輕型柴油車PM2.5排放特性研究

鐘祥麟李君李偉

（1.中國汽車技術(shù)研究中心；2.天津大學(xué)）

輕型柴油車PM2.5排放特性研究

鐘祥麟1,2李君1李偉1

（1.中國汽車技術(shù)研究中心；2.天津大學(xué)）

基于NEDC工況循環(huán)，利用MEXA-1000SPCS和ELPI對(duì)國Ⅲ～國Ⅴ輕型柴油車的PM2.5排放特性進(jìn)行研究，并研究DPF后處理系統(tǒng)前、后的顆粒物排放特性。結(jié)果表明：國Ⅳ輕型柴油車負(fù)荷工況對(duì)PM2.5排放的影響要大于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的影響；無論冷起動(dòng)還是熱起動(dòng)，市郊工況的PM2.5排放均大于市區(qū)工況，瞬時(shí)加速工況會(huì)造成PM2.5排放瞬時(shí)升高；采用DPF技術(shù)可以使國Ⅴ輕型柴油車的PM2.5排放遠(yuǎn)低于國Ⅳ輕型柴油車排放。

1 前言

從機(jī)動(dòng)車排放法規(guī)的發(fā)展趨勢可以看出，在嚴(yán)格控制顆粒物質(zhì)量（PM）排放的同時(shí)，也開始控制顆粒物數(shù)量（PN）的排放。我國機(jī)動(dòng)車排放法規(guī)遵循歐洲路線，與歐Ⅴ類似，從國Ⅴ開始，對(duì)PM排放大幅削減的同時(shí)，對(duì)輕型柴油車的PN排放也提出了要求，即PM為4.5 mg/km，PN為6×1011個(gè)/km[1]。因此，PN排放將是我國推行未來排放法規(guī)的一個(gè)關(guān)注重點(diǎn)。

本文根據(jù)國內(nèi)輕型柴油車的技術(shù)特點(diǎn)，選取從國Ⅲ～國Ⅴ3個(gè)排放階段的輕型柴油車作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行顆粒物排放分析，利用顆粒物數(shù)量測量設(shè)備對(duì)輕型柴油車PM2.5排放特性和粒度分布特性進(jìn)行研究，并針對(duì)裝備有DPF后處理系統(tǒng)的國Ⅴ輕型柴油車對(duì)PM2.5的影響進(jìn)行分析。

2 研究方法

所選輕型柴油車樣本均采用高壓共軌噴射技術(shù)，國Ⅳ階段的輕型柴油車采用DOC和EGR技術(shù)，滿足國Ⅴ要求的輕型柴油車均配有DPF后處理系統(tǒng)。試驗(yàn)在溫濕度可控的環(huán)境倉內(nèi)進(jìn)行，由底盤測功機(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)[2]，采用NEDC工況循環(huán)。

MEXA-1000SPCS是用于實(shí)時(shí)測量顆粒物數(shù)量排放的儀器，該設(shè)備符合PMP測試規(guī)程。MEXA-1000SPCS的顆粒物分割點(diǎn)為2.5 μm，其測量范圍為23 nm～2.5 μm[3]，因此其測量結(jié)果可以代表機(jī)動(dòng)車PM2.5排放特性。試驗(yàn)過程中，排放污染物經(jīng)定容取樣（CVS）系統(tǒng)稀釋后由MEXA-1000SPCS測得其PM2.5數(shù)量排放量。

靜電低壓撞擊器（ELPI）是針對(duì)顆粒物粒徑尺寸及分布進(jìn)行測量的專用儀器，可在不同運(yùn)行工況下實(shí)時(shí)測量汽車PM和PN的粒度分布特性。國內(nèi)、外相關(guān)研究已經(jīng)證明了ELPI在臺(tái)架和底盤測功機(jī)上的可行性[4,5]。ELPI的最低切割直徑可達(dá)7 nm，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。本文采用ELPI對(duì)DPF后處理系統(tǒng)前、后的顆粒物排放特性進(jìn)行研究對(duì)比。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 PM2.5排放分析

圖1為典型輕型柴油車樣本的PM2.5排放特征。

由圖1可知，無論是PM排放還是PN排放，國Ⅲ、國Ⅳ輕型柴油車遠(yuǎn)高于國Ⅴ輕型柴油車。因?yàn)镈PF技術(shù)可以有效降低PM2.5的排放，導(dǎo)致裝有DPF后處理系統(tǒng)的國Ⅴ輕型柴油車PM2.5排放數(shù)量比國Ⅳ柴油車低近3個(gè)數(shù)量級(jí)。國Ⅲ與國Ⅳ輕型柴油車PN排放相差不多，但國Ⅲ車輛的PM排放是國Ⅳ車輛最高排放的2倍。

3.2 冷、熱起動(dòng)PM2.5排放對(duì)比

選取一臺(tái)滿足國Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的2.8 L輕型柴油車（2.8 L-DOC+冷EGR）進(jìn)行冷、熱起動(dòng)試驗(yàn)對(duì)比。先進(jìn)行常規(guī)的Ⅰ型常溫冷起動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后先以80 km/h車速運(yùn)行600 s，停止車輛運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火30 s后開始熱起動(dòng)試驗(yàn)。圖2為該國Ⅳ輕型柴油車?yán)?、熱起?dòng)PM2.5瞬態(tài)排放對(duì)比。

表1為該輕型柴油車NEDC工況I階段各循環(huán)PM2.5排放占比。

圖3為該國Ⅳ輕型柴油車?yán)?、熱起?dòng)PM2.5分階段對(duì)比分析。

表1 冷起動(dòng)NEDC循環(huán)I階段4個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)PM2.5排放占比 %

綜合分析圖2、圖3和表1，針對(duì)國Ⅳ柴油機(jī)的PM2.5排放可知：

a.冷起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，I階段4個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)的PM2.5排放占比相近，第1個(gè)市區(qū)循環(huán)略低于熱起動(dòng)試驗(yàn)，在后續(xù)的3個(gè)市區(qū)循環(huán)逐漸趨于一致；熱起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，在4個(gè)市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)的每個(gè)階段PM2.5排放變化趨勢都很一致，沒有明顯差異，其PM2.5排放受發(fā)動(dòng)機(jī)水溫影響不大。

b.冷、熱起動(dòng)相比，在運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)I階段，熱起動(dòng)PM2.5排放要高于冷起動(dòng)12%；在II階段，冷起動(dòng)PM2.5排放高于熱起動(dòng)10%，綜合整個(gè)循環(huán)工況，PM2.5排放下降約3%。而且無論冷、熱起動(dòng)，II階段的PM2.5排放均高于I階段，因此相比于受溫度影響，國Ⅳ輕型柴油車的PM2.5排放受車輛負(fù)荷影響更為明顯。而負(fù)荷工況的影響大于溫度的影響，是因?yàn)檩p型柴油車的顆粒物排放與負(fù)荷直接相關(guān)，負(fù)荷越大，混合氣越濃，PM2.5生成越多。

c.冷起動(dòng)第1個(gè)循環(huán)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度處于逐漸達(dá)到最高值的升溫階段，但其PM2.5排放低于熱起動(dòng)，因此熱起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的溫度條件更有利于顆粒物的生成，并且其影響大于其它因素。II階段冷起動(dòng)時(shí)的PN排放要略高于熱起動(dòng)試驗(yàn)。

d.無論是冷起動(dòng)還是熱起動(dòng)工況，在運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)每一加速階段，PM2.5排放數(shù)量均有瞬時(shí)升高現(xiàn)象，在每一減速階段，PM2.5排放數(shù)量均有瞬時(shí)降低現(xiàn)象，說明瞬態(tài)加速工況也是造成國Ⅳ輕型柴油車PM2.5排放升高的典型工況。

3.3 DPF對(duì)PM2.5的影響分析

國Ⅴ輕型柴油車由于DPF的過濾作用，其顆粒物的排放較低，而且顆粒物排放隨NEDC工況變化的趨勢不明顯，只在冷起動(dòng)循環(huán)初期和大負(fù)荷階段有一定升高。為了更清楚地了解DPF對(duì)顆粒物的影響，選取一輛配有

DPF的2.0 L共軌增壓柴油機(jī)，基于NEDC工況循環(huán)，用ELPI對(duì)DPF前、后的顆粒物排放進(jìn)行研究。由于柴油機(jī)的顆粒物受冷、熱起動(dòng)的影響不大，因此僅對(duì)冷機(jī)起動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)分析，圖4為DPF前、后的顆粒物粒徑分布對(duì)比。

從圖4a中可以看出，DPF前的顆粒物峰值粒徑有兩個(gè)區(qū)間：一個(gè)是粒徑在30 nm的核模態(tài)顆粒峰值，一個(gè)是在0.1 μm的積聚態(tài)顆粒峰值。因此，DPF柴油機(jī)的原始PN排放中，PM2.5占絕大部分，粒徑大于PM2.5的顆粒數(shù)量極少。經(jīng)過DPF后，PN分布趨勢與DPF前基本相同，但數(shù)量濃度大幅降低。從圖4b可以看出，在DPF前的原始排放中，大于PM2.5的粗顆粒對(duì)其質(zhì)量排放貢獻(xiàn)很大，經(jīng)過DPF后，質(zhì)量濃度大幅降低，即使是粒徑大于PM2.5的粗顆粒的質(zhì)量濃度也很低。因此，無論是數(shù)量分布還是質(zhì)量分布，DPF對(duì)所有粒徑范圍內(nèi)的顆粒物都有明顯的減排效果。

圖5是DPF前、后顆粒物的數(shù)量瞬態(tài)排放對(duì)比?？梢钥闯?，DPF后的PN排放比DPF前大幅降低，并且隨NEDC循環(huán)工況的變化趨勢已不再明顯，僅在冷起動(dòng)初期和大負(fù)荷階段略有升高。

4 結(jié)束語

a.無論是PM排放還是PN排放，國Ⅲ、國Ⅳ輕型柴油車遠(yuǎn)高于裝有DPF后處理系統(tǒng)的國Ⅴ輕型柴油車，其PM2.5排放數(shù)量比國Ⅴ輕型柴油車高約3個(gè)數(shù)量級(jí)。DPF技術(shù)可以有效降低國Ⅴ輕型柴油車的PM2.5排放，以滿足國Ⅴ法規(guī)要求。國Ⅲ輕型柴油車與國Ⅳ輕型柴油車PN排放相差不多，但國Ⅲ車輛的PM排放是國Ⅳ車輛最高排放的2倍。

b.裝有DPF后處理系統(tǒng)的輕型柴油車PM2.5排放總體很低，PM2.5的瞬時(shí)排放與工況變化已經(jīng)不再明顯相關(guān)，冷機(jī)起動(dòng)階段和高速大負(fù)荷階段略有升高趨勢。

c.國Ⅳ輕型柴油車在NEDC循環(huán)工況下，冷、熱起動(dòng)的PM2.5排放差異變化不大，但無論冷起動(dòng)還是熱起動(dòng)，II階段的PM2.5排放均大于I階段，因此國Ⅳ輕型柴油車負(fù)荷工況對(duì)PM2.5排放的影響要大于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的影響。

d.無論冷起動(dòng)還是熱起動(dòng)，瞬時(shí)加速工況均會(huì)造成PM2.5排放瞬時(shí)升高。

1 REGULATIONS COMMISSION REGULATION(EC).Imple?menting and amending Regulation(EC)No 715/2007 of the European Parliament and of the Council on type-approval of motor vehicles with respect to emissions from light pas?senger and commercial vehicles(Euro 5 and Euro 6）and on access to vehicle repair and maintenance information.Offi?cial Journal of the European Union,2008:130.

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

3 Automotive Test Systems HORIBA,Ltd.Mexa-1000spcs In?struction Manul，solid particle counting system.HORIBA, Ltd,2009:194.

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

5 Chase Richard E,MattiMaricqM,Podsiadlik Diane H,et al.TimeResolved Measurements of Exhaust PM for FTP75: Comparison of L II,ELPI,and TEOM Techniques.SAE Pa?per2004-01-0964.

（責(zé)任編輯 晨 曦）

修改稿收到日期為2015年7月1日。

Research on the PM2.5 Emission Characteristics of Light Diesel Vehicle

Zhong Xianglin1,2,Li Jun1,Li Wei1
（1.China Automotive Technology and Research Center;2.Tianjin University）

PM2.5 emission characteristics of China III-,China IV-and China V light diesel vehicles is studied with MEXA-1000SPCS and ELPI based on NEDC cycle,and particulate emission characteristics of the vehicle before and after DPF post-treatment system is equipped is investigated.The results show that the influence of load condition of China IV light diesel vehicle on PM2.5 emission is greater than that of engine temperature;PM2.5 emission in suburban area exceeds that in urban area both in cold start and warm start,transient acceleration will increase PM2.5 emission instantaneously; with DPF technology,PM2.5 emission of China V light diesel vehicle is far less than that of China IV light diesel vehicle.

Light Diesel Vehicles，PM2.5，Emission Characteristic，DPF

輕型柴油車 PM2.5 排放特性 DPF

U464

A

1000-3703（2015）12-0052-03