重型商用車排放試驗對比分析

劉剛,王繼磊,李建東,欒振,王福龍

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061;2.濰柴動力股份有限公司 發(fā)動機(jī)研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

近幾年，隨著國家排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，車輛排放已經(jīng)和燃油經(jīng)濟(jì)性一樣,成為評價汽車性能優(yōu)劣的重要因素[1-6]。

汽車污染物排放的檢測方法有多種：根據(jù)試驗方式的不同，分為道路排放試驗和轉(zhuǎn)轂排放試驗檢測[7-10]；根據(jù)排放物的不同，有氣體排放污染物和顆粒排放污染物檢測[11-13]；根據(jù)排氣樣本的取樣方法不同，有直接取樣檢測和稀釋取樣檢測[14-16]。

本文采用排氣直接取樣的方法，通過便攜式車載排放設(shè)備對重型商用車進(jìn)行轉(zhuǎn)轂排放試驗和道路排放試驗檢測，分析對比兩種排放檢測方法及檢測結(jié)果的差異。

1 試驗方法分析

1.1 標(biāo)準(zhǔn)介紹

針對重型商用車的排放，目前工信部和環(huán)保部都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，環(huán)保部要求檢測污染物排放，工信部要求油耗和污染物排放聯(lián)測[17-19]。文獻(xiàn)[17]明確規(guī)定了整車道路排放試驗法(以下簡稱道路法)的檢測方法，該文獻(xiàn)中條款6.12.5和9.2.2均指出：當(dāng)車輛按照文獻(xiàn)[18]進(jìn)行整車油耗測量時，應(yīng)同時進(jìn)行排放污染物測量，而文獻(xiàn)[18]中對排放污染物的檢測方法采用的正是轉(zhuǎn)轂排放試驗法(以下簡稱轉(zhuǎn)轂法)，即嚴(yán)格按照文獻(xiàn)[19]中規(guī)定的C-WTVC(adapted world transient vehicle cycle)循環(huán)工況進(jìn)行，該循環(huán)是以世界重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)(world transient vehicle cycle, WTVC)為基礎(chǔ)，調(diào)整加速度和減速度形成的駕駛循環(huán)。

1.2 兩種試驗方法對比

轉(zhuǎn)轂法嚴(yán)格按照國家法規(guī)制定的循環(huán)工況C-WTVC在試驗臺上進(jìn)行，C-WTVC循環(huán)由市區(qū)、市郊和高速循環(huán)工況組成，運行時間固定，共1800 s。道路法是在實際道路上進(jìn)行，根據(jù)車型的不同，其工況組成不同，運行時間也不同，按文獻(xiàn)[17]要求，運行時間最短應(yīng)保證累計功達(dá)到發(fā)動機(jī)瞬態(tài)循環(huán)功的4～7倍，根據(jù)以往經(jīng)驗，約在5000 s以上。

因此，同一車型兩種檢測方法的試驗結(jié)果可能存在較大差異。根據(jù)文獻(xiàn)[17,19]的要求，兩種試驗方法不同車型各試驗工況的里程分配如表1所示，表1中m為車輛最大設(shè)計總質(zhì)量(半掛牽引車為牽引車與掛車的質(zhì)量和)。

各工況要求如表2所示。

表1 兩種試驗方法不同車型各工況的里程分配

表2 兩種試驗方法各工況的平均速度與最高速度 km·h-1

從表1、2可以看出：

兩種方法各工況的里程分配與平均速度、最高速度均不相同，所有車型沒有完全相同的工況。相比于道路法，轉(zhuǎn)轂法中的車型規(guī)定更細(xì)，工況更嚴(yán)格：半掛牽引車、自卸汽車和城市客車等在轉(zhuǎn)轂試驗中工況僅有一種或兩種，而道路試驗包括的工況多；貨車和客車在轉(zhuǎn)轂試驗中工況劃分的更細(xì)，而道路法相對籠統(tǒng)一些。

1.3 試驗結(jié)果的處理

轉(zhuǎn)轂法和道路法對試驗結(jié)果的處理采用了兩種完全不同的方法。

轉(zhuǎn)轂法對試驗結(jié)果的處理是先分別計算市區(qū)、市郊、高速各工況的排放污染物，再按表1的要求根據(jù)不同類別車型進(jìn)行加權(quán)計算，得到最終的排放污染物，所有運行過程的排放污染物都參與計算。由于大部分車型市區(qū)的排放都較高，因此部分市區(qū)工況里程占比大的車型排放污染物可能會超標(biāo)[20-23]。

道路試驗法采用功基窗口法處理試驗結(jié)果，功基窗口的定義為從試驗起始點到截止點之間的一個連續(xù)區(qū)間，當(dāng)區(qū)間的累計做功等于瞬態(tài)循環(huán)的發(fā)動機(jī)做功量時，該連續(xù)區(qū)間為一個功基窗口。計算功基窗口內(nèi)所有采樣點的NOx比排放(即窗口內(nèi)所有采樣點的NOx排放總質(zhì)量與窗口做功的比值)，以1 s步長依次向后移動功基窗口至試驗結(jié)束，由此得到一系列功基窗口的NOx平均比排放。根據(jù)文獻(xiàn)[17]規(guī)定，去除平均功率小于10%的發(fā)動機(jī)最大凈功率的無效窗口。采用功基窗口法計算時，有些負(fù)荷低的工況(如市區(qū)工況)不參與計算，而這部分工況由于受排氣溫度低、瞬態(tài)工況多等因素影響，使NOx排放普遍較高，最終的排放結(jié)果可能比實際排放偏低[24-25]。

2 影響因素分析

在轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行排放試驗受外部環(huán)境影響小，試驗過程可控性高，但試驗結(jié)果受車型、預(yù)熱時間、行駛阻力等因素的影響。

2.1 運行工況

從表1可以看出：道路法和轉(zhuǎn)轂法中規(guī)定的所有車型沒有完全相同的運行工況，其中自卸汽車和城市客車的差別尤為突出。自卸汽車在道路法中按照N3類車型運行，包括市區(qū)、市郊、高速3種工況；轉(zhuǎn)轂法采用的是單一車型工況，僅有市郊，沒有市區(qū)和高速工況。這種現(xiàn)象同樣體現(xiàn)在城市客車中。因此，同一個車型的排放結(jié)果要同時滿足道路法和轉(zhuǎn)轂法，就需要該發(fā)動機(jī)及整車的性能具備很好的適應(yīng)性。

圖1為自卸汽車道路試驗工況分布，圖2為自卸汽車轉(zhuǎn)轂試驗工況分布，圖1、2中粗實線為發(fā)動機(jī)外特性曲線。從圖1、2可以看出：道路試驗運行工況點密集，市區(qū)、市郊、高速3部分工況分布較明顯，且大都在扭矩600 N·m以下的中低負(fù)荷區(qū)域，分布在外特性上的工況占比極少；而轉(zhuǎn)轂試驗由于運行時間短，工況點稀疏，外特性上的工況占比較多，大扭矩工況占比比道路試驗多，故轉(zhuǎn)轂試驗的運行工況更惡劣。

道路法與轉(zhuǎn)轂法的運行工況形成了一種互補，由此可以考慮集成實際路譜工況和轉(zhuǎn)轂工況形成復(fù)合路譜。對自卸汽車的開發(fā)要求發(fā)動機(jī)性能、后處理性能、動力總成匹配等方面能夠適應(yīng)不同運行工況的要求。

圖1 自卸車道路排放試驗工況分布 圖2 自卸車轉(zhuǎn)轂排放試驗工況分布

2.2 預(yù)熱時間影響

預(yù)熱包括轉(zhuǎn)轂設(shè)備預(yù)熱和整車預(yù)熱，僅分析整車的預(yù)熱。

文獻(xiàn)[19]規(guī)定轉(zhuǎn)轂正式試驗前，可以進(jìn)行1～2個C-WTVC循環(huán)預(yù)熱，非強制性，而且沒有明確規(guī)定預(yù)熱后立即進(jìn)行試驗還是可以有間隔時間，存在一定的操作空間。

圖3為沒有預(yù)熱的轉(zhuǎn)轂排放試驗曲線，開始的一段時間內(nèi)排氣溫度很低，NOx排放很高，約230 s后NOx排放正常，這是由柴油機(jī)尾氣后處理(selective catalytic reduction，SCR)自身的特性決定的(溫度與轉(zhuǎn)化效率成正比)。

圖4為預(yù)熱后的轉(zhuǎn)轂排放試驗曲線，全程的NOx排放趨勢一致，完全滿足法規(guī)限值要求。

a)溫度隨時間的變化曲線 b)NOx排放隨時間的變化曲線 c)車速隨時間的變化曲線圖3 無預(yù)熱轉(zhuǎn)轂試驗結(jié)果

a)溫度隨時間的變化曲線 b)NOx排放隨時間的變化曲線 c)車速隨時間的變化曲線圖4 預(yù)熱后轉(zhuǎn)轂試驗結(jié)果

有、無預(yù)熱的轉(zhuǎn)轂排放試驗NOx的測試結(jié)果分別為1.92、0.09 g/(kW·h)。因此，進(jìn)行轉(zhuǎn)轂排放試驗時，應(yīng)經(jīng)過充分的預(yù)熱，且預(yù)熱后應(yīng)立即開始試驗，NOx排放結(jié)果才有可能滿足法規(guī)要求。

2.3 行駛阻力影響

在轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行試驗，文獻(xiàn)[19]規(guī)定車輛的行駛阻力可以使用推薦值，也可以通過到試驗場進(jìn)行滑行試驗得到，由于推薦值的涵蓋面很廣，覆蓋車型很多，可能存在某些車型試驗時實際車速跟隨不上設(shè)定車速的問題。

起步加速和超車加速的車速跟隨情況如圖5所示。由圖5可知：起步加速和超車加速都存在實際車速跟隨不上設(shè)定車速的現(xiàn)象，由此直接導(dǎo)致運行工況點偏移、瞬態(tài)響應(yīng)差等問題，從而影響排放及其他性能。

a)起步加速 b) 超車加速圖5 實際車速跟隨設(shè)定車速曲線對比

因此，轉(zhuǎn)轂試驗時需采用合適的行駛阻力，如果車型特殊，建議到試驗場進(jìn)行實際滑行試驗得到行駛阻力。

3 排放試驗結(jié)果對比分析

為了更直觀的體現(xiàn)轉(zhuǎn)轂法和道路法排放結(jié)果的差異，對主要車型進(jìn)行了2種方法的試驗對比分析。

3.1 試驗條件

1)測試設(shè)備

道路法和轉(zhuǎn)轂法均采用便攜式車載排放測試設(shè)備M.O.V.E。

2)測試車型

具體測試車型分別為牽引車、自卸車、載貨車、城市客車與客車，最大設(shè)計總質(zhì)量分別為49 000、25 000、16 000、12 500、18 000 kg。道路法和轉(zhuǎn)轂法試驗時車輛載荷均為滿載。

3)轉(zhuǎn)轂試驗

在正式試驗前均預(yù)熱2個完整C-WTVC循環(huán)，以保證充分預(yù)熱，環(huán)境溫度為20～30 ℃，環(huán)境相對濕度為30%～55%。數(shù)據(jù)處理方法按照文獻(xiàn)[17]要求加權(quán)計算。行駛阻力按照文獻(xiàn)[19]中的規(guī)定測量得到。

4)道路試驗

試驗路線、有效性評價等條件按照文獻(xiàn)[17]要求進(jìn)行，試驗時環(huán)境溫度、濕度條件均與轉(zhuǎn)轂試驗一致，最大限度保證試驗的一致性。數(shù)據(jù)處理方法按照功基窗口法計算。

3.2 試驗結(jié)果分析

表3為各車型的轉(zhuǎn)轂法和道路法NOx的排放結(jié)果對比。轉(zhuǎn)轂結(jié)果按照文獻(xiàn)[19]規(guī)定，根據(jù)不同車型按照加權(quán)法計算所得；道路結(jié)果按照文獻(xiàn)[17]的規(guī)定，取第90%位有效功基窗口的NOx排放。

表3 不同車型兩種試驗方法NOx的比排放g·(kW·h)-1

從表3中可以看出：僅有牽引車的兩種試驗方法結(jié)果一致，其他車型轉(zhuǎn)轂法NOx的比排放均大于道路法，且相差約為42%～85%，自卸車和客車轉(zhuǎn)轂試驗的NOx比排放接近排放限值。

目前，道路法檢測排放是各廠家試驗及各檢測中心環(huán)保認(rèn)證的必須項，而轉(zhuǎn)轂法只是在工信部進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性認(rèn)證檢測時附帶測量排放，因當(dāng)前很多整車或發(fā)動機(jī)廠家沒有該轉(zhuǎn)轂設(shè)備，轉(zhuǎn)轂法排放進(jìn)行試驗的較少。建議開發(fā)自卸車、客車等新車型時，排放性能試驗不應(yīng)只限于道路排放試驗，還應(yīng)結(jié)合轉(zhuǎn)轂排放試驗的結(jié)果進(jìn)一步分析。

4 結(jié)語

轉(zhuǎn)轂法與道路法都是針對車輛排放的測量方法。道路法僅檢測排放。轉(zhuǎn)轂法同時測量排放和油耗，檢測時間短、影響因素少，但與道路法的檢測結(jié)果存在一定的差異。是否可以考慮轉(zhuǎn)轂法運行復(fù)合路譜，即集成實際路譜和C-WTVC的一種工況，這將在后面的工作中繼續(xù)詳細(xì)研究。