國Ⅴ重型貨車尾氣中顆粒物數量排放特性實驗研究

孫龍林，張妮娜，黃文偉，高謀榮，苗 領

(1.深圳職業(yè)技術學院汽車與交通學院，廣東 深圳 518055；2.深圳市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 深圳 518049)

2015年2月，廣東省環(huán)境保護廳印發(fā)了《關于廣東省提前執(zhí)行第五階段國家機動車大氣污染物排放標準的通告》，要求從2015年7月1日起，在珠三角地區(qū)銷售、注冊和轉入的公交、環(huán)衛(wèi)、郵政行業(yè)重型壓燃式發(fā)動機汽車，應符合國家排放標準《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)》(GB 17691—2005)中的第Ⅴ階段排放控制要求；同時，停止銷售、注冊和轉入不符合上述要求的車輛。

2017年2月，深圳市人居環(huán)境委員會、深圳市公安局交通警察局發(fā)布了《關于重型柴油車執(zhí)行第五階段國家機動車大氣污染物排放標準的通告》，要求從2018年1月1日起，在深圳市銷售、注冊和轉入的重型柴油車(不包括牽引車)，應選用安裝顆粒捕集器(DPF)的國Ⅴ及以上標準的車型。

關于機動車輛尾氣中顆粒物的排放特性和環(huán)境影響評價，國內外已有不少學者對其進行了相關研究[1-15]。目前深圳市“國Ⅴ+DPF”重型貨車已投入運營，但國內外尚未有其相關排放實驗的評估研究。為此，本文基于顆粒物實時分析系統(SEMTECH-CPN)，將首次對“國Ⅴ+DPF”重型貨車在城市道路行駛工況下尾氣中顆粒物(PM)數量排放進行測試，分析了不同尾氣溫度、節(jié)氣門開度、行駛速度和比功率區(qū)間下“國Ⅴ+DPF”重型貨車尾氣中PM數量的排放特性。

1 實驗設計

1. 1 實驗系統

本實驗采用美國Sensors公司的顆粒物實時分析系統(SEMTECH-CPN)，選擇深圳“國Ⅴ+DPF”重型貨車(以下簡稱國Ⅴ重型貨車)在選定城市路線上往返行駛，對國Ⅴ重型貨車尾氣中PM數量排放進行測試。實驗系統如圖1所示，測試車輛排放的尾氣經過排氣管后，由連接管道全部進入廢氣流量計(SEMTECH-EFM)測量廢氣流量和排氣溫度，廢氣流量計內部的取樣管對廢氣進行取樣，并傳遞給SEMTECH-CPN進行PM數量濃度的實時分析；安裝在車輛上的溫濕度計和全球定位系統(GPS)分別對環(huán)境空氣的溫度、濕度以及測試車輛的行駛速度進行測量，并將信號傳遞到SEMTECH-CPN中，該系統經過計算得出PM數量的瞬時排放速率；測試車輛電子控制單元(ECU)中的相關數據也通過車內控制模塊(SEMTECH-ICM)從車載診斷系統(OBD)接口讀取，并傳遞到SEMTECH-CPN中；專用的筆記本電腦連接SEMTECH-CPN，進行系統調零、儀器標定和實時監(jiān)控，并收集與儲存實驗數據。

圖1 “國Ⅴ+DPF”重型貨車尾氣排放實驗系統Fig.1 Tailpipe emission experiment system of China Ⅴ heavy-duty truck with Diesel Particulate Filter (DPF)

1. 2 實驗車輛

本次測試選用的車輛是深圳市物流運輸用的兩輛重型廂式貨車。1號測試車輛為福田重型廂式貨車，裝配F4.5NS6B220康明斯發(fā)動機，尾氣后處理裝置包括柴油機氧化催化器(DOC)、選擇性催化還原器(SCR)、柴油機顆粒捕集器(DPF)和氨凈化催化器(ASC)；2號測試車輛為東風重型廂式貨車，裝配ISD180-62康明斯發(fā)動機，尾氣后處理裝置包括DOC、SCR和DPF，具體參數見表1。

表1 測試車輛參數

1. 3 實驗方法

本實驗采用的測試方法是在城市典型道路上對測試車輛進行實際行駛工況下的尾氣排放測試，測試路線從深圳職業(yè)技術學院東校區(qū)出發(fā)，經過留仙大道、南海大道，由北環(huán)大道到達前海收費站進入G4高速公路，行駛到黃浦收費站掉頭，再沿著原來路線返回，見圖2。測試路線中包含國Ⅴ重型貨車日常行駛的城市主干道、城市快速路和高速公路3種類型，也是深圳市國Ⅴ重型貨車來往繁忙的運輸路線。

測試過程中，環(huán)境空氣壓力波動區(qū)間為0.978×105～0.989×105Pa，環(huán)境溫度波動區(qū)間為31.6～37.2℃，環(huán)境濕度波動區(qū)間為29.8%～44.4%。車輛載荷采用配重鐵塊進行模擬加載，配重總質量為測試車輛載重量的50%。

圖2 “國Ⅴ+DPF”重型貨車尾氣排放實驗路線Fig.2 Tailpipe emission test route of China Ⅴ heavy-duty truck with Diesel Particulate Filter (DPF)

2 實驗結果與分析

實驗過程中，對1、2號車分別進行了城市道路工況下往返行駛的尾氣排放測試，即利用包括GPS、SEMTECH-EFM、溫濕度計、SEMTECH-CPN在內的測試系統采集了測試車輛包括行駛速度、排氣溫度、PM數量瞬時排放速率等在內的測試數據，測試車輛ECU中的節(jié)氣門開度等數據也經過OBD接口讀出并傳輸給SEMTECH-CPN。

2.1 測試車輛PM數量的瞬時排放速率與行駛速度的關系分析

測試車輛PM數量的瞬時排放速率與測試車輛行駛速度之間的關系表現出相同的變化規(guī)律，1號車在測試道路上PM數量瞬時排放速率和行駛速度v隨時間t的變化情況見圖3。

圖3 1號車PM數量的瞬時排放速率和行駛速度隨 時間的變化曲線Fig.3 Instantaneous emission rate and driving speed of heavy-duty truck No.1 with time on the test roads

由圖3可見，從數據的分布規(guī)律可以看出，1號車PM數量的排放速率高峰值主要出現在行駛速度較高的高速公路行駛階段，而在行駛速度較低的城市主干道和城市快速路行駛階段1號車PM數量的瞬時排放速率相對較低，國內外學者的研究也證實了這一規(guī)律[16-19]。這主要是因為測試車輛在高速公路上持續(xù)高速行駛時，發(fā)動機負荷增大，使發(fā)動機燃燒室溫度升高，燃料分子發(fā)生離解的概率遠遠大于其聚合的概率，產生大量的自由基，引起一系列鏈分支反應和鏈終止反應,并形成一些基團，構成排氣微粒的核心[20]，最終導致測試車輛的PM排放數量隨發(fā)動機燃燒室溫度升高而急劇增加，PM數量的瞬時排放速率快速上升，當車速在60 km/h以上時，測試車輛PM數量的瞬時排放速率的平均值是30 km/h以下時數值的10.0倍；此外，測試車輛在高速行駛時，發(fā)動機負荷大，發(fā)動機轉速高，進氣和噴油的質量加大、頻率加快，細小的波動更容易導致較大的油氣混合變化，從而導致測試車輛PM數量的瞬時排放速率出現較大幅度的波動。

2. 2 尾氣溫度特性分析

對測試數據按照尾氣溫度進行區(qū)間統計，根據尾氣溫度的分布范圍，以30℃為間隔，將數據劃分為[30，60]，(60，90]，(90，120]，…,(270，300]，共9個區(qū)間,以P1，P2，P3，…，P9表示，并求取不同尾氣溫度區(qū)間內測試車輛PM數量的平均排放速率(單位時間內PM排放數量，pcs/s)，測試車輛PM數量的平均排放速率為尾氣溫度區(qū)間內測試車輛PM數量的瞬時排放速率(瞬時排放速率為實驗記錄值)的平均值，1號車PM數量的平均排放速率與尾氣溫度的相關系數為0.82，2號車PM數量的平均排放速率與尾氣溫度的相關系數為0.68，經過統計整理后在不同尾氣溫度區(qū)間內測試車輛PM數量的排放特性見圖4。

圖4 不同尾氣溫度區(qū)間內測試車輛PM數量的排放 特性Fig.4 Emission characteristics of PM number of the test trucks under various exhaust temperature intervals

由圖4可見，測試車輛PM數量的平均排放速率都呈現出隨尾氣溫度升高而上升的趨勢，并且在增加速度方面呈現加速上升的趨勢：在尾氣溫度較低的P1、P2、P3區(qū)間內測試車輛PM數量的平均排放速率的增加較為平緩，隨著尾氣溫度上升，測試車輛PM數量的平均排放速率的增加速度也逐漸增加，并在尾氣溫度較高的P7區(qū)間之后，測試車輛PM數量的平均排放速率急劇上升，表現為尾氣高溫區(qū)間內測試車輛PM數量的平均排放速率遠遠超過低溫區(qū)間，在150℃以上尾氣溫度區(qū)間內1、2號車PM數量的平均排放速率分別為150℃以下溫度區(qū)間內數值的18.8倍和84.7倍。

國Ⅴ重型貨車尾氣溫度的高低反映出發(fā)動機燃燒室溫度的高低，隨著發(fā)動機燃燒室溫度的不斷上升，燃油的碳氫組分更容易發(fā)生裂解成核[21]，而熱解反應主要取決于溫度和濃度[22]，當發(fā)動機燃燒室高溫時往往燃油混合氣濃度也高，所以燃料分子發(fā)生離解的概率逐漸大于其聚合的概率，最終導致測試車輛的PM數量隨發(fā)動機燃燒室溫度升高而急劇增加，PM數量的瞬時排放速率快速上升。

2. 3 節(jié)氣門開度特性分析

對測試數據按照節(jié)氣門開度進行區(qū)間統計，根據節(jié)氣門開度的分布范圍，以10%為間隔，將數據劃分為0，(0，10]，(10，20]，…,(90，100]，共11個區(qū)間，以Z，P1，P2，…，P10表示，并求取不同節(jié)氣門開度區(qū)間內測試車輛PM數量的平均排放速率。1號車PM數量的平均排放速率與節(jié)氣門開度的相關系數為0.96，2號車PM數量的平均排放速率與節(jié)氣門開度的相關系數為0.85，經過統計整理后在不同節(jié)氣門開度區(qū)間內測試車輛PM數量的排放特性見圖5。

圖5 不同節(jié)氣門開度區(qū)間內測試車輛PM數量的 排放特性Fig.5 Emission characteristics of PM number of the test trucks under various throttle opening intervals

由圖5可見，測試車輛PM數量的平均排放速率均呈現出隨節(jié)氣門開度增加而相應上升的趨勢，其中1號車PM數量的平均排放速率整體表現出隨節(jié)氣門開度增加而平緩增加的趨勢，2號車PM數量的平均排放速率在節(jié)氣門開度較小的區(qū)間內，增加較為平緩，但隨著節(jié)氣門開度增加，2號車PM數量的平均排放速率逐漸呈現出急速上升的趨勢；1號車和2號車在P10區(qū)間內PM數量的平均排放速率分別為P1區(qū)間內數值的4.1倍和23.8倍。

國Ⅴ重型貨車節(jié)氣門開度增加，燃油噴射量相應增加，會導致油氣混合不均勻和燃油濕壁現象，促使其PM排放逐漸增加。當節(jié)氣門開度過大時，可燃混合氣過濃，空間濃區(qū)和附壁油膜大幅增加，促使測試車輛PM數量的排放速率快速上升。

2. 4 行駛速度特性分析

對測試數據按照行駛速度進行區(qū)間統計，根據行駛速度的分布范圍以10 km/h為間隔，將數據劃分為0，(0，10]，(10，20]，…，(80，90]，共10個區(qū)間，以Z，P1，P2，…，P9表示，并求取不同行駛速度區(qū)間內測試車輛PM數量的平均排放速率和平均排放因子(單位里程內PM的排放數量，pcs/km)。平均排放因子為行駛速度區(qū)間內測試車輛瞬時排放因子的平均值，而瞬時排放因子(pcs/km)是實驗記錄值中PM數量瞬時排放速率(pcs/s)與瞬時車速(km/s)比值。測試車輛PM數量的平均排放速率和平均排放因子與行駛速度的相關系數和p值見表2，經過統計整理后在不同行駛速度區(qū)間內測試車輛PM數量的排放特性見圖6。

表2 測試車輛PM數量的平均排放速率和平均排放因子與行駛速度的相關系數和p值

圖6 不同行駛速度區(qū)間內測試車輛PM數量的 排放特性Fig.6 Emission features of PM number of the test trucks under various truck speed

由圖6(a)可見，1、2號車PM數量的平均排放速率呈現出相似的變化規(guī)律：測試車輛PM數量的平均排放速率整體上隨行駛速度增加而相應上升；在車輛靜止和行駛速度較低的Z、P1、P2、P3、P4、P5區(qū)間內，測試車輛PM數量的平均排放速度相對較低并隨行駛速度緩慢上升；在行駛速度較高的P6、P7、P8、P9區(qū)間內，測試車輛PM數量的平均排放速率迅速上升，數值也遠遠高于低速區(qū)間。這是因為測試車輛行駛車速過高時，發(fā)動機負荷過大，燃油混合氣濃度增加，導致測試車輛PM的排放數量顯著增加。

由圖6(b)可見，1、2號車PM數量的平均排放因子也呈現出相似的變化規(guī)律：在行駛速度較低的P1、P2、P3、P4、P5區(qū)間內，測試車輛PM數量的平均排放因子相對較低并隨行駛速度緩慢遞減；在行駛速度較高的P6、P7、P8、P9區(qū)間內，測試車輛PM數量的平均排放因子隨行駛速度的增加而迅速遞增； 1、2號車PM數量的平均排放因子都在中速區(qū)間內數值最低。排放因子是指單位里程內PM的排放數量，中等車速時單位時間行駛里程充足而燃油混合氣濃度還沒有明顯增加，所以測試車輛PM數量的排放因子數值最低。

本文計算了低速區(qū)間(0～30 km/h)、中速區(qū)間(30～60 km/h)和高速區(qū)間(60～90 km/h)內測試車輛PM數量的排放速率和排放因子的平均值，見表3。

表3 不同行駛速度區(qū)間內測試車輛PM數量的排放特性對比

由表3可知，在高速區(qū)間內1、2號車PM數量的平均排放速率分別為低速區(qū)間內數值的10.0倍和25.5倍，1號車在低速區(qū)間和高速區(qū)間內PM數量的平均排放因子分別為中速區(qū)間內數值的2.3倍和3.7倍，2號車在低速區(qū)間和高速區(qū)間內PM數量的平均排放因子分別為中速區(qū)間內數值的2.0倍和6.6倍。

2. 5 比功率特性分析

機動車比功率(Vehicle Specific Power,VSP)最早應用于遙測數據的分析中，后來經進一步的完善并得到了廣泛的應用[15]。PVSP定義為瞬態(tài)的機動車輸出功率與機動車質量的比值(單位為kW/t)，其綜合考慮了車速、加速度、道路坡度以及風阻等參數的影響，最終簡化后的機動車比功率PVSP計算公式為

PVSP=v{1.1a+9.81[atan(sinθ)]+0.132}+0.000 302v3

(1)

式中：v為車速(m/s)；a為加速度(m/s2)；θ為道路坡度(rad)。

將測試數據代入公式(1)計算出對應的機動車比功率，并進行區(qū)間統計,以5 kW/t為間隔，將數據劃分為<-15，[-15，-10)，[-10，-5)，[-5，0)，0，(0，5]，(5，10]，(10，15]，(15，20]，>20，共10個區(qū)間，以N4，N3,…，N1，Z，P1，P2,…，P5表示，并求取不同比功率區(qū)間內測試車輛PM數量的平均排放速率和平均排放因子。測試車輛PM數量的平均排放速率和平均排放因子與比功率的相關系數和p值見表4，經過統計整理后在不同比功率區(qū)間內測試車輛PM數量的排放特性見圖7。

表4 測試車輛PM數量的平均排放速率和平均排放因子與比功率的相關系數和p值

圖7 不同比功率區(qū)間內測試車輛PM數量的排放 特性Fig.7 Emission features of PM number of the test trucks at various VSP intervals

由圖7可見，1號車與2號車PM數量的平均排放速率和平均排放因子呈現出相似的變化規(guī)律：在比功率為負值的N1～N4區(qū)間和比功率為零值的Z區(qū)間內，PM數量的平均排放速率和平均排放因子相對較低并不隨比功率增加而明顯增長；在比功率為正值的P1～P5區(qū)間內，PM數量的平均排放速率和平均排放因子隨比功率增加而逐漸增長，其中2號車的增長更加迅速且明顯。

在負比功率時，車輛處于減速工況，發(fā)動機負荷很低，噴油量少，燃燒室溫度低，PM數量濃度較低而且變化不明顯；在正比功率時，車輛大多處于勻速或加速工況，比功率增加，則發(fā)動機負荷增大，噴油量增加，燃燒室溫度升高，PM數量濃度逐漸增加。在正比功率區(qū)間內1號車和2號車PM數量的平均排放速率分別是負比功率區(qū)間內數值的2.9倍和10.2倍，而在正比功率區(qū)間內1號車和2號車PM數量的平均排放因子分別是負比功率區(qū)間內數值的1.9倍和5.6倍，見表5。2號車的發(fā)動機功率低于1號車，而兩車的質量相當，相同比功率時2號車的發(fā)動機負荷更大，噴油量更大，燃油混合氣更濃，燃燒室溫度更高，導致顆粒物數量排放更加嚴重。

表5 正負比功率區(qū)間內測試車輛PM數量的排放特性對比

2. 6 總排放因子

綜合分析測試路線全程測試車輛PM數量的排放特性，并計算全程測試車輛PM數量的總平均排放速率和總平均排放因子，具體數值見圖8。

圖8 測試路線全程測試車輛PM數量的排放特性對比Fig.6 Comparison of emission features of PM number of the test trucks in the entire test route

由圖8可見，2號車PM數量的總平均排放速率為1號車的3.7倍，2號車PM數量的總平均排放因子為1號車的3.2倍。

在全程測試中，1號車燃油消耗為32.17 L，單位油耗PM數量排放為7.87×1010pcs/L，2號車燃油消耗為42.64 L，單位油耗PM數量排放為2.17×1011pcs/L，2號車單位油耗PM數量排放數值是1號車數值的2.8倍。

1號車的額定功率高出2號車20.9%，在測試過程中發(fā)動機負荷相對較輕，發(fā)動機內燃燒室溫度較低，尾氣排放溫度也相對較低，因而單位時間和單位里程PM數量的整體排放水平低于2號車，單位油耗PM數量排放水平也低于2號車。

同濟大學胡志遠等在重型底盤測功機上對柴油公交車進行了中國典型城市公交循環(huán)(CCBC循環(huán))排放試驗[17-18]，結果表明：國Ⅲ公交車PM數量的排放因子為3.87×1013pcs/km，國Ⅳ公交車PM數量的排放因子為2.82×1012pcs/km，加裝DOC+DPF的國Ⅲ公交車PM數量的排放因子為3.19×1011pcs/km，加裝DOC+DPF減少了99%的PM數量排放。本文測試的國Ⅴ+DPF重型貨車，在技術配置上與加裝DOC+DPF的國Ⅲ公交車相似，但由于國Ⅲ公交車的DOC+DPF是加裝改造，行駛里程達23.5萬km，車輛老、里程長、車況較差，而兩輛國Ⅴ+DPF重型貨車是原廠裝配，行駛里程分別為0.9萬km和0.5萬km，車輛新、里程少、車況良好，因此國Ⅴ+DPF重型貨車PM數量的排放因子(1.35×1010pcs/km和4.35×1010pcs/km)低于加裝DOC+DPF的國Ⅲ公交車。

3 結 論

本文基本顆粒物實時分析系統(SEMTECH-CPN)，對深圳國Ⅴ重型貨車在城市道路行駛工況下尾氣中顆粒物(PM)排放數量進行測試，分析了不同尾氣溫度、節(jié)氣門開度、行駛速度和比功率區(qū)間下國Ⅴ重型貨車尾氣中PM數量的排放特性，得到如下結論：

(1) 在不同尾氣溫度區(qū)間內，測試車輛PM數量的排放速率隨著尾氣溫度的升高而逐漸上升，在150℃以上尾氣溫度區(qū)間內1、2號車PM數量的平均排放速率分別為150℃以下尾氣溫度區(qū)間內數值的18.8倍和84.7倍。

(2) 在不同節(jié)氣門開度區(qū)間內，測試車輛PM數量的排放速率隨著節(jié)氣門開度的增加而相應上升，在90%～100%節(jié)氣門開度區(qū)間內1、2號車PM數量的平均排放速率分別為0%～10%節(jié)氣門開度區(qū)間內數值的4.1倍和23.8倍。

(3) 在不同行駛速度區(qū)間內，測試車輛PM數量的排放速率隨著行駛速度增加而相應上升，其PM數量的排放因子隨著行駛速度增加先下降再上升；在低速區(qū)間內，測試車輛PM數量的排放速率隨著行駛速度增加而緩慢增長，PM數量的排放因子隨著行駛速度增加而逐漸降低；在高速區(qū)間內，測試車輛PM數量的排放速率和排放因子均隨著行駛速度增加而迅速增高。在高速區(qū)間內1、2號車PM數量的平均排放速率分別為低速區(qū)間內數值的10.0倍和25.5倍；在低速區(qū)間和高速區(qū)間內1號車PM數量的平均排放因子分別為中速區(qū)間內數值的2.3倍和3.7倍，在低速區(qū)間和高速區(qū)間內2號車PM數量的平均排放因子分別為中速區(qū)間內數值的2.0倍和6.6倍。

(4) 在不同負比功率區(qū)間內，測試車輛PM數量的排放速率和排放因子均不隨比功率的增加而相應增長；在正比功率區(qū)間內,測試車輛PM數量的排放速率和排放因子均隨著比功率的增加而明顯增長。在正比功率區(qū)間內1、2號車PM數量的平均排放速率分別是負比功率區(qū)間內數值的2.9倍和10.2倍，在正比功率區(qū)間內1、2號車PM數量的平均排放因子分別是負比功率區(qū)間內數值的1.9倍和5.6倍。

(5) 整個測試路線上，1號車由于發(fā)動機額定功率大，發(fā)動機負荷較低，發(fā)動機燃燒室溫度相對較低，其PM數量的排放水平低于2號車。2號車PM數量的總平均排放速率為1號車的3.7倍，2號車PM數量的總平均排放因子為1號車的3.2倍，2號車單位油耗PM數量的排放是1號車的2.8倍。