鐘祥麟，李君，李昂

（1.中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100176；2.天津大學(xué)，天津 300072）

三元催化器對(duì)GDI車輛PM2.5排放的影響

鐘祥麟1,2，李君1，李昂1

（1.中國汽車技術(shù)研究中心，北京 100176；2.天津大學(xué)，天津 300072）

本文利用ELPI對(duì)滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的GDI汽油車進(jìn)行顆粒物排放測(cè)試，對(duì)比了三元催化器前后顆粒物排放的粒度分布特性和瞬態(tài)排放特性。研究結(jié)果表明：不論冷熱啟動(dòng)狀態(tài)，GDI汽油機(jī)顆粒物排放在催化器后均有一定下降，且在催化器前后的粒度分布基本保持一致；在催化器前后GDI汽油機(jī)PM2.5排放，均為數(shù)量濃度占比大，質(zhì)量占比小，采用傳統(tǒng)的顆粒物稱重的方法已不足以來衡量GDI汽油車PM2.5的排放特征。

三元催化器；GDI汽油車；顆粒物排放；PM2.5

鐘祥麟

畢業(yè)于吉林大學(xué)，研究生學(xué)歷，工作單位：中國汽車技術(shù)研究中心，研究方向：機(jī)動(dòng)車顆粒物排放。

1 前言

大氣環(huán)境PM2.5排放是目前廣受社會(huì)公眾關(guān)注的一個(gè)問題，相關(guān)的研究報(bào)告表明機(jī)動(dòng)車PM2.5排放是大氣PM2.5排放的一個(gè)主要排放源，而且相對(duì)于PM10排放比重更高，對(duì)人體健康危害更大。我國當(dāng)前的排放法規(guī)對(duì)顆粒物排放的限制是以質(zhì)量為衡量標(biāo)準(zhǔn)，從國際趨勢(shì)看，歐5標(biāo)準(zhǔn)在質(zhì)量和數(shù)量?jī)蓚€(gè)方面都加以限制，可以預(yù)見顆粒物的數(shù)量排放，也將是我國推行未來排放法規(guī)的一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)?；谖覈擞密嚨陌l(fā)展特點(diǎn)，雖然沒有大力發(fā)展柴油車，但是采用GDI技術(shù)的汽油車型在市場(chǎng)上占有率越來越高，而GDI技術(shù)的大范圍應(yīng)用，相對(duì)于傳統(tǒng)的MPI汽油機(jī)，其帶來的顆粒物排放問題將不可忽視。

目前GDI汽油車所配裝的后處理系統(tǒng)為三元催化器，對(duì)常規(guī)排放物CO、THC和NOx起催化凈化效果，但其對(duì)顆粒物的排放是否有影響作用，本文將基于整車測(cè)試，選用法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的NEDC工況循環(huán)，利用ELPI對(duì)GDI車輛三元催化器前、后的顆粒物排放采樣分析，研究發(fā)動(dòng)機(jī)原始顆粒物排放和經(jīng)過三元催化器后顆粒物的質(zhì)量排放和數(shù)量排放變化。

2 試驗(yàn)方案

研究選取國內(nèi)兩款典型排量的GDI試驗(yàn)車輛，車輛A為1.6L排量，車輛B為2.0L排量。試驗(yàn)在溫濕度可控的環(huán)境倉內(nèi)進(jìn)行，由底盤測(cè)功機(jī)提供道路模擬阻力，所選車輛按GB 18352.3-2005中規(guī)定的I型試驗(yàn)方法開展試驗(yàn)，采用NEDC工況循環(huán)[1]。熱啟動(dòng)試驗(yàn)為了保證試驗(yàn)初始狀態(tài)的一致性，車輛均以80 km/h的速度運(yùn)行10 min后停車，重新點(diǎn)火采用NEDC工況循環(huán)開始熱啟動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，對(duì)催化器前、后的顆粒物排放測(cè)量則由目前使用比較廣泛的靜電低壓撞擊器ELPI(electrical lowpressure impactor)直采測(cè)量。ELPI是對(duì)顆粒物粒徑尺寸及分布進(jìn)行測(cè)量的專用儀器, 可在不同運(yùn)行工況下實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)排放顆粒物的質(zhì)量和數(shù)量分布特性。國內(nèi)外相關(guān)研究已經(jīng)證明ELPI在臺(tái)架和底盤測(cè)功機(jī)上的可行性[2,3]。ELPI的最低切割直徑可達(dá)7 nm左右，最高可達(dá)10 μm。與傳統(tǒng)的碰撞式采樣器不同，顆粒物在進(jìn)入ELPI切割器之前通過電暈放電荷電，在每一級(jí)切割器測(cè)量由帶電顆粒產(chǎn)生的電流，在已知荷電效率的情況下，可推算每一級(jí)顆粒物的粒數(shù)濃度。

試驗(yàn)對(duì)車輛A、B催化器前、后的顆粒物瞬態(tài)排放特性進(jìn)行采樣分析，并對(duì)車輛A催化器前的顆粒物原始排放進(jìn)行冷、熱起動(dòng)排放對(duì)比試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖1為車輛A、B催化器前后的顆粒數(shù)量-粒徑分布特性，可以看到顆粒物經(jīng)過三效催化器，數(shù)量濃度有一定的降低，催化器前后的顆粒物數(shù)量—粒徑分布保持一致，沒有改變，GDI汽油機(jī)的顆粒物數(shù)量峰值粒徑接近于0.1 μm，屬于積聚態(tài)顆粒物，因此GDI汽油機(jī)所排放的顆粒物數(shù)量中，PM2.5占絕大部分，粒徑大于PM2.5的顆粒數(shù)量相對(duì)較少。

圖2 為顆粒質(zhì)量-粒徑分布特性，可以得出，顆粒物經(jīng)過三元催化器，質(zhì)量濃度有一定的降低，催化器前后的顆粒物質(zhì)量-粒徑分布保持一致，沒有改變，當(dāng)GDI汽油機(jī)顆粒物排放的質(zhì)量達(dá)到峰值時(shí)，其顆粒粒徑為大于PM2.5的顆粒物。

綜合分析顆粒物的數(shù)量和質(zhì)量粒徑分布，圖3為車輛A、B催化器前的顆粒物原始排放粒度分布情況，通過分析，可以看出GDI汽油機(jī)的PM2.5排放，數(shù)量濃度占據(jù)主要位置，但PM2.5的質(zhì)量排放在其顆粒物總體質(zhì)量排放中，卻占比很低。因此，采用傳統(tǒng)的顆粒物稱重的方法來衡量PM2.5排放大小，已經(jīng)不能足以說明其PM2.5的排放特征。態(tài)排放對(duì)比，結(jié)合圖2所示車輛A的質(zhì)量-粒度排放特性，可以看出GDI車輛在熱啟動(dòng)情況下，可以大幅降低機(jī)動(dòng)車顆粒物的原始數(shù)量排放，從圖4中更是可以清晰的看到，在NEDC循環(huán)全程，熱起動(dòng)的顆粒物原始排放均明顯低于冷起動(dòng)，而且在冷起動(dòng)的循環(huán)初期和高速大負(fù)荷階段，熱起動(dòng)時(shí)的顆粒物原始排放值更是大幅降低。

從圖5中可以看到，催化器前后的顆粒物排放變化基本一致，在NEDC循環(huán)全程，催化器后的顆粒物排放均明顯低于催化器前。

4 結(jié)論

1) 不論冷熱啟動(dòng)狀態(tài)，GDI汽油機(jī)PM2.5排放在催化器后均有一定下降，且在催化器前后的數(shù)量-粒徑分布基本保持一致。

2) 在催化器前后GDI汽油機(jī)的PM2.5排放，均為數(shù)量濃度占比大，質(zhì)量占比小，采用傳統(tǒng)的顆粒物稱重的方法已不足以來衡量PM2.5的排放特征。

[1] 國家環(huán)境保總局. GB18352.3-2005輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國Ⅲ、Ⅳ階段）. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2005.7:34-39.

[2]Coen Van GuL ijk, Jan C M Marijnissen, MichielMakkee, et al. The Choice of Instrument ( ELPI and /orSMPS) forDiesel Soot ParticulateMeasurement [ C ]. SAE Paper 2003 - 01 - 0784.

[3] Chase Richard E, MattiMaricqM, Podsiadlik Diane H, et al. TimeResolved Measurements of Exhaust PM forFTP75: Comparison of L II, ELPI, and TEOM Techniques[C ]. SAE Paper2004 - 01 - 0964.

專家推薦

羅馬吉：

目前國內(nèi)對(duì)滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的GDI汽油車的顆粒物排放研究較少，論文對(duì)認(rèn)識(shí)國ⅤGDI汽油車的PM排放及三元催化器對(duì)PM排放的作用有很大幫助。

Effect of Three-way Catalytic Converter on the PM2.5 Emission of GDI Vehicle

ZHONG Xiang-lin1,2, LI Jun1, LI Ang1
( 1.China Automotive Technology and Research Center, Beijing 100176, China; 2.Tianjin University, Tianjin 300072, China )

This article makes use of the ELPI device to test the particulate emissions of the GDI gasoline vehicles which meet the China V emission standards., The particulate matter size distribution characteristics and the transient emission characteristics before and after the three-way catalytic converter are compared. The research results show that: regardless of hot and cold start state, GDI gasoline engine particulate matter emission in the catalytic converter has decreased, and the particle size distribution in catalytic converters before and after the basic consistency; in the catalytic converter before and after GDI gasoline engine PM2.5 emissions are accounted for, the number concentration than the big, quality accounted for a small, using the method of particle emission characteristics the traditional weighing has been insufficient to measure the GDI gasoline vehicle PM2.5.

TWC; GDI gasoline vehicle; particulate emission; PM2.5

U467.4+8

A

1005-2550（2016）01-0022-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2016.01.004

2015-04-01