N2類(lèi)車(chē)在“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)下的實(shí)際道路排放分析

向橄，杜寶成，徐劃龍，冉林堯

（1.中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.車(chē)輛排放與節(jié)能重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401122）

前言

N2類(lèi)車(chē)因其體積較小、靈活、在中低強(qiáng)度運(yùn)輸活動(dòng)中的高便利性、高載重利用率等因素，使其在運(yùn)輸行業(yè)里有著較高的保有量；相應(yīng)的，該類(lèi)貨車(chē)的使用特性決定了其往往有著較為突出的污染物排放水平。近期，國(guó)內(nèi)發(fā)布了《GB 17691—2018 重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》（下文統(tǒng)稱(chēng)：“國(guó)六”）標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布稿。其中，針對(duì)N2類(lèi)貨車(chē)的實(shí)際道路排放，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行了一定的調(diào)整，并且大幅調(diào)低了NOx排放的限值。目前各車(chē)輛生產(chǎn)企業(yè)對(duì)排放的控制技術(shù)均以滿(mǎn)足《GB 17691-2005—車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》（下文統(tǒng)稱(chēng)：“國(guó)五”）標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，在“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)即將實(shí)施的背景下，企業(yè)有必要了解符合“國(guó)五”標(biāo)準(zhǔn)的在用N2類(lèi)車(chē)在“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行實(shí)際道路排放測(cè)試時(shí)的排放水平，作為技術(shù)改進(jìn)的依據(jù)。

1 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于實(shí)際道路排放試驗(yàn)技術(shù)要求的變化

對(duì)于N2類(lèi)貨車(chē)在實(shí)際道路排放測(cè)試中，“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比現(xiàn)階段“國(guó)五”標(biāo)準(zhǔn)主要有以下變化：排放限值、環(huán)境條件、道路工況各階段時(shí)間分配比例。

1.1 排放限值

“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)實(shí)際道路排放試驗(yàn)的排氣污染物計(jì)算方法與“國(guó)五”標(biāo)準(zhǔn)一致，均采用功基窗口法，且窗口大小的計(jì)算方式?jīng)]有發(fā)生變化?！皣?guó)六”標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于實(shí)際道路排放試驗(yàn)的NOx限值有了極大的加嚴(yán)，具體如表1中所示，CO的排放限值沒(méi)有發(fā)生變化而重點(diǎn)在于NOx排放限值的變化達(dá)到了一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)比“國(guó)五”標(biāo)準(zhǔn)降低了82.75%。在逐秒采集的排放數(shù)據(jù)中，“國(guó)六”要求95%以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)的NOx排放濃度小于500ppm，而在“國(guó)五”標(biāo)準(zhǔn)中，這一要求為 95%以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)的 NOx排放濃度小于900ppm。

表1 壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放限值

1.2 環(huán)境條件

表2為各階段標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)環(huán)境條件的要求?！皣?guó)六”標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于實(shí)際道路排放試驗(yàn)的溫度條件要求更加細(xì)化，其上限需要結(jié)合測(cè)試時(shí)的大氣壓力進(jìn)行計(jì)算得到；而測(cè)試海拔相較于”國(guó)五”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大幅度拓展，測(cè)試車(chē)輛甚至需要在相對(duì)較為高原的環(huán)境中試驗(yàn)，此環(huán)境條件下，大氣壓力降低，空氣阻力小，可能造成測(cè)試車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率下降，進(jìn)而影響排放的窗口計(jì)算。

表2 環(huán)境條件

1.3 道路工況各階段時(shí)間分配比例

圖1 N2類(lèi)車(chē)測(cè)試工況各階段時(shí)間分配比例

針對(duì)N2類(lèi)貨車(chē)，“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)沿用了“國(guó)五”標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于道路工況各階段的平均車(chē)速的要求。主要的變化來(lái)自于各階段時(shí)間分配比例，“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)大幅提高了市區(qū)路工況的時(shí)間占比。市區(qū)的工況從最低的時(shí)間占比20%提高至了接近總時(shí)間一半的45%，大幅縮短了高速路的時(shí)間比例。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)上述標(biāo)準(zhǔn)變更，由“國(guó)六”與“國(guó)五”標(biāo)準(zhǔn)變化引起的實(shí)際道路排放測(cè)試實(shí)驗(yàn)的主要差異有：

①環(huán)境條件。包括溫度、海拔。

②測(cè)試工況各階段時(shí)間分配比例。

因此我們分別設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn)：

表3 試驗(yàn)編號(hào)

著重針對(duì)兩組試驗(yàn)結(jié)果中CO與NOx污染物的排放特性進(jìn)行對(duì)比。

2.1 邊界條件的控制

2.1.1 試驗(yàn)環(huán)境溫度控制

環(huán)境條件中溫度的變化受測(cè)試時(shí)的天氣、地點(diǎn)的影響，會(huì)造成進(jìn)、排氣溫度變化、污染物分析傳感器精度改變，進(jìn)而造成排放結(jié)果有一定的波動(dòng)。測(cè)試時(shí)選擇晴朗天氣，且環(huán)境溫度應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足“國(guó)五”標(biāo)準(zhǔn)與“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)；兩次試驗(yàn)的起始溫度、結(jié)束溫度以及平均溫度差控制在合理的范圍內(nèi)，避免對(duì)兩次試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比產(chǎn)生干擾。

2.1.2 試驗(yàn)海拔控制

為使海拔條件達(dá)到“國(guó)五”標(biāo)準(zhǔn)與“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，通過(guò)合理的路線(xiàn)選擇，使試驗(yàn)路線(xiàn)中任意點(diǎn)的海拔不超過(guò) 1000m，且起止點(diǎn)海拔差不超過(guò) 100m、累計(jì)正海拔高度增量不超過(guò)的1200m/100km。在固定或近似的測(cè)試路線(xiàn)前提下，海拔條件近乎一致，參照不同標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行多次試驗(yàn)，其結(jié)果的差異幾乎不會(huì)受到海拔因素的影響。

2.1.3 測(cè)試工況各階段時(shí)間分配比例

選取的試驗(yàn)路線(xiàn)在滿(mǎn)足上述溫度、海拔條件的前提下，結(jié)合當(dāng)?shù)亟煌顩r，使試驗(yàn)時(shí)各階段時(shí)間分配比例滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，即：

① a試驗(yàn)：市區(qū)：市郊：高速=20:25:55

② b試驗(yàn)：市區(qū)：市郊：高速=45:25:30

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，實(shí)際的構(gòu)成比例允許有±5%的誤差。

2.2 測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)采用日本HORIBA公司生產(chǎn)制造的OBS-2200車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)，其測(cè)量主要原理分別為：CO—非分光紅外線(xiàn)法（NDIR）、NOx—化學(xué)發(fā)光法（CLD）。該設(shè)備集成了排氣污染物采集與分析、GPS信號(hào)、氣象站等數(shù)據(jù)采集分析單元，精度滿(mǎn)足“國(guó)五”與“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 試驗(yàn)車(chē)輛

選取一臺(tái)具有代表性的“國(guó)五”標(biāo)準(zhǔn)在用N2類(lèi)貨車(chē)作為試驗(yàn)車(chē)輛，主要參數(shù)見(jiàn)表4：

表4 試驗(yàn)車(chē)輛信息

該車(chē)車(chē)況良好，無(wú)故障，符合本次試驗(yàn)的需求。

3 結(jié)果對(duì)比分析

3.1 試驗(yàn)有效性判定

3.1.1 邊界條件符合性

表5為a、b兩組試驗(yàn)的測(cè)試邊界條件參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)選擇同一出發(fā)地作為試驗(yàn)的起始點(diǎn)；按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)的要求所選擇的試驗(yàn)路線(xiàn)，最終的測(cè)試工況各階段時(shí)間分配比例如圖2所示；為滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)冷啟動(dòng)的要求，兩次試驗(yàn)隔天進(jìn)行，且天氣狀況理想。可以判定，本次對(duì)比試驗(yàn)的邊界條件滿(mǎn)足試驗(yàn)設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表5 測(cè)試邊界條件

圖2 各階段實(shí)際時(shí)間分配比例

3.1.2 窗口有效性

“國(guó)五”與“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)中要求試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效窗口數(shù)在規(guī)定的功率比界限下應(yīng)不小于50%，表6為兩組試驗(yàn)的有效窗口占比數(shù)，兩組試驗(yàn)結(jié)果的有效窗口占比均達(dá)到了50%以上，可以判定本次對(duì)比試驗(yàn)的道路排放數(shù)據(jù)有效。

表6 有效窗口占比

3.1.3 結(jié)合以上兩點(diǎn)，可以判定本次對(duì)比試驗(yàn)中a、b兩組試驗(yàn)的結(jié)果是有效的。

3.2 試驗(yàn)駕駛工況比對(duì)

圖3 a、b試驗(yàn)速度-時(shí)間工況圖

試驗(yàn)的駕駛工況曲線(xiàn)如圖3所示。a、b兩組試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，b組試驗(yàn)的市區(qū)階段的比例較a組明顯增多，由于市區(qū)路車(chē)流量大、紅綠燈多等原因，交通狀況最為復(fù)雜，駕駛的加、減速工況會(huì)隨著階段比例的升高而變多；市郊階段a組駕駛相對(duì)平緩，b組因?qū)嶋H的交通狀況引起了較為明顯的車(chē)速波動(dòng)；高速階段兩組試驗(yàn)均包含一定的加減速工況。

3.3 CO排放數(shù)據(jù)對(duì)比

表7 CO排放結(jié)果

CO排放結(jié)果顯示，b組試驗(yàn)與a組試驗(yàn)的CO比排放結(jié)果成正比，參照“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的b組試驗(yàn)的CO比排放有一定升高，但變化不大，引起該排放差異的因素可能為駕駛工況的變化。兩次試驗(yàn)的CO排放水平均能夠滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中CO比排放的限值。

3.4 NOx排放數(shù)據(jù)對(duì)比

表8 NOx排放結(jié)果

NOx總排放結(jié)果中，b組實(shí)驗(yàn)NOx的排放水平較a組有約 89%的升高，接近一倍，按照“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的試驗(yàn)NOx排放水平明顯惡化。通過(guò)圖4、圖5中兩組試驗(yàn)的秒采排放特性圖分析，NOx高峰值頻繁出現(xiàn)在車(chē)速波動(dòng)處，加速運(yùn)動(dòng)將觸發(fā)NOx污染物的高瞬間排放。從圖.3可看出，駕駛車(chē)速的波動(dòng)主要集中于市區(qū)階段，b組試驗(yàn)較a組試驗(yàn)有更長(zhǎng)的市區(qū)工況時(shí)間，可能是其N(xiāo)Ox排放水平升高的因素。a組試驗(yàn)中市郊階段行駛平緩，NOx的瞬態(tài)排放也相對(duì)平穩(wěn)；而b組試驗(yàn)市郊階段駕駛工況相對(duì)更復(fù)雜，NOx的瞬態(tài)排放波動(dòng)明顯。根據(jù)“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)NOx比排放的限值要求，b組試驗(yàn)NOx比排放結(jié)果嚴(yán)重超標(biāo)，達(dá)到限值的數(shù)倍。

通過(guò)讀取秒采數(shù)據(jù)分析，a組試驗(yàn)中 NOx濃度不高于900ppm的數(shù)據(jù)點(diǎn)占比為98.6%，滿(mǎn)足“國(guó)五”標(biāo)準(zhǔn)的要求；而 b組試驗(yàn)中 NOx濃度不高于 500ppm的數(shù)據(jù)點(diǎn)占比為84.7%，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的最低限值95%。

圖4 a組試驗(yàn)排放特性圖

圖5 b組試驗(yàn)排放特性圖

4 結(jié)論

①現(xiàn)階段“國(guó)五”N2類(lèi)車(chē)在實(shí)際道路排放測(cè)試中CO的排放水平可以滿(mǎn)足“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)的要求，針對(duì)CO排放污染物的后處理系統(tǒng)可以沿用目前的技術(shù)路線(xiàn)。

②現(xiàn)階段“國(guó)五”N2類(lèi)車(chē)在實(shí)際道路排放測(cè)試中 NOx的比排放水平遠(yuǎn)高于“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)的限值，車(chē)輛生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)著重針對(duì)NOx后處理系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

③現(xiàn)階段“國(guó)五”N2類(lèi)車(chē)尾氣排放的NOx濃度高峰點(diǎn)過(guò)多，不符合“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)的要求，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)采取一定技術(shù)方法削弱NOx的高瞬間排放水平。

④駕駛工況的改變可能是“國(guó)五”N2類(lèi)車(chē)在“國(guó)六”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下實(shí)際道路排放測(cè)試結(jié)果明顯惡化的原因。由于樣車(chē)不足，需進(jìn)一步驗(yàn)證。