張 凡 郭冬冬 李 昂 于津濤

（1-中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300 2-北京市機動車排放管理事務中心）

引言

汽車尾氣中的顆粒物排放問題一直是人們關注的熱點問題。隨著排放標準的不斷加嚴，在顆粒物質量（Particle Mass，PM）排放受到限制之外，顆粒物數量（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量方法（中國第六階段）》（簡稱國六標準）[1]，國六標準中的NOx和PM 排放限值分別比國五標準加嚴了77%和67%，且國六標準新增了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《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》[2]修改單及HJ 1014-2020《非道路柴油移動機械污染物排放控制技術要求》[3]，為了解決非道路移動機械冒黑煙的問題，新增PN 排放限值，規(guī)定PN 排放必須≤5×1012#/（kW·h）。因此，針對PM和PN 排放開展研究是十分必要的。

為了滿足更加嚴格的排放標準要求，國六標準柴油機（簡稱國六柴油機）加裝柴油機顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF），大幅度降低了柴油車的PM和PN 排放[4]。同時，更加復雜的測試過程（冷、熱態(tài)WHTC 測試循環(huán)）和更加嚴格的排放限值對排放測試精度有了更高的要求。Imad A.等[5]、Ayala A.等[6]、李昊等[7]通過整車轉鼓試驗和發(fā)動機臺架試驗，分別針對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進氣壓降、進氣濕度、排氣背壓、中冷后溫度、中冷壓差等參數對顆粒物排放測試的影響程度開展了研究?？偟膩碚f，還需要進一步加強國六柴油機PN 排放測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)+顆粒物計數器以及全流稀釋定容采樣系統(tǒng)+顆粒物計數器2 種測試系統(tǒng)進行了PN 排放的測量，并且對比了顆粒物計數器在發(fā)動機排氣中直接采樣和在稀釋排氣中采樣的差異。進行了不同測試循環(huán)的臺架排放試驗，研究了發(fā)動機在使用不同后處理系統(tǒng)時，顆粒物計數器的稀釋比對PN 排放的影響，并對現有測試設備中凝聚顆粒物計數器（Condensation Particle Counter，CPC）的適用性進行了評價。

1 試驗設備和試驗方法

試驗用發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)主要由試驗用發(fā)動機、測功機系統(tǒng)、發(fā)動機冷卻水溫度控制系統(tǒng)、發(fā)動機進氣控制系統(tǒng)以及采樣和排放分析系統(tǒng)等部分組成，臺架測試系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 試驗用發(fā)動機臺架測試系統(tǒng)示意圖

本試驗中，測功機用于控制發(fā)動機的轉速和轉矩；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、進氣空調和冷卻水恒溫系統(tǒng)用于控制發(fā)動機的燃油供給、進氣條件和冷卻水溫度。采用國六標準中規(guī)定的激光凝聚顆粒物計數方法，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)動機稀釋排氣中可揮發(fā)的核態(tài)顆粒去除，然后在凝聚顆粒物計數器（CPC）中將丁醇蒸汽凝結在顆粒表面，形成10μm 以上的大粒徑顆粒，最后使用激光散射方法探測PN。顆粒物計數器只對固態(tài)的積聚態(tài)顆粒進行采集和測量。具體的試驗裝置及儀器型號見表1。

表1 試驗裝置及儀器型號

依據排放標準要求，本文對柴油機排放進行熱態(tài)WHTC 循環(huán)和WHSC 循環(huán)測試，熱態(tài)WHTC 循環(huán)和WHSC 循環(huán)的轉速和轉矩規(guī)范值曲線分別如圖2和圖3 所示。

圖2 熱態(tài)WHTC 循環(huán)轉速和轉矩規(guī)范值曲線

圖3 WHSC 循環(huán)轉速和轉矩規(guī)范值分布圖

2 試驗結果和分析

2.1 顆粒物采樣方式對PN 排放測試結果的影響

GB 17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)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）》[8]規(guī)定：對于ETC（瞬態(tài)循環(huán)）試驗，只能采用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)測定氣態(tài)污染物和顆粒物，并作為基準系統(tǒng)。隨著部分流顆粒物采樣技術的逐漸提高，GB 17691-2005 修改方案中規(guī)定：對于ETC 試驗，應采用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)或符合ISO 16183-2002《重型機車：未處理排氣的氣體排放測量和瞬變試驗條件下用部分流體稀釋系統(tǒng)測量粒子排放》規(guī)定的系統(tǒng)測定氣態(tài)污染物和顆粒物。而GB 20891-2014《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法（中國第三、四階段）》規(guī)定了顆粒物的測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)。國六標準中規(guī)定：對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)取樣測定。型式檢驗和環(huán)境保護主管部門監(jiān)督檢查時，應采用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)進行試驗。

為了探討不同顆粒物采樣方式對PN 排放測量結果的影響，本文在1 臺國六柴油機（1#）和1 臺國五柴油機（2#）上分別使用在發(fā)動機排氣中直接采樣、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 種采樣方式進行PN 排放測量。顆粒物計數器在測量時，稀釋模式的最小稀釋比為100。為了避免試驗方法和儀器設備的準確性和重復性影響試驗結果，每臺發(fā)動機在每種采樣方式下至少進行3次試驗，使用3次試驗的平均值作為最終結果進行分析。本試驗使用的1#柴油機和2#柴油機的關鍵參數/特性見表2。

表2 試驗用1#和2#發(fā)動機關鍵參數/特性

圖4 和圖5 分別為1#柴油機和2#柴油機使用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 排放測量結果對比。

圖4 1#柴油機使用3 種不同采樣方式的PN 排放測量結果對比

圖5 2#柴油機使用3 種不同采樣方式的PN 排放測量結果對比

從圖4 和圖5 可以看出，無論是1#柴油機還是2#柴油機，無論是WHSC 循環(huán)還是熱態(tài)WHTC 循環(huán)，3 種采樣方式的PN 排放測量結果的順序均為：通過全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣（CVS AddOn）＞在發(fā)動機排氣中直接采樣＞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，以CVS AddOn 的PN排放測量結果為基準，WHSC 循環(huán)和熱態(tài)WHTC 循環(huán)，在發(fā)動機排氣中直接采樣的PN 排放測量結果分別為CVS AddOn 的89%和85%，而SPCS AddOn 的PN 排放測量結果分別為CVS AddOn 的66%和76%。

從圖5 可以看出，2#柴油機，以CVS AddOn 的PN 排放測量結果為基準，WHSC 循環(huán)和熱態(tài)WHTC循環(huán)，在發(fā)動機排氣中直接采樣的PN 排放測量結果分別為CVS AddOn 的89%和92%，而SPCS AddOn的PN 排放測量結果分別為CVS AddOn 的58%和73%。

結果表明，使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)時，顆粒物計數器的測試結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)動機排氣中直接采樣。因此，在發(fā)動機臺架上進行測試循環(huán)的PN 排放測量時，要優(yōu)先選擇使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)。

2.2 顆粒物采樣系統(tǒng)稀釋比對PN 排放測試結果的影響

為了研究顆粒物采樣系統(tǒng)不同稀釋比對PN 排放測量結果的影響程度，使用1 臺國五柴油機（2#）和1 臺國六柴油機（3#）分別進行熱態(tài)WHTC 和WHSC 測試循環(huán)。試驗中，改變顆粒物采樣系統(tǒng)的稀釋比，然后進行PN 排放測量。本試驗使用的2#和3#柴油機的關鍵參數/特性見表3。

表3 試驗用2#和3#發(fā)動機關鍵參數/特性

圖6 為2#柴油機使用部分流顆粒物采樣系統(tǒng)采樣時不同稀釋比的PN 排放測量結果對比。其中，顆粒物計數器（稀釋模式）的稀釋比為100～500。

圖6 2#柴油機使用部分流顆粒物采樣系統(tǒng)采樣時不同稀釋比的PN 排放測量結果對比

圖7 為2#柴油機在發(fā)動機排氣中直接采樣時不同稀釋比的PN 排放測量結果對比。其中，WHSC循環(huán)，顆粒物計數器（直接采樣模式）的稀釋比為2 000～5 250；熱態(tài)WHTC 循環(huán)，顆粒物計數器（直接采樣模式）的稀釋比為2 000～20 000。

圖7 2#柴油機在發(fā)動機排氣中直接采樣時不同稀釋比的PN 排放測量結果對比

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)動機排氣中直接采樣，無論是WHSC 循環(huán)還是熱態(tài)WHTC 循環(huán)，隨著顆粒物計數器的稀釋比增加，PN 排放有降低的趨勢，但是降低幅度較??；而CPC 的測量值基本上隨著稀釋比的增加呈乘冪關系下降。

從圖6 可以看出，2#柴油機，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，CPC的測量值分別從最小稀釋比100 時的2 802#/cm3和3 287 #/cm3降低為最大稀釋比500 時的527 #/cm3和629#/cm3。

從圖7a 可以看出，2#柴油機，WHSC 循環(huán)，使用在發(fā)動機排氣中直接采樣時，CPC 的測量值從最小稀釋比2 000 時的3 266 #/cm3降低為最大稀釋比5 250 時的1 163#/cm3；從圖7b 可以看出，2#柴油機，熱態(tài)WHTC 循環(huán)，使用在發(fā)動機排氣中直接采樣時，CPC 的測量值從最小稀釋比2 000 時的3 215#/cm3降低為最大稀釋比20 000 時的280#/cm3。

圖8 為2#柴油機WHSC 循環(huán)在發(fā)動機排氣中直接采樣時不同稀釋比的PN 瞬態(tài)排放測量結果對比。

圖8 2#柴油機WHSC 循環(huán)在發(fā)動機排氣中直接采樣時不同稀釋比的PN 瞬態(tài)排放測量結果對比

從圖8a 可以看出，2#柴油機，WHSC 循環(huán)，使用在發(fā)動機排氣中直接采樣時，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，WHSC 循環(huán)，使用在發(fā)動機排氣中直接采樣時，CPC測量值的最大值出現在最小稀釋比為2 000 時，為15 000#/cm3。

圖9 為2#柴油機熱態(tài)WHTC 循環(huán)在發(fā)動機排氣中直接采樣時不同稀釋比的PN 瞬態(tài)排放測量結果對比。

圖9 2#柴油機熱態(tài)WHTC 循環(huán)在發(fā)動機排氣中直接采樣時不同稀釋比的PN 瞬態(tài)排放測量結果對比

從圖9a 可以看出，2# 柴油機，熱態(tài)WHTC 循環(huán)，使用在發(fā)動機排氣中直接采樣時，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，熱態(tài)WHTC 循環(huán)，使用在發(fā)動機排氣中直接采樣時，CPC 的測量值隨著稀釋比的增加呈階梯下降，CPC 測量值的最大值出現在最小稀釋比為2 000時，為30 000#/cm3。

AVL APC 489 的CPC 量程為50 000#/cm3，與國五柴油機的PN 排放水平基本匹配。

圖10 為3#柴油機使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣時不同稀釋比的PN 排放測量結果對比。

從圖10 可以看出，3#柴油機，使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣、進行WHSC 循環(huán)和熱態(tài)WHTC 循環(huán)測試時，顆粒物計數器（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)，隨著顆粒物計數器的稀釋比增加，PN 排放有降低的趨勢，但是降低幅度較小。而CPC 的測量值基本上隨著稀釋比的增加呈乘冪關系下降，WHSC 循環(huán)和熱態(tài)WHTC 循環(huán)，CPC 的測量值分別從最小稀釋比100 時的20 #/cm3和19 #/cm3降低為最大稀釋比500 時的4#/cm3和3#/cm3。

圖10 3#柴油機使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣時不同稀釋比的PN 排放測量結果對比

圖11 為3#柴油機WHSC 循環(huán)使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣時不同稀釋比的PN 瞬態(tài)排放測量結果對比。

圖11 3#柴油機WHSC 循環(huán)使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣時不同稀釋比的PN 瞬態(tài)排放測量結果對比

從圖11a 可以看出，3#柴油機，WHSC 循環(huán)，使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣時，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PN 瞬態(tài)峰值降低非常明顯；從圖11b 可以看出，CPC 的測量值隨著稀釋比的增加呈階梯下降，CPC 測量值的最大值出現在最小稀釋比100 時（稀釋模式），為311 #/cm3，遠遠小于AVL APC 489 的CPC 量程50 000#/cm3。結果說明，CPC 量程已無法與國六柴油機的PN 排放水平匹配。為了提高國六柴油機PN 排放的測量精度，在使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)時，需要將顆粒物計數器的稀釋比最小值設置為100。

2.3 發(fā)動機進氣條件對PN 排放測試結果的影響

為了研究不同進氣條件下的PN 排放水平，使用1 臺國六柴油機（4#）分別進行不同進氣濕度和進氣溫度條件下WHSC 循環(huán)的PN 排放測試。本試驗使用的4#柴油機的關鍵參數/特性見表4。

表4 試驗用4#發(fā)動機關鍵參數/特性

圖12 為4#柴油機WHSC 循環(huán)不同進氣條件下的PN 排放測量結果對比。其中，進氣濕度為30%～56%，進氣溫度為21℃～31℃。

圖12 4#柴油機WHSC 循環(huán)不同進氣條件下的PN排放測量結果對比

從圖12a 可以看出，4#柴油機，WHSC 循環(huán)，隨著進氣濕度的增加，PN 排放升高，但是升高幅度較小，為23%；從圖12b 可以看出，進氣溫度在21～31.5 ℃范圍內變化時，PN 排放變化不是很大。試驗結果表明，進氣溫度和濕度對PN 排放測量結果的影響較小。

圖13 為4#柴油機WHSC 循環(huán)不同進氣濕度時的PN 瞬態(tài)排放測量結果。

圖13 4#柴油機WHSC 循環(huán)不同進氣濕度時的PN 瞬態(tài)排放測量結果

圖14 為4#柴油機WHSC 循環(huán)不同進氣溫度時的PN 瞬態(tài)排放測量結果。

圖14 4#柴油機WHSC 循環(huán)不同進氣溫度時的PN 瞬態(tài)排放測量結果

從圖13a 可以看出，4#柴油機，WHSC 循環(huán)，隨著進氣濕度的增加，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，WHSC 循環(huán)，不同進氣溫度下，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，WHSC 循環(huán)，不同進氣濕度和溫度下，CPC 測量值的最大值均不超過40 #/cm3，遠小于AVL APC 489 的CPC 量程50 000 #/cm3，建議通過降低CPC 量程進一步提高PN 排放測試精度。

3 結論

1）使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)采樣時，顆粒物計數器的測量結果要大幅度高于使用部分流顆粒物采樣系統(tǒng)采樣時，略高于在發(fā)動機排氣中直接采樣。因此，在發(fā)動機臺架上進行WHSC 循環(huán)和熱態(tài)WHTC 循環(huán)的PN 排放測量時，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)，隨著顆粒物計數器稀釋比的增加，PN 排放有降低的趨勢，但是降低幅度較小，而CPC 的測量值基本上隨著稀釋比的增加呈乘冪關系下降。

3）為了提高國六柴油機PN 排放測試精度，在使用全流稀釋定容采樣系統(tǒng)時，需要將顆粒物計數器的稀釋比最小值設置為100。