国五和国六柴油机颗粒物数量排放测试影响因素的试验研究

张 凡 郭冬冬 李 昂 于津涛

（1-中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300 2-北京市机动车排放管理事务中心）

引言

汽车尾气中的颗粒物排放问题一直是人们关注的热点问题。随着排放标准的不断加严，在颗粒物质量（Particle Mass，PM）排放受到限制之外，颗粒物数量（Particle Number，PN）排放也逐渐受到限制。柴油车的颗粒物一直是排放研究的重点问题之一。2018年6 月，生态环境部与国家市场监督管理总局联合发布了GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（简称国六标准）[1]，国六标准中的NOx和PM 排放限值分别比国五标准加严了77%和67%，且国六标准新增了PN 排放限值。2020 年12 月，生态环境部与国家市场监督管理总局联合发布了GB 20891-2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》[2]修改单及HJ 1014-2020《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》[3]，为了解决非道路移动机械冒黑烟的问题，新增PN 排放限值，规定PN 排放必须≤5×1012#/（kW·h）。因此，针对PM和PN 排放开展研究是十分必要的。

为了满足更加严格的排放标准要求，国六标准柴油机（简称国六柴油机）加装柴油机颗粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF），大幅度降低了柴油车的PM和PN 排放[4]。同时，更加复杂的测试过程（冷、热态WHTC 测试循环）和更加严格的排放限值对排放测试精度有了更高的要求。Imad A.等[5]、Ayala A.等[6]、李昊等[7]通过整车转鼓试验和发动机台架试验，分别针对全流稀释定容采样系统和部分流颗粒物采样系统的稀释比、采样比例、采样流量以及柴油机进气压降、进气湿度、排气背压、中冷后温度、中冷压差等参数对颗粒物排放测试的影响程度开展了研究。总的来说，还需要进一步加强国六柴油机PN 排放测试影响因素方面的定量研究工作。

本文分别使用部分流颗粒物采样系统+颗粒物计数器以及全流稀释定容采样系统+颗粒物计数器2 种测试系统进行了PN 排放的测量，并且对比了颗粒物计数器在发动机排气中直接采样和在稀释排气中采样的差异。进行了不同测试循环的台架排放试验，研究了发动机在使用不同后处理系统时，颗粒物计数器的稀释比对PN 排放的影响，并对现有测试设备中凝聚颗粒物计数器（Condensation Particle Counter，CPC）的适用性进行了评价。

1 试验设备和试验方法

试验用发动机台架测试系统主要由试验用发动机、测功机系统、发动机冷却水温度控制系统、发动机进气控制系统以及采样和排放分析系统等部分组成，台架测试系统示意图见图1。

图1 试验用发动机台架测试系统示意图

本试验中，测功机用于控制发动机的转速和转矩；颗粒物排放采样系统包括全流稀释定容采样系统和部分流颗粒物采样系统；滤纸称重天平用于给颗粒物称重；油耗仪、进气空调和冷却水恒温系统用于控制发动机的燃油供给、进气条件和冷却水温度。采用国六标准中规定的激光凝聚颗粒物计数方法，即利用稀释加热器、蒸发管和稀释冷却器组成的挥发性颗粒去除装置将发动机稀释排气中可挥发的核态颗粒去除，然后在凝聚颗粒物计数器（CPC）中将丁醇蒸汽凝结在颗粒表面，形成10μm 以上的大粒径颗粒，最后使用激光散射方法探测PN。颗粒物计数器只对固态的积聚态颗粒进行采集和测量。具体的试验装置及仪器型号见表1。

表1 试验装置及仪器型号

依据排放标准要求，本文对柴油机排放进行热态WHTC 循环和WHSC 循环测试，热态WHTC 循环和WHSC 循环的转速和转矩规范值曲线分别如图2和图3 所示。

图2 热态WHTC 循环转速和转矩规范值曲线

图3 WHSC 循环转速和转矩规范值分布图

2 试验结果和分析

2.1 颗粒物采样方式对PN 排放测试结果的影响

GB 17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》[8]规定：对于ETC（瞬态循环）试验，只能采用全流稀释定容采样系统测定气态污染物和颗粒物，并作为基准系统。随着部分流颗粒物采样技术的逐渐提高，GB 17691-2005 修改方案中规定：对于ETC 试验，应采用全流稀释定容采样系统或符合ISO 16183-2002《重型机车：未处理排气的气体排放测量和瞬变试验条件下用部分流体稀释系统测量粒子排放》规定的系统测定气态污染物和颗粒物。而GB 20891-2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法（中国第三、四阶段）》规定了颗粒物的测量可以采用全流稀释定容采样系统或部分流颗粒物采样系统。国六标准中规定：对PN 排放可采用全流稀释定容采样系统或部分流颗粒物采样系统连续取样测定。型式检验和环境保护主管部门监督检查时，应采用全流稀释定容采样系统进行试验。

为了探讨不同颗粒物采样方式对PN 排放测量结果的影响，本文在1 台国六柴油机（1#）和1 台国五柴油机（2#）上分别使用在发动机排气中直接采样、通过部分流颗粒物采样系统采样（SPCS AddOn）、通过全流稀释定容采样系统采样（CVS AddOn）等3 种采样方式进行PN 排放测量。颗粒物计数器在测量时，稀释模式的最小稀释比为100。为了避免试验方法和仪器设备的准确性和重复性影响试验结果，每台发动机在每种采样方式下至少进行3次试验，使用3次试验的平均值作为最终结果进行分析。本试验使用的1#柴油机和2#柴油机的关键参数/特性见表2。

表2 试验用1#和2#发动机关键参数/特性

图4 和图5 分别为1#柴油机和2#柴油机使用3 种不同的采样方式在WHSC 循环和热态WHTC 循环下的PN 排放测量结果对比。

图4 1#柴油机使用3 种不同采样方式的PN 排放测量结果对比

图5 2#柴油机使用3 种不同采样方式的PN 排放测量结果对比

从图4 和图5 可以看出，无论是1#柴油机还是2#柴油机，无论是WHSC 循环还是热态WHTC 循环，3 种采样方式的PN 排放测量结果的顺序均为：通过全流稀释定容采样系统采样（CVS AddOn）＞在发动机排气中直接采样＞通过部分流颗粒物采样系统采样（SPCS AddOn）。

从图4 可以看出，1#柴油机，以CVS AddOn 的PN排放测量结果为基准，WHSC 循环和热态WHTC 循环，在发动机排气中直接采样的PN 排放测量结果分别为CVS AddOn 的89%和85%，而SPCS AddOn 的PN 排放测量结果分别为CVS AddOn 的66%和76%。

从图5 可以看出，2#柴油机，以CVS AddOn 的PN 排放测量结果为基准，WHSC 循环和热态WHTC循环，在发动机排气中直接采样的PN 排放测量结果分别为CVS AddOn 的89%和92%，而SPCS AddOn的PN 排放测量结果分别为CVS AddOn 的58%和73%。

结果表明，使用全流稀释定容采样系统时，颗粒物计数器的测试结果要大幅度高于使用部分流颗粒物采样系统，略高于在发动机排气中直接采样。因此，在发动机台架上进行测试循环的PN 排放测量时，要优先选择使用全流稀释定容采样系统。

2.2 颗粒物采样系统稀释比对PN 排放测试结果的影响

为了研究颗粒物采样系统不同稀释比对PN 排放测量结果的影响程度，使用1 台国五柴油机（2#）和1 台国六柴油机（3#）分别进行热态WHTC 和WHSC 测试循环。试验中，改变颗粒物采样系统的稀释比，然后进行PN 排放测量。本试验使用的2#和3#柴油机的关键参数/特性见表3。

表3 试验用2#和3#发动机关键参数/特性

图6 为2#柴油机使用部分流颗粒物采样系统采样时不同稀释比的PN 排放测量结果对比。其中，颗粒物计数器（稀释模式）的稀释比为100～500。

图6 2#柴油机使用部分流颗粒物采样系统采样时不同稀释比的PN 排放测量结果对比

图7 为2#柴油机在发动机排气中直接采样时不同稀释比的PN 排放测量结果对比。其中，WHSC循环，颗粒物计数器（直接采样模式）的稀释比为2 000～5 250；热态WHTC 循环，颗粒物计数器（直接采样模式）的稀释比为2 000～20 000。

图7 2#柴油机在发动机排气中直接采样时不同稀释比的PN 排放测量结果对比

从图6 和图7 可以看出，无论是使用部分流颗粒物采样系统采样还是在发动机排气中直接采样，无论是WHSC 循环还是热态WHTC 循环，随着颗粒物计数器的稀释比增加，PN 排放有降低的趋势，但是降低幅度较小；而CPC 的测量值基本上随着稀释比的增加呈乘幂关系下降。

从图6 可以看出，2#柴油机，WHSC 循环和热态WHTC 循环，使用部分流颗粒物采样系统采样时，CPC的测量值分别从最小稀释比100 时的2 802#/cm3和3 287 #/cm3降低为最大稀释比500 时的527 #/cm3和629#/cm3。

从图7a 可以看出，2#柴油机，WHSC 循环，使用在发动机排气中直接采样时，CPC 的测量值从最小稀释比2 000 时的3 266 #/cm3降低为最大稀释比5 250 时的1 163#/cm3；从图7b 可以看出，2#柴油机，热态WHTC 循环，使用在发动机排气中直接采样时，CPC 的测量值从最小稀释比2 000 时的3 215#/cm3降低为最大稀释比20 000 时的280#/cm3。

图8 为2#柴油机WHSC 循环在发动机排气中直接采样时不同稀释比的PN 瞬态排放测量结果对比。

图8 2#柴油机WHSC 循环在发动机排气中直接采样时不同稀释比的PN 瞬态排放测量结果对比

从图8a 可以看出，2#柴油机，WHSC 循环，使用在发动机排气中直接采样时，随着稀释比的增加，PN瞬态峰值略有降低；从图8b 可以看出，2#柴油机，WHSC 循环，使用在发动机排气中直接采样时，CPC测量值的最大值出现在最小稀释比为2 000 时，为15 000#/cm3。

图9 为2#柴油机热态WHTC 循环在发动机排气中直接采样时不同稀释比的PN 瞬态排放测量结果对比。

图9 2#柴油机热态WHTC 循环在发动机排气中直接采样时不同稀释比的PN 瞬态排放测量结果对比

从图9a 可以看出，2# 柴油机，热态WHTC 循环，使用在发动机排气中直接采样时，随着稀释比的增加，PN 瞬态峰值略有降低；从图9b 可以看出，2#柴油机，热态WHTC 循环，使用在发动机排气中直接采样时，CPC 的测量值随着稀释比的增加呈阶梯下降，CPC 测量值的最大值出现在最小稀释比为2 000时，为30 000#/cm3。

AVL APC 489 的CPC 量程为50 000#/cm3，与国五柴油机的PN 排放水平基本匹配。

图10 为3#柴油机使用全流稀释定容采样系统采样时不同稀释比的PN 排放测量结果对比。

从图10 可以看出，3#柴油机，使用全流稀释定容采样系统采样、进行WHSC 循环和热态WHTC 循环测试时，颗粒物计数器（稀释模式）的稀释比为100～500。无论是WHSC 循环还是热态WHTC 循环，随着颗粒物计数器的稀释比增加，PN 排放有降低的趋势，但是降低幅度较小。而CPC 的测量值基本上随着稀释比的增加呈乘幂关系下降，WHSC 循环和热态WHTC 循环，CPC 的测量值分别从最小稀释比100 时的20 #/cm3和19 #/cm3降低为最大稀释比500 时的4#/cm3和3#/cm3。

图10 3#柴油机使用全流稀释定容采样系统采样时不同稀释比的PN 排放测量结果对比

图11 为3#柴油机WHSC 循环使用全流稀释定容采样系统采样时不同稀释比的PN 瞬态排放测量结果对比。

图11 3#柴油机WHSC 循环使用全流稀释定容采样系统采样时不同稀释比的PN 瞬态排放测量结果对比

从图11a 可以看出，3#柴油机，WHSC 循环，使用全流稀释定容采样系统采样时，随着稀释比的增加，PN 瞬态峰值有明显的降低，特别是第一个PN 瞬态峰值降低非常明显；从图11b 可以看出，CPC 的测量值随着稀释比的增加呈阶梯下降，CPC 测量值的最大值出现在最小稀释比100 时（稀释模式），为311 #/cm3，远远小于AVL APC 489 的CPC 量程50 000#/cm3。结果说明，CPC 量程已无法与国六柴油机的PN 排放水平匹配。为了提高国六柴油机PN 排放的测量精度，在使用全流稀释定容采样系统时，需要将颗粒物计数器的稀释比最小值设置为100。

2.3 发动机进气条件对PN 排放测试结果的影响

为了研究不同进气条件下的PN 排放水平，使用1 台国六柴油机（4#）分别进行不同进气湿度和进气温度条件下WHSC 循环的PN 排放测试。本试验使用的4#柴油机的关键参数/特性见表4。

表4 试验用4#发动机关键参数/特性

图12 为4#柴油机WHSC 循环不同进气条件下的PN 排放测量结果对比。其中，进气湿度为30%～56%，进气温度为21℃～31℃。

图12 4#柴油机WHSC 循环不同进气条件下的PN排放测量结果对比

从图12a 可以看出，4#柴油机，WHSC 循环，随着进气湿度的增加，PN 排放升高，但是升高幅度较小，为23%；从图12b 可以看出，进气温度在21～31.5 ℃范围内变化时，PN 排放变化不是很大。试验结果表明，进气温度和湿度对PN 排放测量结果的影响较小。

图13 为4#柴油机WHSC 循环不同进气湿度时的PN 瞬态排放测量结果。

图13 4#柴油机WHSC 循环不同进气湿度时的PN 瞬态排放测量结果

图14 为4#柴油机WHSC 循环不同进气温度时的PN 瞬态排放测量结果。

图14 4#柴油机WHSC 循环不同进气温度时的PN 瞬态排放测量结果

从图13a 可以看出，4#柴油机，WHSC 循环，随着进气湿度的增加，PN 瞬态排放曲线的形状保持一致，只是在PN 瞬态峰值上略有增加。从图14a 可以看出，4#柴油机，WHSC 循环，不同进气温度下，PN 瞬态排放曲线基本相似，PN 峰值差异小。从图13b 和图14b 可以看出，4# 柴油机，WHSC 循环，不同进气湿度和温度下，CPC 测量值的最大值均不超过40 #/cm3，远小于AVL APC 489 的CPC 量程50 000 #/cm3，建议通过降低CPC 量程进一步提高PN 排放测试精度。

3 结论

1）使用全流稀释定容采样系统采样时，颗粒物计数器的测量结果要大幅度高于使用部分流颗粒物采样系统采样时，略高于在发动机排气中直接采样。因此，在发动机台架上进行WHSC 循环和热态WHTC 循环的PN 排放测量时，要优先选择使用全流稀释定容采样系统。

2）无论是WHSC 循环，还是热态WHTC 循环，随着颗粒物计数器稀释比的增加，PN 排放有降低的趋势，但是降低幅度较小，而CPC 的测量值基本上随着稀释比的增加呈乘幂关系下降。

3）为了提高国六柴油机PN 排放测试精度，在使用全流稀释定容采样系统时，需要将颗粒物计数器的稀释比最小值设置为100。