重型國(guó)六發(fā)動(dòng)機(jī)細(xì)顆粒物排放研究

張鴻杰 高磊 陶漢國(guó) 徐富強(qiáng)

摘 要：隨著排放法規(guī)的不斷升級(jí)，對(duì)于10nm以上顆粒物排放進(jìn)行管控的需求持續(xù)增強(qiáng)。為探究23nm以上顆粒物數(shù)量（PN23）和10nm以上顆粒物數(shù)量（PN10）排放特性差異，本文選用一款符合國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上運(yùn)行重型車實(shí)際道路車載法排放試驗(yàn)循環(huán)（PEMS），冷熱態(tài)WHTC循環(huán)和WHSC循環(huán)，使用顆粒物計(jì)數(shù)器對(duì)試驗(yàn)中PN23和PN10同時(shí)進(jìn)行采樣測(cè)量。結(jié)果表明，PN10和PN23的瞬態(tài)排放規(guī)律基本一致；各次試驗(yàn)中PN10比排放結(jié)果均顯著高于PN23，但對(duì)于不同測(cè)試循環(huán)，PN10和PN23排放差異有所不同；雖然PN10比排放結(jié)果顯著高于PN23，但其結(jié)果仍可滿足國(guó)六排放法規(guī)要求，在法規(guī)限值不加嚴(yán)的前提下，現(xiàn)有DPF技術(shù)可以應(yīng)對(duì)由PN23向PN10的切換。

關(guān)鍵詞：顆粒物數(shù)量 細(xì)顆粒物 重型柴油機(jī) PEMS試驗(yàn) 排放

Research on the Emission of Sub-23nm Particles for China VI Heavy-duty Engines

Zhang Hongjie Gao Lei Tao Hanguo Xu Fuqiang

Abstract：With the continuous upgrading of emission regulations， the demand for controlling the emission of sub-23nm particle continues to increase. In order to explore the differences in emission characteristics between particle number with diameter above 23nm （PN23） and particle number with diameter above 10nm （PN10）. The actual on-road emission test cycle （PEMS）， cold and hot WHTC cycle and WHSC cycle were run on the engine bench based on a heavy-duty diesel engine conforming to China VI， PN23 and PN10 were sampled and measured simultaneously using a particle counter. The results show that the emission of PN10 is significantly higher than that of PN23 in all tests， however， for different test cycles， the emission differences of PN10 and PN23 are different. Although the emission result of PN10 is significantly higher than that of PN23， the result can still meet the requirements of China VI emission regulations， the existing DPF technology can cope with the transition from PN23 to PN10 under the premise that the regulatory limit is not tightened.

Key words：particle number; sub-23nm particle; heavy-duty diesel engine; PEMS test; emission

1 前言

機(jī)動(dòng)車尾氣排放是大氣污染的一大原因，而隨著機(jī)動(dòng)車保有量的增長(zhǎng)，車輛使用年限的累積，由機(jī)動(dòng)車尾氣排放帶來的問題日益凸顯[1，2]。由機(jī)動(dòng)車造成的顆粒物排放環(huán)境和人體健康均構(gòu)成危害，顆粒物的環(huán)境危害主要源于其光學(xué)特性，粒子通過吸收與散射光，降低能見度，導(dǎo)致霧霾天氣的發(fā)生[3]。一般來說直徑大于5.0μm的顆粒物可被上呼吸道攔截，小于2.5μm的顆粒物易發(fā)生成積反應(yīng)，可附著于肺泡，嚴(yán)重危害人體健康[4]。生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國(guó)移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)（2021）》[5]數(shù)據(jù)顯示，2020年中國(guó)機(jī)動(dòng)車顆粒物排放量達(dá)到6.8萬噸，其中柴油車顆粒物排放量占比超過90%。

為限制顆粒物排放，生態(tài)環(huán)境部2018年發(fā)布《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》[6]，除了對(duì)前一階段排放法規(guī)中已有限值要求的顆粒物質(zhì)量（PM）進(jìn)一步加嚴(yán)，可新引入了對(duì)顆粒物數(shù)量（PN）的限值要求。目前重型國(guó)六排放法規(guī)中對(duì)PN定義為粒徑介于23nm和2.5μm之間的顆粒物，隨著今年來對(duì)顆粒物研究的持續(xù)深入，發(fā)現(xiàn)粒徑小于23nm的顆粒物帶來的影響與危害同樣不容小覷。

對(duì)于柴油機(jī)，尤其是重型柴油機(jī)而言，由于其顆粒物排放粒徑相對(duì)較大[7]，因而此方面研究較少。隨著國(guó)六法規(guī)的應(yīng)用，柴油機(jī)高壓共軌壓力提升，噴霧更細(xì)，生成的顆粒物粒徑降低[8，9]。2022年11月10日，歐盟委員會(huì)公布了最新的歐七提案。升級(jí)污染物排放限值和要求，PN的檢測(cè)要求從此前的23nm降為10nm。而國(guó)七預(yù)研工作組也將對(duì)PN的監(jiān)測(cè)要求降至10nm做為一項(xiàng)重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。因此，本文選用一款符合國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，分別在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上運(yùn)行重型車實(shí)際道路車載法排放試驗(yàn)循環(huán)（PEMS），冷熱態(tài)WHTC循環(huán)和WHSC循環(huán)，使用顆粒物計(jì)數(shù)器對(duì)試驗(yàn)中的23nm以上顆粒物數(shù)量（PN23）和10nm以上顆粒物數(shù)量（PN10）同時(shí)進(jìn)行采樣測(cè)量。探究不同條件下PN10和PN23的排放特性。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)

選用一臺(tái)滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的13L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)見表1。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)所用設(shè)備如表2所示。

AVL APC App為滿足目前階段國(guó)六排放法規(guī)要求的設(shè)備，可對(duì)23nm以上顆粒物數(shù)量（PN23）進(jìn)行測(cè)量。AVL APC App 10是AVL針對(duì)未來法規(guī)開發(fā)的新款顆粒計(jì)數(shù)器設(shè)備，可同時(shí)對(duì)23nm以上顆粒物數(shù)量（PN23）和10nm以上顆粒物數(shù)量（PN10）進(jìn)行測(cè)量。

2.3 試驗(yàn)方案

由于PEMS試驗(yàn)前允許進(jìn)行預(yù)處理，為消除由DPF碳載量差異對(duì)顆粒物排放結(jié)果的影響，本文在全部試驗(yàn)前均將DPF加載至3g/L的碳載量水平，冷熱態(tài)WHTC和WHSC試驗(yàn)開始前，將DPF內(nèi)積碳清空。分別在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行PEMS試驗(yàn)，冷熱態(tài)WHTC試驗(yàn)和WHSC試驗(yàn)，對(duì)比前后試驗(yàn)結(jié)果，以探究不同試驗(yàn)循環(huán)中PN10和PN23排放差異。具體試驗(yàn)方案如表3所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 PEMS試驗(yàn)結(jié)果分析

PEMS試驗(yàn)下顆粒物累積排放情況如圖1所示。PN10累積排放為7.73E+8#，PN23累積排放為5.04E+8#；根據(jù)國(guó)六排放法規(guī)要求計(jì)算得到的PEMS試驗(yàn)顆粒物比排放結(jié)果分別為：PN10 比排放為9.60E+11#/（kWh），PN23比排放為7.77E+11#/（kWh），二者均滿足國(guó)六排放法規(guī)要求，PN10比PN23高23.5%。

PEMS試驗(yàn)中的顆粒物數(shù)量排放呈現(xiàn)出明顯差異。試驗(yàn)前2000s顆粒物數(shù)量瞬態(tài)排放低，累積排放增加幅度不明顯。主要由兩個(gè)原因?qū)е?，一是因?yàn)楸驹囼?yàn)中所用DPF均在試驗(yàn)開始前進(jìn)行加載，碳顆粒附著于孔道內(nèi)腔壁面，使載體孔徑變小，顆粒物更難以通過DPF孔道，捕集效率提高，因此試驗(yàn)冷啟動(dòng)階段沒有出現(xiàn)PN排放高峰；二是因?yàn)樵谶@一階段，排溫和排氣背壓相對(duì)較低，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較小，不利于顆粒物的生成。在這一階段，由于顆粒物排放量低，PN10和PN23之間并無顯著差異。在2000s至8000s，由于排氣溫度較高，有利于顆粒物在排氣管路中氧化成更細(xì)小的顆粒物，因此在這一階段，PN10排放顯著高于PN23。在8000s之后，觸發(fā)被動(dòng)再生，附著在DPF孔道內(nèi)壁的顆粒物迅速氧化，從而使得顆粒物排放明顯上升，這一階段，PN10和PN23的差異不明顯，由此表明此階段顆粒物排放粒徑相對(duì)較大。

3.2 冷熱態(tài)WHTC試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為冷熱態(tài)WHTC試驗(yàn)下的PN10和PN23比排放結(jié)果。在冷態(tài)WHTC試驗(yàn)中，PN10和PN23的比排放分別為2.31E+12#/（kWh）和1.94E+12#/（kWh），PN10比PN23高16%；熱態(tài)WHTC試驗(yàn)中，PN10和PN23的比排放分別為1.20E+11#/（kWh）和3.59E+10#/（kWh），PN10比PN23高70.1%。冷熱態(tài)加權(quán)PN10比排放結(jié)果為4.27E+11#/（kWh），PN23比排放結(jié)果為3.02E+11#/（kWh），PN10比PN23高29.1%，二者均滿足國(guó)六排放法規(guī)要求。

圖4為冷態(tài)WHTC試驗(yàn)的瞬態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)。從瞬態(tài)排放特征來看PN10和PN23的變化規(guī)律一致，即二者同時(shí)出現(xiàn)激增或趨于平緩。從累積排放來看，PN排放主要集中在兩個(gè)階段，第一階段是冷啟動(dòng)階段（0-150s），由于在啟動(dòng)階段加濃，噴油量增加，顆粒物生成大幅增多，此外，由于啟動(dòng)階段排溫相對(duì)較低，顆粒物氧化能力不強(qiáng)，從而導(dǎo)致此階段顆粒物排放較高。第二階段為280-550s，排氣溫度回落，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工況突然加高時(shí)，混合器加濃，噴油量增加，從而導(dǎo)致顆粒物排放出現(xiàn)較為明顯的峰值。

PN10和PN23排放的差異主要集中在試驗(yàn)1200-1800s，PN10累積排放量為1.64E+12#，PN23累積排放為5.80E11#，此階段PN10 累積排放量較PN23高182.5%，由于此階段排溫較高，大粒徑的顆粒物更易于被氧化成粒徑相對(duì)較小的顆粒，因此PN10排放顯著高于PN23。

圖5為熱態(tài)WHTC試驗(yàn)的瞬態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)。從瞬態(tài)排放特征來看，雖然PN10和PN23仍保持一致的變化規(guī)律，但與冷態(tài)WHTC相比，二者排放量差異更為顯著。熱態(tài)WHTC試驗(yàn)中，啟動(dòng)階段并未出現(xiàn)顯著的顆粒物排放峰值，主要是因?yàn)樵跓釕B(tài)條件下，無需加濃混合器，從而使顆粒物生成量大幅減少。在試驗(yàn)中后期階段，PN10和PN23均有明顯增加，且PN10增幅更為顯著。主要是由于在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)階段，顆粒物排放增加，而由于排溫較高，大粒徑的顆粒物更易于被氧化成粒徑相對(duì)較小的顆粒，因此PN10排放顯著高于PN23。

3.3 WHSC試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6為WHSC試驗(yàn)下的PN10和PN23比排放結(jié)果，PN10和PN23的比排放分別為1.98E+11#/（kWh）和5.39E+10#/（kWh），PN10比PN23高72.8%。二者均滿足國(guó)六排放法規(guī)要求。

圖7為WHSC試驗(yàn)的瞬態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)。從瞬態(tài)排放特征來看PN10和PN23的變化規(guī)律一致，即二者同時(shí)出現(xiàn)激增或區(qū)域平緩，但PN10排放較PN23更為顯著。在第6工況出現(xiàn)顆粒物排放峰值，此外在第5、10、11工況也出現(xiàn)較為明顯的顆粒物排放。

4 結(jié)論

本文基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架開展PEMS試驗(yàn)，冷熱態(tài)WHTC試驗(yàn)以及WHSC試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)PN10和PN23進(jìn)行采樣測(cè)量，得出以下結(jié)論：

1）PN10和PN23的瞬態(tài)排放規(guī)律基本一致；

2）PN10排放明顯高于PN23，不同測(cè)試循環(huán)下，PN10和PN23排放差異有所不同，PEMS試驗(yàn)中PN10比PN23高23.5%；冷態(tài)WHTC試驗(yàn)中PN10比PN23高16.0%，熱態(tài)WHTC試驗(yàn)中PN10比PN23高70.1%，冷熱態(tài)WHTC加權(quán)結(jié)果PN10比PN23高29.1%；WHSC試驗(yàn)中PN10比PN23高72.8%。

3）雖然PN10排放顯著高于PN23，但在各次試驗(yàn)中，PN10比排放結(jié)果仍可以滿足國(guó)六排放法規(guī)要求。在法規(guī)限值不加嚴(yán)的前提下，現(xiàn)有DPF技術(shù)可以應(yīng)對(duì)由PN23向PN10的切換。

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