基于PN值的汽車顆粒捕集器移除破損檢測(cè)

錢國(guó)剛，竇燕濤，沈　姝

基于PN值的汽車顆粒捕集器移除破損檢測(cè)

錢國(guó)剛，竇燕濤，沈姝

Qian Guogang，Dou Yantao，Shen Shu

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300）

DPF（Diesel Particulate Filter, 柴油機(jī)顆粒捕集器）被移除或嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)柴油車PN（Particle Number，粒子數(shù)量）排放會(huì)嚴(yán)重惡化，在現(xiàn)實(shí)中已出現(xiàn)篡改DPF的事例。檢查DPF是否存在或正常工作這項(xiàng)規(guī)程將被列入U(xiǎn)N/ECE（the United Nations Economic Commission for Europe，聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)）法規(guī)車輛公路適運(yùn)能力決議R.E.6，以監(jiān)管社會(huì)在用車DPF的失效措施和篡改破壞行為。通過(guò)測(cè)試怠速工況下尾氣PN值并與相應(yīng)限值進(jìn)行比較，從而得出判斷結(jié)果。規(guī)程中對(duì)PN測(cè)量設(shè)備的性能指標(biāo)、受測(cè)車輛及設(shè)備的狀態(tài)、測(cè)試環(huán)境、測(cè)試操作流程等進(jìn)行了規(guī)定。為限制移除及破壞DPF的行為，荷蘭、比利時(shí)、德國(guó)和瑞士積極實(shí)施此項(xiàng)規(guī)程或等效法規(guī)，值得我國(guó)借鑒，借助PN測(cè)試設(shè)備對(duì)配置GPF（Gasoline Particulate Filter, 汽油機(jī)顆粒捕集器）的汽油車進(jìn)行監(jiān)管。

PN；汽油機(jī)顆粒捕集器；柴油機(jī)顆粒捕集器；怠速；年檢；在用車

0　引言

車用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣顆粒物捕集器主要有DPF（Diesel Particulate Filter, 柴油機(jī)顆粒捕集器）和GPF（Gasoline Particulate Filter，汽油機(jī)顆粒捕集器）。顆粒物捕集器正常發(fā)揮減排功能的前提除了技術(shù)規(guī)格、作動(dòng)控制策略及制造品控等因素外，其構(gòu)造也應(yīng)完好。若捕集器被異物撞擊、人為打孔而損傷，或被移除過(guò)濾單元，則單車的PN排放可攀升30倍[1]。配備尾氣顆粒物捕集器的車輛在我國(guó)每年新增超千萬(wàn)輛，因此檢測(cè)在用車顆粒物捕集器的方法應(yīng)當(dāng)易于實(shí)施、測(cè)試耗時(shí)短且費(fèi)用低。

當(dāng)前，我國(guó)在用車怠速工況下尾氣顆粒物捕集器的檢測(cè)法規(guī)包括GB 18285—2018《汽油車污染物排放限值及測(cè)量方法（雙怠速法及簡(jiǎn)易工況法）》附錄A和附件AA，以及GB 18352.x《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法》第5階段及更早階段的Ⅱ型試驗(yàn)。怠速工況已經(jīng)獲選用來(lái)篩查測(cè)試社會(huì)在用車顆粒物捕集器移除破損。

1　DPF測(cè)試規(guī)程

為判斷柴油車用DPF是否被移除或破損，UN/ECE（the United Nations Economic Commission for Europe，聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)）的PTI（Periodic Technical Inspections，定期技術(shù)檢查）工作組提出在怠速下測(cè)試尾氣PN值的方法，即檢查DPF是否存在和正常工作的基本要求（Minimum Requirements for Checking the Presence and Proper Working of Diesel Particulate Filters），并列在UN/ECE監(jiān)管在用車公路適運(yùn)能力法規(guī)即R.E.6決議(Resolution on Test-Equipment, Skills and Training of Inspectors, Supervision，關(guān)于測(cè)試設(shè)備、檢察員技能和培訓(xùn)，以及監(jiān)管的決議)的第7章[2]。

1.1　PN限值和測(cè)試設(shè)備

1.1.1PN限值

測(cè)試方法中除了設(shè)置通過(guò)/不通過(guò)限值外，還提出設(shè)定快速通過(guò)選項(xiàng)和快速不通過(guò)選項(xiàng)，主要為了縮短測(cè)試時(shí)間?？焖偻ㄟ^(guò)選項(xiàng)通常為PN限值的25%；快速不通過(guò)選項(xiàng)有助于快速完成判斷，并避免設(shè)備污染。PN限值設(shè)置見表1。

表1　DPF測(cè)試的PN限值 #/cm3

TNO（The Netherlands Organization，荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織）及JRC（Joint Research Centre of the EC，歐盟聯(lián)合研究中心）考察了NEDC（New European Driving Cycle，新歐洲駕駛循環(huán)）下I型試驗(yàn)的PN值與怠速下PN濃度值的關(guān)系。TNO判斷二者線性回歸系數(shù)為1×107cm3/km左右；由于I型試驗(yàn)的PN限值為6×1011#/km，經(jīng)過(guò)換算并考慮測(cè)試方法、環(huán)境和測(cè)試設(shè)備偏差后給出表1建議[3]。JRC在2018和2020年兩輪復(fù)現(xiàn)測(cè)試中結(jié)果與TNO判斷相一致[4-5]，贊成以限值1.0×106#/cm3判別DPF是否被移除[3]，且低怠速法PN值2.5×105#/cm3與NEDC下的I型試驗(yàn)測(cè)試值2.5×1012#/km具有對(duì)應(yīng)關(guān)系（1×107cm3/km）[6]。限值制定同時(shí)兼顧加嚴(yán)程度意向、測(cè)試方法和儀器不確定度等因素。

1.1.2測(cè)試設(shè)備

采樣尾氣及測(cè)量顆粒體積濃度的系統(tǒng)的性能要求見表2。

表2　采樣尾氣及測(cè)試系統(tǒng)性能要求

注：﹡OBD診斷時(shí)測(cè)量上限為5×106～5×107#/cm3，作為對(duì)比，本文測(cè)試方法可以更早發(fā)現(xiàn)DPF問題。

為避免冷凝使受測(cè)氣體出現(xiàn)粒子損失，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)配備相應(yīng)裝置。VPR（Volatile Particulate Remover，揮發(fā)性顆粒物去除器）的揮發(fā)性物質(zhì)去除效率應(yīng)大于90%，以去除上游樣氣中SOF（Soluble Organic Fraction，可溶性有機(jī)物）、硫酸鹽等。滿足表2要求的顆粒物計(jì)數(shù)裝置可以為標(biāo)準(zhǔn)粒子計(jì)數(shù)器式或擴(kuò)散荷電式，如果具備自動(dòng)歸零或自動(dòng)調(diào)整的漂移補(bǔ)償裝置，應(yīng)避免其作動(dòng)干擾氣體測(cè)量。重復(fù)性上要求對(duì)同一PN標(biāo)準(zhǔn)氣體連續(xù)測(cè)量20次，結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)小于誤差允許上限的1/3。

1.2　測(cè)試流程

多輪測(cè)試時(shí)，將每次測(cè)試瞬時(shí)的PN值的算術(shù)平均值作為此輪測(cè)試最終值。單次測(cè)試流程包括發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)處理、顆粒物測(cè)試儀預(yù)熱、設(shè)備自檢和功能檢查、泄漏檢查、探頭插入、正式測(cè)量等環(huán)節(jié)。

1.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)處理

為使測(cè)得的PN值穩(wěn)定且不偏高，通過(guò)預(yù)處理使發(fā)動(dòng)機(jī)排放達(dá)到穩(wěn)定條件，即：（1）冷卻液溫度＞60 ℃或采用制造商建議值；（2）EGR（Exhaust Gas Recirculation，廢氣再循環(huán)系統(tǒng)）狀態(tài)穩(wěn)定，采用OBD進(jìn)行檢查；（3）無(wú)DPF再生，通過(guò)測(cè)尾氣溫度進(jìn)行檢查。

1.2.2測(cè)量程序

在顆粒物測(cè)試儀已預(yù)熱并完成車輛排氣系統(tǒng)泄漏檢查后，將取樣探頭插入排氣管300 mm（如不可行，則應(yīng)＞50 mm）。使發(fā)動(dòng)機(jī)處于低怠速狀態(tài)，將取樣尾氣送入排放測(cè)試儀。經(jīng)過(guò)規(guī)定的穩(wěn)定時(shí)間后，連續(xù)測(cè)試PN值不少于15 s，并計(jì)算出15 s內(nèi)PN平均值，即平均顆粒物濃度。如果車輛有多個(gè)尾氣管，各尾氣管均應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。

當(dāng)測(cè)試結(jié)果大于限值2倍時(shí)，測(cè)試終止；首次測(cè)試結(jié)果不通過(guò)時(shí)可允許再次測(cè)試，但測(cè)試前通過(guò)行駛或加速等方式預(yù)處理5 min。

進(jìn)行HEV（Hybrid Electric Vehicle，混合動(dòng)力汽車）測(cè)試時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)，且無(wú)DPF再生。

1.2.3測(cè)試環(huán)境

環(huán)境溫度為5～40 ℃，氣壓為86～106 kPa，相對(duì)濕度小于95%。

1.2.4維護(hù)要求

粒子計(jì)數(shù)器的校準(zhǔn)間隔應(yīng)小于12個(gè)月。需配備適當(dāng)?shù)男孤z查設(shè)施或程序和用于校正及重新檢定的設(shè)施，以及判斷粒子計(jì)數(shù)器是否作動(dòng)正常的診斷系統(tǒng)。

2　PN測(cè)試的監(jiān)管應(yīng)用

針對(duì)DPF受損問題需要推出新法規(guī)，一是在用車超排嚴(yán)重，二是缺乏廣泛實(shí)施、準(zhǔn)確且耗資源少的監(jiān)管手段。

不透光度測(cè)試方法未獲采用，雖然這是GB 3847等標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)量壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)車輛尾氣顆粒物的傳統(tǒng)手段之一，但一是因?yàn)镈PF缺失產(chǎn)生的高PN值與不透光度無(wú)直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，二是因?yàn)楣馕障禂?shù)精度達(dá)0.01 m?1的不透光煙度計(jì)的篩查能力低，可能出現(xiàn)誤判，三是因?yàn)槟隀z站區(qū)域背景信號(hào)的幅值已不可忽略。歐盟Horizon 2020課題的遙測(cè)專項(xiàng)CARES（City Air Remote Emission Sensing，城市空氣污染物遙測(cè)）正在實(shí)施中，今后歐盟將以其結(jié)論作為參考[7]。DPF被篡改從而被繞過(guò)已有先例。

2.1　DPF篡改先例

美國(guó)法規(guī)CAA（Clean Air Act，清潔空氣計(jì)劃） § 203（a）（3）（B）、42 U.S.C.（United States Code，美國(guó)法典）§ 7522（a）（3）（B）及40 C.F.R.（Code of Federal Regulations，美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)）§1068.101（b）（2）禁止篡改DPF，對(duì)于主要作用是繞過(guò)、破壞或使安裝在機(jī)動(dòng)車或發(fā)動(dòng)機(jī)上的任何裝置或設(shè)計(jì)元件失效的零件或組件，禁止任何人制造或銷售、要約出售該單元、或安裝該單元到任何機(jī)動(dòng)車輛或發(fā)動(dòng)機(jī)或作為其一部分[8]。

EPA（Environmental Protection Agency，美國(guó)環(huán)保署）評(píng)估，受篡改影響，2009—2020年售出的柴油卡車超排57萬(wàn)t PM（Particulate Matter，顆粒物）和5千t NO。2020年起，美國(guó)實(shí)施合規(guī)性倡議遏制車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)售后市場(chǎng)失效措施[9]，包括實(shí)施CAA框架下的篡改判別政策[8]和針對(duì)篡改的懲罰政策[10]。例如，2022年，Red Deer Exhaust Inc.和Borla Performance Exhaust Inc.兩家公司因失效措施違法被EPA分別處以160萬(wàn)美元及102萬(wàn)美元罰金[11]，DPF被篡改的案例被列舉在2020年美國(guó)執(zhí)法警示通報(bào)及近年案例中[12]。

ACEA（Association des Constructeurs Européens d'Automobiles，歐洲汽車制造商協(xié)會(huì)）于2017—2018年向UN/ECE PTI工作組提交了從互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站獲悉的汽車排放篡改提供商[13]，其篡改破壞行為分為6組，篩查技術(shù)分為5項(xiàng)，見表3。

表3　網(wǎng)絡(luò)排查出的篡改行為及監(jiān)測(cè)技術(shù)

注：NSC（NOStorage Catalyst，NO存儲(chǔ)催化劑）；SCR（Selective Catalystic Reduction，選擇性催化還原技術(shù)）。

表3信息來(lái)自24個(gè)國(guó)家和地區(qū)，包括奧地利、比利時(shí)等18個(gè)歐盟國(guó)家，以及白俄羅斯、巴西、中國(guó)、俄羅斯、新加坡、土耳其等國(guó)。2017年第75屆GRPE（Working Party on Pollution and Energy，污染物和能耗工作組）的會(huì)議資料指出“德國(guó)媒體報(bào)告顯示歐5、歐6車輛有20%被人為篡改過(guò)”[14]。

PTI工作組于2022年4月設(shè)立了排放反篡改專責(zé)小組，目標(biāo)是防范和識(shí)別排放篡改，重新審視、調(diào)整新車和在用車的法規(guī)框架，使篡改更易于被探查進(jìn)而在社會(huì)上消失[15]。2017—2019年CITA（The International Motor Vehicle Inspection Committee，國(guó)際機(jī)動(dòng)車檢驗(yàn)委員會(huì)）向UN/ECE呈交了篡改調(diào)研，梳理出DPF移除或破損后的特征：排氣管缺失一部分或存在異常焊縫等外觀改動(dòng)跡象；ECU設(shè)置被更改；起過(guò)濾功能的載體被打孔破損、移除或在其上下游增設(shè)的管路旁通一部分氣流。

2.2　PN值測(cè)試方法的應(yīng)用

車輛全壽命合規(guī)為UN/ECE近年提出的新方針。應(yīng)對(duì)排放系統(tǒng)篡改的總體策略是將在用車標(biāo)準(zhǔn)與新車標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，制定在用階段DPF篡改的監(jiān)管測(cè)試手段。JRC認(rèn)為現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)和過(guò)濾捕集技術(shù)已大幅進(jìn)步，而不透光度法敏感度相對(duì)欠佳，例如，受測(cè)車輛通過(guò)了不透光度測(cè)試但沒能通過(guò)限值2.5×105#/cm3的PN測(cè)試[3, 16]。圖1為213輛歐5在用輕型車TNO尾氣PN值（縱軸）和不透光度測(cè)試值（橫軸），通過(guò)縱軸更易于區(qū)分高排放車與其他車，即聚類方面前者顯著于后者[17]。

圖1　歐5在用輕型車尾氣指標(biāo)

荷蘭積極倡導(dǎo)測(cè)量歐5b及歐6車輛怠速時(shí)尾氣PN值，將其作為“輪式車輛環(huán)境保護(hù)定期技術(shù)檢查統(tǒng)一規(guī)定”議題向UN/ECE提議[18]，并向PTI第14次會(huì)議提交了測(cè)試方法概要，向PTI第17次會(huì)議提交了“關(guān)于DPF顆粒計(jì)數(shù)器測(cè)試法規(guī)的立法建議”[19]，向PTI第20次會(huì)議提交了“PN測(cè)量方法的處理建議草案”[20]，已經(jīng)多輪修訂后送審。荷蘭在2019年11月修訂了其1994年制定的《道路交通法》第71條和第71a條等車輛法規(guī)，采用顆粒計(jì)數(shù)器來(lái)檢查車輛DPF狀況，修訂后的法規(guī)已于2022年7月起實(shí)施[1]，其與PTI提出的PN值測(cè)試方法有細(xì)微差別：荷蘭法規(guī)對(duì)于多個(gè)尾氣排出口僅測(cè)一個(gè)管口，對(duì)于設(shè)備50 nm±5%粒徑范圍計(jì)數(shù)效率為60%～130%，限值劃分依據(jù)為表4中車齡。

表4　荷蘭法規(guī)PN限值要求

表5　一些國(guó)家的PN值測(cè)試法規(guī)

比利時(shí)、瑞士、德國(guó)的應(yīng)用計(jì)劃見表5[3]。低、高怠速法在瑞士均有應(yīng)用，低怠速下測(cè)試值小于1×105#/cm3則判定通過(guò)，2 000 r/min高怠速下可判定通過(guò)及不通過(guò)[21]。例如某輛DPF故障車輛的高、低怠速瞬態(tài)PN值如圖2所示，可以看出高怠速下PN值為低怠速下數(shù)值的2倍以上[6]。

圖2　具有DPF故障的歐5b柴油車的PN排放

3　GPF測(cè)試方法展望

GPF（Gasoline Particulate Filter, 汽油機(jī)顆粒捕集器）作為控制GDI（Gasoline Direct Injection, 汽油機(jī)直噴燃燒技術(shù)）或混合噴射下PN排放的手段，其在我國(guó)汽油車中的普及率已攀升至55%，有必要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)管。

常規(guī)PFI（Port Fuel Injection，進(jìn)氣道噴射）發(fā)動(dòng)機(jī)的顆粒物主要生成在冷啟動(dòng)、加速和高負(fù)載工況，GDI的顆粒物主要生成在噴油加濃時(shí)，因而怠速下測(cè)得的PN值代表性欠佳，但便于實(shí)施需被首先考慮。JRC采用怠速法開展GPF車型PN測(cè)試，其與I型試驗(yàn)PN測(cè)試的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3[4]所示。

注：CNG(Compressed Natural Gas, 壓縮天然氣)，LPG（Liquefied Petroleum Gas, 液化石油氣）；WLTC(World-wide harmonized Light duty Test Cycle，全球統(tǒng)一輕型車測(cè)試循環(huán))。

圖3中，JRC測(cè)試了30余輛樣車低怠速下PN值與I型試驗(yàn)PN值（WLTC或NEDC），發(fā)現(xiàn)怠速下PN值2.5×105#/cm3的排放水平對(duì)應(yīng)I型試驗(yàn)PN值4×1012#/km；針對(duì)高排放數(shù)據(jù)點(diǎn)，怠速下PN值2×106#/cm3對(duì)應(yīng)I型試驗(yàn)PN值6×1012#/km。熱態(tài)下測(cè)試的代表性優(yōu)于冷態(tài)，因?yàn)闊釕B(tài)時(shí)載體與殼體間襯墊的小缺陷會(huì)被閉合，冷態(tài)時(shí)該缺陷會(huì)降低過(guò)濾效率。

高怠速及低怠速下PN表現(xiàn)可參考TNO測(cè)試[22]，見表6，其中車型1、3、4無(wú)GPF，車型2含有GPF，車型1、2的PN測(cè)試結(jié)果如圖4～6[22]所示，其中車型2分別測(cè)試了GPF前、后端PN值。表6中3款無(wú)GPF車輛高怠速下PN排放比低怠速下高15～130倍。

表6　4款車型高、低怠速的PN值

圖4　車型1熱態(tài)高、低怠速的PN值

注：NPET(the Nanoparticle Emission Tester, 納米顆粒物排放測(cè)試儀)；APET（Aerosol Particle Emission Tester，氣溶膠顆粒物排放測(cè)試儀）。

圖6　車型2過(guò)濾載體前、后的PN值對(duì)比

圖4～6中平直線為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，低怠速約為800 r/min，高怠速約為2 500 r/min。圖4中各點(diǎn)為PN值，在第2 700 s、第2 800 s左右分別出現(xiàn)低、高怠速，兩者PN值約差1個(gè)數(shù)量級(jí)。圖5、圖6測(cè)試數(shù)據(jù)均為同一輛歐6d車型，圖5中曲線1、2分別為設(shè)備TSI-APET、Model 3795測(cè)得的GPF前PN值，可以看出，高怠速下（約第1 000 s及第1 300 s）發(fā)動(dòng)機(jī)源排數(shù)值反而低于低怠速下數(shù)值（約第1 200 s及第1 500 s），前者略高于1×105#/cm3，后者約為1×107#/cm3。圖6中曲線1與圖5中曲線1、2為同一參數(shù)，圖6中曲線2為經(jīng)GPF載體過(guò)濾后的PN值，相比圖6曲線1低約4個(gè)數(shù)量級(jí)，可以看出，此款歐6d-temp車型經(jīng)過(guò)GPF正常作動(dòng)可顯著減排。

4　結(jié)論

柴油車DPF被移除或嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，PN超排約30倍。污染控制裝置的失效措施及篡改案例在主要經(jīng)濟(jì)國(guó)家屢有出現(xiàn)。

UN/ECE法規(guī)“檢查DPF是否存在或正常工作的最基本要求”將被編入R.E.6子篇章，用于監(jiān)管社會(huì)在用柴油車DPF是否被移除或嚴(yán)重破壞。荷蘭、比利時(shí)、德國(guó)和瑞士最早于2022、2023年實(shí)施該法規(guī)或等效法規(guī)。法規(guī)規(guī)定在怠速工況下測(cè)量車輛PN值，并規(guī)定了專用測(cè)試設(shè)備的性能指標(biāo)、受測(cè)車輛及設(shè)備的狀態(tài)、環(huán)境要求、測(cè)試操作流程等，將測(cè)得的PN值與相應(yīng)限值進(jìn)行比較。

有必要對(duì)GPF開展同等監(jiān)管，相應(yīng)法規(guī)研究尚處于起步階段，已開展的GPF PN測(cè)試選擇了怠速工況，預(yù)期DPF PN測(cè)試設(shè)備適用于GPF測(cè)試。

[1]Ministry of Infrastructure and Water Management of Netherland. Government Gazette 2019, 63953, Regulation of the Minister for the Environment and Housing of 21 November 2019, no. IENW/BSK-2019/ 202498, Amending the Regulation on Vehicles to Enable the Inspection of Particulate Filters with a Particulate Counter and to Make a Number of Other Technical Changes[S/OL]. (2019-11-22)[2022-11-12]. https://zoek. officielebekendmakingen.nl/stcrt- 2019-63953. html.

[2]IWG on PTI of UN/ECE. Minimum Requirements for Checking the Presence and Proper Working of Diesel Particulate Filters (paragraph 7 of Resolution R.E.6)[S/OL]. (2022-06-06)[2022-11-12]. https://wiki. unece.org/download/attachments/171868219/GRPE-86-XXe_FC%20%28002%20GKa%29.docx?api=v2.

[3]Joint Research Centre of EC. Periodic Technical Inspection: Particle Number (PN) Measurements, Informal document GRPE-86-30 for GRPE[R/OL].(2022-06-06)[2022-11-12].https://unece.org/sites/default/ files/2022-05/GRPE-86-30e.pdf : P2-12.

[4]BAROUCH G, TERO L, RICARDO S, etc, Comparisons of Laboratory and On-Road Type-Approval Cycles with Idling Emissions. Implications for Periodical Technical Inspection (PTI) Sensors[J]. Sensors, 2020, 20, 5790.DOI:10.3390/s20205790:P8-14.

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2022-12-15

U467.4+99

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.001

1002-4581（2023）02-0001-06