高原環(huán)境下載荷對國六重型整車排放影響研究*

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

我國疆域遼闊，地形復(fù)雜，其中僅高原地區(qū)覆蓋面積就占據(jù)我國陸地總面積的33%左右，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)不斷提高，高原地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也在持續(xù)增長，而重型車作為拉動經(jīng)濟(jì)增長的主要源動力，其排放對高原地區(qū)的環(huán)境污染也頗為顯著[1-2]。因此為改善和維護(hù)高原生態(tài)環(huán)境，研究高海拔環(huán)境下重型車實(shí)際道路排放特性，對高原地區(qū)重型車排放標(biāo)準(zhǔn)制定、排放監(jiān)管以及相應(yīng)車型的開發(fā)標(biāo)定等都具有重要的指導(dǎo)意義[3-5]。

目前國內(nèi)外許多學(xué)者對高海拔地區(qū)的重型車排放均進(jìn)行了不同程度的學(xué)術(shù)研究，其中Jia Liu，Ge Yunshan 等人[6]利用PEMS 設(shè)備在海拔2 200 米和海拔3 200 米處研究了海拔高度及VSP 參數(shù)對柴油車顆粒物數(shù)量排放的影響，結(jié)果表明高原環(huán)境下車輛在低速和高速工況下的PN 排放較高，而在中等車速下，PN 排放隨海拔高度的增加逐漸降低；陳劍杰等人[7]研究了高原山地環(huán)境下柴油車NOx排放隨海拔升高呈現(xiàn)先增高后降低，而隨道路坡度的增加不斷升高的變化趨勢；余思綺等人[8]在平原地區(qū)利用重型車研究了測試工況順序及構(gòu)成比例對車輛NOx排放影響，研究結(jié)果顯示，與標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測試方法相比，測試工況對車輛NOx排放的影響較大；黃成，陳長虹等人[9]在上海市研究了車輛實(shí)際道路排放與行駛工況的相關(guān)性，結(jié)果說明車輛在高速加速行駛狀態(tài)下易產(chǎn)生高排放，且在市郊工況行駛時其排放最低。但基于高海拔環(huán)境下重型車載荷狀態(tài)及行駛工況對車輛排放的影響研究尚且不足。

因此本文利用國六重型車在高海拔地區(qū)下分別進(jìn)行了10%、50%、100%載荷狀態(tài)下的排放測試，研究了載荷因素對車輛在高海拔環(huán)境下的排放影響并分析了車輛行駛工況與排放窗口通過率的相關(guān)性。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)選取2 種不同類型的車輛進(jìn)行了國六b 階段的高海拔排放測試。試驗(yàn)環(huán)境的平均環(huán)境溫度為20 ℃左右，平均大氣壓為77 kPa 左右，平均海拔在2 400 m 左右，試驗(yàn)車輛及發(fā)動機(jī)基本信息見表1。

表1 樣車及發(fā)動機(jī)信息

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

便攜式車載排放測試設(shè)備（PEMS）相比于實(shí)驗(yàn)室排放分析儀具有體積小、可操作性強(qiáng)、裝卸便捷以及可真實(shí)反映車輛實(shí)際排放水平等優(yōu)點(diǎn)，該設(shè)備主要由氣體測量模塊、PN 測量模塊、排氣流量計(jì)（EFM）、GPS 系統(tǒng)、主機(jī)、電源等部分組成，可安裝在車上對車輛行駛過程中的排氣流量、污染物濃度以及環(huán)境溫濕度、海拔高度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時測量，并通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議利用OBD 讀碼器可獲取車輛的ECU數(shù)據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)采用的PEMS 設(shè)備為日本Horiba 公司生產(chǎn)的OBS-ONE 便攜式車載排放測試設(shè)備（PEMS），該設(shè)備對NOx氣體的分析測量原理主要采用化學(xué)發(fā)光分析儀（CLD），CO、CO2分析采用不分光紅外線吸收型分析儀（NDIR），對顆粒物PN 的分析原理采用凝縮離子法進(jìn)行分析測量。試驗(yàn)中PEMS 設(shè)備的安裝示意圖如圖1 所示。

圖1 PEMS 設(shè)備安裝示意圖

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在平均海拔2 350 米左右的道路上進(jìn)行。試驗(yàn)過程中環(huán)境溫度、起止點(diǎn)海拔高度差、累計(jì)正海拔高度等均滿足GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》標(biāo)準(zhǔn)測試要求[10]。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定出樣車1、樣車2 的工況構(gòu)成比例，如表2 所示，其中市區(qū)、市郊和高速工況分別以55 km/h 和75 km/h 的短行程工況進(jìn)行劃分，試驗(yàn)依次對2 輛樣車在載荷10%、50%、100%條件下進(jìn)行排放測試。

表2 行駛工況構(gòu)成比例

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 載荷對車輛排放的影響分析

顆粒物與NOx作為柴油車的主要污染物，本文僅針對車輛在高原試驗(yàn)環(huán)境下NOx與PN 的排放結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2 樣車1 不同載荷NOx 排放

圖3 樣車2 不同載荷NOx 排放

圖2、圖3 分別為高原環(huán)境下樣車1 和樣車2 的NOx排放與車輛排氣溫度隨載荷的變化趨勢。結(jié)果顯示3 種載荷狀態(tài)下，車輛的NOx排放隨載荷增加逐漸下降，且在100%載荷下排放明顯降低。其中10%和50%載荷時車輛的NOx相差較小，且相比于10%載荷狀態(tài)，樣車1 和樣車2 在50%載荷下的NOx排放分別下降了1.9%和11.1%，而在100%載荷時，NOx排放較50%載荷分別減少了29.3%和90.4%。

Chang-yuan WANG 等人[11]在底盤測功機(jī)上對國六重型車進(jìn)行不同載荷下的排放研究表明隨著載荷增加，車輛的NOx排放逐漸降低，其分析結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)NOx排放變化規(guī)律相同，即說明了車輛無論在高原環(huán)境還是在實(shí)驗(yàn)室法規(guī)認(rèn)證環(huán)境條件下，其車輛排放隨載荷的增加均顯示逐漸下降。

樣車1、2 在不同載荷下PN 排放如圖4、5 所示。

圖4 樣車1 不同載荷PN 排放

圖5 樣車2 不同載荷PN 排放

由圖4、圖5 可知，樣車1 隨著載荷的增加，其PN 排放呈先降低后增加趨勢，而樣車2 則表現(xiàn)隨載荷增加其PN 排放逐漸下降。對比排放結(jié)果可知，樣車2 的PN 排放約為樣車1 排放的6～10 倍，這表明隨著車輛整備質(zhì)量增加，發(fā)動機(jī)的功率需求以及單位時間內(nèi)的噴油量增加，導(dǎo)致擴(kuò)散燃燒階段產(chǎn)生的PN 排放增多。

其中受顆粒物高溫缺氧生成條件影響，車輛在高原環(huán)境下行駛時，由于空氣密度以及大氣壓力較低，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)空氣進(jìn)氣量減少，造成缸內(nèi)混合氣不均勻，燃燒惡化，而樣車1 在10%～100%載荷變化范圍內(nèi)，其發(fā)動機(jī)做功量及PN 排放均不斷增加，其中50%載荷時出現(xiàn)PN 比排放略微降低的主要原因是該載荷狀態(tài)下PN 比排放受發(fā)動機(jī)做功量的影響較PN 排放影響較大，且樣車1 的NOx排放受載荷因素的影響較小。

圖5 中樣車2 的PN 排放隨載荷增加逐漸下降與樣車1 的變化趨勢不同。由于樣車2 的發(fā)動機(jī)功率較大，發(fā)動機(jī)做功受載荷因素的影響偏大，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)做功量差別較大，對PN 排放影響較大，同時車輛的排氣溫度偏高，最高排溫約達(dá)280 ℃，而PN 在較高的排氣溫度環(huán)境下與空氣中的氧氣結(jié)合被氧化，從而起到消除PN 的作用，因此在2 種因素的影響下，樣車2 的PN 比排放隨載荷的增加逐漸降低，且受載荷影響較大。

2.2 行駛工況對排放窗口通過率的影響

功基窗口法（AWM）是一種通過比較各功基窗口比排放與發(fā)動機(jī)型式檢驗(yàn)比排放的符合性從而評價車輛排放的分析方法。功基窗口的定義是從試驗(yàn)第一個采樣點(diǎn)開始以1 為步長進(jìn)行推移，直至形成的連續(xù)區(qū)間的累計(jì)功達(dá)到一個發(fā)動機(jī)WHTC 循環(huán)功為止，則該連續(xù)區(qū)間記為一個功基窗口，依據(jù)功基窗口的定義，對試驗(yàn)所有采樣點(diǎn)進(jìn)行窗口移動，最終得到一系列功基窗口，其中功基窗口內(nèi)污染物排放質(zhì)量與窗口做功量的比值則稱為窗口的比排放。

所有功基窗口中，窗口平均功率百分比大于20%閾值的窗口稱為有效窗口，標(biāo)準(zhǔn)要求有效窗口百分比大于50%則判定試驗(yàn)有效，否則無效。所有有效窗口中污染物排放滿足限值要求的窗口數(shù)量達(dá)到有效窗口數(shù)量90%以上，則判定該車輛排放合格。

本文利用功基窗口排放分析法，分析不同載荷試驗(yàn)條件對車輛在各行駛工況下的窗口通過率影響。樣車1、2 窗口通過率分析結(jié)果如表3、4 所示。

表3 樣車1 窗口通過率分析結(jié)果

表4 樣車2 窗口通過率分析結(jié)果

圖6、圖7 分別顯示了車輛在不同載荷、不同工況下的NOx和PN 的排放結(jié)果以及相應(yīng)的排放窗口通過率的變化情況。

圖6 樣車1 NOx 比排放

圖7 樣車1 PN 比排放

同時結(jié)合表3 對車輛窗口通過率的分析結(jié)果可知，樣車1 在3 種載荷下的NOx排放均顯示超標(biāo)，而PN 排放均為合格。其中圖6 顯示車輛在3 種載荷狀態(tài)下，市區(qū)、市郊工況的NOx排放均超過國六標(biāo)準(zhǔn)對NOx的標(biāo)準(zhǔn)限值0.69g/（kW·h），從而導(dǎo)致NOx排放在市區(qū)和市郊工況下的窗口通過率均基本為0，而高速工況NOx排放雖然較低且窗口通過率均為100%，但車輛整體排放水平仍表現(xiàn)超標(biāo)，主要因?yàn)槭軜榆?運(yùn)行工況比例影響，車輛在市區(qū)工況的運(yùn)行時間較長，NOx排放對車輛整體排放貢獻(xiàn)率較大，因此市區(qū)工況是影響樣車1 全工況下NOx排放水平的主要工況。

圖7 顯示車輛在3 種載荷下的PN 排放隨載荷的增加逐漸增多，且分析結(jié)果顯示，車輛在市區(qū)工況下的PN 排放最低，高速工況下的排放最高。雖然PN的排放在高速工況表現(xiàn)較高，但通過觀察可知，車輛在全工況下行駛時PN 排放均滿足標(biāo)準(zhǔn)限值1.2×1012，但結(jié)合表3 車輛在市區(qū)工況下的窗口通過率均為0，其原因主要為市區(qū)工況下，發(fā)動機(jī)做功量偏低，導(dǎo)致該工況下車輛累計(jì)功未能形成一個有效的功基窗口，但車輛整體排放結(jié)果仍顯示PN 排放合格。因此PN 的窗口通過率受市區(qū)工況影響較小，而與排放較高的高速工況有較大的相關(guān)性。

依據(jù)表2 中標(biāo)準(zhǔn)對樣車2 在市區(qū)、市郊和高速工況下的行駛時間分配比例可知，樣車2 在高速工況下的行駛時間占比較大，對于NOx排放來說，雖然市區(qū)工況是其主要的生成區(qū)域，但由于樣車2 在市區(qū)工況行駛時間較短，因此該工況下形成的NOx排放對車輛整體排放貢獻(xiàn)率相對較小，如圖8 所示，車輛在市區(qū)工況的NOx排放最高，且10%和50%載荷時的NOx排放均表現(xiàn)超標(biāo)，而100%載荷時的市區(qū)工況雖然滿足國六標(biāo)準(zhǔn)限值，但由于車輛在該工況下的行駛時間較短，導(dǎo)致該工況下未能形成一個有效的功基窗口，因此窗口通過率為0，而在市郊和高速工況行駛時，車輛的NOx排放均表現(xiàn)合格，其相應(yīng)的窗口通過率均為90%以上，樣車2 的NOx排放判定合格。因此對于樣車2 來說，高速工況是影響其排放的主要工況。

圖8 樣車2 NOx 比排放

同時表4 的分析結(jié)果顯示車輛在3 種載荷狀態(tài)下的PN 排放均表現(xiàn)不合格。通過分析可知，車輛的PN 排放結(jié)果主要受高速工況的排放影響較大，圖9中所示車輛PN 排放主要集中在高速工況，且隨載荷增加，車輛在高速工況下的PN 平均比排放逐漸下降，而PN 總的窗口通過率逐漸上升，因此可以發(fā)現(xiàn)高速工況是影響樣車2 PN 排放的主要工況。

圖9 樣車2 PN 比排放

3 結(jié)論

通過研究高原環(huán)境下不同載荷以及行駛工況對國六整車排放的影響，得出以下結(jié)論：

1）高原環(huán)境下，車輛的NOx排放隨載荷的增加逐漸降低，與實(shí)驗(yàn)室法規(guī)認(rèn)證條件下車輛排放受載荷因素的影響結(jié)果相似。車輛在100%載荷下的排放降低明顯，其中樣車1 和樣車2 在100%載荷下的NOx排放較50%載荷排放分別降低了29.3%和90.4%。對于PN 排放，樣車2 不同載荷下的PN 平均比排放約為樣車1 的6～10 倍。其中樣車1 的PN 排放受載荷因素影響較小，而樣車2 在大負(fù)荷狀態(tài)下，其PN 排放受載荷影響較大。

2）車輛排放的窗口通過率受行駛工況影響較大。其中樣車1 受市區(qū)工況影響較大，3 種載荷狀態(tài)下車輛的NOx排放均顯示超標(biāo)，PN 排放均表現(xiàn)合格。而樣車2 的整體排放受高速工況影響較大，3 種載荷狀態(tài)下車輛的NOx排放均表現(xiàn)合格，而PN 排放均顯示超標(biāo)。