2016066
葛 旸1, 倪 虹2 , 王凤滨3, 陆红雨3,高俊华3
(1.天津职业技术师范大学，天津 300222； 2.中国环境科学研究院，北京 100012； 3.中国汽车技术研究中心，天津 300300)
[摘要] 分别依据GB17691—2005和ECE R49.06对一满足国Ⅴ排放水平的SCR发动机进行国Ⅴ和欧Ⅵ排放测试，在常规排放的基础上，着重分析颗粒物数目PN排放的趋势。结果表明，稳态循环下，发动机在急加速特别是高转速工况下，PN的排放迅速增大；瞬态循环下，城市工况运行时的转速变化剧烈，特别是发动机负荷突变时，PN的排放恶化；在大多数工况下，WHSC的PN排放低于ESC，特别是最后几个工况，WHSC的PN只为ESC的1/200左右；与ETC相比，WHTC更侧重于城市循环下的低转速中小负荷下排放的考察，WHTC的PN比排放比ETC低28.31%，而其PM比排放比ETC高36.95%。
关键词：欧Ⅵ；颗粒物数目排放；测试循环；排放
国内有关部门正在推进重型车第Ⅵ阶段法规的实施，这对我国重型柴油发动机制造商提出了新的要求，鉴于我国重型车辆的法规体系和欧洲法规体系相近，预计中国重型车第Ⅵ阶段排放法规仍会基于欧洲标准建立，有必要研究欧Ⅵ法规的测试方法。
鉴于国内燃油品质差异等因素，国Ⅴ排放水平的大功率重型发动机采用选择性催化还原(SCR)作为主流技术路线。重型发动机的第Ⅵ阶段排放测试，除测试循环不同外，污染物测试新增了颗粒物数目(particulate number，PN)的测试。目前国内对于PN的测试还没有形成完善的检测能力，探讨PN的排放趋势对企业提供原始的数据积累和日后的技术升级提供理论依据。
现行的颗粒物测试和评价技术是基于质量法来评价汽车及发动机的颗粒物排放水平[1]。研究数据表明，国Ⅴ水平发动机的颗粒物排放的颗粒质量(particulate mass，PM)尽管很低，但实际上细颗粒物的数目很大。例如，对于粒径小于100nm的颗粒物质量只占整个颗粒物质量的5%～10%，但其数目比例达到了60%～90%。细颗粒粒径小，面积大，活性强，易附带有毒物质对人类健康可造成更大危害[2]。
本文中选择一台带SCR后处理的发动机在国Ⅴ排放试验的基础上，采用欧Ⅵ排放测试循环WHSC(world harmonised steady state cycle)、WHTC(world harmonised transient cycle)进行测试，探讨国Ⅴ发动机的PN排放水平。
1.1 测试设备
试验设备均为奥地利AVL公司产品，具体设备型号见表1，系统的布置图如图1所示。
表1 试验装置
试验用设备仪器型号测功机系统AVLAPA404电力交流测功机油耗仪AVL735S排气稀释方式AVLCVSi60全流稀释系统气体污染物分析仪AVLAMAi60PM采样系统AVLPSSi60PN测试设备AVL489颗粒计数器
图1 测试系统组成图
1.2 试验发动机
试验机为带SCR系统的国Ⅴ排放水平的柴油发动机。主要参数如表2所示。
表2 试验发动机参数
参数数值排量/L8.8进气方式增压中冷额定功率/kW(转速/(r·min-1))257(2100)最大转矩/(N·m)(转速/(r·min-1))1700(1200～1300)供油系统形式高压共轨气缸排列型式直列后处理类型选择性催化还原SCR
1.3 试验燃油
试验燃油为北京市售国Ⅴ基准燃油，基本特性参数如表3所示。
表3 燃料基本特性参数
参数数值十六烷值5450%馏出温度/℃27690%馏出温度/℃34495%馏出温度/℃360硫质量分数/%0.0010运动黏度(20℃)/(mm2·s-1)4.0闪点(闭口)/℃59多环芳烃质量分数/%3.5密度(20℃)/(kg·m-3)804.9
1.4 欧Ⅵ排放测试循环介绍
欧Ⅵ主要排放测试循环包括稳态循环WHSC和冷、热态的瞬态循环WHTC[3]。
稳态试验循环WHSC包含了若干转速和转矩规范值的工况，试验时根据每台发动机的瞬态性能曲线将转速和转矩百分比(指占额定转速和额定转矩的百分比)转化成实际值。发动机按每工况规定的时间运行，在(20±1)s内以线性速度完成发动机转速和转矩的转换。
瞬态试验循环WHTC包括一组1 800s逐秒变化的转速和转矩的规范百分比转换成实际值后形成基准循环。WHTC在排放测试时使用了热、冷起动两种试验循环，两者之间有10min的浸机时间，冷起动试验循环结果占14%权重，热起动试验结果占86%权重。
2.1 国Ⅴ和欧Ⅵ常规排放试验结果对比
依据GB 17691—2005[4]，对该发动机进行了国Ⅴ ESC和ETC循环的排放测试，主要污染物的测试结果如表4所示。
由表4可知，ESC和ETC的排放完全满足国Ⅴ排放法规要求。表4中同时列出依据ECE R49.06[3]进行的WHSC和WHTC循环的测试结果。可以看出，NOx，PM和PN均超出了欧Ⅵ限值，欧Ⅵ循环的PN排放分别是限值的21倍和39倍。可见，排放法规升级到第Ⅵ阶段时，未来发动机须采取加装DPF和提高SCR的转化效率等方法改进后处理的措施以降低PM，PN和NOx；同时还须对发动机系统本身进行重新开发标定等工作。
表4 常规排放测试结果
测试循环污染物含量CO/(g·(kW·h)-1)HC/(g·(kW·h)-1)NOx/(g·(kW·h)-1)PM/(g·(kW·h)-1)PN/(#·(kW·h)-1)ESC限值1.50.462.00.02—结果0.240.0091.630.01769.63×1014ETC限值4.00.552.00.03—结果0.300.011.790.02033.25×1013WHSC限值1.50.130.40.018×1011结果0.360.013.780.01871.67×1013WHTC限值4.00.160.460.016×1011结果0.510.024.130.02782.33×1013
2.2 国Ⅴ和欧Ⅵ测试循环下的PN排放分析
2.2.1 WHSC
图2为WHSC的颗粒物数目PN排放图。由图可知，在发动机转速和转矩突然增大的过程中，PN出现峰值，例如从怠速到第2个工况过渡时PN浓度为8×108#/cm3，而从第9个工况过渡到第10个工况时峰值达到了1.5×109#/cm3。
图2 WHSC的工况和PN排放
当发动机转速越高、负荷越大时，PN的值越大，对于稳态循环，当发动机在急加速的过程中，PN排放急剧恶化。由于急加速时，特别是高转速急加速过程中，混合气不均匀导致过量空气系数下降，燃烧不完全生成的PN排放增大[5]。
WHSC循环PN的平均浓度为1.34×108#/cm3，总数为6.28×1014#，比排放为1.67×1013#/(kW·h)，实际循环功为37.57kW·h。
2.2.2 WHTC
图3 冷态WHTC的工况和PN排放
图4 热态WHTC的工况和PN排放
图3和图4分别为冷态和热态WHTC循环下的PN排放，整体上看，PN排放在工况突变时较大，低负荷下PN排放较低。冷态WHTC的PN平均浓度为1.26×108#/cm3，总数为6.10×1014#，比排放为2.35×1013#/(kW·h)，实际循环功为25.97kW·h。热态WHTC的PN平均浓度为1.26×108#/cm3，总数为6.05×1014#，比排放为2.32×1013#/(kW·h)，实际循环功为26.05kW·h。可见，对于该国Ⅴ SCR发动机，冷热态循环的PN排放相差无几。
2.2.3 ESC
图5为ESC循环的PN排放图。由图可知，在高转速发动机工况下的PN排放高，且在转速和转矩突然增大的过程中，PN出现峰值，当发动机在急加速的过程中，PN排放迅速增大。急加速时，混合气不均匀导致燃烧不完全，生成的颗粒物排放增大。
图5 ESC的颗粒物数目排放
ESC循环的PN计算方法参照GB 17691—2005，对各工况稳定后的均值加权得到最终结果。PN平均浓度为5.38×108#/cm3，总数为6.593×1016#，比排放为9.625×1014#/(kW·h)，实际循环功为68.5kW·h。
2.2.4 ETC
图6为ETC循环的PN排放。可以看到，发动机在城市工况运行时，由于转速变化剧烈，特别是当发动机急加速过程中，PN排放随着颗粒物的整体排放恶化而增加。发动机在高速工况运行时，工况平稳使PN排放呈现稳定的趋势，而转速高导致PN的平均排放要差于低转速排放。PN平均浓度为4.94×108#/cm3，总数为1.446×1015#，比排放为3.25×1013#/(kW·h)，实际循环功为44.5kW·h。
图6 ETC的工况和PN排放
3.1 ESC与WHSC循环及其排放的对比
图7为ESC与WHSC循环工况和PN对比图。
图7 ESC与WHSC循环工况和PN对比
由图可知，WHSC循环各工况的转速几乎均低于ESC，统计分析得到，WHSC的平均转矩相比ESC降低29.2%，转速下降30.6%。WHSC更加注重较低负荷工况下排放的考察，这点从PN的排放对比也能看出，除了第2个工况外，其余各工况下WHSC的PN排放均低于ESC，特别是最后几个工况，WHSC的PN排放只是ESC的1/200左右。
3.2 ETC与WHTC循环的对比
表5为ETC和WHTC循环的工况参数和排放的统计对比。可以看出，WHTC的平均转速相比ETC下降21.62%，循环功降低41.46%，PN排放降低28.31%；而怠速运行时间和PM排放分别增加154.4%和36.95%。
表5 ETC和WHTC循环参数及排放对比
循环平均转速/(r·min-1)循环功/(kW·h)怠速时间/sPM排放/(g·(kW·h)-1)PN排放/(#·(kW·h)-1)WHTC116026.053180.02782.33×1013ETC148044.51250.02033.25×1013偏差-21.62%-41.46%154.4%36.95%-28.31%
图8为ETC与WHTC循环的转速和转矩对比图。可以看出，WHTC循环的平均转速和负荷均低于ETC。WHTC更倾向于考察发动机在中低转速和低负荷工况下的排放情况，更接近于实际道路路况，特别是城市工况。WHTC循环在较低的排温下运行，着对温度敏感的SCR系统挑战更大，也是表4中NOx排放为ETC的2.3倍的主要原因。
图8 ETC与WHTC循环工况对比
经分析，WHTC的转速和循环功均降低是因为WHTC更加注重于低转速中小负荷下的排放情况，增加了车辆实际运行中的怠速时间。PM和PN的排放趋势相反的原因，可能是在WHTC循环过程中，特别是冷态循环，由于发动机后处理的排温低，混合气形成的浓度偏浓，过量空气系数降低生成了大量的碳烟导致PM比ETC循环多；而PN的降低主要是因为WHTC循环的负荷和转速都低于ETC，PN生成量小于ETC，也从侧面反映了颗粒物质量的排放和颗粒物数目的排放不完全为正相关关系。
通过对国ⅤSCR发动机进行的国Ⅴ和欧Ⅵ的测试循环对比，得出以下结论。
(1)WHSC和ESC稳态循环的PN排放随工况的变化规律一致，发动机在急加速特别是高转速运行时，PN排放迅速增大。
(2)WHTC和ETC瞬态循环下，在城市工况运行时的转速变化剧烈，特别是当发动机急加速过程中，PN随着颗粒物的整体排放恶化而增加；而在高速工况运行时，PN排放呈现较平稳的排放趋势。
(3)除第2个工况外，其余各工况下，WHSC的PN排放均低于ESC，特别是最后几个工况，WHSC的PN排放是ESC的1/200左右。
(4)WHTC比ETC更加注重于城市循环下的低转速中小负荷下的排放情况，增加车辆实际运行中的怠速时间，更真实地模拟实际路况。WHTC比ETC的PN排放降低28.31%，而PM排放增加36.95%。
参考文献：
[1] 刘双喜，等. 车用发动机颗粒物测量和评价方法的发展研究[J]. 小型内燃机与摩托车,2005(4)：43-46.
[2] LI Liguang . Characteristics of Particulate Emissions Fueled with LPG and Gasoline in a Small SI Engine [C] .SAE Paper 2004-01-2901.
[3] ECE R49.06. Uniform Provisions Concerning the Measures to be Taken Against the Emission of Gaseous and Particulate Pollutants from Compression-ignition Engines and Positive Ignition Engines for Use in Vehicles [S].2013.
[4] 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)[S].北京：中国标准出版社，2005.
[5] 周龙保. 内燃机学[M].北京: 机械工业出版社, 1999.
A Preliminary Study on the Particulate Number Emissions of a State-V Diesel Engine Under Different Test Cycles
Ge Yang1，Ni Hong2，Wang Fengbin3，Lu Hongyu3 & Gao Junhua3
1. Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222; 2 .Chinese Research Academy of Environment Sciences，Beijing 100012;3.China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300300
[Abstract] A state-V and a EURO-VI emission tests are conducted on a State-V engine with SCR technology according to GB17691—2005 and ECE R49.06 respectively. On the basis of its conventional emissions, the focus is put on the analysis on the trend of particle number (PN) emission. The results show that under steady cycle, the hard acceleration of engine, especially at high speed, will lead to the rapid increase of PN emissions; while during transient cycle, due to the drastic change of speed in urban operations, in particular when engine load abruptly changes, the PN emissions deteriorate. In most working conditions, the PN emissions in WHSC cycle are lower than that in ESC cycle, in particular, the PN emissions in WHSC cycle are only around 1/200 of that in ESC cycle in the last few working conditions. Compared with ETC, WHTC pays more attentions on low-speed conditions with small and medium loadings under urban cycle: the specific PN emissions in WHTC are 28.31 % lower than that in ETC; while the specific PM emissions in WHTC are 36.95 % higher than that in ETC.
Keywords：Euro-Ⅵ；particulate number emissions；test cycle；emissions
原稿收到日期为2014年8月21日，修改稿收到日期为2015年3月20日。
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