基于PN值的汽车颗粒捕集器移除破损检测

钱国刚，窦燕涛，沈　姝

基于PN值的汽车颗粒捕集器移除破损检测

钱国刚，窦燕涛，沈姝

Qian Guogang，Dou Yantao，Shen Shu

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津300300）

DPF（Diesel Particulate Filter, 柴油机颗粒捕集器）被移除或严重损坏时柴油车PN（Particle Number，粒子数量）排放会严重恶化，在现实中已出现篡改DPF的事例。检查DPF是否存在或正常工作这项规程将被列入UN/ECE（the United Nations Economic Commission for Europe，联合国欧洲经济委员会）法规车辆公路适运能力决议R.E.6，以监管社会在用车DPF的失效措施和篡改破坏行为。通过测试怠速工况下尾气PN值并与相应限值进行比较，从而得出判断结果。规程中对PN测量设备的性能指标、受测车辆及设备的状态、测试环境、测试操作流程等进行了规定。为限制移除及破坏DPF的行为，荷兰、比利时、德国和瑞士积极实施此项规程或等效法规，值得我国借鉴，借助PN测试设备对配置GPF（Gasoline Particulate Filter, 汽油机颗粒捕集器）的汽油车进行监管。

PN；汽油机颗粒捕集器；柴油机颗粒捕集器；怠速；年检；在用车

0　引言

车用发动机尾气颗粒物捕集器主要有DPF（Diesel Particulate Filter, 柴油机颗粒捕集器）和GPF（Gasoline Particulate Filter，汽油机颗粒捕集器）。颗粒物捕集器正常发挥减排功能的前提除了技术规格、作动控制策略及制造品控等因素外，其构造也应完好。若捕集器被异物撞击、人为打孔而损伤，或被移除过滤单元，则单车的PN排放可攀升30倍[1]。配备尾气颗粒物捕集器的车辆在我国每年新增超千万辆，因此检测在用车颗粒物捕集器的方法应当易于实施、测试耗时短且费用低。

当前，我国在用车怠速工况下尾气颗粒物捕集器的检测法规包括GB 18285—2018《汽油车污染物排放限值及测量方法（双怠速法及简易工况法）》附录A和附件AA，以及GB 18352.x《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》第5阶段及更早阶段的Ⅱ型试验。怠速工况已经获选用来筛查测试社会在用车颗粒物捕集器移除破损。

1　DPF测试规程

为判断柴油车用DPF是否被移除或破损，UN/ECE（the United Nations Economic Commission for Europe，联合国欧洲经济委员会）的PTI（Periodic Technical Inspections，定期技术检查）工作组提出在怠速下测试尾气PN值的方法，即检查DPF是否存在和正常工作的基本要求（Minimum Requirements for Checking the Presence and Proper Working of Diesel Particulate Filters），并列在UN/ECE监管在用车公路适运能力法规即R.E.6决议(Resolution on Test-Equipment, Skills and Training of Inspectors, Supervision，关于测试设备、检察员技能和培训，以及监管的决议)的第7章[2]。

1.1　PN限值和测试设备

1.1.1PN限值

测试方法中除了设置通过/不通过限值外，还提出设定快速通过选项和快速不通过选项，主要为了缩短测试时间。快速通过选项通常为PN限值的25%；快速不通过选项有助于快速完成判断，并避免设备污染。PN限值设置见表1。

表1　DPF测试的PN限值 #/cm3

TNO（The Netherlands Organization，荷兰应用科学研究组织）及JRC（Joint Research Centre of the EC，欧盟联合研究中心）考察了NEDC（New European Driving Cycle，新欧洲驾驶循环）下I型试验的PN值与怠速下PN浓度值的关系。TNO判断二者线性回归系数为1×107cm3/km左右；由于I型试验的PN限值为6×1011#/km，经过换算并考虑测试方法、环境和测试设备偏差后给出表1建议[3]。JRC在2018和2020年两轮复现测试中结果与TNO判断相一致[4-5]，赞成以限值1.0×106#/cm3判别DPF是否被移除[3]，且低怠速法PN值2.5×105#/cm3与NEDC下的I型试验测试值2.5×1012#/km具有对应关系（1×107cm3/km）[6]。限值制定同时兼顾加严程度意向、测试方法和仪器不确定度等因素。

1.1.2测试设备

采样尾气及测量颗粒体积浓度的系统的性能要求见表2。

表2　采样尾气及测试系统性能要求

注：﹡OBD诊断时测量上限为5×106～5×107#/cm3，作为对比，本文测试方法可以更早发现DPF问题。

为避免冷凝使受测气体出现粒子损失，测试系统应配备相应装置。VPR（Volatile Particulate Remover，挥发性颗粒物去除器）的挥发性物质去除效率应大于90%，以去除上游样气中SOF（Soluble Organic Fraction，可溶性有机物）、硫酸盐等。满足表2要求的颗粒物计数装置可以为标准粒子计数器式或扩散荷电式，如果具备自动归零或自动调整的漂移补偿装置，应避免其作动干扰气体测量。重复性上要求对同一PN标准气体连续测量20次，结果的标准偏差应小于误差允许上限的1/3。

1.2　测试流程

多轮测试时，将每次测试瞬时的PN值的算术平均值作为此轮测试最终值。单次测试流程包括发动机预处理、颗粒物测试仪预热、设备自检和功能检查、泄漏检查、探头插入、正式测量等环节。

1.2.1发动机预处理

为使测得的PN值稳定且不偏高，通过预处理使发动机排放达到稳定条件，即：（1）冷却液温度＞60 ℃或采用制造商建议值；（2）EGR（Exhaust Gas Recirculation，废气再循环系统）状态稳定，采用OBD进行检查；（3）无DPF再生，通过测尾气温度进行检查。

1.2.2测量程序

在颗粒物测试仪已预热并完成车辆排气系统泄漏检查后，将取样探头插入排气管300 mm（如不可行，则应＞50 mm）。使发动机处于低怠速状态，将取样尾气送入排放测试仪。经过规定的稳定时间后，连续测试PN值不少于15 s，并计算出15 s内PN平均值，即平均颗粒物浓度。如果车辆有多个尾气管，各尾气管均应进行测试。

当测试结果大于限值2倍时，测试终止；首次测试结果不通过时可允许再次测试，但测试前通过行驶或加速等方式预处理5 min。

进行HEV（Hybrid Electric Vehicle，混合动力汽车）测试时，发动机应运转，且无DPF再生。

1.2.3测试环境

环境温度为5～40 ℃，气压为86～106 kPa，相对湿度小于95%。

1.2.4维护要求

粒子计数器的校准间隔应小于12个月。需配备适当的泄漏检查设施或程序和用于校正及重新检定的设施，以及判断粒子计数器是否作动正常的诊断系统。

2　PN测试的监管应用

针对DPF受损问题需要推出新法规，一是在用车超排严重，二是缺乏广泛实施、准确且耗资源少的监管手段。

不透光度测试方法未获采用，虽然这是GB 3847等标准中测量压燃式发动机车辆尾气颗粒物的传统手段之一，但一是因为DPF缺失产生的高PN值与不透光度无直接对应关系，二是因为光吸收系数精度达0.01 m−1的不透光烟度计的筛查能力低，可能出现误判，三是因为年检站区域背景信号的幅值已不可忽略。欧盟Horizon 2020课题的遥测专项CARES（City Air Remote Emission Sensing，城市空气污染物遥测）正在实施中，今后欧盟将以其结论作为参考[7]。DPF被篡改从而被绕过已有先例。

2.1　DPF篡改先例

美国法规CAA（Clean Air Act，清洁空气计划） § 203（a）（3）（B）、42 U.S.C.（United States Code，美国法典）§ 7522（a）（3）（B）及40 C.F.R.（Code of Federal Regulations，美国联邦法规）§1068.101（b）（2）禁止篡改DPF，对于主要作用是绕过、破坏或使安装在机动车或发动机上的任何装置或设计元件失效的零件或组件，禁止任何人制造或销售、要约出售该单元、或安装该单元到任何机动车辆或发动机或作为其一部分[8]。

EPA（Environmental Protection Agency，美国环保署）评估，受篡改影响，2009—2020年售出的柴油卡车超排57万t PM（Particulate Matter，颗粒物）和5千t NO。2020年起，美国实施合规性倡议遏制车辆和发动机售后市场失效措施[9]，包括实施CAA框架下的篡改判别政策[8]和针对篡改的惩罚政策[10]。例如，2022年，Red Deer Exhaust Inc.和Borla Performance Exhaust Inc.两家公司因失效措施违法被EPA分别处以160万美元及102万美元罚金[11]，DPF被篡改的案例被列举在2020年美国执法警示通报及近年案例中[12]。

ACEA（Association des Constructeurs Européens d'Automobiles，欧洲汽车制造商协会）于2017—2018年向UN/ECE PTI工作组提交了从互联网网站获悉的汽车排放篡改提供商[13]，其篡改破坏行为分为6组，筛查技术分为5项，见表3。

表3　网络排查出的篡改行为及监测技术

注：NSC（NOStorage Catalyst，NO存储催化剂）；SCR（Selective Catalystic Reduction，选择性催化还原技术）。

表3信息来自24个国家和地区，包括奥地利、比利时等18个欧盟国家，以及白俄罗斯、巴西、中国、俄罗斯、新加坡、土耳其等国。2017年第75届GRPE（Working Party on Pollution and Energy，污染物和能耗工作组）的会议资料指出“德国媒体报告显示欧5、欧6车辆有20%被人为篡改过”[14]。

PTI工作组于2022年4月设立了排放反篡改专责小组，目标是防范和识别排放篡改，重新审视、调整新车和在用车的法规框架，使篡改更易于被探查进而在社会上消失[15]。2017—2019年CITA（The International Motor Vehicle Inspection Committee，国际机动车检验委员会）向UN/ECE呈交了篡改调研，梳理出DPF移除或破损后的特征：排气管缺失一部分或存在异常焊缝等外观改动迹象；ECU设置被更改；起过滤功能的载体被打孔破损、移除或在其上下游增设的管路旁通一部分气流。

2.2　PN值测试方法的应用

车辆全寿命合规为UN/ECE近年提出的新方针。应对排放系统篡改的总体策略是将在用车标准与新车标准相协调，制定在用阶段DPF篡改的监管测试手段。JRC认为现代发动机和过滤捕集技术已大幅进步，而不透光度法敏感度相对欠佳，例如，受测车辆通过了不透光度测试但没能通过限值2.5×105#/cm3的PN测试[3, 16]。图1为213辆欧5在用轻型车TNO尾气PN值（纵轴）和不透光度测试值（横轴），通过纵轴更易于区分高排放车与其他车，即聚类方面前者显著于后者[17]。

图1　欧5在用轻型车尾气指标

荷兰积极倡导测量欧5b及欧6车辆怠速时尾气PN值，将其作为“轮式车辆环境保护定期技术检查统一规定”议题向UN/ECE提议[18]，并向PTI第14次会议提交了测试方法概要，向PTI第17次会议提交了“关于DPF颗粒计数器测试法规的立法建议”[19]，向PTI第20次会议提交了“PN测量方法的处理建议草案”[20]，已经多轮修订后送审。荷兰在2019年11月修订了其1994年制定的《道路交通法》第71条和第71a条等车辆法规，采用颗粒计数器来检查车辆DPF状况，修订后的法规已于2022年7月起实施[1]，其与PTI提出的PN值测试方法有细微差别：荷兰法规对于多个尾气排出口仅测一个管口，对于设备50 nm±5%粒径范围计数效率为60%～130%，限值划分依据为表4中车龄。

表4　荷兰法规PN限值要求

表5　一些国家的PN值测试法规

比利时、瑞士、德国的应用计划见表5[3]。低、高怠速法在瑞士均有应用，低怠速下测试值小于1×105#/cm3则判定通过，2 000 r/min高怠速下可判定通过及不通过[21]。例如某辆DPF故障车辆的高、低怠速瞬态PN值如图2所示，可以看出高怠速下PN值为低怠速下数值的2倍以上[6]。

图2　具有DPF故障的欧5b柴油车的PN排放

3　GPF测试方法展望

GPF（Gasoline Particulate Filter, 汽油机颗粒捕集器）作为控制GDI（Gasoline Direct Injection, 汽油机直喷燃烧技术）或混合喷射下PN排放的手段，其在我国汽油车中的普及率已攀升至55%，有必要对其进行监管。

常规PFI（Port Fuel Injection，进气道喷射）发动机的颗粒物主要生成在冷启动、加速和高负载工况，GDI的颗粒物主要生成在喷油加浓时，因而怠速下测得的PN值代表性欠佳，但便于实施需被首先考虑。JRC采用怠速法开展GPF车型PN测试，其与I型试验PN测试的对应关系如图3[4]所示。

注：CNG(Compressed Natural Gas, 压缩天然气)，LPG（Liquefied Petroleum Gas, 液化石油气）；WLTC(World-wide harmonized Light duty Test Cycle，全球统一轻型车测试循环)。

图3中，JRC测试了30余辆样车低怠速下PN值与I型试验PN值（WLTC或NEDC），发现怠速下PN值2.5×105#/cm3的排放水平对应I型试验PN值4×1012#/km；针对高排放数据点，怠速下PN值2×106#/cm3对应I型试验PN值6×1012#/km。热态下测试的代表性优于冷态，因为热态时载体与壳体间衬垫的小缺陷会被闭合，冷态时该缺陷会降低过滤效率。

高怠速及低怠速下PN表现可参考TNO测试[22]，见表6，其中车型1、3、4无GPF，车型2含有GPF，车型1、2的PN测试结果如图4～6[22]所示，其中车型2分别测试了GPF前、后端PN值。表6中3款无GPF车辆高怠速下PN排放比低怠速下高15～130倍。

表6　4款车型高、低怠速的PN值

图4　车型1热态高、低怠速的PN值

注：NPET(the Nanoparticle Emission Tester, 纳米颗粒物排放测试仪)；APET（Aerosol Particle Emission Tester，气溶胶颗粒物排放测试仪）。

图6　车型2过滤载体前、后的PN值对比

图4～6中平直线为发动机转速，低怠速约为800 r/min，高怠速约为2 500 r/min。图4中各点为PN值，在第2 700 s、第2 800 s左右分别出现低、高怠速，两者PN值约差1个数量级。图5、图6测试数据均为同一辆欧6d车型，图5中曲线1、2分别为设备TSI-APET、Model 3795测得的GPF前PN值，可以看出，高怠速下（约第1 000 s及第1 300 s）发动机源排数值反而低于低怠速下数值（约第1 200 s及第1 500 s），前者略高于1×105#/cm3，后者约为1×107#/cm3。图6中曲线1与图5中曲线1、2为同一参数，图6中曲线2为经GPF载体过滤后的PN值，相比图6曲线1低约4个数量级，可以看出，此款欧6d-temp车型经过GPF正常作动可显著减排。

4　结论

柴油车DPF被移除或严重损坏时，PN超排约30倍。污染控制装置的失效措施及篡改案例在主要经济国家屡有出现。

UN/ECE法规“检查DPF是否存在或正常工作的最基本要求”将被编入R.E.6子篇章，用于监管社会在用柴油车DPF是否被移除或严重破坏。荷兰、比利时、德国和瑞士最早于2022、2023年实施该法规或等效法规。法规规定在怠速工况下测量车辆PN值，并规定了专用测试设备的性能指标、受测车辆及设备的状态、环境要求、测试操作流程等，将测得的PN值与相应限值进行比较。

有必要对GPF开展同等监管，相应法规研究尚处于起步阶段，已开展的GPF PN测试选择了怠速工况，预期DPF PN测试设备适用于GPF测试。

[1]Ministry of Infrastructure and Water Management of Netherland. Government Gazette 2019, 63953, Regulation of the Minister for the Environment and Housing of 21 November 2019, no. IENW/BSK-2019/ 202498, Amending the Regulation on Vehicles to Enable the Inspection of Particulate Filters with a Particulate Counter and to Make a Number of Other Technical Changes[S/OL]. (2019-11-22)[2022-11-12]. https://zoek. officielebekendmakingen.nl/stcrt- 2019-63953. html.

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[11]EPA.Clean Air Act Vehicle and Engine Enforcement Case Resolutions[EB/OL]. (2022-11-12)[2022-12-12]. https://www.epa.gov/enforcement/2022-clean-air-act-vehicle-and-engine-enforcement-case-resolutions.

[12]Office of Enforcement and Compliance Assurance of EPA. Aftermarket Defeat Devices and Tampering are Illegal and Undermine Vehicle Emissions Controls[EB/OL]. (2020-12-01)[2022-11-12]. https://www.epa.gov/sites/default/files/2020-12/documents/tamperinganddefeatdevices-enfalert.pdf.

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[18]20th IWG PTI of UN/ECE WP29.PTI-20-02 Proposal from the Netherlands to modify Rule 1 [R/OL]. (2018-05-08)[2022-11-12] .https: //wiki. unece.org/download/attachments/123666587/PTI%2020-02%20proposal%20PN%20measurement.docx?api=v2: P9-10.

[19]17th IWG PTI of UN/ECE WP29.PTI-17-02 Legislative Proposal for Regulations to Check Diesel Particulate Filters (DPFs) with a Particle Counter[R/OL].(2020-02-13)[2022-11-12]. https://wiki.unece.org/ download/attachments/94047068/PTI-17-02%20Legislative%20proposal%20for%20regulations%20for%20a%20partcle%20counter%20test%20for%20DPFs.docx?api=v2 : P1-6.

[20]20th IWG PTI of UN/ECE WP29. PTI-20-03 WP 29 RECOMMENDATION xxx/XX of dd/mm/yyyy on the Measurement of Particulate Number Emission of Diesel Vehicles with a Wall Flow Particulate Filter During Periodic Technical Inspections[R/OL].（2021-03-01）[2022-11-12].https://wiki.unece.org/download/attachments/123666587/PTI%2020-03%20Recommendation%20IWG%20PN%20measurement5227.docx?api=v2: P1-3.

[21]GRPE.GRPE-86-05e Particle Number Measurement in Switzerland - Within the Framework of Periodical Technical Inspection (PTI)[R/OL].Informal Document GRPE-86-05e. (2022-06-03)[2022-12-12]. https://unece.org/sites/default/files/2022-05/GRPE-86-05e.pdf: P2.

[22]KADIJK G, EISTGEEST M,VAN DER MARK P, et al. TNO 2020 R10006 Follow-up Research into the PN Limit Value and the Measurement Method for Checking Particulate Filters with a Particle Number Counter[R/OL]. TNO Netherland.(2020-01-13)[2022-11-12].https:// publications.tno.nl/publication/34635198/KxBBl3/TNO-2020-R10006.pdf: P30-36.

2022-12-15

U467.4+99

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.02.001

1002-4581（2023）02-0001-06