重型國六發動機細顆粒物排放研究

張鴻杰 高磊 陶漢國 徐富強

摘 要：隨著排放法規的不斷升級，對于10nm以上顆粒物排放進行管控的需求持續增強。為探究23nm以上顆粒物數量（PN23）和10nm以上顆粒物數量（PN10）排放特性差異，本文選用一款符合國六標準的重型柴油發動機，在發動機臺架上運行重型車實際道路車載法排放試驗循環（PEMS），冷熱態WHTC循環和WHSC循環，使用顆粒物計數器對試驗中PN23和PN10同時進行采樣測量。結果表明，PN10和PN23的瞬態排放規律基本一致；各次試驗中PN10比排放結果均顯著高于PN23，但對于不同測試循環，PN10和PN23排放差異有所不同；雖然PN10比排放結果顯著高于PN23，但其結果仍可滿足國六排放法規要求，在法規限值不加嚴的前提下，現有DPF技術可以應對由PN23向PN10的切換。

關鍵詞：顆粒物數量 細顆粒物 重型柴油機 PEMS試驗 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

機動車尾氣排放是大氣污染的一大原因，而隨著機動車保有量的增長，車輛使用年限的累積，由機動車尾氣排放帶來的問題日益凸顯[1，2]。由機動車造成的顆粒物排放環境和人體健康均構成危害，顆粒物的環境危害主要源于其光學特性，粒子通過吸收與散射光，降低能見度，導致霧霾天氣的發生[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的顆粒物易發生成積反應，可附著于肺泡，嚴重危害人體健康[4]。生態環境部發布的《中國移動源環境管理年報（2021）》[5]數據顯示，2020年中國機動車顆粒物排放量達到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，生態環境部2018年發布《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[6]，除了對前一階段排放法規中已有限值要求的顆粒物質量（PM）進一步加嚴，可新引入了對顆粒物數量（PN）的限值要求。目前重型國六排放法規中對PN定義為粒徑介于23nm和2.5μm之間的顆粒物，隨著今年來對顆粒物研究的持續深入，發現粒徑小于23nm的顆粒物帶來的影響與危害同樣不容小覷。

對于柴油機，尤其是重型柴油機而言，由于其顆粒物排放粒徑相對較大[7]，因而此方面研究較少。隨著國六法規的應用，柴油機高壓共軌壓力提升，噴霧更細，生成的顆粒物粒徑降低[8，9]。2022年11月10日，歐盟委員會公布了最新的歐七提案。升級污染物排放限值和要求，PN的檢測要求從此前的23nm降為10nm。而國七預研工作組也將對PN的監測要求降至10nm做為一項重點研究內容。因此，本文選用一款符合國六標準的重型柴油發動機，分別在發動機臺架上運行重型車實際道路車載法排放試驗循環（PEMS），冷熱態WHTC循環和WHSC循環，使用顆粒物計數器對試驗中的23nm以上顆粒物數量（PN23）和10nm以上顆粒物數量（PN10）同時進行采樣測量。探究不同條件下PN10和PN23的排放特性。

2 試驗方案

2.1 試驗發動機

選用一臺滿足國六排放標準的13L柴油發動機進行試驗，發動機相關參數見表1。

2.2 試驗設備

本試驗所用設備如表2所示。

AVL APC App為滿足目前階段國六排放法規要求的設備，可對23nm以上顆粒物數量（PN23）進行測量。AVL APC App 10是AVL針對未來法規開發的新款顆粒計數器設備，可同時對23nm以上顆粒物數量（PN23）和10nm以上顆粒物數量（PN10）進行測量。

2.3 試驗方案

由于PEMS試驗前允許進行預處理，為消除由DPF碳載量差異對顆粒物排放結果的影響，本文在全部試驗前均將DPF加載至3g/L的碳載量水平，冷熱態WHTC和WHSC試驗開始前，將DPF內積碳清空。分別在發動機臺架上進行PEMS試驗，冷熱態WHTC試驗和WHSC試驗，對比前后試驗結果，以探究不同試驗循環中PN10和PN23排放差異。具體試驗方案如表3所示。

3 試驗結果與分析

3.1 PEMS試驗結果分析

PEMS試驗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#；根據國六排放法規要求計算得到的PEMS試驗顆粒物比排放結果分別為：PN10 比排放為9.60E+11#/（kWh），PN23比排放為7.77E+11#/（kWh），二者均滿足國六排放法規要求，PN10比PN23高23.5%。

PEMS試驗中的顆粒物數量排放呈現出明顯差異。試驗前2000s顆粒物數量瞬態排放低，累積排放增加幅度不明顯。主要由兩個原因導致，一是因為本試驗中所用DPF均在試驗開始前進行加載，碳顆粒附著于孔道內腔壁面，使載體孔徑變小，顆粒物更難以通過DPF孔道，捕集效率提高，因此試驗冷啟動階段沒有出現PN排放高峰；二是因為在這一階段，排溫和排氣背壓相對較低，發動機負荷較小，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，觸發被動再生，附著在DPF孔道內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較大。

3.2 冷熱態WHTC試驗結果分析

圖3為冷熱態WHTC試驗下的PN10和PN23比排放結果。在冷態WHTC試驗中，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WHTC試驗中，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%。冷熱態加權PN10比排放結果為4.27E+11#/（kWh），PN23比排放結果為3.02E+11#/（kWh），PN10比PN23高29.1%，二者均滿足國六排放法規要求。

圖4為冷態WHTC試驗的瞬態測試數據。從瞬態排放特征來看PN10和PN23的變化規律一致，即二者同時出現激增或趨于平緩。從累積排放來看，PN排放主要集中在兩個階段，第一階段是冷啟動階段（0-150s），由于在啟動階段加濃，噴油量增加，顆粒物生成大幅增多，此外，由于啟動階段排溫相對較低，顆粒物氧化能力不強，從而導致此階段顆粒物排放較高。第二階段為280-550s，排氣溫度回落，當發動機工況突然加高時，混合器加濃，噴油量增加，從而導致顆粒物排放出現較為明顯的峰值。

PN10和PN23排放的差異主要集中在試驗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較小的顆粒，因此PN10排放顯著高于PN23。

圖5為熱態WHTC試驗的瞬態測試數據。從瞬態排放特征來看，雖然PN10和PN23仍保持一致的變化規律，但與冷態WHTC相比，二者排放量差異更為顯著。熱態WHTC試驗中，啟動階段并未出現顯著的顆粒物排放峰值，主要是因為在熱態條件下，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。主要是由于在高負荷運轉階段，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較小的顆粒，因此PN10排放顯著高于PN23。

3.3 WHSC試驗結果分析

圖6為WHSC試驗下的PN10和PN23比排放結果，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%。二者均滿足國六排放法規要求。

圖7為WHSC試驗的瞬態測試數據。從瞬態排放特征來看PN10和PN23的變化規律一致，即二者同時出現激增或區域平緩，但PN10排放較PN23更為顯著。在第6工況出現顆粒物排放峰值，此外在第5、10、11工況也出現較為明顯的顆粒物排放。

4 結論

本文基于發動機臺架開展PEMS試驗，冷熱態WHTC試驗以及WHSC試驗，同時對PN10和PN23進行采樣測量，得出以下結論：

1）PN10和PN23的瞬態排放規律基本一致；

2）PN10排放明顯高于PN23，不同測試循環下，PN10和PN23排放差異有所不同，PEMS試驗中PN10比PN23高23.5%；冷態WHTC試驗中PN10比PN23高16.0%，熱態WHTC試驗中PN10比PN23高70.1%，冷熱態WHTC加權結果PN10比PN23高29.1%；WHSC試驗中PN10比PN23高72.8%。

3）雖然PN10排放顯著高于PN23，但在各次試驗中，PN10比排放結果仍可以滿足國六排放法規要求。在法規限值不加嚴的前提下，現有DPF技術可以應對由PN23向PN10的切換。

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