基于便攜式排放測試系統(tǒng)的重型柴油車?yán)鋯优欧旁u價方法研究*

崔煥星 李 剛 蒲雨新 任素慧 劉順利 紀(jì) 亮#

(1.濟南汽車檢測中心有限公司，山東 濟南 250102；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

為滿足當(dāng)前嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，重型柴油車需組合廢氣再循環(huán)(EGR)、柴油氧化型催化器(DOC)、柴油機顆粒捕集器(DPF)、選擇性催化還原(SCR)、氨催化轉(zhuǎn)化器(ASC)作為減排路線[1-2]，由此發(fā)動機可在熱機穩(wěn)定狀態(tài)下實現(xiàn)污染物近零排放，冷啟動排放也就成為整車實際行駛污染物排放的主要來源[3-4]。我國及歐美排放標(biāo)準(zhǔn)均對整車實際行駛排放測量提出要求[5]，但只考慮發(fā)動機冷卻液溫度≥70 ℃的排放數(shù)據(jù)。目前有多種在溫度較低時提升減排效果的技術(shù)可使用[6-7]，但由于標(biāo)準(zhǔn)中缺乏實際行駛時的冷啟動排放要求，無法促進這些技術(shù)的推廣應(yīng)用，因此，如何將冷啟動排放引入到整車排放水平的評價中是下一階段重型柴油車排放標(biāo)準(zhǔn)的重點研究問題[8]。

與汽油發(fā)動機相比，柴油發(fā)動機采用稀燃方式，氧氣過量，NOx與顆粒物是其主要污染物[9]，因此，本研究以滿足《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB 17691—2018)中6b階段技術(shù)要求的重型柴油車為研究對象，研究評價NOx與顆粒物數(shù)量(PN)排放水平的方法，為完善我國重型柴油車排放標(biāo)準(zhǔn)體系提供支撐。

1 實際行駛排放測試

發(fā)動機型式檢驗的污染物排放測試循環(huán)是由一系列固定的、在測功機上運行的工況構(gòu)成，難以代表發(fā)動機在整車實際行駛時的運行工況，型式檢驗結(jié)果不能完全反映整車實際行駛時的污染物排放水平[10-11]，因而整車實際行駛排放測試也就愈發(fā)受到重視。除此之外，潤滑油、冷卻液及其他部件的溫度在發(fā)動機冷啟動時與環(huán)境溫度近似[12]，發(fā)動機此時的實際污染物排放更是遠(yuǎn)高于其型式檢驗結(jié)果[13-14]。

與發(fā)動機型式檢驗不同，實際行駛排放測試將便攜式排放測試系統(tǒng)(PEMS)安裝在車輛上，通過車載診斷系統(tǒng)(OBD)、分析儀、溫濕度計以及全球定位系統(tǒng)(GPS)(見圖1)實時記錄整車在道路上行駛時的速度、發(fā)動機運行參數(shù)、污染物排放及環(huán)境溫濕度等相關(guān)數(shù)據(jù)，以功基窗口法評價整車排放水平[15]。

圖1 PEMS安裝示意圖Fig.1 Installation schematic of PEMS

功基窗口法以發(fā)動機進行臺架瞬態(tài)循環(huán)(WHTC)測試時的循環(huán)功為確定一個功基窗口大小的基準(zhǔn)(見圖2)。

注：t1為功基窗口初期時間，s；Δt為功基窗口持續(xù)時間，s；W(t1)、W(t1+Δt)分別為對應(yīng)時間的發(fā)動機累積做功，kW·h。

其中，Δt由式(1)決定：

W(t1+Δt)-W(t1)≥Wref

(1)

式中：Wref為發(fā)動機進行WHTC測試的循環(huán)功，kW·h。

獲得功基窗口后，將功基窗口平均功率(功基窗口內(nèi)的發(fā)動機做功與功基窗口持續(xù)時間之比)比例(占發(fā)動機最大功率的比例)大于20%的記為有效功基窗口，有效功基窗口需至少達(dá)到所有功基窗口的50%(若低于50%，允許將功基窗口平均功率比例閾值以1%降低，直至有效功基窗口比例達(dá)到50%，但功基窗口平均功率比例閾值不能低于10%)。發(fā)動機做功及污染物排放在一個移動的功基窗口中累積，移動頻率與采樣頻率相同，計算每個功基窗口的污染物比排放[16]。其中，90%有效功基窗口的污染物比排放應(yīng)滿足GB 17691—2018和文獻(xiàn)[17]的要求。每個功基窗口的氣態(tài)污染物比排放(egas，g/(kW·h))與PN比排放(ePN，個/(kW·h))應(yīng)分別采用式(2)、式(3)計算：

(2)

式中：m為功基窗口內(nèi)的氣態(tài)污染物排放質(zhì)量，g。

(3)

式中：P為功基窗口內(nèi)的PN，個。

2 測試信息及數(shù)據(jù)

測試使用的PEMS設(shè)備型號為SEMTECH-LDV，其性能參數(shù)見表1。

表1 測試設(shè)備信息

本研究選取3輛符合GB 17691—2018中6b階段要求的不同類型柴油車進行PEMS測試，發(fā)動機減排技術(shù)路線均為EGR、DOC、DPF、SCR、ASC，測試車輛信息見表2。

車輛加注市售燃料，反應(yīng)劑符合《柴油發(fā)動機氮氧化物還原劑 尿素水溶液(AUS 32)》(GB 29518—2013)的要求，初始發(fā)動機冷卻液溫度不超過30 ℃，測試設(shè)備采用蓄電池供電，測試前先吹掃流量計，在發(fā)動機啟動前開始采樣，數(shù)據(jù)記錄頻率為1次/s。

表2 測試車輛信息

表3 測試信息

測試時，車輛按照市區(qū)—市郊—高速的行程連續(xù)行駛，每隔2 h檢查分析儀狀態(tài)，以確認(rèn)分析儀工作正常，測試信息見表3。

測試結(jié)束后，首先進行分析儀漂移檢查，而后依據(jù)車速、CO2濃度、排氣流量和油耗對OBD讀取數(shù)據(jù)、分析儀記錄數(shù)據(jù)及排氣流量進行對齊。以冷卻液溫度大于30 ℃的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)參與計算，利用功基窗口法對測試數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果見圖3。車輛1第1個功基窗口持續(xù)時間為3 130 s，車輛2第1個功基窗口持續(xù)時間為5 244 s，車輛3第1個功基窗口持續(xù)時間為2 012 s。

圖3 PEMS測試結(jié)果Fig.3 Results of the PEMS test

圖4 以有效功基窗口計算的NOx與PN比排放Fig.4 Specific emissions of NOx and PN calculated by valid work-based window

3 排放計算方法

PEMS測試過程復(fù)雜、成本較高，且路況、駕駛習(xí)慣等諸多因素導(dǎo)致測試結(jié)果重復(fù)性較差，因此無法參照WHTC分別進行冷、熱循環(huán)測試的方式進行實際行駛排放測試，參照當(dāng)前輕型汽車進行實際行駛污染物排放試驗(Ⅱ型試驗)的測試規(guī)程(《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB 18352.6—2016))，僅進行1次PEMS測試，對數(shù)據(jù)進行分段處理。

對于熱態(tài)數(shù)據(jù)，GB 17691—2018要求以冷卻液溫度≥70 ℃的數(shù)據(jù)評價整車排放水平，因此以該溫度界定熱態(tài)數(shù)據(jù)；對于冷啟動數(shù)據(jù)，則要求測試開始時的發(fā)動機冷卻液溫度不得超過30 ℃，因此以冷卻液溫度達(dá)到30 ℃界定冷啟動數(shù)據(jù)。

3.1 以有效功基窗口計算

在計算排放結(jié)果時，將功基窗口平均功率比例閾值調(diào)整至GB 17691—2018中允許的最低值(即10%)，以覆蓋更多城市工況，更加貼近車輛實際使用情況。冷啟動有效功基窗口的最大比排放記為冷啟動排放；熱態(tài)數(shù)據(jù)計算方法不變，90%有效功基窗口滿足GB 17691—2018整車排放限值的比排放記為熱態(tài)排放；最終排放結(jié)果參照WHTC賦予冷、熱排放不同權(quán)重(冷：0.14，熱：0.86)后加權(quán)計算，結(jié)果見圖4。

可以看出，依據(jù)有效功基窗口計算的冷啟動排放要高于熱態(tài)，但車輛2(即N2類車輛)的差異并不明顯，這是因為N2類車輛測試的市區(qū)路線占比高達(dá)45%，由于市區(qū)路況更為復(fù)雜，啟停頻繁，怠速比例高，平均車速低[18]，此時形成一個功基窗口的時間較長，分別是其他兩類車輛的1.6、2.6倍，雖已將有效功基窗口平均功率比例的閾值降低至10%，但首次達(dá)到的時間已占到市區(qū)道路行駛時間的58%，發(fā)動機冷卻液溫度早已超過70 ℃，多數(shù)冷啟動數(shù)據(jù)作為無效功基窗口被剔除。

因發(fā)動機冷啟動時的工作溫度較低，燃油霧化不完全，混合氣不均勻，燃燒不完全[19]，且SCR受溫度限制，對NOx的轉(zhuǎn)化率明顯降低[20]，相關(guān)研究表明此時的NOx排放甚至可以達(dá)到發(fā)動機臺架測試結(jié)果的2～4倍[21]， 在評價冷啟動排放時應(yīng)予以重視，因此基于有效功基窗口的計算原則不再適用。

3.2 取消有效功基窗口平均功率比例限制

如圖5所示，N2類車輛在功基窗口平均功率比例低于10%時的NOx比排放明顯偏高。

圖5 功基窗口平均功率比例低于10%的NOx比排放Fig.5 Specific emissions of NOx with work-based window’s average power percentage below 10%

僅取消有效功基窗口平均功率比例的限制，將初期高排放功基窗口涵蓋在內(nèi)，采用與3.1節(jié)相同的計算原則得到的排放結(jié)果見圖6。

3.3 以第1個功基窗口計算

由圖3可以看出，3類車輛在形成第1個功基窗口時的發(fā)動機冷卻液溫度均已達(dá)到70 ℃，進入熱機狀態(tài)，因此研究將冷啟動的第1個功基窗口比排放記為冷啟動排放，隨后的數(shù)據(jù)作為熱態(tài)數(shù)據(jù)，其90%功基窗口滿足GB 17691—2018整車排放限值的比排放記為熱態(tài)排放，最終排放結(jié)果計算方法與3.1節(jié)相同，結(jié)果見圖7。

圖6 以功基窗口計算的NOx與PN比排放Fig.6 Specific emissions of NOx and PN calculated by work-based window

圖7 以第1個功基窗口為冷啟動排放計算的NOx與PN比排放Fig.7 Specific emissions of NOx and PN calculated by the first work-based window as the cold start emissions

3.4 結(jié)果對比

在NOx排放計算上，3.2、3.3節(jié)兩種計算方法對3種類型車輛的計算結(jié)果基本一致，相比于3.1節(jié)，兩種方法將N2類車輛初期冷啟動排放涵蓋在整車排放的評價中，其排放情況得到了很好體現(xiàn)。但對于PN，3.3節(jié)計算結(jié)果明顯偏小，分析認(rèn)為主要是由于溫度對PN排放的影響趨勢無確定性[22-24]，硫化物也多是在高溫條件下形成，發(fā)動機在熱態(tài)時更易出現(xiàn)較高PN排放[25]，因此不建議現(xiàn)階段僅依靠單一功基窗口計算排放結(jié)果，不斷將功基窗口后移可以使更多功基窗口參與到計算中，對PN排放的評價更加客觀。

對于CO，文獻(xiàn)[18]、[26]研究發(fā)現(xiàn)冷啟動下的發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度低，燃油短時間內(nèi)不能完全氧化，導(dǎo)致排放出大量CO，而隨著溫度上升，CO排放量不斷降低。由此可見，溫度對CO的影響與NOx相近，本研究方法對CO具有適用性。

4 結(jié)論與建議

(1) 在引入冷啟動排放評價整車排放水平時，取消功基窗口平均功率比例閾值限制可以覆蓋更多市區(qū)工況，這一點對N2類車輛尤為重要。

(2) 分別以冷卻液溫度達(dá)到30、70 ℃界定冷、熱有效數(shù)據(jù)，這與當(dāng)前GB 17691—2018要求的測試條件相符。

(3) 在污染物排放結(jié)果的計算上，熱態(tài)排放計算繼續(xù)按照GB 17691—2018的要求進行，冷啟動排放取最大值，參照WHTC計算原則，對冷、熱排放分別賦予0.14、0.86的權(quán)重，加權(quán)計算最終比排放結(jié)果，評價整車排放水平。