国四柴油公交车实际道路气态污染物与超细颗粒物排放特征研究

钟群莲

(上海市奉贤区环境监测站，上海 201499)

国四柴油公交车实际道路气态污染物与超细颗粒物排放特征研究

钟群莲

(上海市奉贤区环境监测站，上海 201499)

采用车载排放测试系统于上海市城区开展了一辆国四重型柴油公交车的实际道路排放测量。测试系统集成了一台Horiba公司的OBS 2200气态污染物车载排放测试和TSI公司的EEPS 3090超细颗粒物粒径谱仪。测试结果给出了被测公交车在不同道路类型上的气态污染物和颗粒物及其粒径分布的平均排放因子。测试车辆为装有SCR排放处理系统的国四公交车，实际道路NOx排放因子为8.2 g·km-1，颗粒数量和质量排放因子分别为6.4 ×1014个·km-1和0.36 g·km-1。颗粒物粒径总体呈单模态分布。颗粒数峰值位于70～80 nm之间。研究获得的瞬态颗粒物粒径谱排放结果为说明实际行驶工况下的颗粒物排放机理提供了可能。

排放因子; 重型柴油公交车; 超细颗粒物排放; 实际道路排放; 车载排放测试仪; TSI EEPS粒径谱仪

柴油车因其节能和低碳潜力在过去的十多年间发展迅速。尽管如此，由于柴油车排放的气态污染物和颗粒物对大气环境[1-2]和人群健康[3-5]具有不利影响，柴油车的发展一直是各地争论的焦点。为此，近年来各地开展了越来越多的柴油车排放测试研究以摸清现代柴油机的排放特性。其中，车载排放测试技术被认为是目前量化重型柴油车辆实际道路排放水平最为有效和实用的测量手段[6-7]。已有研究表明，柴油车在实际道路上排放大量的NOx和颗粒物，其排放水平受行驶工况、硫含量以及后处理装置等因素影响[8-13]。NOx是对流层臭氧形成的重要前体物，也可以通过光化学反应和气粒转化过程形成二次颗粒物[14-15]。

柴油机尾气中的颗粒物主要以小于0.1μm的超细颗粒物为主。过去的研究测量获得超细颗粒物粒径通常呈双模态分布，分别为核模态和积聚模态[16]核模态颗粒物通常小于50nm，并以液相为主[17]，它主要是由半挥发性有机物和硫酸盐化合物在稀释和冷却过程中通过核化形成[18-20]。Sakurai等人进一步研究了纳米颗粒物中的有机物和硫酸盐组成，并发现柴油和润滑油中的硫分对纳米颗粒物的形成具有重要的作用[21]，此后很多研究进一步论证了这一观点[22-24]。积聚模态的颗粒物主要是由固态含碳微粒吸附和凝聚各类半挥发性有机组分构成。

为控制柴油车的气态污染物和颗粒物排放，大部分国家和地区不断实施并严化了柴油机的排放标准。我国自2012年起将针对重型柴油车国家第四阶段排放标准(简称国四)，其NOx和颗粒物排放水平将在原有基础上大幅削减。一些相关的研究已发现油品质量和尾气后处理系统对于改善柴油机的排放具有积极的作用[25-30]，因此，低于50ppm的沪四柴油以及装有SCR系统的新型柴油公交车已在上海市应用并推广。但是，目前对于这些车辆在实际道路上的污染物(特别是超细颗粒物)排放特征仍不清楚。为此，本研究采用车载技术集成了气态和颗粒态污染物排放测试设备，在上海市城区开展了国四柴油公交车的实际道路排放测量，并重点讨论了国四柴油公交车在实际道路行驶工况的气态和颗粒态污染物排放特征和影响因素。

1 材料与方法

1.1 测试车辆

本研究从上海市公交车队中选择了一辆达到国家第四阶段排放标准的柴油公交车。目前上海市达到国四标准的柴油公交车在2000辆左右，约占整个车队的10%。表1所示为所选测试车辆的技术参数。测试所用的燃料为市售柴油，油品质量满足上海市本地的沪四油品标准，硫含量低于50ppm。

测试路线为上海市城区实际道路，并覆盖了高架路、主干路和次干路等主要道路类型，路线总长约为22 km，高架路、主干路和次干路长度分别占路线总长的26%、38%和35%，每天分别于7:00 ～ 9:00间的早高峰和中午的平峰时段开展两次不同交通条件下的测试。

表1 测试车辆的技术规格.

测试车辆随车安装了车载排放测试系统，并于每次测量开始前进行预热。被测车辆装载了若干水桶以模拟车辆在重荷载条件下的运行状态。测试设备、供电电瓶以及水桶的总质量大约相当于公交车最大荷载的60%。图1所示为车载测试系统的安装示意图。

图1 车载排放测试系统的安装示意图.

2.2 气态污染物排放测试系统

本研究采用Horiba公司的OBS 2200车载排放测试仪测量气态污染物排放，该测试仪分别采用非分散红外分析仪(NDIR)测量CO和CO2浓度，采用火焰离子探测分析仪(FID)测量THC浓度，采用化学发光法(CLD)分析NO和NO2浓度，O2浓度采用电化学传感器进行测量，燃油消耗量根据碳平衡方法进行计算所得。该测试仪配备了一根4英寸的皮托管流量计，用于测量尾气管排气流量的逐秒瞬态变化。该系统还装备了一套气压计，用以测量测试车辆的外部环境湿度和温度。测试过程中，采用GPS记录仪测量公交车在实际道路上的车速、海拔高度、精度和维度的逐秒变化。流量计与尾气管直接相连，测试仪的采样管从流量计中实时抽取部分样品用于分析，采样管加热至190 ℃，以防止水蒸气和高分子碳氢化合物的冷凝。

2.3 颗粒物排放测试设备

颗粒物排放测量一直是柴油车车载排放测试的重点和难点。已有的机动车车载排放测试研究曾选取包括ELPI、SMPS、CPC、DMM和PPMD等各种不同的颗粒物排放测试设备开展了颗粒物的排放实测[6，9，10，12，13，25，30-25]。本研究选取一套由TSI公司生产的颗粒物实时粒径谱分析仪(EEPS 3090)进行测量。仪器的前端装有一套旋转盘稀释器，用以去除超过设备测量粒径的大颗粒，并将样气流量稀释至500倍。EEPS粒径谱仪将5.6～560nm之间的发动机尾气颗粒物分成32个粒径段进行计数，其测量频率可达10Hz，其可测的颗粒数浓度最低可达200 个·cm3。样气经稀释后基本处于大气常压状态，可避免气态有机物和半挥发态颗粒物的挥发。在实际测试过程中用缓冲垫包裹于仪器四周以减少振动对测试的影响。

2 结果与讨论

2.1 实际道路平均排放因子

考虑到各台测试仪的响应时间有所差异，将各项数据的输出时间根据车速和尾气流量的测试数据进行同步校正，以确保各项数据的响应时间基本一致。表2所示为测试车辆在各种道路上的平均油耗和排放因子的测量结果。由表可见，车辆的平均排放水平与其平均车速密切相关，主干路和次干路的平均车速相对较低，行驶条件相对较差，其气态污染物和颗粒物以及油耗水平均高于高架路，这与Chen等在上海市开展的实际道路车载测试的结果基本一致[8]。

目前国内对装有SCR系统的国四柴油车在实际道路上的排放数据相对较少。本研究获得的CO和NOx排放因子与其他排放等级的柴油车研究结果相比总体一致[8，9，37]，THC排放因子与已有研究相比有大幅的下降，这可能是由于国四发动机的喷油定时技术以及SCR系统中的氧化装置均对THC具有比较明显的控制作用。与Wang等[36]获得的国四柴油公交车排放因子结果相比，本研究所得的NOx排放因子较低。因此，与Wang等所得的SCR在公交车低负荷工况下的作用有限的结论有所不同，本研究中SCR系统具有一定的NOx减排作用。由于本研究的路线平均车速劣于Wang等的平均车速，故可排除因本研究工况较好而使排气温度较高、SCR工作条件较好的因素，NOx排放较低的实际原因一方面可能是由于SCR系统的工作状态相对较好，另一方面可能是由于测试车辆处于重荷载状态，使发动机负荷相对较大、排气温度升高，促进了NOx向N2转化。

本研究所得的单位里程颗粒数排放因子与Liu等的SCR国四柴油车排放结果相比，高出20倍，而颗粒质量排放仅为该研究的一半[13]。EEPS的颗粒物质量浓度为各粒径段的体积浓度乘以1 g·cm-3的假定密度推算所得，因此，本研究测得颗粒数排放较高的原因可能是EEPS相比ELPI可捕获更多粒径较小的纳米颗粒，而这些颗粒对总质量的贡献相对有限，颗粒质量则相对较低。

表2 测试公交车在各类型道路上的平均油耗和排放因子

图2给出了实际道路单位行驶里程的颗粒数和颗粒质量的粒径分布结果。由图可见，测试车辆的颗粒物数浓度总体呈单模态分布，这一结果有别于一些已有的研究[16，32]。根据H2SO4和H2O的均相成核理论[37]，硫含量对核模态颗粒物的形成具有重要影响，而上海市售柴油硫含量的总体降低(<50×10-6)可能是核模态颗粒物减少的最主要原因。此外，测试车辆的THC排放明显较低，说明尾气中的挥发态或半挥发态有机物在国四柴油机中得到了很好的控制，可在一定程度上避免有机物核化形成纳米颗粒[38]。颗粒数的粒径峰值大致位于70～80nm的粒径段，平均粒径在73nm左右，而颗粒质量的峰值粒径出现在150nm左右。

图2 实际道路行驶工况下的 颗粒数和颗粒质量排放的粒径分布

3.2 行驶工况对NOx和颗粒物排放的影响

为考察行驶条件对车辆排放的影响，本研究在瞬态排放实测数据基础上以300s的时间尺度计算了排放因子的滑动平均，并对各时间尺度计算获得的平均车速和NOx及颗粒数排放因子进行作图，如图3所示。

灰色柱表示各车速区间在整个测试路线上所占的比例，可见测试路线上的平均车速主要集中在10 km·h-1至20 km·h-1左右的平均车速段。NOx排放因子总体上随平均车速的上升而逐渐降低，当车速高于35 km·h-1稳定在较低的排放水平上。由于本研究未捕捉到60 km·h-1以上的平均车速段，无法判断高车速段下的NOx排放规律。根据已有研究，当车速高于60 km·h-1时，NOx排放将随车速的上升而增加。相对而言，颗粒数排放随车速的变化规律与NOx排放有所区别，低速段颗粒数的排放因子未呈现排放随车速上升而逐渐降低的趋势。这一差异说明柴油机在实际道路行驶条件下的颗粒物形成机制与气态污染物有所区别，低速低负荷状态下的颗粒物排放速率要远低于同等状态下的气态污染物。

图3 NOx和颗粒数排放因子随平均车速的变化规律

3.3 实际道路的超细颗粒物排放特征

为进一步研究颗粒数和粒径分布在实际道路行驶状态下的变化规律，图4给出了瞬态行驶工况下的颗粒数和粒径分布数据片段。由图可见，颗粒数的瞬态排放量与加速工况密切相关。怠速工况下的颗粒数排放速率基本保持在3.0×1011～4.0×1011s-1的排放水平。在加速过程中，颗粒数排放速率将急速增加到5.0×1013s-1甚至更高，而减速过程中，颗粒数排放速率降至1.0 ×1010s-1以下，甚至低于怠速时的排放水平。

图4 瞬态行驶工况下的颗粒数和粒径分布数据片段

颗粒数粒径分布的瞬态变化与颗粒数排放的变化趋势基本一致。每次加速过程中，各粒径段的颗粒数呈现明显的上升趋势，主要增长的粒径段集中在30～100 nm的积聚模态。值得一提的是，高速行驶条件下的加速操作产生的颗粒数排放显著高于低速条件，这主要是由于高速行驶状态下的加速操作使喷油量大幅增加，经燃烧形成大量纳米颗粒物，使纳米颗粒浓度急剧增加，加大了纳米颗粒之间碰并和凝聚的机会，形成大量积聚态颗粒物。

图5进一步描述了不同行驶条件下的颗粒数粒径分布变化。图5(a)为10 km·h-1～50 km·h-1不同车速下加速过程的颗粒数粒径分布；图5(b)为10 km·h-1～60 km·h-1不同车速下匀速过程的颗粒数粒径分布；图5(c)为怠速和减速过程的颗粒数粒径分布。结果表明，加速过程产生的各粒径段颗粒数显著高于匀速、减速和怠速过程。怠速状态下的颗粒数排放相对较低，相比加速工况低2个数量级左右，怠速时的核模态颗粒物相比其他工况更高，这可能是由于怠速时的排气温度较低，尾气中的硫酸盐和有机物等组分易于与水蒸气凝结成核，形成核模态颗粒液滴。各粒径段的颗粒数排放变化趋势主要取决于车速，加速和匀速状态下的颗粒数排放均随车速的上升而相应增加，在高速状态下进行加速操作时的各粒径段颗粒数均处于最高水平。

(a) 不同车速段的加速工况; (b) 不同车速段的匀速工况; (c) 怠速和减速工况图5 不同行驶条件下颗粒数粒径分布的排放比较

3 结论

本研究采用车载排放测试仪在上海市城区开展了一辆国四柴油公交车的实际道路排放测试，获取了气态和颗粒态污染物的排放特征及其与行驶工况之间的相关性。测试结果显示，测试车辆的燃油消耗和污染物排放因子在各种道路条件下存在比较明显的差异。主干路和次干路上的交通条件相对较差、行驶车速相对较低，其油耗和排放水平相对更高。测试车辆的NOx排放因子为8.2 g·km-1，低于国内已开展的国四柴油公交车排放结果，测试时增加了车辆荷载，使车辆处于重负荷运行，可能使发动机排温提升，促进了SCR系统将NOx向N2的转化。

颗粒数和颗粒质量的平均排放因子约为6.4 ×1014个·km-1和0.36 g·km-1。EEPS粒径谱仪可测得更广的纳米颗粒粒径范围，因此同一车型的颗粒数排放结果高出ELPI的20倍。测试车辆的颗粒粒径总体呈单模态分布，核模态颗粒物排放相对较少的主要原因一方面是由于目前上海市售柴油硫含量相对较低，另一方面THC排放得到较好的控制，减少了挥发态和半挥发态有机物的成核现象。测试车辆的粒径峰值主要位于70～80 nm。

NOx和颗粒数排放总体上均随平均车速的上升而降低，但低速时颗粒数排放要显著低于NOx，在10 km·h-1～20 km·h-1的平均车速段基本保持在较低的水平。本研究进一步讨论了瞬态行驶工况下颗粒数的排放规律，怠速工况下的颗粒数排放水平较加速工况低2个数量级。加速和匀速工况下，颗粒数排放基本随车速的上升而增加。车辆在高速状态下进行加速操作将使喷油量增加，燃烧产生高浓度的纳米颗粒，增加了颗粒的碰并和凝聚的机会，，形成大量积聚态颗粒物。

致谢：感谢上海市巴士公交(集团)有限公司对本研究的支持，以及"替代燃料机动车的瞬态排放及环境影响研究"项目(10231201902)的资助。

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(本文文献格式：钟群莲.国四柴油公交车实际道路气态污染物与超细颗粒物排放特征研究[J].山东化工，2017，46(12)：203-207.)

2017-04-07

替代燃料机动车的瞬态排放及环境影响研究，项目编号：10231201902

钟群莲(1982—)，女，上海奉贤人，助理工程师，主要从事环境监测工作。

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1008-021X(2017)12-0203-05