葛 旸, 倪 虹, 王鳳濱, 陸紅雨,高俊華

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

2016066

國Ⅴ柴油機(jī)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(shù)師范大學(xué)，天津 300222； 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012； 3.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300)

分別依據(jù)GB17691—2005和ECER49.06對(duì)一滿足國Ⅴ排放水平的SCR發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行國Ⅴ和歐Ⅵ排放測試，在常規(guī)排放的基礎(chǔ)上，著重分析顆粒物數(shù)目PN排放的趨勢。結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)循環(huán)下，發(fā)動(dòng)機(jī)在急加速特別是高轉(zhuǎn)速工況下，PN的排放迅速增大；瞬態(tài)循環(huán)下，城市工況運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速變化劇烈，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷突變時(shí)，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(gè)工況，WHSC的PN只為ESC的1/200左右；與ETC相比，WHTC更側(cè)重于城市循環(huán)下的低轉(zhuǎn)速中小負(fù)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(guān)部門正在推進(jìn)重型車第Ⅵ階段法規(guī)的實(shí)施，這對(duì)我國重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(yù)計(jì)中國重型車第Ⅵ階段排放法規(guī)仍會(huì)基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)機(jī)采用選擇性催化還原(SCR)作為主流技術(shù)路線。重型發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)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(duì)企業(yè)提供原始的數(shù)據(jù)積累和日后的技術(shù)升級(jí)提供理論依據(jù)。

現(xiàn)行的顆粒物測試和評(píng)價(jià)技術(shù)是基于質(zhì)量法來評(píng)價(jià)汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放水平[1]。研究數(shù)據(jù)表明，國Ⅴ水平發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物排放的顆粒質(zhì)量(particulate mass，PM)盡管很低，但實(shí)際上細(xì)顆粒物的數(shù)目很大。例如，對(duì)于粒徑小于100nm的顆粒物質(zhì)量只占整個(gè)顆粒物質(zhì)量的5%～10%，但其數(shù)目比例達(dá)到了60%～90%。細(xì)顆粒粒徑小，面積大，活性強(qiáng)，易附帶有毒物質(zhì)對(duì)人類健康可造成更大危害[2]。

本文中選擇一臺(tái)帶SCR后處理的發(fā)動(dòng)機(jī)在國Ⅴ排放試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用歐Ⅵ排放測試循環(huán)WHSC(world harmonised steady state cycle)、WHTC(world harmonised transient cycle)進(jìn)行測試，探討國Ⅴ發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)備

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

表1 試驗(yàn)裝置

圖1 測試系統(tǒng)組成圖

1.2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

試驗(yàn)機(jī)為帶SCR系統(tǒng)的國Ⅴ排放水平的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。主要參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)燃油

試驗(yàn)燃油為北京市售國Ⅴ基準(zhǔn)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(yàn)循環(huán)WHSC包含了若干轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩規(guī)范值的工況，試驗(yàn)時(shí)根據(jù)每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)性能曲線將轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩百分比(指占額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩的百分比)轉(zhuǎn)化成實(shí)際值。發(fā)動(dòng)機(jī)按每工況規(guī)定的時(shí)間運(yùn)行，在(20±1)s內(nèi)以線性速度完成發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)換。

瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)WHTC包括一組1 800s逐秒變化的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的規(guī)范百分比轉(zhuǎn)換成實(shí)際值后形成基準(zhǔn)循環(huán)。WHTC在排放測試時(shí)使用了熱、冷起動(dòng)兩種試驗(yàn)循環(huán)，兩者之間有10min的浸機(jī)時(shí)間，冷起動(dòng)試驗(yàn)循環(huán)結(jié)果占14%權(quán)重，熱起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果占86%權(quán)重。

2 排放試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 國Ⅴ和歐Ⅵ常規(guī)排放試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

依據(jù)GB 17691—2005[4]，對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了國Ⅴ ESC和ETC循環(huán)的排放測試，主要污染物的測試結(jié)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(shí)列出依據(jù)ECE R49.06[3]進(jìn)行的WHSC和WHTC循環(huán)的測試結(jié)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。可見，排放法規(guī)升級(jí)到第Ⅵ階段時(shí)，未來發(fā)動(dòng)機(jī)須采取加裝DPF和提高SCR的轉(zhuǎn)化效率等方法改進(jìn)后處理的措施以降低PM，PN和NOx；同時(shí)還須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)本身進(jìn)行重新開發(fā)標(biāo)定等工作。

表4 常規(guī)排放測試結(jié)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩突然增大的過程中，PN出現(xiàn)峰值，例如從怠速到第2個(gè)工況過渡時(shí)PN濃度為8×108#/cm3，而從第9個(gè)工況過渡到第10個(gè)工況時(shí)峰值達(dá)到了1.5×109#/cm3。

圖2 WHSC的工況和PN排放

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高、負(fù)荷越大時(shí)，PN的值越大，對(duì)于穩(wěn)態(tài)循環(huán)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在急加速的過程中，PN排放急劇惡化。由于急加速時(shí)，特別是高轉(zhuǎn)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(shí)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(shí)較大，低負(fù)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(shí)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(shí)際循環(huán)功為26.05kW·h。可見，對(duì)于該國Ⅴ SCR發(fā)動(dòng)機(jī)，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(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)工況下的PN排放高，且在轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩突然增大的過程中，PN出現(xiàn)峰值，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在急加速的過程中，PN排放迅速增大。急加速時(shí)，混合氣不均勻?qū)е氯紵煌耆傻念w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(jì)算方法參照GB 17691—2005，對(duì)各工況穩(wěn)定后的均值加權(quán)得到最終結(jié)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(shí)際循環(huán)功為68.5kW·h。

2.2.4 ETC

圖6為ETC循環(huán)的PN排放。可以看到，發(fā)動(dòng)機(jī)在城市工況運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)速變化劇烈，特別是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)在高速工況運(yùn)行時(shí)，工況平穩(wěn)使PN排放呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢，而轉(zhuǎn)速高導(dǎo)致PN的平均排放要差于低轉(zhuǎn)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(shí)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(duì)比

3.1 ESC與WHSC循環(huán)及其排放的對(duì)比

圖7為ESC與WHSC循環(huán)工況和PN對(duì)比圖。

圖7 ESC與WHSC循環(huán)工況和PN對(duì)比

由圖可知，WHSC循環(huán)各工況的轉(zhuǎn)速幾乎均低于ESC，統(tǒng)計(jì)分析得到，WHSC的平均轉(zhuǎn)矩相比ESC降低29.2%，轉(zhuǎn)速下降30.6%。WHSC更加注重較低負(fù)荷工況下排放的考察，這點(diǎn)從PN的排放對(duì)比也能看出，除了第2個(gè)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(gè)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(duì)比

表5為ETC和WHTC循環(huán)的工況參數(shù)和排放的統(tǒng)計(jì)對(duì)比。可以看出，WHTC的平均轉(zhuǎn)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(yùn)行時(shí)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(duì)比

圖8為ETC與WHTC循環(huán)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩對(duì)比圖。可以看出，WHTC循環(huán)的平均轉(zhuǎn)速和負(fù)荷均低于ETC。WHTC更傾向于考察發(fā)動(dòng)機(jī)在中低轉(zhuǎn)速和低負(fù)荷工況下的排放情況，更接近于實(shí)際道路路況，特別是城市工況。WHTC循環(huán)在較低的排溫下運(yùn)行，著對(duì)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(duì)比

經(jīng)分析，WHTC的轉(zhuǎn)速和循環(huán)功均降低是因?yàn)閃HTC更加注重于低轉(zhuǎn)速中小負(fù)荷下的排放情況，增加了車輛實(shí)際運(yùn)行中的怠速時(shí)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(dòng)機(jī)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(dǎo)致PM比ETC循環(huán)多；而PN的降低主要是因?yàn)閃HTC循環(huán)的負(fù)荷和轉(zhuǎn)速都低于ETC，PN生成量小于ETC，也從側(cè)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(guān)關(guān)系。

4 結(jié)論

通過對(duì)國ⅤSCR發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行的國Ⅴ和歐Ⅵ的測試循環(huán)對(duì)比，得出以下結(jié)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(dòng)機(jī)在急加速特別是高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，PN排放迅速增大。

(2)WHTC和ETC瞬態(tài)循環(huán)下，在城市工況運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速變化劇烈，特別是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)行時(shí)，PN排放呈現(xiàn)較平穩(wěn)的排放趨勢。

(3)除第2個(gè)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(gè)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(zhuǎn)速中小負(fù)荷下的排放情況，增加車輛實(shí)際運(yùn)行中的怠速時(shí)間，更真實(shí)地模擬實(shí)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(dòng)機(jī)顆粒物測量和評(píng)價(jià)方法的發(fā)展研究[J]. 小型內(nèi)燃機(jī)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(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[5] 周龍保. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京: 機(jī)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。