國Ⅴ柴油機不同測試循環下的顆粒物數目排放的初步研究

葛 旸, 倪 虹, 王鳳濱, 陸紅雨,高俊華

(1.天津職業技術師范大學，天津 300222； 2.中國環境科學研究院，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下的顆粒物數目排放的初步研究

葛 旸1, 倪 虹2, 王鳳濱3, 陸紅雨3,高俊華3

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

分別依據GB17691—2005和ECER49.06對一滿足國Ⅴ排放水平的SCR發動機進行國Ⅴ和歐Ⅵ排放測試，在常規排放的基礎上，著重分析顆粒物數目PN排放的趨勢。結果表明，穩態循環下，發動機在急加速特別是高轉速工況下，PN的排放迅速增大；瞬態循環下，城市工況運行時的轉速變化劇烈，特別是發動機負荷突變時，PN的排放惡化；在大多數工況下，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；顆粒物數目排放；測試循環；排放

前言

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

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

現行的顆粒物測試和評價技術是基于質量法來評價汽車及發動機的顆粒物排放水平[1]。研究數據表明，國Ⅴ水平發動機的顆粒物排放的顆粒質量(particulate mass，PM)盡管很低，但實際上細顆粒物的數目很大。例如，對于粒徑小于100nm的顆粒物質量只占整個顆粒物質量的5%～10%，但其數目比例達到了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后處理的發動機在國Ⅴ排放試驗的基礎上，采用歐Ⅵ排放測試循環WHSC(world harmonised steady state cycle)、WHTC(world harmonised transient cycle)進行測試，探討國Ⅴ發動機的PN排放水平。

1 測試系統及測試循環介紹

1.1 測試設備

試驗設備均為奧地利AVL公司產品，具體設備型號見表1，系統的布置圖如圖1所示。

表1 試驗裝置

圖1 測試系統組成圖

1.2 試驗發動機

試驗機為帶SCR系統的國Ⅴ排放水平的柴油發動機。主要參數如表2所示。

表2 試驗發動機參數

1.3 試驗燃油

試驗燃油為北京市售國Ⅴ基準燃油，基本特性參數如表3所示。

表3 燃料基本特性參數

1.4 歐Ⅵ排放測試循環介紹

歐Ⅵ主要排放測試循環包括穩態循環WHSC和冷、熱態的瞬態循環WHTC[3]。

穩態試驗循環WHSC包含了若干轉速和轉矩規范值的工況，試驗時根據每臺發動機的瞬態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。發動機按每工況規定的時間運行，在(20±1)s內以線性速度完成發動機轉速和轉矩的轉換。

瞬態試驗循環WHTC包括一組1 800s逐秒變化的轉速和轉矩的規范百分比轉換成實際值后形成基準循環。WHTC在排放測試時使用了熱、冷起動兩種試驗循環，兩者之間有10min的浸機時間，冷起動試驗循環結果占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常規排放試驗結果對比

依據GB 17691—2005[4]，對該發動機進行了國Ⅴ ESC和ETC循環的排放測試，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排放法規要求。表4中同時列出依據ECE R49.06[3]進行的WHSC和WHTC循環的測試結果。可以看出，NOx，PM和PN均超出了歐Ⅵ限值，歐Ⅵ循環的PN排放分別是限值的21倍和39倍。可見，排放法規升級到第Ⅵ階段時，未來發動機須采取加裝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；同時還須對發動機系統本身進行重新開發標定等工作。

表4 常規排放測試結果

2.2 國Ⅴ和歐Ⅵ測試循環下的PN排放分析

2.2.1 WHSC

圖2為WHSC的顆粒物數目PN排放圖。由圖可知，在發動機轉速和轉矩突然增大的過程中，PN出現峰值，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

當發動機轉速越高、負荷越大時，PN的值越大，對于穩態循環，當發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，混合氣不均勻導致過量空氣系數下降，燃燒不完全生成的PN排放增大[5]。

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

2.2.2 WHTC

圖3 冷態WHTC的工況和PN排放

圖4 熱態WHTC的工況和PN排放

圖3和圖4分別為冷態和熱態WHTC循環下的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WHTC的PN平均濃度為1.26×108#/cm3，總數為6.10×1014#，比排放為2.35×1013#/(kW·h)，實際循環功為25.97kW·h。熱態WHTC的PN平均濃度為1.26×108#/cm3，總數為6.05×1014#，比排放為2.32×1013#/(kW·h)，實際循環功為26.05kW·h。可見，對于該國Ⅴ SCR發動機，冷熱態循環的PN排放相差無幾。

2.2.3 ESC

圖5為ESC循環的PN排放圖。由圖可知，在高轉速發動機工況下的PN排放高，且在轉速和轉矩突然增大的過程中，PN出現峰值，當發動機在急加速的過程中，PN排放迅速增大。急加速時，混合氣不均勻導致燃燒不完全，生成的顆粒物排放增大。

圖5 ESC的顆粒物數目排放

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

2.2.4 ETC

圖6為ETC循環的PN排放。可以看到，發動機在城市工況運行時，由于轉速變化劇烈，特別是當發動機急加速過程中，PN排放隨著顆粒物的整體排放惡化而增加。發動機在高速工況運行時，工況平穩使PN排放呈現穩定的趨勢，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，總數為1.446×1015#，比排放為3.25×1013#/(kW·h)，實際循環功為44.5kW·h。

圖6 ETC的工況和PN排放

3 循環工況和PN排放對比

3.1 ESC與WHSC循環及其排放的對比

圖7為ESC與WHSC循環工況和PN對比圖。

圖7 ESC與WHSC循環工況和PN對比

由圖可知，WHSC循環各工況的轉速幾乎均低于ESC，統計分析得到，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循環的對比

表5為ETC和WHTC循環的工況參數和排放的統計對比。可以看出，WHTC的平均轉速相比ETC下降21.62%，循環功降低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循環參數及排放對比

圖8為ETC與WHTC循環的轉速和轉矩對比圖。可以看出，WHTC循環的平均轉速和負荷均低于ETC。WHTC更傾向于考察發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循環在較低的排溫下運行，著對溫度敏感的SCR系統挑戰更大，也是表4中NOx排放為ETC的2.3倍的主要原因。

圖8 ETC與WHTC循環工況對比

經分析，WHTC的轉速和循環功均降低是因為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循環過程中，特別是冷態循環，由于發動機后處理的排溫低，混合氣形成的濃度偏濃，過量空氣系數降低生成了大量的碳煙導致PM比ETC循環多；而PN的降低主要是因為WHTC循環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量的排放和顆粒物數目的排放不完全為正相關關系。

4 結論

通過對國ⅤSCR發動機進行的國Ⅴ和歐Ⅵ的測試循環對比，得出以下結論。

(1)WHSC和ESC穩態循環的PN排放隨工況的變化規律一致，發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瞬態循環下，在城市工況運行時的轉速變化劇烈，特別是當發動機急加速過程中，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排放呈現較平穩的排放趨勢。

(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. 車用發動機顆粒物測量和評價方法的發展研究[J]. 小型內燃機與摩托車,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. 內燃機學[M].北京: 機械工業出版社, 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。