB 18352.6-2016要求的WLTC循环进行排放测试，其中WLTC循环工况见图1。

试验之前需按照标准要求进行边界控制，设定发动机进气负压为-1.5kpa，进气温度为25℃，进气湿度为45%，冷却水温度90℃，中冷后温度为52℃，背压为50kpa。额定点运转10min左右，观察并记录边界参数，待发动机转速、扭矩、进气流量、进气温度、排气温度、循环水温度等稳定后即可开始对应的排放循环试验。

为保证试验一致性，每次试验均需要发动机在冷却条件下进行，冷却时间2-3h，确保发动机后处理温度冷却至室温附近，且冷却后的（窝后排气）温度尽可能接近以确保数据一致性。为同时观测原机PN和尾排PN的变化规律，需配备两路相同规格的PN设备对发动机出口（GPF前）和后处理后（GPF后）进行同步采样处理，通过两路PN的计算可以得出GPF捕集效率。

3 试验结果及分析

3.1 试验数据分析

为证明数据的有效性及代表性，本次试验选用4组样件（样件随机选取不同批次载体和不同配方催化剂），每组样件进行3次试验，通过试验数据的平均结果（如数据偏差过大，可进行剔除）对排放特性进行分析，从而得出汽油机PN的排放特性。

对12组数据进行平均化（去掉离散化最大的两组数据之后取平均值）处理之后，数据结果如图2，由图可见发动机在启动阶段PN排放值较大，这主要是由于WLTC前段为冷启动阶段，其气缸温度和活塞温度都比较低，导致雾化的油气遇冷凝结沾壁（也称为湿壁）从而导致燃烧不充分；并且启动时混合气较浓，空燃比低于理论空燃比（14.7）也促使燃烧不充分，从而使冷启动时的PN排放偏高，尾排PN排放规律跟随发动机PN排放规律。

分别对四个样件PN结果进行统计（三组数据汇总平均所得），结果如图3所示。由图可见发动机原机排放较为稳定，在PN设备误差要求范围之内，因此判断试验数据有效性较高。

图4为样件的颗粒物捕集结果，图示样件1捕集效率略低，后3个样件捕集效率较为接近，判断是由于GPF载体捕集性能所致，如需选型，应从后面3个样件中选取。

捕集效率计算公式为：

（1）

其中N1为上游PN测试值，N2为下游PN测试值；μ即为捕集效率。

本次采用全球轻型车统一测试循环—WLTC排放测试循环，该排放测试循环总计1800s，由低速区（low，589s），中速区（Medium，433s），高速区（High，455s），超速区（Extra High，323s）四部分组成[6-7]，按照以上四个区对测试数据进行统计处理后，得出原机PN排放结果如图5所示。由图可见原机排放结果随着转速的升高而不断降低，该变化趋势和图1接近，低速区排放偏高，主要是燃烧不充分导致。

按照四个转速区对GPF捕集效率进行统计（所有样件测试结果进行平均化处理），结果如图6所示。GPF在低速区和超速区捕集效率低，中速区和高速区捕集效率较高，且较为接近。上述变化的原因为：低速区由于原机PN排放较高，导致捕集难度偏高，且样件上一循环经过高温区时载体孔径中的碳灰颗粒减少后导致GPF载体捕集效率降低[8-14]，因此低速区捕集效率较低。超速区PN排放较低，主要由于经历过高温高速区后载体孔径中碳灰颗粒因灼烧而减少，导致捕集效率降低，且高流速下颗粒捕集难度较大，因此捕集效率较低。图示超速区捕集效率较低速区要略高，判断为超速区较低速区原机PN排放较低所致，因此认为原机PN排放对捕集效率也有较大影响，应尽可能在标定阶段降低发动机原机PN排放。而中速区和高速区捕集效率较高，主要是经过较低的温度区域时捕集的碳灰颗粒较多，GPF载体孔径中颗粒较多使载体空隙变小，从而提升了颗粒捕集的效率，且未经历过高温（灼烧），使碳灰颗粒得以累积，因此捕集效率效率较其它区高[15-18]。

图7是通过公式（1）计算得到GPF的瞬态捕集效率，由图可清晰看出低速区数据多集中于中段（捕集效率70-80%），进入中高速后数据密集区域集中于上段（捕集效率80-90%），进入超速段后捕集效率下降（捕集效率70-80%），从而证明上述规律在瞬态下也能够明显体现。

4 试验结论

a）高原汽油机原机PN排放随着车速的提高而不断降低，因此城市快速路的搭建也能有效的减少PN排放；

b）高原汽油机在低速区和超速区捕集效率较低，因此为降低PN排放应尽可能减少低速区段行驶路线；也可通过快速提升发动机温度，也能有效的控制PN排放；

c）PN原机排放值对捕集效率影响较大，因此发动机的原机PN排放值应引起发动机生产厂的重视，降低PN原机排放需要作为发动机原机标定的方向之一；

d）为降低PN排放，可通过给GPF添加（或涂覆）部分不可灼烧的的灰分或其它成分以减小孔径空隙，从而增大颗粒物捕集效率。

参考文獻：

[1]中国环境保护产业协会机动车污染防治技术专业委员会．机动车污染防治行业 2015 发展综述[J]．中国环保产业，2016（11）：14-19.

[2]生态环境部.GB 18352.6-2016轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].北京：中国环境出版社，2016.

[3]郑永明，刘典云，等.双碳背景下高原柴油机排放现状及未来发展方向[J].内燃机与配件，2019，35（16）：70-77.

[4]刘冰，康见见，刘波，张超等.基于国六标准工况的重型柴油机PN排放特性研究[J].客车与技术研究，2020，1006-3331（2020）02-0052-04.

[5]高俊.绿色天路——青藏铁路环境保护纪实[J].中国工程咨询，2021（06）：14-21.

[6]SUAREZ-BERTOAR，ZARDINIAA，LILOVAV，etal.Intercomparison of real-time tailpipe ammonia measurements from vehicles tested over the new world-harmonized light-duty vehicle test cycle （WLTC）[J].Environmental Science andPollution Research，2015，22（10）：7450-7460.

[7]张宝山.雾霾治理：从“源头”做起[J].中国人大，2015（11）：18-19.

[8]Kan Z，Hu Z，Lou D，et al. Effects of altitude on combustion and ignition characteristics of speed-up period during cold start in a diesel engine[J]. Energy，2018，150：164-175.

[9]王成官，楼狄明，谭丕强，等.模拟海拔高度对柴油机燃烧影响的可视化试验[J].同济大学学报（自然科学版），2020，48（04）：552-558.

[10]WANG Y C，HAO C X，GE Y S，et al.Fuel consumption and emission performance from light-duty conventional/hybridelectric vehicles over different cycles and real driving tests[J]. Fuel，2020，278：118340.

[11]吴美璇，赵子宇，李浩，等.不同工作条件对柴油机尾气污染物排放特性的影响综述[J].土木与环境工程学报，2022，44（01）：197-206.

[12]吉江林，赵海光，郑丰等.法规工况下轻型汽油车氨排放特征[J].环境科学研究，2022，1001-6929（2022）05-1176-07.

[13]国家统计局.中国统计年鉴[M].北京：中国统计出版社2021.

[14]生态环境部.中国移动源环境管理年报[M]，北京：中国环境出版社2021.

[15]BORSARI V，de ASSUN??O J V.Ammonia emissions from a light-duty vehicle[J].Transportation Research Part D：Transport and Environment，2017，51：53-61.

[16]HEEB N V，FORSS A M，BR?HLMANN S，et al.Three-way catalyst-induced formation of ammonia-velocity- and accelerationdependent emission factors[J].Atmospheric Environment，2006，40（31）：5986-5997.

[17]JIM?NEZ-PALACIOS J L.Understanding and quantifying motor vehicle emissions with vehicle specific power and TILDAS remote sensing[D].Cambridge：Massachusetts Institute of Technology，1999.

[18]US Environmental Protection Agency.Exhaust emission rates for light-duty onroad vehicles in MOVES3[R].Washington DC： Office of Transportation and Air Quality，2020.