張 凡 郭冬冬 李 昂 于津濤
(1-中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300 2-北京市機(jī)動(dòng)車排放管理事務(wù)中心)
汽車尾氣中的顆粒物排放問題一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷加嚴(yán),在顆粒物質(zhì)量(Particle Mass,PM)排放受到限制之外,顆粒物數(shù)量(Particle Number,PN)排放也逐漸受到限制。柴油車的顆粒物一直是排放研究的重點(diǎn)問題之一。2018年6 月,生態(tài)環(huán)境部與國家市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布了GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第六階段)》(簡稱國六標(biāo)準(zhǔn))[1],國六標(biāo)準(zhǔn)中的NOx和PM 排放限值分別比國五標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)了77%和67%,且國六標(biāo)準(zhǔn)新增了PN 排放限值。2020 年12 月,生態(tài)環(huán)境部與國家市場監(jiān)督管理總局聯(lián)合發(fā)布了GB 20891-2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第三、四階段)》[2]修改單及HJ 1014-2020《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》[3],為了解決非道路移動(dòng)機(jī)械冒黑煙的問題,新增PN 排放限值,規(guī)定PN 排放必須≤5×1012#/(kW·h)。因此,針對(duì)PM和PN 排放開展研究是十分必要的。
為了滿足更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)要求,國六標(biāo)準(zhǔn)柴油機(jī)(簡稱國六柴油機(jī))加裝柴油機(jī)顆粒捕集器(Diesel Particulate Filter,DPF),大幅度降低了柴油車的PM和PN 排放[4]。同時(shí),更加復(fù)雜的測(cè)試過程(冷、熱態(tài)WHTC 測(cè)試循環(huán))和更加嚴(yán)格的排放限值對(duì)排放測(cè)試精度有了更高的要求。Imad A.等[5]、Ayala A.等[6]、李昊等[7]通過整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn),分別針對(duì)全流稀釋定容采樣系統(tǒng)和部分流顆粒物采樣系統(tǒng)的稀釋比、采樣比例、采樣流量以及柴油機(jī)進(jìn)氣壓降、進(jìn)氣濕度、排氣背壓、中冷后溫度、中冷壓差等參數(shù)對(duì)顆粒物排放測(cè)試的影響程度開展了研究??偟膩碚f,還需要進(jìn)一步加強(qiáng)國六柴油機(jī)PN 排放測(cè)試影響因素方面的定量研究工作。
本文分別使用部分流顆粒物采樣系統(tǒng)+顆粒物計(jì)數(shù)器以及全流稀釋定容采樣系統(tǒng)+顆粒物計(jì)數(shù)器2 種測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了PN 排放的測(cè)量,并且對(duì)比了顆粒物計(jì)數(shù)器在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣和在稀釋排氣中采樣的差異。進(jìn)行了不同測(cè)試循環(huán)的臺(tái)架排放試驗(yàn),研究了發(fā)動(dòng)機(jī)在使用不同后處理系統(tǒng)時(shí),顆粒物計(jì)數(shù)器的稀釋比對(duì)PN 排放的影響,并對(duì)現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備中凝聚顆粒物計(jì)數(shù)器(Condensation Particle Counter,CPC)的適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)主要由試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)、測(cè)功機(jī)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣控制系統(tǒng)以及采樣和排放分析系統(tǒng)等部分組成,臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)示意圖見圖1。
圖1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試系統(tǒng)示意圖
本試驗(yàn)中,測(cè)功機(jī)用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩;顆粒物排放采樣系統(tǒng)包括全流稀釋定容采樣系統(tǒng)和部分流顆粒物采樣系統(tǒng);濾紙稱重天平用于給顆粒物稱重;油耗儀、進(jìn)氣空調(diào)和冷卻水恒溫系統(tǒng)用于控制發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油供給、進(jìn)氣條件和冷卻水溫度。采用國六標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的激光凝聚顆粒物計(jì)數(shù)方法,即利用稀釋加熱器、蒸發(fā)管和稀釋冷卻器組成的揮發(fā)性顆粒去除裝置將發(fā)動(dòng)機(jī)稀釋排氣中可揮發(fā)的核態(tài)顆粒去除,然后在凝聚顆粒物計(jì)數(shù)器(CPC)中將丁醇蒸汽凝結(jié)在顆粒表面,形成10μm 以上的大粒徑顆粒,最后使用激光散射方法探測(cè)PN。顆粒物計(jì)數(shù)器只對(duì)固態(tài)的積聚態(tài)顆粒進(jìn)行采集和測(cè)量。具體的試驗(yàn)裝置及儀器型號(hào)見表1。
表1 試驗(yàn)裝置及儀器型號(hào)
依據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)要求,本文對(duì)柴油機(jī)排放進(jìn)行熱態(tài)WHTC 循環(huán)和WHSC 循環(huán)測(cè)試,熱態(tài)WHTC 循環(huán)和WHSC 循環(huán)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩規(guī)范值曲線分別如圖2和圖3 所示。
圖2 熱態(tài)WHTC 循環(huán)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩規(guī)范值曲線
圖3 WHSC 循環(huán)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩規(guī)范值分布圖
GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》[8]規(guī)定:對(duì)于ETC(瞬態(tài)循環(huán))試驗(yàn),只能采用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)測(cè)定氣態(tài)污染物和顆粒物,并作為基準(zhǔn)系統(tǒng)。隨著部分流顆粒物采樣技術(shù)的逐漸提高,GB 17691-2005 修改方案中規(guī)定:對(duì)于ETC 試驗(yàn),應(yīng)采用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)或符合ISO 16183-2002《重型機(jī)車:未處理排氣的氣體排放測(cè)量和瞬變?cè)囼?yàn)條件下用部分流體稀釋系統(tǒng)測(cè)量粒子排放》規(guī)定的系統(tǒng)測(cè)定氣態(tài)污染物和顆粒物。而GB 20891-2014《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第三、四階段)》規(guī)定了顆粒物的測(cè)量可以采用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)或部分流顆粒物采樣系統(tǒng)。國六標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:對(duì)PN 排放可采用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)或部分流顆粒物采樣系統(tǒng)連續(xù)取樣測(cè)定。型式檢驗(yàn)和環(huán)境保護(hù)主管部門監(jiān)督檢查時(shí),應(yīng)采用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。
為了探討不同顆粒物采樣方式對(duì)PN 排放測(cè)量結(jié)果的影響,本文在1 臺(tái)國六柴油機(jī)(1#)和1 臺(tái)國五柴油機(jī)(2#)上分別使用在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣、通過部分流顆粒物采樣系統(tǒng)采樣(SPCS AddOn)、通過全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣(CVS AddOn)等3 種采樣方式進(jìn)行PN 排放測(cè)量。顆粒物計(jì)數(shù)器在測(cè)量時(shí),稀釋模式的最小稀釋比為100。為了避免試驗(yàn)方法和儀器設(shè)備的準(zhǔn)確性和重復(fù)性影響試驗(yàn)結(jié)果,每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在每種采樣方式下至少進(jìn)行3次試驗(yàn),使用3次試驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果進(jìn)行分析。本試驗(yàn)使用的1#柴油機(jī)和2#柴油機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)/特性見表2。
表2 試驗(yàn)用1#和2#發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)/特性
圖4 和圖5 分別為1#柴油機(jī)和2#柴油機(jī)使用3 種不同的采樣方式在WHSC 循環(huán)和熱態(tài)WHTC 循環(huán)下的PN 排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比。
圖4 1#柴油機(jī)使用3 種不同采樣方式的PN 排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比
圖5 2#柴油機(jī)使用3 種不同采樣方式的PN 排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比
從圖4 和圖5 可以看出,無論是1#柴油機(jī)還是2#柴油機(jī),無論是WHSC 循環(huán)還是熱態(tài)WHTC 循環(huán),3 種采樣方式的PN 排放測(cè)量結(jié)果的順序均為:通過全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣(CVS AddOn)>在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣>通過部分流顆粒物采樣系統(tǒng)采樣(SPCS AddOn)。
從圖4 可以看出,1#柴油機(jī),以CVS AddOn 的PN排放測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn),WHSC 循環(huán)和熱態(tài)WHTC 循環(huán),在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣的PN 排放測(cè)量結(jié)果分別為CVS AddOn 的89%和85%,而SPCS AddOn 的PN 排放測(cè)量結(jié)果分別為CVS AddOn 的66%和76%。
從圖5 可以看出,2#柴油機(jī),以CVS AddOn 的PN 排放測(cè)量結(jié)果為基準(zhǔn),WHSC 循環(huán)和熱態(tài)WHTC循環(huán),在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣的PN 排放測(cè)量結(jié)果分別為CVS AddOn 的89%和92%,而SPCS AddOn的PN 排放測(cè)量結(jié)果分別為CVS AddOn 的58%和73%。
結(jié)果表明,使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)時(shí),顆粒物計(jì)數(shù)器的測(cè)試結(jié)果要大幅度高于使用部分流顆粒物采樣系統(tǒng),略高于在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣。因此,在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試循環(huán)的PN 排放測(cè)量時(shí),要優(yōu)先選擇使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)。
為了研究顆粒物采樣系統(tǒng)不同稀釋比對(duì)PN 排放測(cè)量結(jié)果的影響程度,使用1 臺(tái)國五柴油機(jī)(2#)和1 臺(tái)國六柴油機(jī)(3#)分別進(jìn)行熱態(tài)WHTC 和WHSC 測(cè)試循環(huán)。試驗(yàn)中,改變顆粒物采樣系統(tǒng)的稀釋比,然后進(jìn)行PN 排放測(cè)量。本試驗(yàn)使用的2#和3#柴油機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)/特性見表3。
表3 試驗(yàn)用2#和3#發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)/特性
圖6 為2#柴油機(jī)使用部分流顆粒物采樣系統(tǒng)采樣時(shí)不同稀釋比的PN 排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比。其中,顆粒物計(jì)數(shù)器(稀釋模式)的稀釋比為100~500。
圖6 2#柴油機(jī)使用部分流顆粒物采樣系統(tǒng)采樣時(shí)不同稀釋比的PN 排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比
圖7 為2#柴油機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣時(shí)不同稀釋比的PN 排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比。其中,WHSC循環(huán),顆粒物計(jì)數(shù)器(直接采樣模式)的稀釋比為2 000~5 250;熱態(tài)WHTC 循環(huán),顆粒物計(jì)數(shù)器(直接采樣模式)的稀釋比為2 000~20 000。
圖7 2#柴油機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣時(shí)不同稀釋比的PN 排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比
從圖6 和圖7 可以看出,無論是使用部分流顆粒物采樣系統(tǒng)采樣還是在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣,無論是WHSC 循環(huán)還是熱態(tài)WHTC 循環(huán),隨著顆粒物計(jì)數(shù)器的稀釋比增加,PN 排放有降低的趨勢(shì),但是降低幅度較??;而CPC 的測(cè)量值基本上隨著稀釋比的增加呈乘冪關(guān)系下降。
從圖6 可以看出,2#柴油機(jī),WHSC 循環(huán)和熱態(tài)WHTC 循環(huán),使用部分流顆粒物采樣系統(tǒng)采樣時(shí),CPC的測(cè)量值分別從最小稀釋比100 時(shí)的2 802#/cm3和3 287 #/cm3降低為最大稀釋比500 時(shí)的527 #/cm3和629#/cm3。
從圖7a 可以看出,2#柴油機(jī),WHSC 循環(huán),使用在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣時(shí),CPC 的測(cè)量值從最小稀釋比2 000 時(shí)的3 266 #/cm3降低為最大稀釋比5 250 時(shí)的1 163#/cm3;從圖7b 可以看出,2#柴油機(jī),熱態(tài)WHTC 循環(huán),使用在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣時(shí),CPC 的測(cè)量值從最小稀釋比2 000 時(shí)的3 215#/cm3降低為最大稀釋比20 000 時(shí)的280#/cm3。
圖8 為2#柴油機(jī)WHSC 循環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣時(shí)不同稀釋比的PN 瞬態(tài)排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比。
圖8 2#柴油機(jī)WHSC 循環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣時(shí)不同稀釋比的PN 瞬態(tài)排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比
從圖8a 可以看出,2#柴油機(jī),WHSC 循環(huán),使用在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣時(shí),隨著稀釋比的增加,PN瞬態(tài)峰值略有降低;從圖8b 可以看出,2#柴油機(jī),WHSC 循環(huán),使用在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣時(shí),CPC測(cè)量值的最大值出現(xiàn)在最小稀釋比為2 000 時(shí),為15 000#/cm3。
圖9 為2#柴油機(jī)熱態(tài)WHTC 循環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣時(shí)不同稀釋比的PN 瞬態(tài)排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比。
圖9 2#柴油機(jī)熱態(tài)WHTC 循環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣時(shí)不同稀釋比的PN 瞬態(tài)排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比
從圖9a 可以看出,2# 柴油機(jī),熱態(tài)WHTC 循環(huán),使用在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣時(shí),隨著稀釋比的增加,PN 瞬態(tài)峰值略有降低;從圖9b 可以看出,2#柴油機(jī),熱態(tài)WHTC 循環(huán),使用在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣時(shí),CPC 的測(cè)量值隨著稀釋比的增加呈階梯下降,CPC 測(cè)量值的最大值出現(xiàn)在最小稀釋比為2 000時(shí),為30 000#/cm3。
AVL APC 489 的CPC 量程為50 000#/cm3,與國五柴油機(jī)的PN 排放水平基本匹配。
圖10 為3#柴油機(jī)使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣時(shí)不同稀釋比的PN 排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比。
從圖10 可以看出,3#柴油機(jī),使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣、進(jìn)行WHSC 循環(huán)和熱態(tài)WHTC 循環(huán)測(cè)試時(shí),顆粒物計(jì)數(shù)器(稀釋模式)的稀釋比為100~500。無論是WHSC 循環(huán)還是熱態(tài)WHTC 循環(huán),隨著顆粒物計(jì)數(shù)器的稀釋比增加,PN 排放有降低的趨勢(shì),但是降低幅度較小。而CPC 的測(cè)量值基本上隨著稀釋比的增加呈乘冪關(guān)系下降,WHSC 循環(huán)和熱態(tài)WHTC 循環(huán),CPC 的測(cè)量值分別從最小稀釋比100 時(shí)的20 #/cm3和19 #/cm3降低為最大稀釋比500 時(shí)的4#/cm3和3#/cm3。
圖10 3#柴油機(jī)使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣時(shí)不同稀釋比的PN 排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比
圖11 為3#柴油機(jī)WHSC 循環(huán)使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣時(shí)不同稀釋比的PN 瞬態(tài)排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比。
圖11 3#柴油機(jī)WHSC 循環(huán)使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣時(shí)不同稀釋比的PN 瞬態(tài)排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比
從圖11a 可以看出,3#柴油機(jī),WHSC 循環(huán),使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣時(shí),隨著稀釋比的增加,PN 瞬態(tài)峰值有明顯的降低,特別是第一個(gè)PN 瞬態(tài)峰值降低非常明顯;從圖11b 可以看出,CPC 的測(cè)量值隨著稀釋比的增加呈階梯下降,CPC 測(cè)量值的最大值出現(xiàn)在最小稀釋比100 時(shí)(稀釋模式),為311 #/cm3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于AVL APC 489 的CPC 量程50 000#/cm3。結(jié)果說明,CPC 量程已無法與國六柴油機(jī)的PN 排放水平匹配。為了提高國六柴油機(jī)PN 排放的測(cè)量精度,在使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)時(shí),需要將顆粒物計(jì)數(shù)器的稀釋比最小值設(shè)置為100。
為了研究不同進(jìn)氣條件下的PN 排放水平,使用1 臺(tái)國六柴油機(jī)(4#)分別進(jìn)行不同進(jìn)氣濕度和進(jìn)氣溫度條件下WHSC 循環(huán)的PN 排放測(cè)試。本試驗(yàn)使用的4#柴油機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)/特性見表4。
表4 試驗(yàn)用4#發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)/特性
圖12 為4#柴油機(jī)WHSC 循環(huán)不同進(jìn)氣條件下的PN 排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比。其中,進(jìn)氣濕度為30%~56%,進(jìn)氣溫度為21℃~31℃。
圖12 4#柴油機(jī)WHSC 循環(huán)不同進(jìn)氣條件下的PN排放測(cè)量結(jié)果對(duì)比
從圖12a 可以看出,4#柴油機(jī),WHSC 循環(huán),隨著進(jìn)氣濕度的增加,PN 排放升高,但是升高幅度較小,為23%;從圖12b 可以看出,進(jìn)氣溫度在21~31.5 ℃范圍內(nèi)變化時(shí),PN 排放變化不是很大。試驗(yàn)結(jié)果表明,進(jìn)氣溫度和濕度對(duì)PN 排放測(cè)量結(jié)果的影響較小。
圖13 為4#柴油機(jī)WHSC 循環(huán)不同進(jìn)氣濕度時(shí)的PN 瞬態(tài)排放測(cè)量結(jié)果。
圖13 4#柴油機(jī)WHSC 循環(huán)不同進(jìn)氣濕度時(shí)的PN 瞬態(tài)排放測(cè)量結(jié)果
圖14 為4#柴油機(jī)WHSC 循環(huán)不同進(jìn)氣溫度時(shí)的PN 瞬態(tài)排放測(cè)量結(jié)果。
圖14 4#柴油機(jī)WHSC 循環(huán)不同進(jìn)氣溫度時(shí)的PN 瞬態(tài)排放測(cè)量結(jié)果
從圖13a 可以看出,4#柴油機(jī),WHSC 循環(huán),隨著進(jìn)氣濕度的增加,PN 瞬態(tài)排放曲線的形狀保持一致,只是在PN 瞬態(tài)峰值上略有增加。從圖14a 可以看出,4#柴油機(jī),WHSC 循環(huán),不同進(jìn)氣溫度下,PN 瞬態(tài)排放曲線基本相似,PN 峰值差異小。從圖13b 和圖14b 可以看出,4# 柴油機(jī),WHSC 循環(huán),不同進(jìn)氣濕度和溫度下,CPC 測(cè)量值的最大值均不超過40 #/cm3,遠(yuǎn)小于AVL APC 489 的CPC 量程50 000 #/cm3,建議通過降低CPC 量程進(jìn)一步提高PN 排放測(cè)試精度。
1)使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣時(shí),顆粒物計(jì)數(shù)器的測(cè)量結(jié)果要大幅度高于使用部分流顆粒物采樣系統(tǒng)采樣時(shí),略高于在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中直接采樣。因此,在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行WHSC 循環(huán)和熱態(tài)WHTC 循環(huán)的PN 排放測(cè)量時(shí),要優(yōu)先選擇使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)。
2)無論是WHSC 循環(huán),還是熱態(tài)WHTC 循環(huán),隨著顆粒物計(jì)數(shù)器稀釋比的增加,PN 排放有降低的趨勢(shì),但是降低幅度較小,而CPC 的測(cè)量值基本上隨著稀釋比的增加呈乘冪關(guān)系下降。
3)為了提高國六柴油機(jī)PN 排放測(cè)試精度,在使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)時(shí),需要將顆粒物計(jì)數(shù)器的稀釋比最小值設(shè)置為100。