低温危机：环境温度对汽油车颗粒物数量排放的放大效应与调控机制解析

本研究针对汽油车颗粒物数量（PN）排放被严重低估的“低温惩罚”效应，通过底盘测功机系统测试（60次排放试验，温度范围-7°C至40°C）结合机理分析，揭示汽油直喷（GDI）技术虽提升燃油经济性，却显著加剧PN排放，尤其在冷启动模式下无汽油颗粒捕集器（GPF）的GDI车辆PN排放可达23°C热启动的10倍。研究证实GPF安装可大幅降低PN排放，其效果甚至超越混合动力车（HEV）的电机辅助减排效应。研究首次提出等效里程比（EMR）与温度间的指数关系，发现即便在20°C条件下，无GPF的GDI车辆EMR仍高达50，意味着1公里冷启动排放相当于50公里热稳定运行，为极端气候下燃烧优化与后处理设计提供关键科学依据。

　　

随着汽车保有量的快速增长，汽油车已成为高密度城市环境中颗粒物排放的主要来源之一。尤其值得关注的是，汽油直喷（GDI）发动机技术因其优越的燃油经济性和动力输出性能，正逐步取代传统的进气道喷射（PFI）系统，然而这种技术转变却带来了不容忽视的颗粒物排放风险——GDI发动机产生的颗粒物数量（PN）显著高于PFI发动机，特别是在低温环境下，这一问题愈发凸显。

当前关于颗粒物排放特征的研究多集中于标准温度条件下的排放行为，然而车辆在实际运行过程中经历的环境温度范围远超出实验室的恒温条件。随着全球气候变化导致极端温度事件日益频繁，研究温度对车辆颗粒物排放的影响，对于更准确评估实际驾驶条件下的排放水平、预测未来车辆颗粒物排放趋势及其对空气质量的潜在影响具有紧迫意义。尽管中国第六阶段和欧洲第六阶段轻型车排放标准已引入颗粒物数量（PN）排放限值，但目前针对不同环境温度下PN排放特征的研究仍较为有限，特别是在经常低于0°C的寒冷地区（如中国北方、北欧国家）以及温度频繁超过30°C的炎热地区，其颗粒物排放特征仍知之甚少。

在此背景下，来自中国环境科学研究院国家环境保护机动车污染控制与模拟重点实验室的研究团队开展了一项系统研究，通过底盘测功机测试结合机理分析，揭示了环境温度对轻型汽油车PN排放的定量影响规律，相关成果发表于《Environment International》。

研究人员为开展本项研究，主要采用了以下几项关键技术方法：首先，选取了六辆符合中国第六阶段排放标准的轻型车作为测试车队，涵盖GDI和PFI两种发动机技术、有无GPF两种后处理配置以及内燃机汽车（ICEV）和混合动力汽车（HEV）两种动力总成类型；其次，所有排放测试均在可精确控制温湿度的环境模拟舱中进行，测试温度范围覆盖-7°C至40°C五个特征温度点，累计完成60次测试运行；第三，采用全球统一轻型车测试循环（WLTC）作为测试规程，使用恒定体积采样系统（CVS）对稀释排气进行采样，并通过冷凝颗粒计数器（CPC）对直径大于23纳米的固体颗粒进行量化分析。

研究结果丰富而深刻，主要发现体现在以下几个方面：

发动机技术进步助推PN排放

研究发现，在冷启动模式下，GDI和PFI发动机的ICEV以及PFI动力的HEV之间存在显著的PN排放差异。GDI发动机的ICEV表现出远高于PFI发动机的PN排放，特别是在超低温条件（-7°C）下，无GPF系统的GDI车辆PN排放因子达到3.07×10¹² #/km，比带GPF的PFI车辆高出十倍以上。当环境温度升至40°C时，无GPF的GDI车辆在冷启动模式下的PN排放急剧下降至4.09×10¹¹ #/km，较-7°C降低了90.7%。配备GPF的车辆表现出较弱的温度依赖性，其中带GPF的PFI车辆在40°C热启动模式下仅排放7.07×10¹⁰ #/km，约为中国第六阶段轻型车排放限值（6×10¹¹ #/km）的9%，表现出优异的低排放性能。

出乎意料的是，研究发现PFI动力的HEV在冷启动模式下产生了比同技术ICEV更高的PN排放，这可能是由于频繁的发动机启停事件（特别是在低速和怠速过渡期间）导致局部浓混合气燃烧和颗粒物形成增加。更重要的是，与ICEV不同，这些HEV没有配备GPF。虽然HEV中的电机运行可能带来一些减排效益，但GPF后处理系统对PN排放控制的积极影响似乎远大于动力总成类型本身的影响。

驾驶条件显著影响PN排放

研究定量考察了驾驶条件和环境温度对PN排放的协同效应。对于ICEV，无论是GDI还是PFI发动机技术，都表现出相似的PN排放特征：冷启动模式产生明显的PN排放峰值，无GPF的GDI车辆在初始阶段达到3.4×10¹² #/s；而热启动模式在启动阶段没有引起显著的PN排放峰值，但在超高速阶段表现出较高的PN排放。

HEV表现出与ICEV根本不同的PN排放模式：虽然在冷启动模式下显示出类似的PN排放峰值，但HEV在整个中速、高速和超高速阶段保持较高的PN排放率，且排放更为明显。这种行模式源于其混合运行策略，即电机在低速时主导，随着速度增加逐渐转向发动机主导。

为了进一步研究不同速度范围内的PN排放特征，研究人员绘制了测试车辆在不同速度区间PN排放因子的热图。研究发现，在冷启动模式下，无论GPF安装状态如何，配备GDI和PFI发动机的ICEV在20-50 km/h速度区间都表现出较高的PN排放，而配备PFI的ICEV在120-130 km/h处还显示出额外的高排放。热启动模式则表现出双峰排放模式， distinct的峰值出现在20-50 km/h和110-130 km/h速度范围内。

从温度角度来看，无GPF的GDI车辆在极端冷热条件下表现出更明显的高速排放。具体来说，在-7°C时120-130 km/h速度区间和40°C时110-120 km/h速度区间观察到最大排放因子。此外，峰值PN排放主要出现在20-60 km/h速度区间，对环境温度的依赖性较弱。

对于无GPF的PFI动力HEV，与峰值PN排放相关的速度范围从ICEV典型的低速阶段转移到约40-70 km/h的中速范围。这种转变主要发生在HEV主要使用电力推进的低速阶段，而内燃机通常在此中速窗口内激活以提供额外动力。在此操作转换期间燃烧条件的突然变化可能引发PN排放的瞬态峰值。

驾驶条件显著影响PN排放

修正燃烧效率（MCE）作为发动机燃烧过程中的关键参数，对车辆的PN排放具有显著的调节作用。研究发现，不同速度阶段的MCE存在显著差异：在低速阶段，燃烧效率达到最低值约0.98（以-7°C为例），这主要是由于启动阶段发动机和后处理系统运行温度不足导致的不完全燃烧；随着速度增加到中等范围，MCE提高到0.998左右，燃烧条件得到改善；然而在高速和超高速阶段，MCE并没有随着速度的增加而进一步提高，保持与中速阶段相当或略高的水平，这可能是由于浓混合气燃烧条件限制了效率提升。

研究还揭示了MCE的强烈温度依赖性：在中等和较高环境温度（23°C、35°C和40°C）下，MCE值保持相对一致，而当温度从23°C降至14°C和-7°C时，MCE的降低明显大于较温暖条件。

更重要的是，研究发现PN排放与MCE之间存在非单调关系，0.99作为一个关键阈值。当MCE超过0.95时，颗粒物形成随着MCE的进一步提高而逐渐减少。这一发现挑战了传统观点，即更高的MCE通常与更完全的燃烧相关，从而减少颗粒物形成。从发动机燃烧机理的角度来看，这一发现对于精确的颗粒物排放控制具有 pivotal意义，为排放管理提供了双重优化策略的新战略方法。

建立等效里程比的温度依赖关系

研究观察到冷启动阶段的污染物排放显著高于热稳定运行，这主要归因于冷启动时燃烧室条件恶劣和后处理系统不活跃。与热稳定运行保持燃烧室和后处理系统的热平衡、实现最佳燃烧效率和催化活性相比，冷启动时发动机和催化转化器低于其工作温度，不完全燃烧占主导地位，导致气态和颗粒污染物排放升高。

研究提出了冷启动与热稳定PN排放的等效里程比（EMR），精确量化了冷启动阶段每单位行驶距离相对于热稳定运行的PN排放倍数。从EMR角度来看，无GPF系统的GDI车辆表现出比无GPF的ICEV和HEV显著更高的EMR值。这表明GDI发动机不仅产生比PFI发动机更高的绝对排放，而且在冷启动相对于热稳定运行方面表现出更明显的PN排放倍增效应。

量化来看，在23°C环境温度下，配备PFI和GDI的带GPF的ICEV的EMR值低于10，而无GPF的GDI车辆表现出显著更高的EMR水平，达到30。关于温度效应，低温显著提高了所有测试车辆的EMR值。在-7°C时，无GPF的GDI车辆、带GPF的GDI车辆、带GPF的PFI车辆和无GPF的PFI动力HEV的EMR值分别是它们在23°C时值的4.1、14.7、3.0和4.2倍，凸显了低温条件下冷启动排放风险的升高。

值得注意的是，无GPF的GDI车辆在14°C（87.3）和40°C（60.2）都表现出意外高的EMR值。虽然低于极端寒冷条件（-7°C，124.5），但这些值大大超过了中等温度下的值（23°C时为30.1，35°C时为23.9），表明高温和低温极端条件都可能引发不成比例的严重冷启动排放，值得在排放控制策略中关注。

为了进一步研究EMR的温度依赖性，研究人员建立了参数化的"温度-EMR"关系，表明EMR值随着温度降低呈指数增长。具体来说，无GPF的GDI车辆表现出最高的基线EMR（温度接近0°C时约为100.6），表明在0°C附近1公里冷启动运行排放的PN相当于约100公里热稳定运行，揭示了最严重的冷启动恶化效应，这主要归因于低温条件下不均匀混合气形成。相比之下，HEV通过电机辅助冷启动运行显示出最低的基线EMR值，证明了混合动力技术的减排优势。

EMR变化的温度敏感性分析表明，带GPF的PFI车辆和带GPF的GDI车辆表现出最高的温度依赖性，随着温度升高EMR下降最快，而带GPF的PFI车辆表现出最低的敏感性。具体来说，无GPF的GDI车辆、带GPF的GDI车辆和无GPF的PFI动力HEV的特征转变温度分别为24.2°C、9.2°C和13.5°C，表明低于这些温度阈值时，EMR值处于快速衰减区，随着温度升高而急剧下降，而高于这些点时则进入稳定区。带GPF的PFI车辆在典型环境温度下保持在EMR快速衰减区，EMR比保持强烈的温度敏感性，直到达到72.6°C的特征阈值。

关于车辆PN排放控制，无GPF的GDI车辆在15°C环境温度下EMR值为65，呈现 substantial监管 concerns，甚至在20°C时仍高于50，表明在温带和寒冷地区的春季、秋季或冬季持续存在高排放风险。相比之下，带GPF的PFI车辆在15°C时表现出适中的EMR水平约10，在20°C时降至8左右。值得注意的是，无GPF的PFI动力HEV表现出优异的气候适应性，在14°C时EMR接近仅1，反映了它们在季节变化中有效的冷启动排放迁移能力。

综上所述，本研究聚焦环境温度作为影响PN排放的关键因素，通过轻型车底盘测功机测试60次试验运行，系统研究了不同发动机技术、后处理系统和动力总成类型的影响。在寒冷环境温度（-7°C）下观察到异常高的PN排放，特别是在冷启动模式下，无GPF的GDI车辆排放的PN水平比室温（23°C）热启动模式高出10倍。GPF的安装显著降低了PN排放，最显著的减少发生在极低环境温度（-7°C）下。然而新兴的GDI技术表现出不利的PN排放特性，在所有测试环境温度下，无论冷启动还是热启动模式，无GPF时的排放都高于PFI发动机。ICEV冷启动模式的PN排放主要集中在初始启动阶段和低速阶段（约20-50 km/h），而热启动模式在超高速阶段显示出显著的PN排放。对于HEV，与峰值PN排放对应的速度区间从低速运行转移到中速运行（40-70 km/h），这主要得益于低速阶段使用电机的有益影响。与带GPF的PFI车辆相比，无GPF的PFI动力HEV显示出显著更高的PN排放，表明GPF后处理系统在减少PN排放方面比电机辅助单独提供的好处起着更关键的作用。

此外，研究从燃烧效率的角度分析了PN排放，发现寒冷环境温度下的低燃烧效率导致PN排放升高，特别是在低速阶段。确定了PN排放与MCE之间的非单调关系，0.99作为关键阈值，为燃烧效率优化提供了重要的科学见解。研究还建立了冷启动与热稳定PN排放的等效里程比与环境温度之间的指数关系。无GPF的GDI车辆成为最值得关注的类别，在冷启动模式下表现出惊人的高EMR值，15°C时为65，20°C时为50，表明1公里冷启动驾驶排放的PN相当于50公里热稳定运行。

这些发现共同表明，无GPF的GDI车辆应在未来的排放控制策略中优先考虑，需要特别关注极低环境温度下的冷启动运行。本研究为颗粒物排放监管提供了关键科学证据，对制定极端环境条件下的排放控制政策、优化发动机燃烧控制策略以及设计高效后处理系统具有重要指导意义。