基于發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)不同載荷對重型車排放影響研究

鄭春芳，李騰騰，高濤

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

前言

傳統(tǒng)的重型車排放認(rèn)證只是發(fā)動(dòng)機(jī)的認(rèn)證，但臺(tái)架認(rèn)證的發(fā)動(dòng)機(jī)工況與重型車實(shí)際道路發(fā)動(dòng)機(jī)工況有較大差異，發(fā)動(dòng)機(jī)法規(guī)認(rèn)證的排放結(jié)果不能完全反映整車實(shí)際道路真實(shí)排放水平，自《重型柴油車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段）[1]要求國六重型車要求整車在實(shí)際道路中測試排放。在實(shí)際道路測試中影響排放的因素眾多，比如：天氣、交通、路面狀況、駕駛習(xí)慣、載荷等，經(jīng)分析研究載荷影響排放權(quán)重較大，王剛[2]、周華[3]、郭勇[4]等人基于轉(zhuǎn)轂平臺(tái)已經(jīng)分析載荷對重型車常規(guī)污染物及非常規(guī)污染物影響，但轉(zhuǎn)轂平臺(tái)由于駕駛員因素影響，每次試驗(yàn)并不能保證駕駛操作一致，從而會(huì)導(dǎo)致排放差異。本文基于發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)在同一駕駛條件試驗(yàn)一致性較好情況下研究不同載荷的對重型車排放的影響。本文通過VSM（Vehicle Simulation Model，VSM）軟件建立整車模型、駕駛員模型、工況模型，在發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)（Engine-in-Loop）平臺(tái)設(shè)定10%、50%、100%、150%載荷，分析不同載荷主要排放物NOx、CO、PN差異。

1 試驗(yàn)簡介

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本文的試驗(yàn)研究是基于發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)仿真平臺(tái)的軟、硬件設(shè)備，該平臺(tái)具體測試設(shè)備名稱如表 1，整車及發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)如表2。

表1 EIL試驗(yàn)設(shè)備名稱

1.2 試驗(yàn)循環(huán)

本試驗(yàn)所采用的循環(huán)為 GB/T 27840-2011《商用車燃料消耗量測量方法》推薦的重型柴油車整車綜合油耗測量所使用的工況（C-WTVC 循環(huán)）[5]，C-WTVC是以世界重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)WTVC（World Transient Vehicle Cycle）為基礎(chǔ)，調(diào)整加速度和減速度形成的駕駛循環(huán)，測試曲線如圖1所示。

圖1 C-WTVC循環(huán)速度曲線

1.3 樣車參數(shù)

該樣車為 N2類重型車，該車發(fā)動(dòng)機(jī)及整車關(guān)鍵參數(shù)值如表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)及整車關(guān)鍵參數(shù)

1.4 試驗(yàn)方案

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，不同載荷在C-WTVC循環(huán)試驗(yàn)時(shí)每次試驗(yàn)邊界及進(jìn)入條件一致，具體參數(shù)值如表3。

表3 試驗(yàn)邊界及進(jìn)入條件

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 車速跟隨性分析

在模擬實(shí)車循環(huán)試驗(yàn)中，模擬車速對C-WTVC循環(huán)車速的跟隨性決定了試驗(yàn)結(jié)果的精度，如果復(fù)現(xiàn)的車速誤差較大，測試結(jié)果就不具備說服力[6]，圖2是4次不同載荷下車速與C-WTVC目標(biāo)車速跟隨性對比結(jié)果，由圖中結(jié)果可以看出，模擬車速與目標(biāo)車速具有很強(qiáng)跟隨性，分別對比不同載荷測試車速與目標(biāo)車速偏差的平均值及最大偏差，具體數(shù)值如表4，發(fā)現(xiàn)隨著載荷增加偏差平均值及最大偏差值呈增加趨勢，但整體偏差平均值不足0.5km/h，最大偏差值未超出3.5km/h，表明4種載荷下模擬車速復(fù)現(xiàn)目標(biāo)車速。

表4 不同載荷下偏差值

圖2 不同載荷車速對比

2.2 NOx排放分析

NOx轉(zhuǎn)化效率與SCR前的排溫有直接聯(lián)系，總體而言，SCR前排溫高于某溫度后，轉(zhuǎn)化效率隨溫度升高而升高，當(dāng)SCR前溫度達(dá)到一定溫度后，轉(zhuǎn)化效率基本達(dá)到99%以上，轉(zhuǎn)化效率基本不變。針對本車研究中圖3為不同載荷下NOx排放量，10%載荷下NOx排放值為2.99g，排放量是其他載荷近2倍。通過圖4不同載荷SCR前溫度對比圖發(fā)現(xiàn)在（300～600）秒之間10%載荷SCR前溫度都在240℃以下，此時(shí)間段內(nèi)由于SCR前溫度偏低，NOx轉(zhuǎn)化效率偏低，導(dǎo)致NOx大幅增加。50%、100%、150%載荷 NOx排放量較接近在（1～1.5）g之間，150%載荷在超載下產(chǎn)生的NOx量較多，但 SCR前排溫明顯高于其他載荷，NOx轉(zhuǎn)化效率偏高，導(dǎo)致最終NOx排放量處在較低水平。說明該車在超載情況NOx超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)較低。

圖3 不同載荷NOx排放對比

圖4 不同載荷SCR前溫度對比

通過圖 5不同載荷不同路況 NOx對比發(fā)現(xiàn)，4種載荷NOx的排放量主要集中在市區(qū)工況，分別占總量的76.4%、77.4%、81.1%、89.3%，因?yàn)槭袇^(qū)平均車速在23km/h，停車起步較多導(dǎo)致后處理SCR前溫度較長時(shí)間處在NOx低轉(zhuǎn)化效率區(qū)；隨著載荷的增加，在市區(qū)內(nèi)NOx排放占比逐漸增大趨勢，因?yàn)殡S著載荷增加尤其是超載平均排溫相對于低載荷平均排溫高20℃，使得超載時(shí)市區(qū)工況NOx轉(zhuǎn)化效率也較高。通過圖5不難看出，在市郊工況下，4種載荷NOx占比較小，高速工況占比幾乎為零，說明該車控制NOx排放應(yīng)加強(qiáng)市區(qū)工況的熱管理保護(hù)策略，提升后處理排溫。

圖5 不同載荷不同路況NOx對比

2.3 PN排放分析

本小節(jié)主要分析C-WTVC循環(huán)不同載荷PN的排放量對比。不同載荷PN循環(huán)累計(jì)量如圖6所示，10%、50%、100%正常載荷下PN的累計(jì)量分別為：5.2e11、5.8e11、7.88e11，隨著載荷增加PN累計(jì)量逐漸增加，這與CO2排放趨勢一致，如圖8所示，隨著載荷的增加CO2排放量逐漸增加。150%載荷下PN循環(huán)累計(jì)個(gè)數(shù)陡然增加，CO2的循環(huán)排放量高于其他載荷，這說明PN個(gè)數(shù)增加與超載情況噴油量增加，缸內(nèi)燃燒溫度高，霧化不均勻氧氣不充足有關(guān)系。

圖6 不同載荷PN累計(jì)個(gè)數(shù)對比

圖7 不同路況不同載荷PN數(shù)量對比

通過圖6、圖7分析發(fā)現(xiàn)：10%、50%、100%載荷，高速工況PN排放最高，市區(qū)排放量劇中，市郊路況排放最低；150%載荷不同路況PN排放量均高于其他載荷，尤其在市區(qū)路況150%載荷PN排放數(shù)量遠(yuǎn)高于其他載荷，原因是在市區(qū)行駛中啟停次數(shù)增加，急加速、急減速增多油門變化劇烈使缸內(nèi)混合物在高溫缺氧情況下燃燒，從而導(dǎo)致顆粒數(shù)大幅增加。

圖8 不同載荷CO2量對比

2.4 CO排放分析

CO循環(huán)排放量主要受混合氣濃度的影響，由于柴油機(jī)在擴(kuò)散燃燒過程局部區(qū)域燃料與空氣混合不均勻?qū)е鲁霈F(xiàn)過濃的混合氣，這些混合氣因?yàn)槿毖醵荒芡耆紵蒀O[4]。由圖9可見，CO的循環(huán)排放量隨著載荷的增加而逐漸增多，因?yàn)檩d荷量增大導(dǎo)致燃油消耗增加使混合物過濃燃燒過程增加，從而CO循環(huán)排放量10%載荷與50%載荷相差不大，100%載荷CO循環(huán)排放隨著載荷而增加。10%載荷CO循環(huán)排放量相比50%載荷CO循環(huán)排放量增加1倍，150%載荷CO循環(huán)排放量相比50%載荷增加2倍。

圖9 不同載荷CO量對比

由圖10分析發(fā)現(xiàn)：不同載荷在市區(qū)路況CO排放均遠(yuǎn)高于其他路況，高速路況沒有CO排放產(chǎn)生。主要原因是在市區(qū)路況復(fù)雜導(dǎo)致過濃混合物燃燒次數(shù)較多，導(dǎo)致的CO量累計(jì)大。通過分析發(fā)現(xiàn)：市區(qū)路況是CO產(chǎn)生的主要原因，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒開發(fā)過程集中優(yōu)化低速低負(fù)荷區(qū)域燃燒過程，會(huì)減少CO循環(huán)排放量。

圖10 不同載荷CO對比

3 試驗(yàn)結(jié)論

以一輛重型柴油車為研究對象，通過發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)平臺(tái)測試設(shè)備得到排放數(shù)據(jù)，結(jié)合不同載荷C-WTVC循環(huán)工況進(jìn)行分析，得到如下結(jié)論：

（1）隨著載荷的增加NOx循環(huán)排放量增加，超載情況NOx排放超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)較低。在所有載荷下，市區(qū)工況的 NOx占比較大，高達(dá)80%左右，低速低負(fù)荷區(qū)后處理排溫提升空間較大，有待進(jìn)一步優(yōu)化。市郊工況NOx排放水平居中，高速工況幾乎無NOx排放。

（2）隨著載荷的增加 PN循環(huán)排放量增加，超載情況PN排放急劇增加，排放超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)很高。10%、50%、100%三種載荷下，高速工況相對其他工況排放略高，市區(qū)、市郊工況排放水平基本相當(dāng)。150%超載下，市區(qū)工況PN排放較惡劣，遠(yuǎn)高于法規(guī)限值。

（3）隨著載荷增加CO循環(huán)排放量逐漸增加，超載情況CO排放值超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)較低。在所有載荷下，CO排放量幾乎來源市區(qū)工況，市郊工況CO有少許，高速工況幾乎為零。低速低負(fù)荷區(qū)域混合物均勻程度決定CO循環(huán)排放量。