重型車國六標(biāo)準(zhǔn)邊界條件對(duì)排放的影響＊

于全順，田霖，郭勇，王雪峰，徐軍輝

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

1 前言

2016年底，生態(tài)環(huán)境部（原環(huán)境保護(hù)部）和國家質(zhì)檢總局聯(lián)合發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第六階段）》[1]，隨著輕型車國六標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，重型車國六也進(jìn)入人們關(guān)注的視野，2018年 GB/T17691-2018《重型柴油車污染物排放限制及測(cè)量方法》（中國第六階段）[2]正式發(fā)布。對(duì)于重型整車國標(biāo)中首次引入了整車實(shí)際道路實(shí)驗(yàn)（Portable Emission Measurement System，PEMS），其中重型車國六標(biāo)準(zhǔn)中相對(duì)于之前的地方標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境邊界條件更為嚴(yán)苛[3-5]，監(jiān)測(cè)污染物的種類也有所增加：其中其 a階段環(huán)境邊界條件為-7℃，海拔 1700米，對(duì)于污染物的顆粒物數(shù)量（PN）無要求；六b階段環(huán)境邊界條件為-7℃，2400米，同時(shí)要求監(jiān)測(cè)顆粒物數(shù)量。為了研究各種極限條件下重型車輛的排放變化，本文選用國六階段重型車，在環(huán)境海拔倉內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)股 PEMS實(shí)驗(yàn)，模擬標(biāo)準(zhǔn)中的極限邊界條件，對(duì)樣車的排放特性和油耗特性進(jìn)行系統(tǒng)分析，為重型車六階段標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施提供理論支持，為重型車企業(yè)的標(biāo)定提供數(shù)據(jù)支持。

2 試驗(yàn)設(shè)備方案

2.1 試驗(yàn)車輛

本研究選用國 VI階段重型柴油車，車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)樣車參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

試驗(yàn)在海拔&環(huán)境倉內(nèi)進(jìn)行，倉內(nèi)海拔設(shè)定范圍是 0～5000米；溫度設(shè)定范圍是-40～60℃。試驗(yàn)是在帶有 CVS的底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行的。試驗(yàn)所用到的測(cè)試設(shè)備包括轉(zhuǎn)速、負(fù)荷可調(diào)節(jié)的底盤測(cè)功機(jī)，Sensors公司生產(chǎn)的 SEMTECHECOSTAR PLUS便攜式排放測(cè)試設(shè)備，通過控制變量條件確定不同工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每個(gè)工況采用的循環(huán)為 GB/T27840-2011《商用車燃料消耗量測(cè)量方法》推薦的重型柴油車整車綜合油耗測(cè)量所使用的工況（C-WTVC循環(huán)）[6]，循環(huán)曲線如圖1所示，設(shè)備安裝圖如圖2所示，C-WTVC循環(huán)工況特征參數(shù)如表2所示，工況分布如表3所示。

圖1 C-WTVC測(cè)試循環(huán)速度曲線

圖2 設(shè)備安裝示意圖

表2 C-WTVC循環(huán)工況特征參數(shù)

表3 工況分布

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究排放測(cè)試用的是便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)，選用的是美國Sensors公司生產(chǎn)的SEMTECH-ECOSTAR PLUS，對(duì)于排氣污染物中的各個(gè)污染物，分別采用非分散紅外分析法（Non-Dispersive Infra-red dector，NDIR）測(cè)量一氧化碳和二氧化碳，非分散紫外分析法（Non-Dispersive Ultraviolet dector，NDUV）測(cè)量氮氧化物，激光凝縮顆粒物計(jì)數(shù)（CPC）測(cè)量顆粒物數(shù)量。此外，SEMTECH-ECOSTAR PLUS通過自帶全球定位系統(tǒng)（GPS）記錄地理位置信息，ICM模塊讀取車輛ECU信息，Weather Probe模塊記錄環(huán)境溫濕度信息，EFM模塊實(shí)時(shí)記錄排氣流量。

3 計(jì)算方法

基于里程的排放因子是評(píng)價(jià)整車污染物的重要指標(biāo)之一

[7]，其公式如3-1所示：

其中 Ekm是某種污染物基于里程的排放因子，單位是g/km或#/km，ei是逐秒污染物濃度，單位是g/s，L是行駛里程，C-WTVC循環(huán)為20.51km。

基于功基的比排放是判定國六整車合格與否的依據(jù)[8]，也是標(biāo)準(zhǔn)限值的單位。最終結(jié)果由公示（2）計(jì)算得出：

式中：Li是某種污染物排放結(jié)果，單位是g/kwh或#/kwh，Mi是某種污染物的總排放量，單位是g/#，W是發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功（kwh）。最終結(jié)果根據(jù)表4根據(jù)不同車型進(jìn)行加權(quán)。

表4 特征歷程分配比例

各工況污染物排放變化率根據(jù)公示（3）計(jì)算得出：

式中：ψ為各污染物變化率，Eb為其他污染物排，單位為（g/km）/（#/km）或（g/kwh）/（#/kwh），Ea為常溫長(zhǎng)下污染物排放，單位為（g/km）/（#/km）或（g/kwh）/（#/kwh）。

4 數(shù)據(jù)分析

對(duì)不同工況下的數(shù)據(jù)按照公式（1）和公式（2）進(jìn)行計(jì)算，基于功的計(jì)算根據(jù)表4進(jìn)行加權(quán)平均，可知市區(qū)比例為10%，公路比例為60%，高速比例為30%。逐個(gè)分析污染物隨工況的變化情況，計(jì)算各個(gè)污染物的基于里程排放因子和比排放，并以常溫常壓工況為基礎(chǔ)，按照公式（3）計(jì)算其他工況各污染物的變化情況。

4.1 CO2排放分析

由圖3可以看出相對(duì)于常溫常壓下的CO2排放，溫度和海拔邊界條件下，均呈現(xiàn)不同程度地增加。其中常溫常壓下CO2的排放因子和比排放為623403.22mg/km和708396.68mg/kwh，-7℃邊界條件下CO2的排放因子和比排放為655907.69 mg/km和754469.02mg/kwh，1700米國六a邊界條件下CO2的排放因子和比排放為 660952.38mg/km和 828226.22mg/kwh，2400米國六b邊界條件下CO2的排放因子和比排放為677773.77mg/km和845462.34mg/kwh?；谂欧乓蜃舆M(jìn)行分析：相對(duì)于常溫常壓下的CO2排放因子，-7℃邊界條件下增加5.2%，1700米邊界條件下增加6.0%，2400米邊界條件下增加8.7%；基于比排放進(jìn)行分析：相對(duì)于常溫常壓下的CO2比排放，-7℃邊界條件下增加6.5%，1700米邊界條件下增加16.9%，2400米邊界條件下增加19.3%。

圖3 CO2排放變化圖

綜合排放因子和比排放可以看出，溫度和海拔邊界條件都對(duì)CO2都是有惡化影響，海拔邊界條件相對(duì)于溫度邊界條件，影響更大，海拔達(dá)到國六b的邊界條件時(shí)，漲幅較大，同時(shí)因?yàn)镃O2表征的是樣車的油耗量，可知低溫和高海拔都會(huì)使樣車油耗增加。

4.2 CO排放分析

由圖4可以看出相對(duì)于常溫常壓下的CO排放，溫度和海拔邊界條件下，均呈現(xiàn)不同程度的增加，其中高海拔增幅程度更加明顯。其中常溫常壓下CO的排放因子和比排放為62.16mg/km和88.42mg/kwh，-7℃邊界條件下CO的排放因子和比排放為 73.04mg/km和91.76mg/kwh，1700米國六a邊界條件下 CO的排放因子和比排放為 131.56mg/km和186.48mg/kwh，2400米國六b邊界條件下CO的排放因子和比排放為185.84mg/km和263.42mg/kwh。基于排放因子進(jìn)行分析：相對(duì)于常溫常壓下的 CO排放因子，-7℃邊界條件下增加17.5%，1700米邊界條件下增加111.6%，2400米邊界條件下增加199.0%；基于比排放進(jìn)行分析：相對(duì)于常溫常壓下的CO比排放，-7℃邊界條件下增加3.8%，1700米邊界條件下增加110.9%，2400米邊界條件下增加197.9%。

圖4 CO排放變化圖

綜合排放因子和比排放可以看出，溫度和海拔邊界條件都對(duì)CO都是有惡化影響，海拔邊界條件相對(duì)于溫度邊界條件，影響更大。柴油機(jī)的CO的生成主要是由于不完全燃燒造成的，當(dāng)海拔上升時(shí)，柴油機(jī)缸內(nèi)氧含量下降，不利于CO的氧化進(jìn)而導(dǎo)致排放上升。

4.3 NOX排放分析

由圖5可以看出相對(duì)于常溫常壓下的NOX排放，溫度和海拔邊界條件下，均呈現(xiàn)不同程度的增加，其中低溫條件下增幅明顯。其中常溫常壓下 NOX的排放因子和比排放為349.25mg/km和495.03mg/kwh，-7℃邊界條件下NOX的排放因子和比排放為442.12mg/km和605.71mg/kwh，1700米國六a邊界條件下NOX的排放因子和比排放為412.81mg/km和565.12mg/kwh，2400米國六b邊界條件下NOX的排放因子和比排放為433.23mg/km和585.76mg/kwh。基于排放因子進(jìn)行分析：相對(duì)于常溫常壓下的NOX排放因子，-7℃邊界條件下增加26.6%，1700米邊界條件下增加18.2%，2400米邊界條件下增加 24.0%；基于比排放進(jìn)行分析：相對(duì)于常溫常壓下的NOX比排放，-7℃邊界條件下增加22.4%，1700米邊界條件下增加14.2%，2400米邊界條件下增加18.3%。

圖5 NOX排放變化圖

綜合排放因子和比排放可以看出，溫度和海拔邊界條件都對(duì)NOX都是有惡化影響，溫度邊界條件相對(duì)于海拔邊界條件，影響更大，原因是氮氧化物的形成主要是取決于反應(yīng)溫度、氧氣濃度和反應(yīng)時(shí)間。在高海拔環(huán)境下，隨著海拔高度的增加，燃料的滯燃期延長(zhǎng)，預(yù)混合燃燒階段增長(zhǎng)，導(dǎo)致速燃?xì)馊剂显龆?，缸?nèi)燃燒溫度提升，利于氮氧化物的生成，而高海拔地區(qū)氧含量較低，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒所需氧氣降低，阻礙氮氧化物生成。而低溫環(huán)境下，SCR的噴射溫度既定，相對(duì)于常溫常壓下的噴射環(huán)境，更難達(dá)到噴射溫度，導(dǎo)致后處理對(duì)氮氧化物的處理效果明顯降低，氮氧化物排放大幅度增長(zhǎng)[9-11]。

4.4 PN排放分析

由圖6可以看出相對(duì)于常溫常壓下的PN排放，溫度和海拔邊界條件下，均呈現(xiàn)不同程度地增加。其中常溫常壓下PN的排放因子和比排放為4.91×1011mg/km和6.96×1011mg/kwh，-7℃邊界條件下 PN的排放因子和比排放為 9.83×1011mg/km和 1.39×1012mg/kwh，1700米國六 a邊界條件下 PN的排放因子和比排放為1.25×1012mg/km和1.59×1012mg/kwh，2400米國六 b邊界條件下 PN的排放因子和比排放為3.87×1012mg/km 和 5.32×1012mg/kwh?；谂欧乓蜃舆M(jìn)行分析：相對(duì)于常溫常壓下的 PN排放因子，-7℃邊界條件下增加100.3 %，1700米邊界條件下增加154.0%，2400米邊界條件下增加688.1%；基于比排放進(jìn)行分析：相對(duì)于常溫常壓下的PN比排放，-7℃邊界條件下增加70.1%，1700米邊界條件下增加128.1%，2400米邊界條件下增加665.1%。

圖6 PN排放變化圖

綜合排放因子和比排放可以看出，溫度和海拔邊界條件都對(duì)PN都是有惡化影響，海拔邊界條件相對(duì)于溫度邊界條件，影響更大，海拔達(dá)到國六b的邊界條件時(shí)，漲幅較大，最高漲幅達(dá)688.1%，海拔的增加導(dǎo)致燃燒溫度升高，提高了燃油裂解的反應(yīng)速率，從而促進(jìn)顆粒物的生成，另一方面，高海拔環(huán)境下壓力較低，使得柴油進(jìn)氣量降低，缸內(nèi)氧含量變低，阻礙了燃燒過程中產(chǎn)生的顆粒物氧化。導(dǎo)致顆粒物相對(duì)于常溫常壓增幅較大[12]。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于CO2、CO和PN分析，海拔的增加和溫度的降低都造成排放惡劣，但海拔的影響更大，對(duì)于CO2，2400米邊界條件下相對(duì)于常溫常壓排放因子增加8.7%，比排放增加19.3%，對(duì)于CO，2400米邊界條件下相對(duì)于常溫常壓排放因子增加199.0%，比排放增加197.9%，遠(yuǎn)超-7℃環(huán)境下的排放增長(zhǎng)量，對(duì)于PN，2400米邊界條件下相對(duì)于常溫常壓排放因子增加688.1%，比排放增加665.1%。

（2）對(duì)于NOX，溫度和海拔邊界條件都對(duì)NOX都是有惡化影響，溫度邊界條件相對(duì)于海拔邊界條件，影響更大，-7℃環(huán)境下，相對(duì)于常溫常壓，排放因子增加 26.6%，比排放增加22.4%，超過國六a和國六b的海拔邊境條件下的增長(zhǎng)量。

（3）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的限值，常溫常壓下，各類污染物明顯可以達(dá)標(biāo)，比排放均低于限值要求，在邊界條件下，NOX和PN污染物有不同程度的超過限值，因此發(fā)動(dòng)機(jī)和整車廠應(yīng)對(duì)邊界條件下的標(biāo)定重視。