汽车颗粒物排放研究综述

研究背景与信息

这项研究由 Zongyan Lv、Jianfei Peng 和 Hongjun Mao 等研究人员主导，主要来自南开大学城市交通排放研究天津重点实验室（Tianjin Key Laboratory of Urban Transport Emission Research, College of Environmental Science and Engineering, Nankai University）以及天津优美环境技术有限公司（Tianjin Youmei Environment Technology, Ltd），相关研究发表在《Journal of Cleaner Production》（2023年第418卷，文章编号138123）上，在线发布日期为2023年7月17日。

研究聚焦于燃油车采用不同燃油喷射技术（Port Fuel Injection，Gasoline Direct Injection 和 Mixed Injection）时的颗粒物（Particulate Matter，PM）排放特征，试图通过新的混合喷射技术提供降低颗粒物排放的新方案。

学术背景与研究目标

颗粒物污染是全球广泛关注的环境问题。特别是在交通排放主导的城市环境中，颗粒物对人体健康的负影响尤为显著，其中超细颗粒（Ultrafine PM，≤100nm）因其高肺部沉积效率对公众健康构成更大威胁。已有研究证实，不同喷射技术对汽车颗粒物排放特性的影响显著，例如传统的多点喷射（Port Fuel Injection，PFI）和汽油直喷（Gasoline Direct Injection，GDI）技术。然而，对新兴的混合喷射技术（Mixed Injection, MI）的研究却鲜有涉及。

针对这一知识空白，本研究以全球统一轻型车测试循环（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycles, WLTC）为驱动工况，采用底盘测功机（Chassis Dynamometer），对同时符合“国六”排放标准的 PFI、GDI 和 MI 车辆的颗粒物排放特性进行了系统比较，旨在探索 MI 技术在降低颗粒物排放问题上的应用潜力。

研究流程与方法

实验设计与车辆信息

研究选取了五辆测试车辆，其中包括两辆GDI车辆、两辆PFI车辆以及一辆MI车辆。研究车辆信息包括： - 燃料类型：乙醇汽油（E10）。 - 排放标准：分别执行“国五”和“国六”标准。 - 发动机与燃油喷射技术：PFI车辆为自然吸气发动机，GDI车辆为涡轮增压发动机，MI车辆具备先进的双喷射系统（Dual Injection D-4S System）。 - “国六”车辆配置：增加了新的汽油颗粒捕集器（Gasoline Particulate Filter, GPF）。

测试工况与实验参数

所有车辆在全球统一轻型车测试循环（WLTC）中运行，该工况分为低速、中速、高速和超高速四个阶段，总测试时间为1800秒，总驾驶里程为23.3公里。分别采集颗粒物质量（PM）和颗粒数（PN）的排放因子（Emission Factor, EF）。此外，还测试了不同颗粒物粒径的分布（Particle Size Distribution, PSD），并分析GPF在驱动过程中对颗粒物过滤效果的影响。

测试设备

• 底盘测功机：用于模拟车辆的真实驾驶状态。
• 排气颗粒物分析仪（EEPS 3090）：实时检测直径5.6-560 nm的颗粒物浓度。
• 黑碳监测仪（Aethalometer AE-33）：精确测量黑碳（Black Carbon, BC）的瞬时质量浓度。

实验中还设置了颗粒物稀释系统（Dekati DEED），对汽车排气物进行精细化处理，确保实验数据的准确性。

实验结果详细分析

不同车辆的颗粒物排放因子

1. 在整个WLTC测试循环中，五辆汽车的颗粒数排放因子（PN EFs）依次为：

   • China 5 PFI 车辆：3.35 × 10¹³ #/km。
   • China 6 PFI 车辆：2.44 × 10¹³ #/km。
   • China 5 GDI 车辆：4.62 × 10¹² #/km。
   • China 6 GDI 车辆搭载GPF后，排放因子降至1.17 × 10¹² #/km。
   • MI 车辆：1.04 × 10¹³ #/km。

2. 国六GDI车辆的PM排放显著降低至67.64 µg/km，而MI车辆在129.53 µg/km左右，远低于PFI车辆（1248.48 µg/km）。

不同驾驶阶段的分布

在WLTC的四个阶段中，各车辆在低速至高速阶段的排放表现如下： - 在低速和中速阶段，PFI和MI车辆的颗粒物排放低于GDI车辆。 - 在超高速阶段，PFI车辆的颗粒数及颗粒质量因燃料混合增浓导致的燃烧不完全而显著上升。

颗粒物粒径分布分析

1. Nucleation-Mode Particles (NMPs)：粒径 < 25 nm，来源于挥发性有机物的冷凝。
   • 在所有车辆中，NMP占总颗粒数的40%以上。
   • MI车辆中，NMP数量高于GDI车辆，说明其双喷射协同优化作用有利于燃烧，但无法完全避免燃料浓区的形成。
2. Accumulation-Mode Particles (AMPs)：粒径 > 25 nm。
   • AMPs在质量浓度上占比超过90%，特别是PFI车辆在高负荷阶段的AMP排放显著增加。

特别是在MI车辆中，粒径分布呈现一种混合规律：粒径<15 nm时表现类似PFI车辆，而粒径>15 nm时更接近GDI车辆。

GPF的过滤效率

GPF对PM和PN的过滤效率分别为94.51%和74.62%。但车辆在超高速阶段因GPF再生问题出现二次颗粒物排放，尤其是粒径在7.5-9.3 nm的超细颗粒物。

研究结论

1. 颗粒物排放特性：MI技术得益于PFI和GDI的协同作用，在低速至高速阶段显著降低排放，但在超高速下因空气供应不足导致超细颗粒物的潜在污染问题。
2. GPF的效用：搭载GPF的GDI车辆在WLTC全工况中表现出极高的PM过滤能力，但其再生阶段的超细颗粒排放需要特别关注。
3. 耗能与环保兼顾：MI技术在污染控制和动力输出效率方面均表现突出，适用于未来城市交通的环保需求。

研究亮点与展望

本研究在以下方面具有创新性： 1. 方法创新：首次量化MI技术下不同粒径范围颗粒物的排放特性。 2. 数据翔实：结合粒径、类型和数量的全方位详细数据，揭示不同喷射技术在多种工作工况中的表现。 3. 实际应用潜力：提出MI技术可在未来取代引发严重颗粒污染的传统喷射技术。

尽管如此，本研究仍存在样本数量偏少等局限性，未来研究需扩大样本范围并进一步分析颗粒物成分及GPF再生过程。

总而言之，这项研究为了解先进燃油喷射技术的环境影响提供了重要的基础数据，并可为政策制定和技术改良提供实用参考。