基于發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)的重型柴油車實(shí)際道路細(xì)小顆粒物排放特性研究*

汪曉偉，景曉軍，高 濤，谷雪景，張佑源，吳琳琳

1.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；3.東風(fēng)柳州汽車有限公司，柳州 545000

前言

生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)（2020）》數(shù)據(jù)顯示，2019年我國機(jī)動(dòng)車顆粒物排放量達(dá)7.4 萬t，其中柴油車顆粒物排放量占比超過了90%。顆粒物排放對(duì)環(huán)境和人體健康均構(gòu)成危害，顆粒物的環(huán)境危害主要源于其光學(xué)特性，粒子通過吸收與散射光，降低能見度，導(dǎo)致霧霾天氣的發(fā)生。同粒徑較大的大氣顆粒物相比，機(jī)動(dòng)車排放的顆粒物粒徑小，在大氣中的停留時(shí)間長且輸送距離遠(yuǎn)。顆粒物的比表面積較大，有可能吸附更多有毒有害物質(zhì)，細(xì)顆粒物穿透力更強(qiáng)，可深入人的呼吸系統(tǒng)甚至腦部組織。

目前重型國六排放法規(guī)對(duì)粒徑在23 nm-2.5 μm之間的粒子進(jìn)行測(cè)量計(jì)數(shù)（PN 排放），并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和重型整車都提出了相應(yīng)的限值要求。其中對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)，世界統(tǒng)一穩(wěn)態(tài)循環(huán)（WHSC）下的PN 排放限值為8×10#/（kW·h），世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)（WHTC）下的PN 排放限值為6×10#/（kW·h）。對(duì)于重型整車，要求在實(shí)際道路測(cè)試（PEMS）下的PN 排放不超過1.2×10#/（kW·h）。

但隨著對(duì)顆粒物數(shù)量排放的深入研究發(fā)現(xiàn)，小于23 nm 的粒子數(shù)量排放也很嚴(yán)重。有研究表明，目前的顆粒物測(cè)試方法，30%-50%的GDI（缸內(nèi)直噴）發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物，50%-100%的PFI（進(jìn)氣道噴射）發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物，并沒有進(jìn)行管控。歐盟專門成立了DTT（down to ten）工作組，正在討論將顆粒物數(shù)量測(cè)量的范圍由現(xiàn)在的23 nm 以上擴(kuò)展到10 nm 以上。我國生態(tài)環(huán)境部排污監(jiān)控中心也成立了工作組開展相關(guān)的預(yù)研工作。

目前針對(duì)10 nm 以上顆粒物的研究主要集中在輕型汽油車和輕型柴油車，由于柴油機(jī)的顆粒物粒徑相對(duì)較大，因此對(duì)于重型柴油機(jī)細(xì)小顆粒物的關(guān)注較少。但隨著重型柴油機(jī)高壓共軌壓力的提升，柴油噴霧更細(xì)導(dǎo)致顆粒物的粒徑會(huì)不斷降低。而重型柴油機(jī)實(shí)際道路的細(xì)小顆粒物由于缺少可用于測(cè)量實(shí)際道路細(xì)小顆粒物排放的設(shè)備，更是研究很少。因此，本文中選取了一臺(tái)7.8 L 的重型柴油機(jī)，采用發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)的方法，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上開展重型柴油車實(shí)際道路細(xì)小顆粒物數(shù)量排放的研究。使用AVL公司生產(chǎn)的顆粒計(jì)數(shù)器同時(shí)測(cè)量PN10（10 nm以上顆粒物數(shù)量）和PN23（23 nm 以上顆粒物數(shù)量），獲得了柴油車實(shí)際道路條件下PN10和PN23的排放差異特性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)方法

本文中采用了發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)（EIL）的方法在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上對(duì)一輛重型柴油車的實(shí)際道路的排放進(jìn)行了測(cè)試，重點(diǎn)關(guān)注PN的排放。發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)是硬件在環(huán)的一種特殊型式。其“實(shí)際物理硬件”為發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制器，而虛擬子系統(tǒng)為整車及駕駛員。發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)的開發(fā)方法，則是在傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，通過將構(gòu)建的虛擬整車模型、駕駛員模型、道路和環(huán)境模型耦合到一起來實(shí)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上對(duì)整車功能的開發(fā)優(yōu)化的一種方式。有研究機(jī)構(gòu)提出，發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)是唯一有可能對(duì)實(shí)際道路下的瞬態(tài)排放進(jìn)行詳細(xì)研究的方法。所搭載的發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)平臺(tái)如圖1 所示。其中整車及駕駛員模型通過AVL VSM實(shí)時(shí)系統(tǒng)來進(jìn)行構(gòu)建，同時(shí)將模擬模型與AVL 測(cè)功機(jī)控制軟件相連接，確保模擬模型與測(cè)試臺(tái)架運(yùn)行之間接口穩(wěn)定。AVL Testbed CONNECT 通過CAN 總線的方式與測(cè)功機(jī)系統(tǒng)集成。實(shí)時(shí)系統(tǒng)通過輸入的駕駛工況（即車速），由駕駛員模型進(jìn)行駕駛行為，根據(jù)車速、擋位、行駛阻力等參數(shù)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，形成控制信號(hào)流，發(fā)送給臺(tái)架控制系統(tǒng)，臺(tái)架控制系統(tǒng)控制測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度，發(fā)動(dòng)機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)臺(tái)架的測(cè)量傳感器采集發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)，經(jīng)臺(tái)架控制系統(tǒng)傳回實(shí)時(shí)系統(tǒng)，作為整車模型的輸入?yún)?shù)，參與下一個(gè)計(jì)算步長的整車動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算從而構(gòu)成了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。在此過程中，通過實(shí)際的設(shè)備來測(cè)量駕駛工況的油耗和排放。本文中采用的發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)平臺(tái)已經(jīng)開展過實(shí)際道路排放跟EIL 方法的比對(duì)，測(cè)試精度滿足要求，詳見文獻(xiàn)［15］和文獻(xiàn)［16］。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)平臺(tái)示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用了兩套AVL 的顆粒計(jì)數(shù)器。其中一套是滿足國六法規(guī)的測(cè)量PN23的顆粒物排放（1#顆粒計(jì)數(shù)器）。該設(shè)備首先通過揮發(fā)性顆粒去除器（VPR）中的加熱蒸發(fā)管（ET）除去可揮發(fā)性顆粒，然后通過顆粒計(jì)數(shù)單元（CPC）對(duì)23 nm 以上的顆粒物進(jìn)行計(jì)數(shù)。另外一套是AVL 最新針對(duì)未來法規(guī)開發(fā)的顆粒計(jì)數(shù)器，可以同時(shí)測(cè)量PN10 和PN23（2#顆粒計(jì)數(shù)器）。與第一套設(shè)備相比，該設(shè)備在VPR 中增加了一個(gè)催化器（CS），氧化蒸發(fā)碳?xì)浠衔锊⒋鎯?chǔ)硫化物以最大化降低對(duì)顆粒數(shù)量測(cè)試的影響。同時(shí)升級(jí)了CPC。該套設(shè)備的PN10 的計(jì)數(shù)效率大于50%，PN15（15 nm 以上顆粒物數(shù)量）的計(jì)數(shù)效率大于90%。兩套顆粒物計(jì)數(shù)器的取樣位置盡量靠近，以消除管路沉積對(duì)顆粒物的影響，如圖2 所示，所用設(shè)備見表1。

表1 主要的測(cè)試設(shè)備

圖2 兩套顆粒物計(jì)數(shù)器的取樣位置

1.3 試驗(yàn)整車及發(fā)動(dòng)機(jī)

本文中所研究的試驗(yàn)樣機(jī)為一臺(tái)7.8 L 滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)，整車為搭載該發(fā)動(dòng)機(jī)的一輛最大總質(zhì)量為31 t的9擋重型貨車，相關(guān)參數(shù)用于搭建發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)測(cè)試中的整車模型。其中滑行系數(shù)為實(shí)際道路滑行后，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架進(jìn)行模擬滑行后調(diào)整得到。整車及發(fā)動(dòng)機(jī)的具體參數(shù)見表2。

表2 整車及發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.4 試驗(yàn)方案

本文中，首先分別運(yùn)行國六發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)WHSC 和冷態(tài)WHTC（WHTC-C）與熱態(tài)WHTC（WHTC-H），測(cè)量了PN10 和PN23 的排放。主要目的是確定發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)正常，并對(duì)PN測(cè)試設(shè)備進(jìn)行比對(duì)。之后，根據(jù)構(gòu)建好的整車模型，輸入實(shí)際道路路譜，通過發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)的方式，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行PEMS試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量PN10和PN23的排放。由于重點(diǎn)考察顆粒物的排放，本次基于EIL的PEMS測(cè)試的車輛載荷設(shè)置為滿載。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)排放狀態(tài)確認(rèn)及PN測(cè)試設(shè)備的影響

采用1#顆粒計(jì)數(shù)器（AVL 489）和2#顆粒計(jì)數(shù)器（即AVL 新一代的489）測(cè)量PN23 的排放結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，兩臺(tái)顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)量的PN23 的差異最大偏差為冷態(tài)WHTC 循環(huán)下的3.15%，最小偏差為熱態(tài)CHTC 循環(huán)下的1.38%，說明兩臺(tái)顆粒物計(jì)數(shù)器雖然前處理裝置有所差別，但對(duì)PN23 的測(cè)量結(jié)果影響不大，該結(jié)論跟國際上之前研究的結(jié)論基本一致。穩(wěn)態(tài)WHSC、冷熱態(tài)的WHTC 的顆粒物數(shù)量排放均低于法規(guī)要求的6×10#/（kW·h）的限值，且2#顆粒計(jì)數(shù)器的PN23 的值全部要高于1#顆粒計(jì)數(shù)器，其一可能是由于2#顆粒計(jì)數(shù)器取樣位置在1#顆粒計(jì)數(shù)器的前端，排氣的顆粒物會(huì)有一部分沉積在排氣管路中造成一定的損失。其二可能是兩臺(tái)設(shè)備的VPR 不太一致，1#顆粒計(jì)數(shù)器VPR 采用的是ET 加熱管，而2#顆粒計(jì)數(shù)器的VPR 采用的ET+CS 的加熱管。但由于兩臺(tái)設(shè)備的PN23 排放相差并不大，在后續(xù)的對(duì)比分析中，PN23 排放是指2#顆粒計(jì)數(shù)器的測(cè)量值。

圖3 兩臺(tái)顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)試的PN23排放

2.2 EIL方法的速度跟隨性

EIL方法輸入的PEMS道路總行駛時(shí)間為9 510 s，總行駛距離為151.06 km，平均車速57.2 km/h。通過EIL 平臺(tái)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上運(yùn)行的PEMS 測(cè)試總時(shí)間為9 510 s，總行駛距離為150.93 km，平均車速為57.14 km/h。EIL車速和實(shí)際PEMS道路車速的對(duì)比如圖4所示，可以看到，EIL能夠跟隨實(shí)際PEMS道路車速。

圖4 EIL在PEMS工況下的車速跟隨性

2.3 PEMS細(xì)小顆粒物排放特性

PEMS 工況下顆粒物的累積排放特性如圖5 所示。PN10 的累積排放為4.28×10#，PN23 的累積排放為1.92×10#。PN10的累積比排放為2.43×10#/（kW·h），PN23 的累積比排放為1.22×10#/（kW·h）均滿足目前的排放法規(guī)的限值要求。但PN10 在PEMS工況下的總排放數(shù)量比PN23高122.55%。此外，從圖5 發(fā)現(xiàn)，PN 排放可以分為3 個(gè)區(qū)間。第1 區(qū)間是在從PEMS 測(cè)試開始到2 460 s 的區(qū)間，無論是PN10還是PN23，均呈現(xiàn)較緩慢的增加。第2區(qū)間為2 460～8 390 s，PN10 和PN23 增加速度加快，但PN10的增加非常明顯。說明在這個(gè)區(qū)間內(nèi)的顆粒物中，PN10 的排放量占比較高。第3 區(qū)間為8 390 s 到PEMS 測(cè)試結(jié)束，無論是PN10 還是PN23，均呈現(xiàn)高速增長。

圖5 PEMS工況下PN10和PN23的累積排放

由于ECU 的數(shù)據(jù)在此次測(cè)試中并沒有采集，無法獲取廢氣再循環(huán)（EGR）開度等參數(shù)。因此，本文通過在發(fā)動(dòng)機(jī)上布置的傳感器，對(duì)3 個(gè)區(qū)間的排氣溫度、排氣背壓和EGR 中冷器前的溫度進(jìn)行了分析，如圖6 所示。其中，排氣溫度和背壓的增加，代表發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，缸內(nèi)燃燒溫度升高。而EGR 中冷器前溫度的增加，既表明發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度增加，也表明更多的EGR 氣體流經(jīng)中冷器，一定程度上反映EGR 率的增加。從圖6 可以看到，在第1 個(gè)區(qū)間，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度、排氣背壓和EGR 中冷器前溫度均相對(duì)較低，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較小，EGR率也較低，因此在這1 區(qū)間顆粒物數(shù)量瞬態(tài)濃度較低，累積排放增加幅度不大。在第2 個(gè)區(qū)間，排氣溫度相對(duì)較高，EGR率較高，排氣背壓也相對(duì)較高。排氣溫度高，有利于將發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒在排氣管中氧化成更加細(xì)小的顆粒物，因此，在這個(gè)區(qū)間的PN10的瞬態(tài)排放，要顯著高于PN23。在第3 個(gè)區(qū)間，車輛處于高速穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷高，造成顆粒物排放增加。PN10 和PN23 的瞬態(tài)排放差異并不大，說明此時(shí)生成的顆粒物粒徑較大，生成的顆粒物大部分都是23 nm以上的。

圖6 PEMS的PN瞬態(tài)排放及發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

3 個(gè)區(qū)間的發(fā)動(dòng)機(jī)工況分布如圖7 所示。在第1、2 個(gè)區(qū)間，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍很廣，這是由于車輛運(yùn)行在市區(qū)和市郊區(qū)域，存在較為頻繁的加減速。而第3 個(gè)區(qū)間車輛穩(wěn)定運(yùn)行在高速區(qū)間，擋位基本位于最高擋，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速基本集中在1 500～2 400 r/min之間，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變化主要是由于松油門引起的。

圖7 PEMS 3個(gè)區(qū)間的發(fā)動(dòng)機(jī)工況分布

2.4 PEMS和WHTC的對(duì)比

圖8 為冷態(tài)WHTC、熱態(tài)WHTC 和PEMS 工況下的PN10 和PN23 比排放對(duì)比。冷熱態(tài)WHTC 的PN10 的比排放分別為3.82×10和2.42×10#/（kW·h），冷熱態(tài)WHTC 的PN23 的比排放分別為2.82×10和1.18×10#/（kW·h）。冷態(tài)WHTC 的PN10 比PN23 的高35.34%，而熱態(tài)WHTC 的PN10比PN23 的高105.42%。該結(jié)論與Khan 等的研究結(jié)論一致，他們研究了2 臺(tái)帶DOC+DPF+SCR 的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，在多個(gè)循環(huán)下PN10 的比排放較PN23 的比排放要高40%～137%。

圖8 冷熱態(tài)WHTC和PEMS的PN比排放

此外，對(duì)比PEMS 測(cè)試工況下的PN10 和PN23的比排放，跟發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上的熱態(tài)WHTC 的比排放相差不大。但是，從圖9 可以看出，兩種測(cè)試工況的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)差異很大。WHTC 主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 750 r/min 以下，而PEMS 測(cè)試在1 750～2 400 r/min 之間，有大量的運(yùn)行工況點(diǎn)。由于一款發(fā)動(dòng)機(jī)往往要匹配不同的車型，很難保證經(jīng)過WHTC 標(biāo)定的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠滿足不同配置的整車的PEMS要求。在這種情況下，基于發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)方法在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行整車PEMS 排放的開發(fā)，在未來將迎來更大的發(fā)展。

圖9 熱態(tài)WHTC和PEMS的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況

3 結(jié)論

對(duì)該試驗(yàn)用重型柴油機(jī)，采用EIL 的方法，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上開展重型柴油車實(shí)際道路細(xì)小顆粒物數(shù)量排放的研究，得到如下結(jié)論。

（1）PN10和PN23的PEMS工況瞬態(tài)排放的變化規(guī)律基本一致。PN10的比排放比PN23的比排放高。

（2）重型車PEMS 按照PN 排放的增長可以分為3個(gè)區(qū)間。PN的排放與負(fù)荷、EGR率、排溫有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。高速高負(fù)荷區(qū)間PN排放增加很快，且此時(shí)排放的顆粒物粒徑較大，PN10和PN23的差異不明顯。

（3）WHTC 和基于EIL 的PEMS 兩種測(cè)試工況的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)差異很大。因此，僅僅經(jīng)過WHTC 標(biāo)定的發(fā)動(dòng)機(jī)難以滿足不同配置的整車PEMS 要求，而基于EIL 的開發(fā)方式能夠在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行整車PEMS顆粒物排放的評(píng)估。