摘 要

汽车有害物排放是环境污染的一个重要来源，颗粒物是汽车有害物排放的重要组成部分，而柴油车颗粒物排放量占汽车排放颗粒物总量的90%以上。此外，喷油压力的增大，使得柴油机颗粒物质量在逐渐降低的情况下，而颗粒物数量却有着增加的趋势，并且小粒径的颗粒物可以渗入到人类的器官和系统中，危害比大粒径的颗粒物更大。因此，我国《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》提出了限制颗粒物数量的要求。然而,实践发现,整车PN测量结果存在较大的不确定性,对整车执法带来一定困难。

论文依据GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》规定的PN测量方法和规程，结合AVL PEMS测量颗粒物数量的原理,建立了柴油机尾气中颗粒物数量的数学计算模型。基于该模型，针对某辆邮政车实际道路行驶期间的排放相关数据，研究了温度、样本量以及道路组成比例等不确定因素对PN测量结果的影响程度。

研究发现，当样本量对应7倍WHTC循环功时，所测得的PN的比排放量最低；当道路组成比例为市区路段占65％，市郊路段占35％时，所测得的PN的比排放量最低，而道路组成比例为市区路段占75％，市郊路段占25％时，所测得的PN的比排放量最高；而整车道路试验中测得的PN结果与环境温度呈现出正比例的发展趋势，环境温度提高，瞬时粒子数提高，温度降低，瞬时粒子数降低。

关键词：便携式排放测量系统；颗粒物数量；国六标准；实际道路排放测试；影响因素

Abstract

Vehicle emission of hazardous substances is an important source of environmental pollution. Particulate matter is an important part of vehicle emission of hazardous substances, and diesel vehicle emissions of particulate matter account for more than 90% of the total vehicle emissions. In addition, with the increase of oil injection pressure, the quality of particulate matter in diesel engine is gradually reduced, but the number of particulate matter tends to increase. Moreover, particulate matter with small particle size can infiltrate into human organs and systems, which is more harmful than particulate matter with large particle size. Therefore, China's emission limits and measurement methods of pollutants from heavy diesel vehicles (China's sixth stage) put forward requirements for limiting the number of particulate matter. However, practice shows that there is a great uncertainty in the measurement results of PN of the whole vehicle, which brings some difficulties to the law enforcement of the whole vehicle.

According to the PN measurement methods and procedures stipulated in GB 17691-2018 "emission limits and measurement methods of heavy diesel vehicle pollutants (China sixth stage)" and the principle of AVL PEMS to measure particulate matter quantity, this paper established a mathematical calculation model for particulate matter quantity in diesel engine exhaust. Based on this model, the influence of uncertain factors such as temperature, sample size and road composition ratio on PN measurement results was studied, aiming at the emission data of a postal vehicle during actual road driving.

It was found that when the sample size was 7 times WHTC cycle work, the measured specific emission of PN was the lowest. When the road composition ratio is 65% in urban section and 35% in suburban section, the measured PN ratio emissions are the lowest, while the road composition ratio is 75% in urban section and 25% in suburban section, the measured PN ratio emissions are the highest. However, the PN results measured in the whole-vehicle road experiment show a direct proportion to the environmental temperature. When the environmental temperature increases, the number of instantaneous particles increases, while the temperature decreases and the number of instantaneous particles decreases.

Key Words：Heavy-duty vehicle; vehicle emission test (PEMS); PN emission; national six standard; actual road emission test

目录

第1章 绪论 2

1.1 研究背景 2

1.1.1柴油车的颗粒物排放 2

1.1.2柴油机颗粒物的危害 2

1.1.3重型车排放控制法规 3

1.2 颗粒物数量影响因素的研究意义 4

1.3国内外的研究现状 4

1.4 研究（设计）的基本内容及目标 5

第2章 颗粒物数量测量原理 6

2.1扩散电荷法 6

2.2冷凝式颗粒计数法 6

2.3 光纤光谱学计数法 7

2.4 小结 8

第3章 整车道路排放测试过程及PN评价方法 9

3.1试验车辆 9

3.2试验设备 9

3.3采用的测试循环 10

3.4 试验方案 10

第4章 颗粒物数量测试结果的影响因素分析 12

4.1 试验结果分析方法 12

4.2 各因素对PN比排放的影响 13

4.2.1环境温度对PN比排放的影响 13

4.2.2样本量对PN比排放的影响。 14

4.2.3道路组成比例对PN比排放的影响 14

4.3 小结 15

第5章 总结与展望 16

5.1 总结 16

5.2 展望 16

参考文献 17

致 谢 19

第1章 绪论

• 1. 研究背景

1.1.1柴油车的颗粒物排放

随着我国经济的日益繁荣，环境问题也变得日益严重，实现可持续发展^[1]逐渐成为我们当前追求的理想发展形态，因此，在发展经济的同时保护好环境，是全社会的共同目标。

然而，汽车尾气排放在很大程度上造成了环境的污染。因此，为了实现可持续发展的目标，降低汽车尾气对环境以及人体的危害就显得尤为重要，需要各国团结起来一同完成。

2017年，环境保护部统计，我国机动车保有量为3.1亿辆，其中多达2.17亿辆是汽车，汽车在机动车中占比巨大。此外，在这2.17亿辆汽车中，只有9.4％为柴油车，但柴油车的DPM（diesel particle matter） 排放量占汽车排放总量的 90%以上( 中华人民共和国环境保护部，2018)^[2]。

因为柴油机所使用的燃油具有分子量大的特点，而柴油机在运行过程中尤其混合的时间较短，混合也存在一定程度的不均匀，所以颗粒物排放是柴油机的常态。随着技术的进步，柴油机所用燃油的硫含量已经逐渐降低，而柴油机的喷油压力以及增加压力也显著提高^[3-4]，因此PM的排放量减少了很多。2012年，机动车PM排放量只占到全国烟(粉)尘排放量的5％^[5]。然而柴油机的PN数却在逐渐上升，这表示柴油车所排放的颗粒物的粒径在逐渐减小^[6-7]。相对于较大粒径的微粒而言，较小粒径的微粒因其可入肺，可进入人体器官和系统中，故而具有更大的危害^[8]。又因为柴油机所排放的微粒成分中还有较多对人体有害的物质，因此需要人们对其进行重点关注。

1.1.2柴油机颗粒物的危害

柴油机所排出的废气中所存在的微粒的粒径几乎都小于或者等于2.5微米，基本属于PM2.5^[9]。PM2.5并非是纯净物，而是多种固体和液体混合形成的微粒。该微粒的主要组成成分为水溶性无机离子和含碳组分，除此之外还存在着有机物和无极元素。PM2.5的成分并不是固定不变的，它的成分是会随着季节、能源结构、地域和工业水平的不同而不同，更有研究表明，有些PM2.5中会存在着致病的微生物^[10]。

PM2.5也叫做细颗粒物^[11]，是因为其粒径的大小而得名，因为其粒径较小，从而使得PM2.5具有较大的比表面积，比表面积的扩大使得PM2.5的吸入能力增强，因此PM2.5就更加容易吸附很多有害物质。又因为其粒径较小，可入肺，所以吸附了有害物质的颗粒物就可以深入人体的呼吸系统，甚至可以沉积在肺泡和支气管中。更有甚者，有的细小微粒能够通过肺泡进入毛细血管，再通过毛细血管进入血液循环，肺炎症反应就由此而来^[12]。

研究发现，颗粒物浓度越高，会使得人类的呼吸系统的病症发病率随之上升，就支气管炎的发病率而言，如果PM的浓度升高100µg/m³，该病的发病率就大概会升高5.13％^[13]此外，还有动物试验可以证明，如果使小白鼠长时间的生活在较高浓度的微粒环境下，其肺部就会发生损伤，而小白鼠的其他病症也和空气中的颗粒物有关^[14]。更有报告指出，美国每年有20万人是因颗粒物的污染而早逝，而25％的人以上是死于道路上排放的颗粒物^[15]。

PM2.5对大气能见度也有着很大程度的影响^[16]。雾霾污染的主要成分是PM2.5^[17]而大气气溶胶的主要组成成分有机碳(0C)、元素碳(EC)等也是PM2.5的主要成分^[18]。近十几年来，我国大气能见度明显下降，其原因就是颗粒物数量的上升^[19]。

1.1.3重型车排放控制法规

为了控制口益严重的机动车排放，缓解机动车排放对人体健康以及生态环境的污染，美国、欧洲等都颁布了机动车排放法规。目前，重型车的排放法规主要有美国、欧洲、日本三大体系^[20]。

2018年６月22日，生态环境部发布了 《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》，该标准将于2019年７月１日开始实施。与国Ｖ相比，该标准增加了整车实际道路排放测试要求和限值（PEMS）。中国重型柴油车排放法规参照欧洲法规制定，在法规限值方面，国Ⅰ到国Ⅴ法规的有害物排放限值和测试程序与欧Ⅰ到欧Ⅴ法规一致，但法规的实施时间较欧洲滞后 5~10 年。

国Ⅵ标准比国Ｖ标准增加了新的测试循环，其排放限值比国Ｖ也有所降低，此外，还增加了颗粒物数量（PN）的要求。国VI排放法规采用了标准循环以及非标准循环，标准循环包括稳态测试循环WHSC和瞬态测试循环WHTC，而非标准循环要求包括发动机台架试验(WNTE)和整车实际道路车载排放试验(RDE)两个方面。

国Ⅵ标准规定，在稳态测试循环WHSC条件下，PN 排放不超过 #/kWh；在瞬态测试循环WHTC条件下，压燃式发动机以及点燃式发动机PN的排放不超过#/kWh。从国VI b阶段开始，压燃式发动机以及双燃料发动机在整车实际道路车载排放实验（PEMS）中，PN的排放均不超过1.2×10^12#/kWh^[21]。国六法规与欧六法规在限值上不尽相同，然而，二者的测试循环也有着很大程度的不同之处。此外，国六法规还加入了颗粒物数量的限值要求，因此国六法规更为严格。

然而，在进行柴油机排放测量时，相同工况下得到的的柴油机颗粒物排放数据却有着很大的不同，有时候甚至相差几个数量级，柴油机颗粒物排放测量重复性差，使得人们产生了对排放法规所规定的测量方法，以及颗粒物测量仪器的精确度的质疑。因此，分析柴油车颗粒物数量PMES测试结果的影响因素就显得尤为重要。

1.2 颗粒物数量影响因素的研究意义

柴油机的喷油压力以及增加压力的显著提高，使得PM的排放量减少了很多。然而柴油机的PN数却在逐渐上升，这表示柴油车所排放的颗粒物的粒径在逐渐减小。相对于较大粒径的微粒而言，较小粒径的微粒因其可入肺，可进入人体器官和系统中，故而具有更大的危害。又因为柴油机所排放的微粒成分中还有较多对人体有害的物质，因此需要人们对其进行重点关注。而现有的排放法规所规定的测量方法存在一定程度的漏洞，使得相同工况下的测量结果具有很大的不确定性。因此，对柴油车的颗粒物排放PEMS测试结果的影响因素进行分析，有助于进一步完善排放法规，从而更加有效的限制颗粒物的排放。

1.3国内外的研究现状

欧洲法规要求，测量重型柴油机直径大于23 纳米的固体粒子数(SPN)的排放量，重型车辆必须使用便携式排放测量系统检查排放量是否符合法规要求。Barouch Giechaskiel实验表明，在公路和实验室进行真实的ISC循环时，配备有柴油颗粒过滤器(DPF)的柴油车辆颗粒物排放量为8×10⁹--7×10¹¹#/km，CNG和LNG柴油车颗粒物排放量为3.3×10¹¹--4.5×10¹²#/km。大部分柴油车辆在冷启动时排放的SPN较多。环境温度只有在冷起动时才有显著的影响，但其影响取决于柴油颗粒过滤器（DPF)填充状态。车辆停放或驾驶导致排放增加对于这些车辆，包括再生事件在内的加权排放接近或低于SPN限值^[22]。

闫珊珊，刘召策等采用二段撞击式单颗粒采样器对柴油机排放颗粒物进行采样,分析柴油机排放颗粒物的形貌,粒径,颗粒物排放的影响因素。最后发现，柴油机排放颗粒物以链状粒子为主,大约占粒子总数的72%,其次是矿物颗粒,矿物颗粒以单颗粒和粘附二次污染物两种形式存在,粒径大多集中在 0.2～0.6μm.周围大气颗粒物以多边形粒子为主,粒径集中在 0.3～0.5μm.随着柴油机负荷增大,颗粒物数量逐渐增加,但有机颗粒物数量表现出先增加后降低的趋势^[23]。

Matthias Schwelberger，Barouch Giechaskiel等使用欧式重型卡车在底盘测功机上在不同的边界条件下测试了4种市面上可用的PN PEMS（在不同的测试循环和环境温度下，一个共进行了20个不同的试验），得出结论，在较高浓度的PN比排放（gt;1×10¹¹#/kwh）的条件下,所有的冷凝式颗粒计数器CPC所测得的数值与所参照的PN系统的误差都小于30％（CPC的30%误差在PN-PEMS技术要求允许的30%误差范围内），扩散充电器DC所测得的数值与参照的PN系统的误差小于55％。在发动机冷启动、再生事件，甚至在低环境温度下，这种差异处于相似的水平^[24]。

Hongsuk Kim1，Jinwook Lee2等根据试验程序、试验燃料和车辆试验模式，包括NEDC和CVS-75模式，研究了凝结颗粒计数器(CPC)各参数对试验结果的影响。得出，CPC系统的定期校准是必要的，因为CPC的长期使用会影响对CPC系统的对微小粒子的测量；联合国-欧洲经委会PMP法测量粒子排放量的方法具有可重复性^[25]。

William Silvis，Yannis Drossinos等总结和讨论了粒子损失机制，得出，等速和等速采样对稀释系统的粒子数测量的影响可以忽略不计，在极端(加速)条件下的原始排气测量中，可能存在一些不同。

1.4 研究（设计）的基本内容及目标

1.4.1基本内容

汽车有害物排放是环境污染的一个重要来源，颗粒物是汽车有害物排放的重要组成部分，而柴油车颗粒物排放量占汽车排放颗粒物总量的90%以上。此外，喷油压力的增大，使得柴油机颗粒物质量在逐渐降低的情况下，而颗粒物数量却有着增加的趋势，并且小粒径的颗粒物可以渗入到人类的器官和系统中，危害比大粒径的颗粒物更大。因此，我国《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》提出了限制颗粒物数量的要求。然而,实践发现,整车PN测量结果存在较大的不确定性,对整车执法带来一定困难。

论文依据GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》规定的PN测量方法和规程，结合AVL PEMS测量颗粒物数量的原理,建立了柴油机尾气中颗粒物数量的数学计算模型。基于该模型，针对某辆邮政车实际道路行驶期间的排放相关数据，研究了温度、样本量以及道路组成比例等不确定因素对PN测量结果的影响程度。