国Ⅴ重型货车尾气中颗粒物数量排放特性实验研究

孙龙林，张妮娜，黄文伟，高谋荣，苗 领

(1.深圳职业技术学院汽车与交通学院，广东 深圳 518055；2.深圳市生态环境监测站，广东 深圳 518049)

2015年2月，广东省环境保护厅印发了《关于广东省提前执行第五阶段国家机动车大气污染物排放标准的通告》，要求从2015年7月1日起，在珠三角地区销售、注册和转入的公交、环卫、邮政行业重型压燃式发动机汽车，应符合国家排放标准《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)》(GB 17691—2005)中的第Ⅴ阶段排放控制要求；同时，停止销售、注册和转入不符合上述要求的车辆。

2017年2月，深圳市人居环境委员会、深圳市公安局交通警察局发布了《关于重型柴油车执行第五阶段国家机动车大气污染物排放标准的通告》，要求从2018年1月1日起，在深圳市销售、注册和转入的重型柴油车(不包括牵引车)，应选用安装颗粒捕集器(DPF)的国Ⅴ及以上标准的车型。

关于机动车辆尾气中颗粒物的排放特性和环境影响评价，国内外已有不少学者对其进行了相关研究[1-15]。目前深圳市“国Ⅴ+DPF”重型货车已投入运营，但国内外尚未有其相关排放实验的评估研究。为此，本文基于颗粒物实时分析系统(SEMTECH-CPN)，将首次对“国Ⅴ+DPF”重型货车在城市道路行驶工况下尾气中颗粒物(PM)数量排放进行测试，分析了不同尾气温度、节气门开度、行驶速度和比功率区间下“国Ⅴ+DPF”重型货车尾气中PM数量的排放特性。

1 实验设计

1. 1 实验系统

本实验采用美国Sensors公司的颗粒物实时分析系统(SEMTECH-CPN)，选择深圳“国Ⅴ+DPF”重型货车(以下简称国Ⅴ重型货车)在选定城市路线上往返行驶，对国Ⅴ重型货车尾气中PM数量排放进行测试。实验系统如图1所示，测试车辆排放的尾气经过排气管后，由连接管道全部进入废气流量计(SEMTECH-EFM)测量废气流量和排气温度，废气流量计内部的取样管对废气进行取样，并传递给SEMTECH-CPN进行PM数量浓度的实时分析；安装在车辆上的温湿度计和全球定位系统(GPS)分别对环境空气的温度、湿度以及测试车辆的行驶速度进行测量，并将信号传递到SEMTECH-CPN中，该系统经过计算得出PM数量的瞬时排放速率；测试车辆电子控制单元(ECU)中的相关数据也通过车内控制模块(SEMTECH-ICM)从车载诊断系统(OBD)接口读取，并传递到SEMTECH-CPN中；专用的笔记本电脑连接SEMTECH-CPN，进行系统调零、仪器标定和实时监控，并收集与储存实验数据。

图1 “国Ⅴ+DPF”重型货车尾气排放实验系统Fig.1 Tailpipe emission experiment system of China Ⅴ heavy-duty truck with Diesel Particulate Filter (DPF)

1. 2 实验车辆

本次测试选用的车辆是深圳市物流运输用的两辆重型厢式货车。1号测试车辆为福田重型厢式货车，装配F4.5NS6B220康明斯发动机，尾气后处理装置包括柴油机氧化催化器(DOC)、选择性催化还原器(SCR)、柴油机颗粒捕集器(DPF)和氨净化催化器(ASC)；2号测试车辆为东风重型厢式货车，装配ISD180-62康明斯发动机，尾气后处理装置包括DOC、SCR和DPF，具体参数见表1。

表1 测试车辆参数

1. 3 实验方法

本实验采用的测试方法是在城市典型道路上对测试车辆进行实际行驶工况下的尾气排放测试，测试路线从深圳职业技术学院东校区出发，经过留仙大道、南海大道，由北环大道到达前海收费站进入G4高速公路，行驶到黄浦收费站掉头，再沿着原来路线返回，见图2。测试路线中包含国Ⅴ重型货车日常行驶的城市主干道、城市快速路和高速公路3种类型，也是深圳市国Ⅴ重型货车来往繁忙的运输路线。

测试过程中，环境空气压力波动区间为0.978×105～0.989×105Pa，环境温度波动区间为31.6～37.2℃，环境湿度波动区间为29.8%～44.4%。车辆载荷采用配重铁块进行模拟加载，配重总质量为测试车辆载重量的50%。

图2 “国Ⅴ+DPF”重型货车尾气排放实验路线Fig.2 Tailpipe emission test route of China Ⅴ heavy-duty truck with Diesel Particulate Filter (DPF)

2 实验结果与分析

实验过程中，对1、2号车分别进行了城市道路工况下往返行驶的尾气排放测试，即利用包括GPS、SEMTECH-EFM、温湿度计、SEMTECH-CPN在内的测试系统采集了测试车辆包括行驶速度、排气温度、PM数量瞬时排放速率等在内的测试数据，测试车辆ECU中的节气门开度等数据也经过OBD接口读出并传输给SEMTECH-CPN。

2.1 测试车辆PM数量的瞬时排放速率与行驶速度的关系分析

测试车辆PM数量的瞬时排放速率与测试车辆行驶速度之间的关系表现出相同的变化规律，1号车在测试道路上PM数量瞬时排放速率和行驶速度v随时间t的变化情况见图3。

图3 1号车PM数量的瞬时排放速率和行驶速度随 时间的变化曲线Fig.3 Instantaneous emission rate and driving speed of heavy-duty truck No.1 with time on the test roads

由图3可见，从数据的分布规律可以看出，1号车PM数量的排放速率高峰值主要出现在行驶速度较高的高速公路行驶阶段，而在行驶速度较低的城市主干道和城市快速路行驶阶段1号车PM数量的瞬时排放速率相对较低，国内外学者的研究也证实了这一规律[16-19]。这主要是因为测试车辆在高速公路上持续高速行驶时，发动机负荷增大，使发动机燃烧室温度升高，燃料分子发生离解的概率远远大于其聚合的概率，产生大量的自由基，引起一系列链分支反应和链终止反应,并形成一些基团，构成排气微粒的核心[20]，最终导致测试车辆的PM排放数量随发动机燃烧室温度升高而急剧增加，PM数量的瞬时排放速率快速上升，当车速在60 km/h以上时，测试车辆PM数量的瞬时排放速率的平均值是30 km/h以下时数值的10.0倍；此外，测试车辆在高速行驶时，发动机负荷大，发动机转速高，进气和喷油的质量加大、频率加快，细小的波动更容易导致较大的油气混合变化，从而导致测试车辆PM数量的瞬时排放速率出现较大幅度的波动。

2. 2 尾气温度特性分析

对测试数据按照尾气温度进行区间统计，根据尾气温度的分布范围，以30℃为间隔，将数据划分为[30，60]，(60，90]，(90，120]，…,(270，300]，共9个区间,以P1，P2，P3，…，P9表示，并求取不同尾气温度区间内测试车辆PM数量的平均排放速率(单位时间内PM排放数量，pcs/s)，测试车辆PM数量的平均排放速率为尾气温度区间内测试车辆PM数量的瞬时排放速率(瞬时排放速率为实验记录值)的平均值，1号车PM数量的平均排放速率与尾气温度的相关系数为0.82，2号车PM数量的平均排放速率与尾气温度的相关系数为0.68，经过统计整理后在不同尾气温度区间内测试车辆PM数量的排放特性见图4。

图4 不同尾气温度区间内测试车辆PM数量的排放 特性Fig.4 Emission characteristics of PM number of the test trucks under various exhaust temperature intervals

由图4可见，测试车辆PM数量的平均排放速率都呈现出随尾气温度升高而上升的趋势，并且在增加速度方面呈现加速上升的趋势：在尾气温度较低的P1、P2、P3区间内测试车辆PM数量的平均排放速率的增加较为平缓，随着尾气温度上升，测试车辆PM数量的平均排放速率的增加速度也逐渐增加，并在尾气温度较高的P7区间之后，测试车辆PM数量的平均排放速率急剧上升，表现为尾气高温区间内测试车辆PM数量的平均排放速率远远超过低温区间，在150℃以上尾气温度区间内1、2号车PM数量的平均排放速率分别为150℃以下温度区间内数值的18.8倍和84.7倍。

国Ⅴ重型货车尾气温度的高低反映出发动机燃烧室温度的高低，随着发动机燃烧室温度的不断上升，燃油的碳氢组分更容易发生裂解成核[21]，而热解反应主要取决于温度和浓度[22]，当发动机燃烧室高温时往往燃油混合气浓度也高，所以燃料分子发生离解的概率逐渐大于其聚合的概率，最终导致测试车辆的PM数量随发动机燃烧室温度升高而急剧增加，PM数量的瞬时排放速率快速上升。

2. 3 节气门开度特性分析

对测试数据按照节气门开度进行区间统计，根据节气门开度的分布范围，以10%为间隔，将数据划分为0，(0，10]，(10，20]，…,(90，100]，共11个区间，以Z，P1，P2，…，P10表示，并求取不同节气门开度区间内测试车辆PM数量的平均排放速率。1号车PM数量的平均排放速率与节气门开度的相关系数为0.96，2号车PM数量的平均排放速率与节气门开度的相关系数为0.85，经过统计整理后在不同节气门开度区间内测试车辆PM数量的排放特性见图5。

图5 不同节气门开度区间内测试车辆PM数量的 排放特性Fig.5 Emission characteristics of PM number of the test trucks under various throttle opening intervals

由图5可见，测试车辆PM数量的平均排放速率均呈现出随节气门开度增加而相应上升的趋势，其中1号车PM数量的平均排放速率整体表现出随节气门开度增加而平缓增加的趋势，2号车PM数量的平均排放速率在节气门开度较小的区间内，增加较为平缓，但随着节气门开度增加，2号车PM数量的平均排放速率逐渐呈现出急速上升的趋势；1号车和2号车在P10区间内PM数量的平均排放速率分别为P1区间内数值的4.1倍和23.8倍。

国Ⅴ重型货车节气门开度增加，燃油喷射量相应增加，会导致油气混合不均匀和燃油湿壁现象，促使其PM排放逐渐增加。当节气门开度过大时，可燃混合气过浓，空间浓区和附壁油膜大幅增加，促使测试车辆PM数量的排放速率快速上升。

2. 4 行驶速度特性分析

对测试数据按照行驶速度进行区间统计，根据行驶速度的分布范围以10 km/h为间隔，将数据划分为0，(0，10]，(10，20]，…，(80，90]，共10个区间，以Z，P1，P2，…，P9表示，并求取不同行驶速度区间内测试车辆PM数量的平均排放速率和平均排放因子(单位里程内PM的排放数量，pcs/km)。平均排放因子为行驶速度区间内测试车辆瞬时排放因子的平均值，而瞬时排放因子(pcs/km)是实验记录值中PM数量瞬时排放速率(pcs/s)与瞬时车速(km/s)比值。测试车辆PM数量的平均排放速率和平均排放因子与行驶速度的相关系数和p值见表2，经过统计整理后在不同行驶速度区间内测试车辆PM数量的排放特性见图6。

表2 测试车辆PM数量的平均排放速率和平均排放因子与行驶速度的相关系数和p值

图6 不同行驶速度区间内测试车辆PM数量的 排放特性Fig.6 Emission features of PM number of the test trucks under various truck speed

由图6(a)可见，1、2号车PM数量的平均排放速率呈现出相似的变化规律：测试车辆PM数量的平均排放速率整体上随行驶速度增加而相应上升；在车辆静止和行驶速度较低的Z、P1、P2、P3、P4、P5区间内，测试车辆PM数量的平均排放速度相对较低并随行驶速度缓慢上升；在行驶速度较高的P6、P7、P8、P9区间内，测试车辆PM数量的平均排放速率迅速上升，数值也远远高于低速区间。这是因为测试车辆行驶车速过高时，发动机负荷过大，燃油混合气浓度增加，导致测试车辆PM的排放数量显著增加。

由图6(b)可见，1、2号车PM数量的平均排放因子也呈现出相似的变化规律：在行驶速度较低的P1、P2、P3、P4、P5区间内，测试车辆PM数量的平均排放因子相对较低并随行驶速度缓慢递减；在行驶速度较高的P6、P7、P8、P9区间内，测试车辆PM数量的平均排放因子随行驶速度的增加而迅速递增； 1、2号车PM数量的平均排放因子都在中速区间内数值最低。排放因子是指单位里程内PM的排放数量，中等车速时单位时间行驶里程充足而燃油混合气浓度还没有明显增加，所以测试车辆PM数量的排放因子数值最低。

本文计算了低速区间(0～30 km/h)、中速区间(30～60 km/h)和高速区间(60～90 km/h)内测试车辆PM数量的排放速率和排放因子的平均值，见表3。

表3 不同行驶速度区间内测试车辆PM数量的排放特性对比

由表3可知，在高速区间内1、2号车PM数量的平均排放速率分别为低速区间内数值的10.0倍和25.5倍，1号车在低速区间和高速区间内PM数量的平均排放因子分别为中速区间内数值的2.3倍和3.7倍，2号车在低速区间和高速区间内PM数量的平均排放因子分别为中速区间内数值的2.0倍和6.6倍。

2. 5 比功率特性分析

机动车比功率(Vehicle Specific Power,VSP)最早应用于遥测数据的分析中，后来经进一步的完善并得到了广泛的应用[15]。PVSP定义为瞬态的机动车输出功率与机动车质量的比值(单位为kW/t)，其综合考虑了车速、加速度、道路坡度以及风阻等参数的影响，最终简化后的机动车比功率PVSP计算公式为

PVSP=v{1.1a+9.81[atan(sinθ)]+0.132}+0.000 302v3

(1)

式中：v为车速(m/s)；a为加速度(m/s2)；θ为道路坡度(rad)。

将测试数据代入公式(1)计算出对应的机动车比功率，并进行区间统计,以5 kW/t为间隔，将数据划分为<-15，[-15，-10)，[-10，-5)，[-5，0)，0，(0，5]，(5，10]，(10，15]，(15，20]，>20，共10个区间，以N4，N3,…，N1，Z，P1，P2,…，P5表示，并求取不同比功率区间内测试车辆PM数量的平均排放速率和平均排放因子。测试车辆PM数量的平均排放速率和平均排放因子与比功率的相关系数和p值见表4，经过统计整理后在不同比功率区间内测试车辆PM数量的排放特性见图7。

表4 测试车辆PM数量的平均排放速率和平均排放因子与比功率的相关系数和p值

图7 不同比功率区间内测试车辆PM数量的排放 特性Fig.7 Emission features of PM number of the test trucks at various VSP intervals

由图7可见，1号车与2号车PM数量的平均排放速率和平均排放因子呈现出相似的变化规律：在比功率为负值的N1～N4区间和比功率为零值的Z区间内，PM数量的平均排放速率和平均排放因子相对较低并不随比功率增加而明显增长；在比功率为正值的P1～P5区间内，PM数量的平均排放速率和平均排放因子随比功率增加而逐渐增长，其中2号车的增长更加迅速且明显。

在负比功率时，车辆处于减速工况，发动机负荷很低，喷油量少，燃烧室温度低，PM数量浓度较低而且变化不明显；在正比功率时，车辆大多处于匀速或加速工况，比功率增加，则发动机负荷增大，喷油量增加，燃烧室温度升高，PM数量浓度逐渐增加。在正比功率区间内1号车和2号车PM数量的平均排放速率分别是负比功率区间内数值的2.9倍和10.2倍，而在正比功率区间内1号车和2号车PM数量的平均排放因子分别是负比功率区间内数值的1.9倍和5.6倍，见表5。2号车的发动机功率低于1号车，而两车的质量相当，相同比功率时2号车的发动机负荷更大，喷油量更大，燃油混合气更浓，燃烧室温度更高，导致颗粒物数量排放更加严重。

表5 正负比功率区间内测试车辆PM数量的排放特性对比

2. 6 总排放因子

综合分析测试路线全程测试车辆PM数量的排放特性，并计算全程测试车辆PM数量的总平均排放速率和总平均排放因子，具体数值见图8。

图8 测试路线全程测试车辆PM数量的排放特性对比Fig.6 Comparison of emission features of PM number of the test trucks in the entire test route

由图8可见，2号车PM数量的总平均排放速率为1号车的3.7倍，2号车PM数量的总平均排放因子为1号车的3.2倍。

在全程测试中，1号车燃油消耗为32.17 L，单位油耗PM数量排放为7.87×1010pcs/L，2号车燃油消耗为42.64 L，单位油耗PM数量排放为2.17×1011pcs/L，2号车单位油耗PM数量排放数值是1号车数值的2.8倍。

1号车的额定功率高出2号车20.9%，在测试过程中发动机负荷相对较轻，发动机内燃烧室温度较低，尾气排放温度也相对较低，因而单位时间和单位里程PM数量的整体排放水平低于2号车，单位油耗PM数量排放水平也低于2号车。

同济大学胡志远等在重型底盘测功机上对柴油公交车进行了中国典型城市公交循环(CCBC循环)排放试验[17-18]，结果表明：国Ⅲ公交车PM数量的排放因子为3.87×1013pcs/km，国Ⅳ公交车PM数量的排放因子为2.82×1012pcs/km，加装DOC+DPF的国Ⅲ公交车PM数量的排放因子为3.19×1011pcs/km，加装DOC+DPF减少了99%的PM数量排放。本文测试的国Ⅴ+DPF重型货车，在技术配置上与加装DOC+DPF的国Ⅲ公交车相似，但由于国Ⅲ公交车的DOC+DPF是加装改造，行驶里程达23.5万km，车辆老、里程长、车况较差，而两辆国Ⅴ+DPF重型货车是原厂装配，行驶里程分别为0.9万km和0.5万km，车辆新、里程少、车况良好，因此国Ⅴ+DPF重型货车PM数量的排放因子(1.35×1010pcs/km和4.35×1010pcs/km)低于加装DOC+DPF的国Ⅲ公交车。

3 结 论

本文基本颗粒物实时分析系统(SEMTECH-CPN)，对深圳国Ⅴ重型货车在城市道路行驶工况下尾气中颗粒物(PM)排放数量进行测试，分析了不同尾气温度、节气门开度、行驶速度和比功率区间下国Ⅴ重型货车尾气中PM数量的排放特性，得到如下结论：

(1) 在不同尾气温度区间内，测试车辆PM数量的排放速率随着尾气温度的升高而逐渐上升，在150℃以上尾气温度区间内1、2号车PM数量的平均排放速率分别为150℃以下尾气温度区间内数值的18.8倍和84.7倍。

(2) 在不同节气门开度区间内，测试车辆PM数量的排放速率随着节气门开度的增加而相应上升，在90%～100%节气门开度区间内1、2号车PM数量的平均排放速率分别为0%～10%节气门开度区间内数值的4.1倍和23.8倍。

(3) 在不同行驶速度区间内，测试车辆PM数量的排放速率随着行驶速度增加而相应上升，其PM数量的排放因子随着行驶速度增加先下降再上升；在低速区间内，测试车辆PM数量的排放速率随着行驶速度增加而缓慢增长，PM数量的排放因子随着行驶速度增加而逐渐降低；在高速区间内，测试车辆PM数量的排放速率和排放因子均随着行驶速度增加而迅速增高。在高速区间内1、2号车PM数量的平均排放速率分别为低速区间内数值的10.0倍和25.5倍；在低速区间和高速区间内1号车PM数量的平均排放因子分别为中速区间内数值的2.3倍和3.7倍，在低速区间和高速区间内2号车PM数量的平均排放因子分别为中速区间内数值的2.0倍和6.6倍。

(4) 在不同负比功率区间内，测试车辆PM数量的排放速率和排放因子均不随比功率的增加而相应增长；在正比功率区间内,测试车辆PM数量的排放速率和排放因子均随着比功率的增加而明显增长。在正比功率区间内1、2号车PM数量的平均排放速率分别是负比功率区间内数值的2.9倍和10.2倍，在正比功率区间内1、2号车PM数量的平均排放因子分别是负比功率区间内数值的1.9倍和5.6倍。

(5) 整个测试路线上，1号车由于发动机额定功率大，发动机负荷较低，发动机燃烧室温度相对较低，其PM数量的排放水平低于2号车。2号车PM数量的总平均排放速率为1号车的3.7倍，2号车PM数量的总平均排放因子为1号车的3.2倍，2号车单位油耗PM数量的排放是1号车的2.8倍。