基于发动机在环的重型柴油车实际道路细小颗粒物排放特性研究*

汪晓伟，景晓军，高 涛，谷雪景，张佑源，吴琳琳

1.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300；2.中国环境科学研究院，北京 100012；3.东风柳州汽车有限公司，柳州 545000

前言

生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报（2020）》数据显示，2019年我国机动车颗粒物排放量达7.4 万t，其中柴油车颗粒物排放量占比超过了90%。颗粒物排放对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。同粒径较大的大气颗粒物相比，机动车排放的颗粒物粒径小，在大气中的停留时间长且输送距离远。颗粒物的比表面积较大，有可能吸附更多有毒有害物质，细颗粒物穿透力更强，可深入人的呼吸系统甚至脑部组织。

目前重型国六排放法规对粒径在23 nm-2.5 μm之间的粒子进行测量计数（PN 排放），并对发动机和重型整车都提出了相应的限值要求。其中对于发动机，世界统一稳态循环（WHSC）下的PN 排放限值为8×10#/（kW·h），世界统一瞬态循环（WHTC）下的PN 排放限值为6×10#/（kW·h）。对于重型整车，要求在实际道路测试（PEMS）下的PN 排放不超过1.2×10#/（kW·h）。

但随着对颗粒物数量排放的深入研究发现，小于23 nm 的粒子数量排放也很严重。有研究表明，目前的颗粒物测试方法，30%-50%的GDI（缸内直喷）发动机的颗粒物，50%-100%的PFI（进气道喷射）发动机的颗粒物，并没有进行管控。欧盟专门成立了DTT（down to ten）工作组，正在讨论将颗粒物数量测量的范围由现在的23 nm 以上扩展到10 nm 以上。我国生态环境部排污监控中心也成立了工作组开展相关的预研工作。

目前针对10 nm 以上颗粒物的研究主要集中在轻型汽油车和轻型柴油车，由于柴油机的颗粒物粒径相对较大，因此对于重型柴油机细小颗粒物的关注较少。但随着重型柴油机高压共轨压力的提升，柴油喷雾更细导致颗粒物的粒径会不断降低。而重型柴油机实际道路的细小颗粒物由于缺少可用于测量实际道路细小颗粒物排放的设备，更是研究很少。因此，本文中选取了一台7.8 L 的重型柴油机，采用发动机在环的方法，在发动机台架上开展重型柴油车实际道路细小颗粒物数量排放的研究。使用AVL公司生产的颗粒计数器同时测量PN10（10 nm以上颗粒物数量）和PN23（23 nm 以上颗粒物数量），获得了柴油车实际道路条件下PN10和PN23的排放差异特性。

1 试验系统

1.1 试验方法

本文中采用了发动机在环（EIL）的方法在发动机台架上对一辆重型柴油车的实际道路的排放进行了测试，重点关注PN的排放。发动机在环是硬件在环的一种特殊型式。其“实际物理硬件”为发动机及其控制器，而虚拟子系统为整车及驾驶员。发动机在环的开发方法，则是在传统的发动机台架上，通过将构建的虚拟整车模型、驾驶员模型、道路和环境模型耦合到一起来实现在发动机台架上对整车功能的开发优化的一种方式。有研究机构提出，发动机在环是唯一有可能对实际道路下的瞬态排放进行详细研究的方法。所搭载的发动机在环平台如图1 所示。其中整车及驾驶员模型通过AVL VSM实时系统来进行构建，同时将模拟模型与AVL 测功机控制软件相连接，确保模拟模型与测试台架运行之间接口稳定。AVL Testbed CONNECT 通过CAN 总线的方式与测功机系统集成。实时系统通过输入的驾驶工况（即车速），由驾驶员模型进行驾驶行为，根据车速、挡位、行驶阻力等参数计算出发动机的转速和转矩，形成控制信号流，发送给台架控制系统，台架控制系统控制测功机转速和发动机油门开度，发动机做出相应的动作。同时台架的测量传感器采集发动机参数，经台架控制系统传回实时系统，作为整车模型的输入参数，参与下一个计算步长的整车动力学模型计算从而构成了发动机转速和转矩的闭环控制。在此过程中，通过实际的设备来测量驾驶工况的油耗和排放。本文中采用的发动机在环平台已经开展过实际道路排放跟EIL 方法的比对，测试精度满足要求，详见文献［15］和文献［16］。

图1 发动机在环平台示意图

1.2 试验设备

本试验采用了两套AVL 的颗粒计数器。其中一套是满足国六法规的测量PN23的颗粒物排放（1#颗粒计数器）。该设备首先通过挥发性颗粒去除器（VPR）中的加热蒸发管（ET）除去可挥发性颗粒，然后通过颗粒计数单元（CPC）对23 nm 以上的颗粒物进行计数。另外一套是AVL 最新针对未来法规开发的颗粒计数器，可以同时测量PN10 和PN23（2#颗粒计数器）。与第一套设备相比，该设备在VPR 中增加了一个催化器（CS），氧化蒸发碳氢化合物并存储硫化物以最大化降低对颗粒数量测试的影响。同时升级了CPC。该套设备的PN10 的计数效率大于50%，PN15（15 nm 以上颗粒物数量）的计数效率大于90%。两套颗粒物计数器的取样位置尽量靠近，以消除管路沉积对颗粒物的影响，如图2 所示，所用设备见表1。

表1 主要的测试设备

图2 两套颗粒物计数器的取样位置

1.3 试验整车及发动机

本文中所研究的试验样机为一台7.8 L 满足国六排放标准的柴油机，整车为搭载该发动机的一辆最大总质量为31 t的9挡重型货车，相关参数用于搭建发动机在环测试中的整车模型。其中滑行系数为实际道路滑行后，发动机台架进行模拟滑行后调整得到。整车及发动机的具体参数见表2。

表2 整车及发动机主要参数

1.4 试验方案

本文中，首先分别运行国六发动机标准循环WHSC 和冷态WHTC（WHTC-C）与热态WHTC（WHTC-H），测量了PN10 和PN23 的排放。主要目的是确定发动机的状态正常，并对PN测试设备进行比对。之后，根据构建好的整车模型，输入实际道路路谱，通过发动机在环的方式，在发动机台架上进行PEMS试验，同时测量PN10和PN23的排放。由于重点考察颗粒物的排放，本次基于EIL的PEMS测试的车辆载荷设置为满载。

2 试验结果与分析

2.1 发动机排放状态确认及PN测试设备的影响

采用1#颗粒计数器（AVL 489）和2#颗粒计数器（即AVL 新一代的489）测量PN23 的排放结果如图3 所示。从图中可以看出，两台颗粒计数器测量的PN23 的差异最大偏差为冷态WHTC 循环下的3.15%，最小偏差为热态CHTC 循环下的1.38%，说明两台颗粒物计数器虽然前处理装置有所差别，但对PN23 的测量结果影响不大，该结论跟国际上之前研究的结论基本一致。稳态WHSC、冷热态的WHTC 的颗粒物数量排放均低于法规要求的6×10#/（kW·h）的限值，且2#颗粒计数器的PN23 的值全部要高于1#颗粒计数器，其一可能是由于2#颗粒计数器取样位置在1#颗粒计数器的前端，排气的颗粒物会有一部分沉积在排气管路中造成一定的损失。其二可能是两台设备的VPR 不太一致，1#颗粒计数器VPR 采用的是ET 加热管，而2#颗粒计数器的VPR 采用的ET+CS 的加热管。但由于两台设备的PN23 排放相差并不大，在后续的对比分析中，PN23 排放是指2#颗粒计数器的测量值。

图3 两台颗粒计数器测试的PN23排放

2.2 EIL方法的速度跟随性

EIL方法输入的PEMS道路总行驶时间为9 510 s，总行驶距离为151.06 km，平均车速57.2 km/h。通过EIL 平台在发动机台架上运行的PEMS 测试总时间为9 510 s，总行驶距离为150.93 km，平均车速为57.14 km/h。EIL车速和实际PEMS道路车速的对比如图4所示，可以看到，EIL能够跟随实际PEMS道路车速。

图4 EIL在PEMS工况下的车速跟随性

2.3 PEMS细小颗粒物排放特性

PEMS 工况下颗粒物的累积排放特性如图5 所示。PN10 的累积排放为4.28×10#，PN23 的累积排放为1.92×10#。PN10的累积比排放为2.43×10#/（kW·h），PN23 的累积比排放为1.22×10#/（kW·h）均满足目前的排放法规的限值要求。但PN10 在PEMS工况下的总排放数量比PN23高122.55%。此外，从图5 发现，PN 排放可以分为3 个区间。第1 区间是在从PEMS 测试开始到2 460 s 的区间，无论是PN10还是PN23，均呈现较缓慢的增加。第2区间为2 460～8 390 s，PN10 和PN23 增加速度加快，但PN10的增加非常明显。说明在这个区间内的颗粒物中，PN10 的排放量占比较高。第3 区间为8 390 s 到PEMS 测试结束，无论是PN10 还是PN23，均呈现高速增长。

图5 PEMS工况下PN10和PN23的累积排放

由于ECU 的数据在此次测试中并没有采集，无法获取废气再循环（EGR）开度等参数。因此，本文通过在发动机上布置的传感器，对3 个区间的排气温度、排气背压和EGR 中冷器前的温度进行了分析，如图6 所示。其中，排气温度和背压的增加，代表发动机负荷增加，缸内燃烧温度升高。而EGR 中冷器前温度的增加，既表明发动机缸内温度增加，也表明更多的EGR 气体流经中冷器，一定程度上反映EGR 率的增加。从图6 可以看到，在第1 个区间，发动机的排气温度、排气背压和EGR 中冷器前温度均相对较低，此时发动机负荷较小，EGR率也较低，因此在这1 区间颗粒物数量瞬态浓度较低，累积排放增加幅度不大。在第2 个区间，排气温度相对较高，EGR率较高，排气背压也相对较高。排气温度高，有利于将发动机颗粒在排气管中氧化成更加细小的颗粒物，因此，在这个区间的PN10的瞬态排放，要显著高于PN23。在第3 个区间，车辆处于高速稳定运行的状态，发动机负荷高，造成颗粒物排放增加。PN10 和PN23 的瞬态排放差异并不大，说明此时生成的颗粒物粒径较大，生成的颗粒物大部分都是23 nm以上的。

图6 PEMS的PN瞬态排放及发动机相关参数

3 个区间的发动机工况分布如图7 所示。在第1、2 个区间，发动机转速范围很广，这是由于车辆运行在市区和市郊区域，存在较为频繁的加减速。而第3 个区间车辆稳定运行在高速区间，挡位基本位于最高挡，发动机转速基本集中在1 500～2 400 r/min之间，所产生的转矩变化主要是由于松油门引起的。

图7 PEMS 3个区间的发动机工况分布

2.4 PEMS和WHTC的对比

图8 为冷态WHTC、热态WHTC 和PEMS 工况下的PN10 和PN23 比排放对比。冷热态WHTC 的PN10 的比排放分别为3.82×10和2.42×10#/（kW·h），冷热态WHTC 的PN23 的比排放分别为2.82×10和1.18×10#/（kW·h）。冷态WHTC 的PN10 比PN23 的高35.34%，而热态WHTC 的PN10比PN23 的高105.42%。该结论与Khan 等的研究结论一致，他们研究了2 台带DOC+DPF+SCR 的柴油发动机，在多个循环下PN10 的比排放较PN23 的比排放要高40%～137%。

图8 冷热态WHTC和PEMS的PN比排放

此外，对比PEMS 测试工况下的PN10 和PN23的比排放，跟发动机台架上的热态WHTC 的比排放相差不大。但是，从图9 可以看出，两种测试工况的发动机运行工况点差异很大。WHTC 主要集中在发动机转速1 750 r/min 以下，而PEMS 测试在1 750～2 400 r/min 之间，有大量的运行工况点。由于一款发动机往往要匹配不同的车型，很难保证经过WHTC 标定的发动机能够满足不同配置的整车的PEMS要求。在这种情况下，基于发动机在环方法在发动机台架上进行整车PEMS 排放的开发，在未来将迎来更大的发展。

图9 热态WHTC和PEMS的发动机运行工况

3 结论

对该试验用重型柴油机，采用EIL 的方法，在发动机台架上开展重型柴油车实际道路细小颗粒物数量排放的研究，得到如下结论。

（1）PN10和PN23的PEMS工况瞬态排放的变化规律基本一致。PN10的比排放比PN23的比排放高。

（2）重型车PEMS 按照PN 排放的增长可以分为3个区间。PN的排放与负荷、EGR率、排温有较强的关联。高速高负荷区间PN排放增加很快，且此时排放的颗粒物粒径较大，PN10和PN23的差异不明显。

（3）WHTC 和基于EIL 的PEMS 两种测试工况的发动机运行工况点差异很大。因此，仅仅经过WHTC 标定的发动机难以满足不同配置的整车PEMS 要求，而基于EIL 的开发方式能够在发动机台架上进行整车PEMS颗粒物排放的评估。