现代汽油车的排气颗粒：实验室与道路研究外文翻译资料

英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

现代汽油车的排气颗粒：实验室与道路研究

摘要：车辆技术的发展和即将面临的颗粒物排放限制已经增加了使用汽油直接喷射（GDI）技术对车辆颗粒物排放进行详细分析的需求。在这里本文不但基于实验室研究现代GDI轿车的颗粒排放特性，而且在实际道路工况条件下，重点对排气颗粒数量排放，粒度分布，波动性和形态学进行研究。在加速和稳定条件下的非挥发性排气颗粒数量大小分布有两种模式，一种是平均粒径低于30nm和其他平均粒径约70nm。结果表明，这两种模式的颗粒都像烟灰但具有不同的形态。无论是在实验室里或者在实际道路工况下，我们都能明显的看见在发动机进行制动减速的期间有大量的废气颗粒排放，这些颗粒是很可能来源于润滑油和灰的混合物。在实验室进行试验中，当发动机高负荷工况下运行时，我们能够观察到半挥发成核粒子。在一般情况下现代汽油车可排放四种不同类型的排气颗粒。因此，排放控制技术发展战略中应考虑颗粒差异形成的特点，另一方面，在评估颗粒物排放对环境与人类健康影响中也应该考虑这种差异。

关键词：排气微粒，汽油直接喷射，成核现象，烟尘，颗粒物排放

1. 引言

随着汽油乘用车的发展，人们增加了对全球变暖和温室气体排放的关注，这导致了汽油直接喷射（GDI）引擎的广泛使用。一般来说，GDI技术提供了更好的燃料经济性，与端口燃料喷射技术相比，CO₂排放有所下降。此外，在柴油机车和汽油机车中，替代燃料的使用也越来越多。最新技术可能会影响到受限制的排放物，如NO_X，碳氢化合物和颗粒物质，以及不受限制的纳米颗粒排放特性和数量。除CO₂以外的排放方面的变化可能是有利或也可能是有害的。在使用GDI技术的情况下，燃油直接喷射会增大危险系数，增加由于不完全燃烧的燃料挥发物引起的颗粒物排放，局部燃料富裕区域和燃油对活塞和汽缸壁的冲击也是因此而造成的。

车辆的颗粒物排放受到排放标准的限制，排放标准根据国家有显著的差异。 在美国，不管使用何种燃料，自2004年以来已将相同的标准应用于车辆，因此颗粒物质的限制排放也涵盖了汽油机车。 在欧洲，直喷汽油发动机的颗粒物质排放限制（欧5）于2009年生效和首先限制颗粒排放数量进行制将在2014年生效（欧6）。因此，全球汽油车辆的颗粒排放限制技术正在蓬勃发展。特别是欧洲GDI发动机的颗粒数量排放限制可能会强制车辆行业改变其减排技术和方法。

因为即将到来的粒子排放法规，对汽油车颗粒物排放限制的重要性也相对增加，因为端口燃油喷射（PFI）已广泛被GDI技术所取代。另一方面，由于现代柴油车排放水平低，汽油颗粒排放的重要性越来越高。预计GDI的占有量在未来几年汽车保有量中将得到显著增长。我们都知道，GDI技术可以提供更低的燃料消耗和NO_X排放。然而，有关汽油机车排气颗粒的知识和柴油排气颗粒的知识是不在同一水平的。与PFI技术相比，GDI技术的缺点是增加了粒子排放数量。如果与柴油机排气颗粒浓度相比，GDI排气颗粒浓度显著低于没有柴油颗粒过滤器（DPF）的柴油发动机，但高于有DPF的柴油发动机。马里奇等人在2012年进行的研究对于使用GDI发动机的轻型卡车的排气颗粒进行了说明，GDI发动机的颗粒物排放主要由元素碳（EC）控制，而有机碳（OC）仅占很小一部分。一些研究表明，GDI的排气颗粒（数量上）主要是尺寸小于100nm的颗粒。此外，尺寸分布已被观察到是双向的。以前就已观察到较小颗粒（10和20nm之间的平均粒度）的模式由球形非晶体碳组成，并且部分带电，表明它们处在高温。虽然在以前的研究中没有检查到最小颗粒的挥发性特征，但一些研究表明，GDI排气也可以含有半挥发性成核颗粒。与小型非晶体碳颗粒相反，通常在柴油机燃烧过程中形成非挥发性核心颗粒，全部的半挥发性成核颗粒是在柴油机排气在大气中稀释和冷却过程中形成。

在这项研究中，重点是现代汽油乘用车排放颗粒和其物理特性。排放的颗粒数，粒度分布，波动性和形态的结果已有报道。我们不但在实验室用测功机进行测量，还在实际道路工况条件下进行了研究。道路工况下的研究提供了一个实际的驾驶环境，从真实的工况中收集排气稀释和分散过程中的信息。例如，对于柴油车辆，有关实验研究中已经有报道说废气纳米颗粒浓度受到取样和稀释参数的影响。因此，要获得关于排气颗粒的全面和真实的信息，还需要进行真实汽车工况的研究。另外，基于实际情况的研究能够从暴露于颗粒物排放的人的感受中获得更多相关的信息。应当指出的是，由于便携式排放测量系统的要求，今后汽车排放法规也可能转向实际环境下的测量。

1. 实验

2.1底盘测功机试验程序

试验车是2011年制造的现代汽油客车（车辆1）。测试车辆的GDI发动机（1.8升排量）使用涡轮增压，并在低于约3000rpm的燃料分层喷射下运转。 在分层模式中，全球化的平均空燃比是化学计量的，但是由于分层运行，燃烧室局部存在丰富的贫气区。排气后处理用三元催化转化器（TWC）进行。发动机运转时使用低硫（lt;10mg / kg）95-辛烷汽油乙醇混合燃料，其中乙醇浓度低于10％。 润滑油的粘度等级为5W-30，其中有磷，硫，钙和锌，含量分别为900mg/kg，2780mg/kg，3200mg/kg和920mg/kg。

试验程序包括测试周期和发动机不同负荷稳定点的底盘滚动阻力的控制。在一系列的测试中，车辆在新的欧洲行驶循环试验工况（NEDC）下被加热。在这个预热运行期间，排放量也被测量，共重复八次NEDC测试循环。选定的稳态试验是在第五档的轮速80km/h和车轮功率为5kw，10kw，20kw下驱动，由底盘滚动制动器控制。

废气样品从排气尾管2米处废气输送管的采样点中提取。排气稀释使用由短时效老化室和二次稀释组成的多孔管稀释的局部排气流稀释系统。特别是从排气纳米颗粒形成的观点来看，已观察到稀释系统相当好地模拟了真实的冷却和稀释过程。多孔管稀释剂和二次稀释剂的初级稀释倍数约为12和4.5。主要的稀释比和总稀释比（50）在CO₂浓度的原排气和稀释排气基础上计算，稀释后的二次稀释的排气样品保存在室温下约25℃。

使用EEPS（发动机排气颗粒分级机，型号3090，TSI Inc.），UCPC（超细冷凝颗粒计数器，TSI Inc.model 3025）和ELPI（电动低压冲击器，Dekati Oy）测量颗粒。使用的ELPI具有过滤段和额外的纳米颗粒冲击器段。为了研究颗粒形态和元素组成，通过流通取样器从多孔碳网格上的稀释样品中收集废气颗粒，其中流量为1升/分钟。然后把收集到的颗粒通过透射电子显微镜（TEM）和元素组成的形状与能量色散光谱（EDS）进行分析。在测量的一半（4 NEDCs）期间，采用具有低纳米粒子损耗的热解电极（TD），以便用UCPC和ELPI估计颗粒挥发性。在TD中，连续排气样品首先被加热到265℃，然后通过脱溶剂部分，以降低挥发化合物的浓度。对TD中的纳米粒子损耗的数据进行校正，对于分别为10nm和4.5nm的迁移尺寸，变化范围在32％和50％之间。有关仪器和实验装置的更多信息，请参见补充信息。

2.2道路试验程序

道路试验使用的试验车辆（车辆2）的汽油发动机（1.8升排量）也用涡轮增压。但是，道路试验中使用的新一代的发动机与实验室测试中使用的发动机相比，燃油喷射系统是不同的。发动机采用GDI和端口燃油喷射（PFI）技术的组合，以减少烟尘排放。在低负载条件下，仅使用PFI。在GDI的分层操作中，发动机在全球化通用的化学计量燃烧条件下运行，燃料在进气和压缩冲程期间喷射。与车辆1相比，燃料喷射的主要差异预计是排放较小的颗粒，而使用的燃料和润滑剂和实验室实验用的完全相同。

道路测试包括受控加速/减速程序（表1）和恒速追踪测试。实验是在阿拉斯塔罗（芬兰）一个低人口稠密地区的低交通流量路段进行的。因此，农村环境下颗粒浓度低，为20001/cm³到3000 1/cm³。 在一系列测试之前，该车辆在典型的高速公路速度为80km/h到120km/h行驶了大约200公里。 该实验在晴朗和干燥条件下进行（温度23℃到24℃，风速1 m/s到2 m/s，RH 40％到60％）。

该测试车辆采用“嗅探器”移动实验车。入口探头距离货车前保险杠上方地面0.5米。尽管在加速和减速期间恒定距离难以准确地保持，但汽车和货车之间的追逐距离需要保持在12米左右。 排气羽流的颗粒数浓度和尺寸分布测量与实验室研究中仪器测量类似：UCPC，TD后的UCPC，ELPI和EEPS。

表1多次重复的加速/减速道路实验测试

1. 结果

3.1颗粒排放的实验室研究

考虑到排气质量流率，从测量的废气颗粒浓度确定时间变化的颗粒排放。在没有TD的情况下测量了四个NEDC，并且在TD上游的ELPI和UCPC测量了四个NEDC。EEPS总是在没有TD的情况下使用。具有标准偏差的平均瞬时粒子发射（每秒的颗粒数，1 / s）如图1所示。对于整个NEDC，UCPC（a），ELPI（b）和EEPS（c）的结果分别如图显示。直径（d）大于23nm的粒子的排放量和颗粒物质排放质量（e）也被显示，这些数据均来自EEPS测量的尺寸分布数据计算。对于5.6nm到560nm尺寸范围内的颗粒，假定颗粒密度为1克/立方厘米。总体而言，仪器在NEDCs之间显示出非常好的重复性。有一个例外，NEDC的最后一百秒的标准偏差相对偏高。一般来说，颗粒物的排放取决于驾驶状况。例如在空闲模式结束时，浓度水平较低，在ELPI覆盖的粒度范围内，如果检测到的话，EEPS甚至接近零。考虑到仪器的量程限制，如果在加速期间，颗粒数量的排放增加到高值，首先加速度甚至要大于10¹² 1/s。应该注意的是，在减速条件下，颗粒排放也会再次增加，特别是在试验周期结束时，速度从120km/h降低到0km/h，而且从低速开始减速时也是如此。这些排放量可以在大于23nm的粒度（图1d）以及较小的颗粒中看到。减速通过发动机制动进行，即在燃料未喷射到气缸中的情况下进行。

除了随时间变化的排放之外，我们还确定了城市驾驶循环（UDC）和城市外驾驶循环（EUDC）的颗粒物排放因子（1/km）和颗粒物质量（mg/km）以及整体的NEDC。从表2中可以看出，在UDC期间，将半挥发性颗粒包括在其中时，与EUDC相比，即在没有TD的情况下进行测量，发现总颗粒数排放因子较小。当观察不挥发物质（TD）时，情况相反。UDC期间的排放量高于EUDC。因此，当从里程的角度对结果进行研究时，测量结果显示半挥发性颗粒主要在NEDC的EUDC（较高速度）下发射，而UDC对非挥发性颗粒的排放贡献更大。这也可以从图1中看出，在NEDC的前1100s期间，TD处理对颗粒的影响不大。相反，当车速超过100km/h时，通过TD处理，由ELPI和UCPC测量的颗粒排放强度降低，在以下减速和空转的试验中也看到类似的效果。在最高速度下测量通过UCPC的无TD处理的颗粒物排放高于ELPI和EEPS测量的浓度，表明发射颗粒的直径大部分为2.5nm到6nm。此外，颗粒排放在EUDC从一个到另一个测试研究表明，这些小和半挥发性颗粒的排放取决于驱动的过程。在第一个EUDC期间，UCPC测量的没有TD的颗粒物排放量为3.0times;10¹³1/km，以下是EUDCs 2.3times;10¹³ 1/km，5.0times;10¹² 1/km和4.5times;10¹² 1/km。这些小的半挥发性颗粒的排放与废气温度高（催化剂中高于700℃）的情况有关。由于驱动过程也影响排放，这些颗粒的形成似乎是由后处理系统，发动机或排气管路表面释放半挥发性化合物引起的。

图1（a）使用UCPC测量的粒子数（w＆w/o TD），（b）带有ELPI（w＆w/o TD）的数量，（c）NEDC循环中使用EEPS粒子随时间发射的数量（仅w/o TD），（d）根据EEPS测量的尺寸分布计算出的超过23nm的颗粒数量，（e）从EEPS数据计算的颗粒物质。 “阴影”区域表示标准偏差。

表2

使用UCPC，ELPI和EEPS测量的UDC，EUDC和NEDC的总颗粒数排放因子（1/ km）。 从EEPS数据计算出粒径gt;23nm（EEPS，gt;23nm）和颗粒物质（EEPS，质量）的排放因子。 TD表示使用热导向器测量

从EEPS获得的数据可以看出，大于23nm的颗粒的发射在UDC期间比EUDC更高。这些颗粒的总排放量约为2.5times;10¹²1/km。从欧洲立法的角度看，即将到来的欧6GDI车辆粒子数量最低排放将在6times;10¹² 1/km，三年后改为6times;10 ¹¹1/km。因此，被测车辆的排放水平必须处于这些极限之间。但是必须要记住的是，官方测量协议与此处的测量方法不同。图2显示了原始排气颗粒数大小分布（a）和排放浓度（b）。在加速和稳定速度条件下，粒径分布是双峰的。根据EEPS数据可以看出，较小的粒子模式的几何平均直径（GMD）为0〜10nm，而对于较大模式，GMD为10〜70nm。在加速期间，即发动机在重负载下运转时，较大颗粒的浓度通常高于较小颗粒模式中的浓度。在减速条件和随后的怠速下，颗粒的直径通常小于20nm，并且仅存在一种颗粒模式。在从120km/h到0km/h的减速期间观察到最低浓度的20nm以下的颗粒。请注意，排气温度和质量流量的变化会导致车辆尾管系统内排气停留时间的变化。因此，在怠速条件下测量的小颗粒最有可能从发动机减速期间发出。此外，应该注意的是，减速期

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[137854]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word