重型国六发动机细颗粒物排放研究

张鸿杰 高磊 陶汉国 徐富强

摘 要：随着排放法规的不断升级，对于10nm以上颗粒物排放进行管控的需求持续增强。为探究23nm以上颗粒物数量（PN23）和10nm以上颗粒物数量（PN10）排放特性差异，本文选用一款符合国六标准的重型柴油发动机，在发动机台架上运行重型车实际道路车载法排放试验循环（PEMS），冷热态WHTC循环和WHSC循环，使用颗粒物计数器对试验中PN23和PN10同时进行采样测量。结果表明，PN10和PN23的瞬态排放规律基本一致；各次试验中PN10比排放结果均显著高于PN23，但对于不同测试循环，PN10和PN23排放差异有所不同；虽然PN10比排放结果显著高于PN23，但其结果仍可满足国六排放法规要求，在法规限值不加严的前提下，现有DPF技术可以应对由PN23向PN10的切换。

关键词：颗粒物数量 细颗粒物 重型柴油机 PEMS试验 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

機动车尾气排放是大气污染的一大原因，而随着机动车保有量的增长，车辆使用年限的累积，由机动车尾气排放带来的问题日益凸显[1，2]。由机动车造成的颗粒物排放环境和人体健康均构成危害，颗粒物的环境危害主要源于其光学特性，粒子通过吸收与散射光，降低能见度，导致雾霾天气的发生[3]。一般来说直径大于5.0μm的颗粒物可被上呼吸道拦截，小于2.5μm的颗粒物易发生成积反应，可附着于肺泡，严重危害人体健康[4]。生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报（2021）》[5]数据显示，2020年中国机动车颗粒物排放量达到6.8万吨，其中柴油车颗粒物排放量占比超过90%。

为限制颗粒物排放，生态环境部2018年发布《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[6]，除了对前一阶段排放法规中已有限值要求的颗粒物质量（PM）进一步加严，可新引入了对颗粒物数量（PN）的限值要求。目前重型国六排放法规中对PN定义为粒径介于23nm和2.5μm之间的颗粒物，随着今年来对颗粒物研究的持续深入，发现粒径小于23nm的颗粒物带来的影响与危害同样不容小觑。

对于柴油机，尤其是重型柴油机而言，由于其颗粒物排放粒径相对较大[7]，因而此方面研究较少。随着国六法规的应用，柴油机高压共轨压力提升，喷雾更细，生成的颗粒物粒径降低[8，9]。2022年11月10日，欧盟委员会公布了最新的欧七提案。升级污染物排放限值和要求，PN的检测要求从此前的23nm降为10nm。而国七预研工作组也将对PN的监测要求降至10nm做为一项重点研究内容。因此，本文选用一款符合国六标准的重型柴油发动机，分别在发动机台架上运行重型车实际道路车载法排放试验循环（PEMS），冷热态WHTC循环和WHSC循环，使用颗粒物计数器对试验中的23nm以上颗粒物数量（PN23）和10nm以上颗粒物数量（PN10）同时进行采样测量。探究不同条件下PN10和PN23的排放特性。

2 试验方案

2.1 试验发动机

选用一台满足国六排放标准的13L柴油发动机进行试验，发动机相关参数见表1。

2.2 试验设备

本试验所用设备如表2所示。

AVL APC App为满足目前阶段国六排放法规要求的设备，可对23nm以上颗粒物数量（PN23）进行测量。AVL APC App 10是AVL针对未来法规开发的新款颗粒计数器设备，可同时对23nm以上颗粒物数量（PN23）和10nm以上颗粒物数量（PN10）进行测量。

2.3 试验方案

由于PEMS试验前允许进行预处理，为消除由DPF碳载量差异对颗粒物排放结果的影响，本文在全部试验前均将DPF加载至3g/L的碳载量水平，冷热态WHTC和WHSC试验开始前，将DPF内积碳清空。分别在发动机台架上进行PEMS试验，冷热态WHTC试验和WHSC试验，对比前后试验结果，以探究不同试验循环中PN10和PN23排放差异。具体试验方案如表3所示。

3 试验结果与分析

3.1 PEMS试验结果分析

PEMS试验下颗粒物累积排放情况如图1所示。PN10累积排放为7.73E+8#，PN23累积排放为5.04E+8#；根据国六排放法规要求计算得到的PEMS试验颗粒物比排放结果分别为：PN10 比排放为9.60E+11#/（kWh），PN23比排放为7.77E+11#/（kWh），二者均满足国六排放法规要求，PN10比PN23高23.5%。

PEMS试验中的颗粒物数量排放呈现出明显差异。试验前2000s颗粒物数量瞬态排放低，累积排放增加幅度不明显。主要由两个原因导致，一是因为本试验中所用DPF均在试验开始前进行加载，碳颗粒附着于孔道内腔壁面，使载体孔径变小，颗粒物更难以通过DPF孔道，捕集效率提高，因此试验冷启动阶段没有出现PN排放高峰；二是因为在这一阶段，排温和排气背压相对较低，发动机负荷较小，不利于颗粒物的生成。在这一阶段，由于颗粒物排放量低，PN10和PN23之间并无显著差异。在2000s至8000s，由于排气温度较高，有利于颗粒物在排气管路中氧化成更细小的颗粒物，因此在这一阶段，PN10排放显著高于PN23。在8000s之后，触发被动再生，附着在DPF孔道内壁的颗粒物迅速氧化，从而使得颗粒物排放明显上升，这一阶段，PN10和PN23的差异不明显，由此表明此阶段颗粒物排放粒径相对较大。

3.2 冷热态WHTC试验结果分析

图3为冷热态WHTC试验下的PN10和PN23比排放结果。在冷态WHTC试验中，PN10和PN23的比排放分别为2.31E+12#/（kWh）和1.94E+12#/（kWh），PN10比PN23高16%；热态WHTC试验中，PN10和PN23的比排放分别为1.20E+11#/（kWh）和3.59E+10#/（kWh），PN10比PN23高70.1%。冷热态加权PN10比排放结果为4.27E+11#/（kWh），PN23比排放结果为3.02E+11#/（kWh），PN10比PN23高29.1%，二者均满足国六排放法规要求。

图4为冷态WHTC试验的瞬态测试数据。从瞬态排放特征来看PN10和PN23的变化规律一致，即二者同时出现激增或趋于平缓。从累积排放来看，PN排放主要集中在两个阶段，第一阶段是冷启动阶段（0-150s），由于在启动阶段加浓，喷油量增加，颗粒物生成大幅增多，此外，由于启动阶段排温相对较低，颗粒物氧化能力不强，从而导致此阶段颗粒物排放较高。第二阶段为280-550s，排气温度回落，当发动机工况突然加高时，混合器加浓，喷油量增加，从而导致颗粒物排放出现较为明显的峰值。

PN10和PN23排放的差异主要集中在试验1200-1800s，PN10累积排放量为1.64E+12#，PN23累积排放为5.80E11#，此阶段PN10 累积排放量较PN23高182.5%，由于此阶段排温较高，大粒径的颗粒物更易于被氧化成粒径相对较小的颗粒，因此PN10排放显著高于PN23。

图5为热态WHTC试验的瞬态测试数据。从瞬态排放特征来看，虽然PN10和PN23仍保持一致的变化规律，但与冷态WHTC相比，二者排放量差异更为显著。热态WHTC试验中，启动阶段并未出现显著的颗粒物排放峰值，主要是因为在热态条件下，无需加浓混合器，从而使颗粒物生成量大幅减少。在试验中后期阶段，PN10和PN23均有明显增加，且PN10增幅更为显著。主要是由于在高负荷运转阶段，颗粒物排放增加，而由于排温较高，大粒径的颗粒物更易于被氧化成粒径相对较小的颗粒，因此PN10排放显著高于PN23。

3.3 WHSC试验结果分析

图6为WHSC试验下的PN10和PN23比排放结果，PN10和PN23的比排放分别为1.98E+11#/（kWh）和5.39E+10#/（kWh），PN10比PN23高72.8%。二者均滿足国六排放法规要求。

图7为WHSC试验的瞬态测试数据。从瞬态排放特征来看PN10和PN23的变化规律一致，即二者同时出现激增或区域平缓，但PN10排放较PN23更为显著。在第6工况出现颗粒物排放峰值，此外在第5、10、11工况也出现较为明显的颗粒物排放。

4 结论

本文基于发动机台架开展PEMS试验，冷热态WHTC试验以及WHSC试验，同时对PN10和PN23进行采样测量，得出以下结论：

1）PN10和PN23的瞬态排放规律基本一致；

2）PN10排放明显高于PN23，不同测试循环下，PN10和PN23排放差异有所不同，PEMS试验中PN10比PN23高23.5%；冷态WHTC试验中PN10比PN23高16.0%，热态WHTC试验中PN10比PN23高70.1%，冷热态WHTC加权结果PN10比PN23高29.1%；WHSC试验中PN10比PN23高72.8%。

3）雖然PN10排放显著高于PN23，但在各次试验中，PN10比排放结果仍可以满足国六排放法规要求。在法规限值不加严的前提下，现有DPF技术可以应对由PN23向PN10的切换。

参考文献：

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