钟祥麟李君李伟

（1.中国汽车技术研究中心；2.天津大学）

轻型柴油车PM2.5排放特性研究

钟祥麟1,2李君1李伟1

（1.中国汽车技术研究中心；2.天津大学）

基于NEDC工况循环，利用MEXA-1000SPCS和ELPI对国Ⅲ～国Ⅴ轻型柴油车的PM2.5排放特性进行研究，并研究DPF后处理系统前、后的颗粒物排放特性。结果表明：国Ⅳ轻型柴油车负荷工况对PM2.5排放的影响要大于发动机温度的影响；无论冷起动还是热起动，市郊工况的PM2.5排放均大于市区工况，瞬时加速工况会造成PM2.5排放瞬时升高；采用DPF技术可以使国Ⅴ轻型柴油车的PM2.5排放远低于国Ⅳ轻型柴油车排放。

1 前言

从机动车排放法规的发展趋势可以看出，在严格控制颗粒物质量（PM）排放的同时，也开始控制颗粒物数量（PN）的排放。我国机动车排放法规遵循欧洲路线，与欧Ⅴ类似，从国Ⅴ开始，对PM排放大幅削减的同时，对轻型柴油车的PN排放也提出了要求，即PM为4.5 mg/km，PN为6×1011个/km[1]。因此，PN排放将是我国推行未来排放法规的一个关注重点。

本文根据国内轻型柴油车的技术特点，选取从国Ⅲ～国Ⅴ3个排放阶段的轻型柴油车作为研究对象，对其进行颗粒物排放分析，利用颗粒物数量测量设备对轻型柴油车PM2.5排放特性和粒度分布特性进行研究，并针对装备有DPF后处理系统的国Ⅴ轻型柴油车对PM2.5的影响进行分析。

2 研究方法

所选轻型柴油车样本均采用高压共轨喷射技术，国Ⅳ阶段的轻型柴油车采用DOC和EGR技术，满足国Ⅴ要求的轻型柴油车均配有DPF后处理系统。试验在温湿度可控的环境仓内进行，由底盘测功机提供道路模拟阻力，所选车辆按GB 18352.3-2005中规定的I型试验方法开展试验[2]，采用NEDC工况循环。

MEXA-1000SPCS是用于实时测量颗粒物数量排放的仪器，该设备符合PMP测试规程。MEXA-1000SPCS的颗粒物分割点为2.5 μm，其测量范围为23 nm～2.5 μm[3]，因此其测量结果可以代表机动车PM2.5排放特性。试验过程中，排放污染物经定容取样（CVS）系统稀释后由MEXA-1000SPCS测得其PM2.5数量排放量。

静电低压撞击器（ELPI）是针对颗粒物粒径尺寸及分布进行测量的专用仪器，可在不同运行工况下实时测量汽车PM和PN的粒度分布特性。国内、外相关研究已经证明了ELPI在台架和底盘测功机上的可行性[4,5]。ELPI的最低切割直径可达7 nm，最高可达10 μm。与传统的碰撞式采样器不同，颗粒物在进入ELPI切割器之前通过电晕放电荷电，在每一级切割器测量由带电颗

粒产生的电流，在已知荷电效率的情况下，可推算每一级颗粒物的粒数浓度。本文采用ELPI对DPF后处理系统前、后的颗粒物排放特性进行研究对比。

3 试验结果及数据分析

3.1 PM2.5排放分析

图1为典型轻型柴油车样本的PM2.5排放特征。

由图1可知，无论是PM排放还是PN排放，国Ⅲ、国Ⅳ轻型柴油车远高于国Ⅴ轻型柴油车。因为DPF技术可以有效降低PM2.5的排放，导致装有DPF后处理系统的国Ⅴ轻型柴油车PM2.5排放数量比国Ⅳ柴油车低近3个数量级。国Ⅲ与国Ⅳ轻型柴油车PN排放相差不多，但国Ⅲ车辆的PM排放是国Ⅳ车辆最高排放的2倍。

3.2 冷、热起动PM2.5排放对比

选取一台满足国Ⅳ标准的2.8 L轻型柴油车（2.8 L-DOC+冷EGR）进行冷、热起动试验对比。先进行常规的Ⅰ型常温冷起动试验，试验结束后先以80 km/h车速运行600 s，停止车辆运行，发动机熄火30 s后开始热起动试验。图2为该国Ⅳ轻型柴油车冷、热起动PM2.5瞬态排放对比。

表1为该轻型柴油车NEDC工况I阶段各循环PM2.5排放占比。

图3为该国Ⅳ轻型柴油车冷、热起动PM2.5分阶段对比分析。

表1 冷起动NEDC循环I阶段4个运转循环PM2.5排放占比 %

综合分析图2、图3和表1，针对国Ⅳ柴油机的PM2.5排放可知：

a.冷起动试验时，I阶段4个运转循环的PM2.5排放占比相近，第1个市区循环略低于热起动试验，在后续的3个市区循环逐渐趋于一致；热起动试验时，在4个市区运转循环的每个阶段PM2.5排放变化趋势都很一致，没有明显差异，其PM2.5排放受发动机水温影响不大。

b.冷、热起动相比，在运转循环I阶段，热起动PM2.5排放要高于冷起动12%；在II阶段，冷起动PM2.5排放高于热起动10%，综合整个循环工况，PM2.5排放下降约3%。而且无论冷、热起动，II阶段的PM2.5排放均高于I阶段，因此相比于受温度影响，国Ⅳ轻型柴油车的PM2.5排放受车辆负荷影响更为明显。而负荷工况的影响大于温度的影响，是因为轻型柴油车的颗粒物排放与负荷直接相关，负荷越大，混合气越浓，PM2.5生成越多。

c.冷起动第1个循环时，发动机温度处于逐渐达到最高值的升温阶段，但其PM2.5排放低于热起动，因此热起动时发动机缸内的温度条件更有利于颗粒物的生成，并且其影响大于其它因素。II阶段冷起动时的PN排放要略高于热起动试验。

d.无论是冷起动还是热起动工况，在运转循环每一加速阶段，PM2.5排放数量均有瞬时升高现象，在每一减速阶段，PM2.5排放数量均有瞬时降低现象，说明瞬态加速工况也是造成国Ⅳ轻型柴油车PM2.5排放升高的典型工况。

3.3 DPF对PM2.5的影响分析

国Ⅴ轻型柴油车由于DPF的过滤作用，其颗粒物的排放较低，而且颗粒物排放随NEDC工况变化的趋势不明显，只在冷起动循环初期和大负荷阶段有一定升高。为了更清楚地了解DPF对颗粒物的影响，选取一辆配有

DPF的2.0 L共轨增压柴油机，基于NEDC工况循环，用ELPI对DPF前、后的颗粒物排放进行研究。由于柴油机的颗粒物受冷、热起动的影响不大，因此仅对冷机起动状态进行试验分析，图4为DPF前、后的颗粒物粒径分布对比。

从图4a中可以看出，DPF前的颗粒物峰值粒径有两个区间：一个是粒径在30 nm的核模态颗粒峰值，一个是在0.1 μm的积聚态颗粒峰值。因此，DPF柴油机的原始PN排放中，PM2.5占绝大部分，粒径大于PM2.5的颗粒数量极少。经过DPF后，PN分布趋势与DPF前基本相同，但数量浓度大幅降低。从图4b可以看出，在DPF前的原始排放中，大于PM2.5的粗颗粒对其质量排放贡献很大，经过DPF后，质量浓度大幅降低，即使是粒径大于PM2.5的粗颗粒的质量浓度也很低。因此，无论是数量分布还是质量分布，DPF对所有粒径范围内的颗粒物都有明显的减排效果。

图5是DPF前、后颗粒物的数量瞬态排放对比。可以看出，DPF后的PN排放比DPF前大幅降低，并且随NEDC循环工况的变化趋势已不再明显，仅在冷起动初期和大负荷阶段略有升高。

4 结束语

a.无论是PM排放还是PN排放，国Ⅲ、国Ⅳ轻型柴油车远高于装有DPF后处理系统的国Ⅴ轻型柴油车，其PM2.5排放数量比国Ⅴ轻型柴油车高约3个数量级。DPF技术可以有效降低国Ⅴ轻型柴油车的PM2.5排放，以满足国Ⅴ法规要求。国Ⅲ轻型柴油车与国Ⅳ轻型柴油车PN排放相差不多，但国Ⅲ车辆的PM排放是国Ⅳ车辆最高排放的2倍。

b.装有DPF后处理系统的轻型柴油车PM2.5排放总体很低，PM2.5的瞬时排放与工况变化已经不再明显相关，冷机起动阶段和高速大负荷阶段略有升高趋势。

c.国Ⅳ轻型柴油车在NEDC循环工况下，冷、热起动的PM2.5排放差异变化不大，但无论冷起动还是热起动，II阶段的PM2.5排放均大于I阶段，因此国Ⅳ轻型柴油车负荷工况对PM2.5排放的影响要大于发动机温度的影响。

d.无论冷起动还是热起动，瞬时加速工况均会造成PM2.5排放瞬时升高。

1 REGULATIONS COMMISSION REGULATION(EC).Imple⁃menting and amending Regulation(EC)No 715/2007 of the European Parliament and of the Council on type-approval of motor vehicles with respect to emissions from light pas⁃senger and commercial vehicles(Euro 5 and Euro 6）and on access to vehicle repair and maintenance information.Offi⁃cial Journal of the European Union,2008:130.

2 国家环保总局.GB18352.3-2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ阶段）.北京：中国环境科学出版社，2005.

3 Automotive Test Systems HORIBA,Ltd.Mexa-1000spcs In⁃struction Manul，solid particle counting system.HORIBA, Ltd,2009:194.

4 Coen Van GuL ijk,Jan C M Marijnissen,MichielMakkee,et al.The Choice of Instrument(ELPI and/orSMPS)forDiesel Soot ParticulateMeasurement.SAE Paper 2003-01-0784.

5 Chase Richard E,MattiMaricqM,Podsiadlik Diane H,et al.TimeResolved Measurements of Exhaust PM for FTP75: Comparison of L II,ELPI,and TEOM Techniques.SAE Pa⁃per2004-01-0964.

（责任编辑 晨 曦）

修改稿收到日期为2015年7月1日。

Research on the PM2.5 Emission Characteristics of Light Diesel Vehicle

Zhong Xianglin1,2,Li Jun1,Li Wei1
（1.China Automotive Technology and Research Center;2.Tianjin University）

PM2.5 emission characteristics of China III-,China IV-and China V light diesel vehicles is studied with MEXA-1000SPCS and ELPI based on NEDC cycle,and particulate emission characteristics of the vehicle before and after DPF post-treatment system is equipped is investigated.The results show that the influence of load condition of China IV light diesel vehicle on PM2.5 emission is greater than that of engine temperature;PM2.5 emission in suburban area exceeds that in urban area both in cold start and warm start,transient acceleration will increase PM2.5 emission instantaneously; with DPF technology,PM2.5 emission of China V light diesel vehicle is far less than that of China IV light diesel vehicle.

Light Diesel Vehicles，PM2.5，Emission Characteristic，DPF

轻型柴油车 PM2.5 排放特性 DPF

U464

A

1000-3703（2015）12-0052-03