重型车颗粒物排放等级试验

技术概述

随着我国环保法规的日益严格，特别是《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 17691-2018）的全面实施，重型车辆的排放控制技术进入了全新的阶段。在各类污染物中，颗粒物（PM）和颗粒物数量（PN）的排放控制是重中之重。重型车颗粒物排放等级试验，正是为了评估车辆是否符合国家规定的排放标准而进行的一系列规范化测试流程。这一试验不仅关系到车辆能否进入市场销售，更是改善大气环境质量、保障公众健康的关键技术手段。

从技术层面来看，颗粒物排放等级试验主要针对压燃式（柴油）发动机及其车辆。与轻型车不同，重型车的排放测试通常基于发动机台架进行，但也包括整车的底盘测功机测试。试验的核心在于模拟车辆在实际道路上的各种工况，通过精密的采样和分析系统，捕捉尾气中极其微小的固态和液态颗粒。这些颗粒物直径通常在纳米级到微米级之间，不仅是雾霾天气的主要诱因之一，还因其携带的多环芳烃等致癌物质，对人体呼吸系统和心血管系统造成严重危害。

“国六”标准相比之前的“国五”标准，在颗粒物排放限值上大幅收紧，并首次引入了颗粒物数量（PN）的限值要求。这意味着传统的仅测量颗粒物质量（PM）的方法已不足以满足法规精度，必须引入能够计数微小颗粒的先进检测技术。因此，重型车颗粒物排放等级试验是一个集成了化学分析、流体力学、电子控制及环境工程学的综合性技术体系，其结果的准确性直接决定了车辆的环保合规性。

检测样品

在重型车颗粒物排放等级试验中，检测样品的界定具有明确的法规依据。通常情况下，检测样品并非指从车辆上拆卸下来的某个零部件，而是指被测对象整体，即重型柴油发动机或整车。根据不同的测试目的和法规要求，检测样品主要分为以下几类：

• 发动机系统：这是最基础的测试对象。在发动机台架试验中，柴油发动机作为独立动力源被安装在测功机台上，连接负载系统进行测试。样品包括发动机本体、进气系统、排气后处理系统（如DOC、DPF、SCR等）以及电控单元。
• 整车系统：对于某些特定认证或在实际驾驶排放（RDE）测试中，样品为整台重型车辆。车辆需处于良好的运行状态，轮胎气压、润滑油粘度、燃油品质等均需符合标准规定。
• 后处理装置：在某些零部件级测试中，样品可能特指柴油颗粒捕集器（DPF）等后处理装置，用于评估其单独的过滤效率和再生性能。
• 试验用油品：虽然不是被测对象，但试验所用的柴油和尿素溶液是关键的影响因素。必须使用符合国家规定的基准燃料，以消除燃油差异对颗粒物排放结果的干扰。

在样品准备阶段，必须确保被测重型车或发动机处于“热浸”或“冷浸”的规定状态，并且磨合里程或运行时间需达到制造商规定的稳定状态，以保证试验数据的代表性和复现性。

检测项目

重型车颗粒物排放等级试验的检测项目严格遵循国家强制性标准，主要涵盖物理指标和化学指标的量化分析。核心检测项目包括以下几个方面：

• 颗粒物质量（PM）：这是传统的检测项目。通过让排气通过特定滤纸，捕集颗粒物并称重。国六标准对PM的限值要求极低，要求检测系统能够精确测量微克级的质量变化。
• 颗粒物数量（PN）：这是国六阶段新增的关键项目。由于现代柴油机排放的颗粒物越来越细小，质量很小但数量巨大，PN限值的引入有效杜绝了“高质量低数量”排放超标的漏洞。检测重点在于统计粒径在23nm以上的颗粒总数。
• 烟度：虽然属于颗粒物的另一种表征方式，但在自由加速法或加载减速工况下，通过不透光烟度计测量排气的光吸收系数，也是常规的颗粒物相关检测项目。
• 多环芳烃（PAHs）及组分分析：虽然主要作为科研或深度检测项目，但在特定研究性试验中，会对捕集的颗粒物进行索氏提取，分析其中吸附的有机碳、元素碳及多环芳烃含量，以评估其毒性。

此外，试验过程中还需同步记录发动机的功率、扭矩、转速、排气温度、背压等运行参数，以及进气流量、燃油消耗量等辅助数据，以便计算比排放量，最终判定颗粒物排放等级是否达标。

检测方法

重型车颗粒物排放等级试验的检测方法具有高度的规范性和复杂性，主要包括试验循环的执行、采样系统的操作以及数据处理三个核心环节。

首先，试验必须在规定的测试循环下进行。对于重型柴油发动机，最常用的是<强>WHTC（世界重型瞬态循环）和WHSC（世界重型稳态循环）。WHTC循环模拟了车辆在城市、郊区和高速道路上的瞬态工况，包含了频繁的加减速和怠速，最接近实际驾驶情况，因此是考核颗粒物排放的关键循环。测试时，发动机需严格按照循环规定的转速和扭矩点运行，任何偏差都可能导致结果无效。

其次，采样方法是试验的核心。目前主流的采样技术是全流稀释采样法。该方法将发动机排出的全部尾气引入稀释通道，与经过精细过滤的稀释空气混合。混合后的气体温度被严格控制在露点以上，通常在47℃至52℃之间，以防止挥发性组分凝结。这种“全流”系统能够模拟尾气排入大气后的真实物理状态，确保采样的代表性。

对于颗粒物质量（PM）的测量，采用滤纸称重法。试验前，滤纸需在恒温恒湿环境下进行预处理和称重；试验后，滤纸捕集了颗粒物，需再次进行同样的处理和称重，通过差值计算PM质量。

对于颗粒物数量（PN）的测量，则采用凝结粒子计数器（CPC）配合挥发性颗粒去除器（VPR）。样气首先经过VPR去除挥发性的硫化物和碳氢化合物，仅保留固态颗粒，随后进入CPC进行计数。这种方法确保了计数的准确性，排除了半挥发性气体冷凝成核的干扰。

最后，数据处理阶段需要依据标准规定的公式，将测量得到的PM和PN数值除以发动机的做功，计算出比排放量，并与法规限值进行对比，从而确定排放等级。

检测仪器

为了满足国六标准对重型车颗粒物排放测试的高精度要求，检测实验室必须配备一系列高精尖的专业仪器设备。这些仪器构成了整个试验的物质基础。

• 发动机测功机系统：这是试验的“心脏”。包括电力测功机或水力测功机，用于对发动机施加精确的负载，并能快速响应瞬态循环的转速和扭矩变化。系统需配备自动控制单元，确保测试循环的跟随精度。
• 全流稀释隧道 CVS系统：这是采样的核心设备。由稀释空气过滤器、混合隧道、文丘里管流量计等组成。它保证了稀释比例的恒定和混合气体的均匀性，是获取有效PM和PN样品的关键。
• 微量电子天平：用于PM滤纸的称重。通常要求精度达到0.1微克甚至更高，并必须放置在严格控制的恒温恒湿洁净称重室内，以消除环境波动带来的误差。
• 颗粒物数量测量系统：主要包括挥发性颗粒去除器（VPR）和凝结粒子计数器（CPC）。VPR通常包含初效加热器、挥发管和冷却器，用于去除挥发性组分；CPC利用丁醇蒸汽在颗粒表面凝结放大信号，通过光学传感器计数。
• 气体分析仪：虽然主要分析气态污染物，但在颗粒物测试中需同步监测CO、CO2、HC、NOx等，用于计算稀释比例和修正因子。
• 实际驾驶排放（RDE）便携式设备：随着法规对实际道路排放的关注，便携式排放测试系统（PEMS）成为必备仪器。它体积小巧，可安装在车辆上，在真实道路行驶过程中实时监测颗粒物排放。

这些仪器的校准和维护至关重要，所有传感器必须定期进行溯源校准，确保试验数据的公正性和权威性。

应用领域

重型车颗粒物排放等级试验的结果具有广泛的应用价值，贯穿于车辆研发、生产制造、政府监管及二手车交易等全生命周期。

1. 新车型式核准与认证：这是最主要的应用领域。重型汽车制造商在将新车型推向市场前，必须通过国家授权检测机构的排放等级试验，获取型式核准证书。只有颗粒物排放等级符合国六标准要求的车辆，才能获得环保信息公开，进而生产和销售。

2. 生产一致性（COC）检查：政府部门会不定期对已经量产的车辆进行抽样检测，验证批量生产的产品是否依然符合当初认证时的排放等级。这确保了企业不会因降低成本而偷工减料，保证市场流通车辆的整体环保水平。

3. 在用符合性（IUC）监测：针对已经在用户手中使用一定里程的重型车，监管部门会通过路边遥测或PEMS测试，检查其在实际使用中的颗粒物排放情况，防止排放控制装置在使用过程中失效或被篡改。

4. 环保召回判定：当某批次重型车被发现存在排放系统设计缺陷，导致颗粒物排放可能超标时，监管部门会依据试验结果强制企业实施环保召回。

5. 进出口检验检疫：对于进口的重型车辆及发动机，海关部门会依据相关贸易合同和法规标准，对其进行颗粒物排放等级验证，确保进口产品符合我国环保标准。

6. 二手车评估与维修诊断：在二手车交易或维修厂，通过简易工况法或自由加速法检测颗粒物排放，可以辅助判断发动机燃烧状态及后处理系统（如DPF）是否堵塞或失效，为车辆价值评估和维修提供依据。

常见问题

在进行重型车颗粒物排放等级试验及相关咨询过程中，客户和技术人员经常会遇到一些共性问题。以下是对这些问题的专业解答：

• 问：国六标准中的PM和PN有什么区别，为什么都要测？

  答：PM指颗粒物质量，反映的是排放颗粒的总重量；PN指颗粒物数量。早期的排放标准仅限制PM，但现代柴油机技术使得颗粒物变得极轻，质量很小但数量巨大，对人体危害依然严重。因此，引入PN限值是为了更严格地控制超细颗粒排放，二者互为补充，缺一不可。

• 问：试验中为什么要对尾气进行稀释？

  答：发动机排气管出来的尾气温度很高且含有大量水蒸气和挥发性有机物。如果不稀释直接采样，高温会导致颗粒物状态改变，水蒸气凝结会干扰测量。稀释过程模拟了尾气进入大气后的物理过程，使颗粒物在合理的温度和浓度下被捕集，保证了测试结果的真实性。

• 问：重型车颗粒物排放试验对燃油有什么要求？

  答：试验必须使用基准燃料。燃油中的硫含量、芳香烃含量等直接影响颗粒物的生成。如果使用市售燃油，其组分波动大，会导致测试结果不可比。因此，法规严格规定了试验用油的规格，确保所有被测车辆在同一起跑线上竞争。

• 问：如果PN排放超标，通常是什么原因？

  答：PN超标通常与柴油颗粒捕集器（DPF）的功能失效有关。可能原因包括：DPF载体破损导致漏气、DPF再生系统故障导致积碳过多无法燃烧、喷油嘴磨损导致燃烧恶化产生过多碳烟、或者进气系统漏气导致燃烧异常。需要逐一排查后处理系统和发动机燃烧系统。

• 问：新车下线还需要做这个试验吗？

  答：新车下线主要进行的是简易工况测试或OBD检查，不一定每辆车都做全流程的WHTC试验。但在生产一致性抽检时，会严格按照型式核准的方法进行全项试验。日常生产主要通过过程控制保证质量。

• 问：试验结果的有效性如何判定？

  答：试验结果必须满足三方面要求：一是试验循环的跟随误差在法规允许范围内；二是采样系统的稀释比、温度等参数稳定；三是使用的仪器经过校准且在校准有效期内。只有满足了这些前提，测出的PM和PN数据才具有法律效力。

综上所述，重型车颗粒物排放等级试验是一项系统性、技术性极强的检测工作。它不仅是车辆环保合规的“通行证”，更是推动汽车行业向绿色、低碳转型的重要驱动力。随着检测技术的不断进步和法规的持续升级，未来的试验将更加精准、高效，为守护蓝天白云贡献力量。