重型柴油車不同載荷下實(shí)際道路行駛排放特性

宋 東，鄭永明，劉 爽，梁大平

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（昆明）有限公司，昆明 651700）

前言

GB17691—2018《重型柴油車污染物排放限值與測試方法（中國第六階段）》（以下簡稱“國六”）增加了整車實(shí)際道路排放（PEMS）測試，要求裝用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)重型車需要進(jìn)行實(shí)際行駛過程中CO、NOx、PN污染物排放測試。其中國六a階段要求PEMS試驗(yàn)車輛的載荷為最大載荷的50%-100%，國六b階段要求PEMS試驗(yàn)車輛的載荷為最大載荷的10%-100%［1］。

在國六標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之前，國內(nèi)外已有Vlieger、Hausberger、陳長虹、黃成、高繼東、葛蘊(yùn)珊、余思綺、于謙等［2-10］分別對(duì)不同排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油車的實(shí)際道路排放進(jìn)行測試，并對(duì)排放影響因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響重型車排放的主要因素有駕駛行為、道路坡度、車輛行駛速度、車輛載荷、加速度、測試工況順序、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行負(fù)荷。國六標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之后，郭勇、汪曉偉等［11-12］分別對(duì)不同海拔、不同溫度環(huán)境下的重型車實(shí)際道路排放進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)海拔因素、環(huán)境溫度同樣也會(huì)對(duì)車輛的排放造成影響。

為研究車輛載荷對(duì)柴油車實(shí)際道路排放的影響，選用國六標(biāo)準(zhǔn)中10%載荷、50%載荷、100%載荷3個(gè)邊界值對(duì)測試車輛進(jìn)行加載，按照國六對(duì)路線工況的要求在云南昆明（海拔約1 914 m，大氣壓力約81.0 kPa）開展了試驗(yàn)。

1 測試裝置與測試方法

1.1 測試車輛與測試設(shè)備

測試車輛為滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)正在開發(fā)過程中的N2類柴油車，裝配攜帶SCR＋DOC＋DPF＋ASC后處理裝置的4.0 L渦輪增壓柴油機(jī)。測試車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)見表1和表2。

表1 測試車輛主要參數(shù)

測試設(shè)備采用日本Horiba公司生產(chǎn)的OBSONE便攜式車載排放測試系統(tǒng)，其中氣體分析模塊可對(duì)CO、CO2、NO、NO2采集與測量，顆粒物計(jì)數(shù)模塊可對(duì)PN采集與測量，環(huán)境測量模塊可記錄溫度、濕度和大氣壓力，全球定位系統(tǒng)（GPS）可對(duì)車輛的行駛路線與速度進(jìn)行記錄與測量，另外可通過車輛OBD診斷接口讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、水溫等相關(guān)參數(shù)。測試設(shè)備規(guī)格參數(shù)見表3。

表2 裝配發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)

表3 測試設(shè)備規(guī)格參數(shù)

1.2 測試方案與測試環(huán)境

測試時(shí)通過小型汽油發(fā)電機(jī)對(duì)PEMS設(shè)備供電，將發(fā)電機(jī)與PEMS設(shè)備置于車廂中部并加以固定，以減少測試過程中的震動(dòng)。通過配重沙袋為測試車輛增加載荷，沙袋應(yīng)均勻擺放在車廂內(nèi)，不能集中堆積或?qū)EMS設(shè)備造成干擾。

對(duì)于N2類車型，標(biāo)準(zhǔn)要求PEMS測試路段比例為45%的市區(qū)路、25%的市郊路、30%的高速路依次進(jìn)行，允許實(shí)際構(gòu)成比例有5%的偏差，測試時(shí)間最短應(yīng)保證累積功達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)功的4～7倍。

為降低測試環(huán)境、路況、駕駛習(xí)慣、海拔高度等因素對(duì)測試結(jié)果的影響，測試選在天氣狀況相近的3天內(nèi)在每天相同時(shí)間段選用同一名駕駛員按照相同測試路線依據(jù)國六標(biāo)準(zhǔn)要求分別完成了10%、50%、100%共3組載荷的PEMS測試。

2 測試結(jié)果與討論

3次不同載荷的PEMS測試的測試時(shí)長、行駛距離、路段比例、平均車速和累積功見表4，3次測試均滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測試路線與工況的要求，測試車速分布見圖1，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩情況見圖2。3次測試過程中，100%載荷時(shí)高速工況階段發(fā)生了DPF再生，其并非單純?cè)斐蒔N排放量增加，同時(shí)也伴隨著發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒、排氣溫度和后處理轉(zhuǎn)化能力等多方面因素的變化，故將以10%載荷全階段、50%載荷全階段、100%載荷的市區(qū)工況和市郊工況階段為重點(diǎn)展開討論。3次測試的排放測試結(jié)果如圖3所示。

表4 測試路線和測試工況比例

圖1 測試車速分布

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分布

2.1 不同載荷下PN排放

如圖3所示，10%、50%載荷下的PN比排放結(jié)果低于標(biāo)準(zhǔn)排放限值，100%載荷是由于DPF發(fā)生了主動(dòng)再生，導(dǎo)致PN比排放結(jié)果高出標(biāo)準(zhǔn)排放限值61.67%。

圖3 CO、NO x、PN、CO2比排放結(jié)果

圖4為PN實(shí)時(shí)排放濃度。通過計(jì)算可得：在市區(qū)工況下3種載荷的PN平均排放濃度值分別為2 199.08、830.29和1 353.43＃/cm3；在市郊工況下3種載荷的PN平均排放濃度值分別為6 049.19、8 374.33和6 954.15＃/cm3；在高速工況下3種載荷的PN平均排放濃度值分別為28 551.11、37 264.49和617 846.64＃/cm3，可以看出PN的排放主要來源于高速階段，且不同載荷下的PN排放濃度隨著車輛行駛速度的提升而顯著升高。這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩升高，噴油量增多，使得燃燒不充分，同時(shí)隨著排氣量的增加DPF捕集效率降低，導(dǎo)致PN排放濃度升高。

圖4 PN實(shí)時(shí)排放濃度

其中100%載荷的高速工況DPF發(fā)生再生時(shí)排放濃度最高，其濃度分別為10%、50%載荷下濃度的21.64倍、16.58倍，這也是造成該載荷下PN比排放結(jié)果超排放限值的原因，同時(shí)引起該工況階段的排溫升高至500℃，排氣溫度見圖5。

圖5 排氣溫度分布

2.2 不同載荷下CO排放

圖6為CO實(shí)時(shí)排放濃度，通過計(jì)算可得：在市區(qū)工況3種載荷的CO的平均排放濃度值分別為117.4×10-6、219.1×10-6和124.9×10-6；在市郊工況3種載荷的CO平均排放濃度值分別為168.5×10-6、171.4×10-6和171.1×10-6；在高速工況3種載荷的CO的平均排放濃度值分別為122.1×10-6、157.7×10-6和137.2×10-6。不同道路工況下50%載荷時(shí)CO排放濃度均最高，其中排放最高濃度出現(xiàn)在50%載荷下的市區(qū)工況；最低排放濃度出現(xiàn)在10%載荷下的市郊工況。

圖6 CO實(shí)時(shí)排放濃度

由圖3比排放結(jié)果可以看出，3種載荷下的CO比排放結(jié)果均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)排放限值6 000 mg/（kW·h），其中在50%載荷下CO的比排放結(jié)果最高，較在10%載荷下CO的比排放結(jié)果高30.1%，較在100%載荷下CO的比排放結(jié)果高35.9%，因此，CO的排放濃度標(biāo)定并不是車企的重點(diǎn)標(biāo)定項(xiàng)目。

2.3 不同載荷下NO x排放

如圖3所示，3種載荷下的NOx比排放結(jié)果均低于標(biāo)準(zhǔn)排放限值690 mg/（kW·h），其中在10%載荷下NOx比排放結(jié)果為540 mg/（kW·h），最接近排放限值，較在50%載荷下NOx的比排放結(jié)果高78.22%，較在100%載荷下NOx的比排放量高10.07%。

圖7為NOx實(shí)時(shí)排放濃度，通過計(jì)算可得：在市區(qū)工況3種載荷的NOx的平均排放濃度值分別為81.14×10-6、36.59×10-6和23.20×10-6；在市郊工況下3種載荷的NOx的平均排放濃度值分別為24.81×10-6、19.26×10-6和26.82×10-6；在高速工況下3種載荷的NOx的平均排放濃度值分別為12.18×10-6、7.64×10-6和36.18×10-6。NOx排放濃度最高出現(xiàn)在市區(qū)工況下10%載荷時(shí)，較50%、100%載荷分別高出121.75%和249.74%，排放濃度最低出現(xiàn)在高速工況下50%載荷時(shí)。高速工況下50%載荷時(shí)NOx排放濃度最低，分別較10%載荷與100%載荷下的排放濃度分別減少86.62%和75.42%。在10%載荷與50%載荷工況下，NOx排放濃度隨著測試車速的增加呈現(xiàn)出下降的趨勢，其原因?yàn)殡S著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，噴油量增加，缸內(nèi)空燃比降低，同時(shí)伴隨著后處理溫度升高，SCR處于適宜的溫度區(qū)間，轉(zhuǎn)化效率提高，從而降低NOx濃度。

圖7 NO x實(shí)時(shí)排放濃度

3 結(jié)論

排放污染物的比排放結(jié)果并不會(huì)隨車輛載荷的增加而增加，各污染物的高排放出現(xiàn)在不同工況階段，國六b階段將測試車輛的載荷擴(kuò)展為10%-100%，在低載荷的工況下，NOx排放量偏高，存在超出排放限值的風(fēng)險(xiǎn)，增加了車企在做排放檢測認(rèn)證過程中的挑戰(zhàn)。

PN實(shí)時(shí)排放濃度隨著車速的增加而增加，主要排放量來自高速階段；NOx實(shí)時(shí)排放濃度隨著車速的增加而減小，排放量最高的階段為市區(qū)階段。

CO排放量遠(yuǎn)低于排放限值，可考慮在未來標(biāo)準(zhǔn)中加嚴(yán)排放限值。