國Ⅴ柴油機不同測試循環(huán)下的顆粒物數(shù)目排放的初步研究

葛 旸, 倪 虹, 王鳳濱, 陸紅雨,高俊華

(1.天津職業(yè)技術師范大學，天津 300222； 2.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012； 3.中國汽車技術研究中心，天津 300300)

2016066

國Ⅴ柴油機不同測試循環(huán)下的顆粒物數(shù)目排放的初步研究

葛 旸1, 倪 虹2, 王鳳濱3, 陸紅雨3,高俊華3

(1.天津職業(yè)技術師范大學，天津 300222； 2.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012； 3.中國汽車技術研究中心，天津 300300)

分別依據(jù)GB17691—2005和ECER49.06對一滿足國Ⅴ排放水平的SCR發(fā)動機進行國Ⅴ和歐Ⅵ排放測試，在常規(guī)排放的基礎上，著重分析顆粒物數(shù)目PN排放的趨勢。結果表明，穩(wěn)態(tài)循環(huán)下，發(fā)動機在急加速特別是高轉速工況下，PN的排放迅速增大；瞬態(tài)循環(huán)下，城市工況運行時的轉速變化劇烈，特別是發(fā)動機負荷突變時，PN的排放惡化；在大多數(shù)工況下，WHSC的PN排放低于ESC，特別是最后幾個工況，WHSC的PN只為ESC的1/200左右；與ETC相比，WHTC更側重于城市循環(huán)下的低轉速中小負荷下排放的考察，WHTC的PN比排放比ETC低28.31%，而其PM比排放比ETC高36.95%。

歐Ⅵ；顆粒物數(shù)目排放；測試循環(huán)；排放

前言

國內(nèi)有關部門正在推進重型車第Ⅵ階段法規(guī)的實施，這對我國重型柴油發(fā)動機制造商提出了新的要求，鑒于我國重型車輛的法規(guī)體系和歐洲法規(guī)體系相近，預計中國重型車第Ⅵ階段排放法規(guī)仍會基于歐洲標準建立，有必要研究歐Ⅵ法規(guī)的測試方法。

鑒于國內(nèi)燃油品質(zhì)差異等因素，國Ⅴ排放水平的大功率重型發(fā)動機采用選擇性催化還原(SCR)作為主流技術路線。重型發(fā)動機的第Ⅵ階段排放測試，除測試循環(huán)不同外，污染物測試新增了顆粒物數(shù)目(particulate number，PN)的測試。目前國內(nèi)對于PN的測試還沒有形成完善的檢測能力，探討PN的排放趨勢對企業(yè)提供原始的數(shù)據(jù)積累和日后的技術升級提供理論依據(jù)。

現(xiàn)行的顆粒物測試和評價技術是基于質(zhì)量法來評價汽車及發(fā)動機的顆粒物排放水平[1]。研究數(shù)據(jù)表明，國Ⅴ水平發(fā)動機的顆粒物排放的顆粒質(zhì)量(particulate mass，PM)盡管很低，但實際上細顆粒物的數(shù)目很大。例如，對于粒徑小于100nm的顆粒物質(zhì)量只占整個顆粒物質(zhì)量的5%～10%，但其數(shù)目比例達到了60%～90%。細顆粒粒徑小，面積大，活性強，易附帶有毒物質(zhì)對人類健康可造成更大危害[2]。

本文中選擇一臺帶SCR后處理的發(fā)動機在國Ⅴ排放試驗的基礎上，采用歐Ⅵ排放測試循環(huán)WHSC(world harmonised steady state cycle)、WHTC(world harmonised transient cycle)進行測試，探討國Ⅴ發(fā)動機的PN排放水平。

1 測試系統(tǒng)及測試循環(huán)介紹

1.1 測試設備

試驗設備均為奧地利AVL公司產(chǎn)品，具體設備型號見表1，系統(tǒng)的布置圖如圖1所示。

表1 試驗裝置

圖1 測試系統(tǒng)組成圖

1.2 試驗發(fā)動機

試驗機為帶SCR系統(tǒng)的國Ⅴ排放水平的柴油發(fā)動機。主要參數(shù)如表2所示。

表2 試驗發(fā)動機參數(shù)

1.3 試驗燃油

試驗燃油為北京市售國Ⅴ基準燃油，基本特性參數(shù)如表3所示。

表3 燃料基本特性參數(shù)

1.4 歐Ⅵ排放測試循環(huán)介紹

歐Ⅵ主要排放測試循環(huán)包括穩(wěn)態(tài)循環(huán)WHSC和冷、熱態(tài)的瞬態(tài)循環(huán)WHTC[3]。

穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán)WHSC包含了若干轉速和轉矩規(guī)范值的工況，試驗時根據(jù)每臺發(fā)動機的瞬態(tài)性能曲線將轉速和轉矩百分比(指占額定轉速和額定轉矩的百分比)轉化成實際值。發(fā)動機按每工況規(guī)定的時間運行，在(20±1)s內(nèi)以線性速度完成發(fā)動機轉速和轉矩的轉換。

瞬態(tài)試驗循環(huán)WHTC包括一組1 800s逐秒變化的轉速和轉矩的規(guī)范百分比轉換成實際值后形成基準循環(huán)。WHTC在排放測試時使用了熱、冷起動兩種試驗循環(huán)，兩者之間有10min的浸機時間，冷起動試驗循環(huán)結果占14%權重，熱起動試驗結果占86%權重。

2 排放試驗結果分析

2.1 國Ⅴ和歐Ⅵ常規(guī)排放試驗結果對比

依據(jù)GB 17691—2005[4]，對該發(fā)動機進行了國Ⅴ ESC和ETC循環(huán)的排放測試，主要污染物的測試結果如表4所示。

由表4可知，ESC和ETC的排放完全滿足國Ⅴ排放法規(guī)要求。表4中同時列出依據(jù)ECE R49.06[3]進行的WHSC和WHTC循環(huán)的測試結果。可以看出，NOx，PM和PN均超出了歐Ⅵ限值，歐Ⅵ循環(huán)的PN排放分別是限值的21倍和39倍?？梢姡欧欧ㄒ?guī)升級到第Ⅵ階段時，未來發(fā)動機須采取加裝DPF和提高SCR的轉化效率等方法改進后處理的措施以降低PM，PN和NOx；同時還須對發(fā)動機系統(tǒng)本身進行重新開發(fā)標定等工作。

表4 常規(guī)排放測試結果

2.2 國Ⅴ和歐Ⅵ測試循環(huán)下的PN排放分析

2.2.1 WHSC

圖2為WHSC的顆粒物數(shù)目PN排放圖。由圖可知，在發(fā)動機轉速和轉矩突然增大的過程中，PN出現(xiàn)峰值，例如從怠速到第2個工況過渡時PN濃度為8×108#/cm3，而從第9個工況過渡到第10個工況時峰值達到了1.5×109#/cm3。

圖2 WHSC的工況和PN排放

當發(fā)動機轉速越高、負荷越大時，PN的值越大，對于穩(wěn)態(tài)循環(huán)，當發(fā)動機在急加速的過程中，PN排放急劇惡化。由于急加速時，特別是高轉速急加速過程中，混合氣不均勻?qū)е逻^量空氣系數(shù)下降，燃燒不完全生成的PN排放增大[5]。

WHSC循環(huán)PN的平均濃度為1.34×108#/cm3，總數(shù)為6.28×1014#，比排放為1.67×1013#/(kW·h)，實際循環(huán)功為37.57kW·h。

2.2.2 WHTC

圖3 冷態(tài)WHTC的工況和PN排放

圖4 熱態(tài)WHTC的工況和PN排放

圖3和圖4分別為冷態(tài)和熱態(tài)WHTC循環(huán)下的PN排放，整體上看，PN排放在工況突變時較大，低負荷下PN排放較低。冷態(tài)WHTC的PN平均濃度為1.26×108#/cm3，總數(shù)為6.10×1014#，比排放為2.35×1013#/(kW·h)，實際循環(huán)功為25.97kW·h。熱態(tài)WHTC的PN平均濃度為1.26×108#/cm3，總數(shù)為6.05×1014#，比排放為2.32×1013#/(kW·h)，實際循環(huán)功為26.05kW·h?？梢姡瑢τ谠搰?SCR發(fā)動機，冷熱態(tài)循環(huán)的PN排放相差無幾。

2.2.3 ESC

圖5為ESC循環(huán)的PN排放圖。由圖可知，在高轉速發(fā)動機工況下的PN排放高，且在轉速和轉矩突然增大的過程中，PN出現(xiàn)峰值，當發(fā)動機在急加速的過程中，PN排放迅速增大。急加速時，混合氣不均勻?qū)е氯紵煌耆?，生成的顆粒物排放增大。

圖5 ESC的顆粒物數(shù)目排放

ESC循環(huán)的PN計算方法參照GB 17691—2005，對各工況穩(wěn)定后的均值加權得到最終結果。PN平均濃度為5.38×108#/cm3，總數(shù)為6.593×1016#，比排放為9.625×1014#/(kW·h)，實際循環(huán)功為68.5kW·h。

2.2.4 ETC

圖6為ETC循環(huán)的PN排放?？梢钥吹剑l(fā)動機在城市工況運行時，由于轉速變化劇烈，特別是當發(fā)動機急加速過程中，PN排放隨著顆粒物的整體排放惡化而增加。發(fā)動機在高速工況運行時，工況平穩(wěn)使PN排放呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢，而轉速高導致PN的平均排放要差于低轉速排放。PN平均濃度為4.94×108#/cm3，總數(shù)為1.446×1015#，比排放為3.25×1013#/(kW·h)，實際循環(huán)功為44.5kW·h。

圖6 ETC的工況和PN排放

3 循環(huán)工況和PN排放對比

3.1 ESC與WHSC循環(huán)及其排放的對比

圖7為ESC與WHSC循環(huán)工況和PN對比圖。

圖7 ESC與WHSC循環(huán)工況和PN對比

由圖可知，WHSC循環(huán)各工況的轉速幾乎均低于ESC，統(tǒng)計分析得到，WHSC的平均轉矩相比ESC降低29.2%，轉速下降30.6%。WHSC更加注重較低負荷工況下排放的考察，這點從PN的排放對比也能看出，除了第2個工況外，其余各工況下WHSC的PN排放均低于ESC，特別是最后幾個工況，WHSC的PN排放只是ESC的1/200左右。

3.2 ETC與WHTC循環(huán)的對比

表5為ETC和WHTC循環(huán)的工況參數(shù)和排放的統(tǒng)計對比。可以看出，WHTC的平均轉速相比ETC下降21.62%，循環(huán)功降低41.46%，PN排放降低28.31%；而怠速運行時間和PM排放分別增加154.4%和36.95%。

表5 ETC和WHTC循環(huán)參數(shù)及排放對比

圖8為ETC與WHTC循環(huán)的轉速和轉矩對比圖?？梢钥闯觯琖HTC循環(huán)的平均轉速和負荷均低于ETC。WHTC更傾向于考察發(fā)動機在中低轉速和低負荷工況下的排放情況，更接近于實際道路路況，特別是城市工況。WHTC循環(huán)在較低的排溫下運行，著對溫度敏感的SCR系統(tǒng)挑戰(zhàn)更大，也是表4中NOx排放為ETC的2.3倍的主要原因。

圖8 ETC與WHTC循環(huán)工況對比

經(jīng)分析，WHTC的轉速和循環(huán)功均降低是因為WHTC更加注重于低轉速中小負荷下的排放情況，增加了車輛實際運行中的怠速時間。PM和PN的排放趨勢相反的原因，可能是在WHTC循環(huán)過程中，特別是冷態(tài)循環(huán)，由于發(fā)動機后處理的排溫低，混合氣形成的濃度偏濃，過量空氣系數(shù)降低生成了大量的碳煙導致PM比ETC循環(huán)多；而PN的降低主要是因為WHTC循環(huán)的負荷和轉速都低于ETC，PN生成量小于ETC，也從側面反映了顆粒物質(zhì)量的排放和顆粒物數(shù)目的排放不完全為正相關關系。

4 結論

通過對國ⅤSCR發(fā)動機進行的國Ⅴ和歐Ⅵ的測試循環(huán)對比，得出以下結論。

(1)WHSC和ESC穩(wěn)態(tài)循環(huán)的PN排放隨工況的變化規(guī)律一致，發(fā)動機在急加速特別是高轉速運行時，PN排放迅速增大。

(2)WHTC和ETC瞬態(tài)循環(huán)下，在城市工況運行時的轉速變化劇烈，特別是當發(fā)動機急加速過程中，PN隨著顆粒物的整體排放惡化而增加；而在高速工況運行時，PN排放呈現(xiàn)較平穩(wěn)的排放趨勢。

(3)除第2個工況外，其余各工況下，WHSC的PN排放均低于ESC，特別是最后幾個工況，WHSC的PN排放是ESC的1/200左右。

(4)WHTC比ETC更加注重于城市循環(huán)下的低轉速中小負荷下的排放情況，增加車輛實際運行中的怠速時間，更真實地模擬實際路況。WHTC比ETC的PN排放降低28.31%，而PM排放增加36.95%。

[1] 劉雙喜，等. 車用發(fā)動機顆粒物測量和評價方法的發(fā)展研究[J]. 小型內(nèi)燃機與摩托車,2005(4)：43-46.

[2] LI Liguang . Characteristics of Particulate Emissions Fueled with LPG and Gasoline in a Small SI Engine [C] .SAE Paper 2004-01-2901.

[3] ECE R49.06. Uniform Provisions Concerning the Measures to be Taken Against the Emission of Gaseous and Particulate Pollutants from Compression-ignition Engines and Positive Ignition Engines for Use in Vehicles [S].2013.

[4] GB 17691—2005.車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國III、IV、V階段)[S].北京：中國標準出版社，2005.

[5] 周龍保. 內(nèi)燃機學[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 1999.

A Preliminary Study on the Particulate Number Emissions of a State-V Diesel Engine Under Different Test Cycles

Ge Yang1，Ni Hong2，Wang Fengbin3，Lu Hongyu3& Gao Junhua3

1.TianjinUniversityofTechnologyandEducation，Tianjin300222; 2 .ChineseResearchAcademyofEnvironmentSciences，Beijing100012;3.ChinaAutomotiveTechnologyandResearchCenter，Tianjin300300

A state-V and a EURO-VI emission tests are conducted on a State-V engine with SCR technology according to GB17691—2005 and ECE R49.06 respectively. On the basis of its conventional emissions, the focus is put on the analysis on the trend of particle number (PN) emission. The results show that under steady cycle, the hard acceleration of engine, especially at high speed, will lead to the rapid increase of PN emissions; while during transient cycle, due to the drastic change of speed in urban operations, in particular when engine load abruptly changes, the PN emissions deteriorate. In most working conditions, the PN emissions in WHSC cycle are lower than that in ESC cycle, in particular, the PN emissions in WHSC cycle are only around 1/200 of that in ESC cycle in the last few working conditions. Compared with ETC, WHTC pays more attentions on low-speed conditions with small and medium loadings under urban cycle: the specific PN emissions in WHTC are 28.31 % lower than that in ETC; while the specific PM emissions in WHTC are 36.95 % higher than that in ETC.

Euro-Ⅵ；particulate number emissions；test cycle；emissions

原稿收到日期為2014年8月21日，修改稿收到日期為2015年3月20日。