國Ⅵ重型柴油車低負(fù)荷排放特性試驗(yàn)研究

張丹，高東志，包俊江，景曉軍

(1.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261000；2.中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300300)

0 引言

重型車是汽車大氣污染排放的主要貢獻(xiàn)者，2019年，柴油貨車一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物、顆粒物排放量分別為117.5萬噸、19.3萬噸、485.5萬噸、6.2萬噸，占汽車排放總量的16.9%、11.3%、78.0%、89.9%[1]。國際清潔交通委員會(The International Council on Clean Transportation, ICCT)研究同樣發(fā)現(xiàn)，重型柴油車是機(jī)動車NOx排放的主要來源，僅在加州，重型車占道路移動源NOx排放總量的70%以上。因此，進(jìn)一步降低重型車NOx排放對改善大氣質(zhì)量具有積極作用[2]。

重型車現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，排放測試主要采用發(fā)動機(jī)臺架法與整車車載法(Portable Emission Measurement System, PEMS)兩種測試方法。由于重型車種類較多，且用途廣泛，發(fā)動機(jī)的排放特性與整車在實(shí)際使用過程中的排放特性存在差異，發(fā)動機(jī)臺架型式認(rèn)證方法并不能完全反映所有重型車實(shí)際道路排放情況。PEMS測試雖然可以較為有效地反映整車實(shí)際道路排放情況，但其采用的功基窗口法未能對平均功率較小的低負(fù)荷循環(huán)排放進(jìn)行評估。另外，ICCT通過對長期跟蹤的多輛class 8級(15 t～36.3 t)重型卡車的實(shí)際排放分析發(fā)現(xiàn)，車輛的市區(qū)(0～40.25 km/h)排放約為EPA 2010 NOx限值的7倍，市郊(40.25～80.5 km/h)排放約為限值的3倍，高速(>80.5 km/h)排放基本與限值相當(dāng)[2]。由此可知，PEMS排放測試法不能有效監(jiān)管評估在用車市區(qū)駕駛低速低功率下的排放水平。目前，加州提出的清潔卡車倡議中要求進(jìn)一步降低NOx排放，美國西南研究院針對重型車的排放測試研究表明現(xiàn)有的發(fā)動機(jī)及整車認(rèn)證程序遺漏了一個關(guān)鍵測試部分——低負(fù)荷循環(huán)，研究發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)在低負(fù)荷循環(huán)運(yùn)行時，排溫較低，后處理系統(tǒng)性能表現(xiàn)較差[2]。因此，西南研究院制定了一項(xiàng)新的重型發(fā)動機(jī)和整車的補(bǔ)充測試程序——低負(fù)荷測試循環(huán)。加州宣稱若采用低負(fù)荷、低速條件下在用車管理方法，可以進(jìn)一步將現(xiàn)行重型車基于FTP(Federal Test Procedure，F(xiàn)TP)循環(huán)認(rèn)證的NOx排放降低90%以上，該方法預(yù)計(jì)2024年在加州率先實(shí)施。采用該循環(huán)對進(jìn)一步減少重型車NOx實(shí)際排放有較大的潛力，能夠促進(jìn)重型車輛向超低排放或近零排放方向發(fā)展[2,3]。

為適用重型車下階段標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步減排的要求，借鑒美國加州低負(fù)荷排放測試方法，研究開發(fā)適用于中國實(shí)際道路行駛的低負(fù)荷測試工況是必要的。基于此，本文采用一輛重型國Ⅵ柴油車，基于底盤測功機(jī)方法開展低速、低負(fù)荷工況下NOx、PN和CO瞬態(tài)污染物排放特征分析，并對比分析LLC[4]與轉(zhuǎn)化的世界重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)C-WTVC(World Transient Vehicle Cycle, C-WTVC)[5]、中國重型貨車行駛工況CHTC-HT(China Heavy-duty Commercial Vehicle Test Cycle for Truck, CHTC-HT)[6]三種測試循環(huán)下的比排放情況。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)選用N3類國Ⅵ重型柴油貨車，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量為16 000 kg，車輛及發(fā)動機(jī)基本信息見表1。

表1 樣車參數(shù)

1.2 測試設(shè)備及測試工況

試驗(yàn)在重型底盤測功機(jī)上進(jìn)行，車輛模擬載荷設(shè)置為滿載。排放設(shè)備采用HORIBA MEXA-7200DTR全流稀釋尾氣分析儀，分別對CO、NOx、PN排放污染物進(jìn)行采樣分析，采集頻率為1 Hz。試驗(yàn)循環(huán)采用美國加州低負(fù)荷行駛循環(huán)LLC，該循環(huán)整車測試曲線如圖1所示。LLC是美國西南研究院為加州空氣資源委員會開發(fā)的，該測試循環(huán)可以進(jìn)一步降低重型車輛實(shí)際道路NOx排放。

圖1 美國加州LLC行駛工況曲線

圖2表示整車LLC對應(yīng)的發(fā)動機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速占比情況，即轉(zhuǎn)速、扭矩大小與額定轉(zhuǎn)速、扭矩相比的占比分布情況。可以看出，在LLC的發(fā)動機(jī)平均轉(zhuǎn)速百分比為21%，平均扭矩百分比為8.5%。可以得出LLC的主要特點(diǎn)為低速、低負(fù)荷占比較多。

圖2 LLC對應(yīng)的發(fā)動機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速占比情況

不同循環(huán)行駛特性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2，C-WTVC和CHTC-HT為中國現(xiàn)有的重型貨車工況。比較可知，LLC運(yùn)行時間為5 505 s，為中國現(xiàn)行工況的3倍左右。其怠速時間占比較多，占整個循環(huán)的39%，且LLC的最大加、減速度更大。

表2 不同循環(huán)行駛特性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用同一車輛，分別進(jìn)行LLC，C-WTVC和CHTC-HT循環(huán)試驗(yàn)，將排放測試結(jié)果進(jìn)行比較分析。試驗(yàn)條件及底盤測功機(jī)設(shè)置依據(jù)GB/T 27840—2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》，數(shù)據(jù)處理及標(biāo)準(zhǔn)限值參照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)》[7]。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 LLC條件下重型車瞬態(tài)污染物排放特征分析

2.1.1 NOx污染物瞬態(tài)排放特征分析

由圖3可知，國Ⅵ重型柴油車LLC測試結(jié)果NOx污染物瞬態(tài)排放主要集中在以下情況：(1)低速瞬變行駛過程中的急加速情況，例如350 s、900 s和1 650 s處。此時車輛急加速過程中，噴入較多燃油，燃料逐漸由過稀混合氣向當(dāng)量比混合氣靠近，燃燒室溫度升高，缸內(nèi)產(chǎn)生NOx污染物。由于整體車速較低，SCR(Selective Catalytic Reduction, SCR)后處理效率低，使尾氣排放中NOx污染物增加。(2)較長時間怠速后的車輛突然加速的情況，例如2 350 s、3 600 s、5 350 s處。車輛怠速過程中，排溫較低，使得后處理系統(tǒng)被冷卻，SCR系統(tǒng)未在高效工作區(qū)間，隨著車輛加速，燃油噴射量增加，進(jìn)氣量增加，燃燒室內(nèi)產(chǎn)生較多NOx，此時后處理SCR溫升滯后，產(chǎn)生NOx排放。隨著車輛行駛一段時間，大約100 s，SCR系統(tǒng)達(dá)到高效工作溫度，車輛NOx排放降低。

圖3 LLC條件下NOx污染物排放

綜上分析，低負(fù)荷循環(huán)條件下，NOx瞬態(tài)污染物排放較高區(qū)域的產(chǎn)生主要是由于后處理溫度較低導(dǎo)致的。SCR系統(tǒng)在排氣溫度低于250℃時，由于催化器未到達(dá)催化的溫度，后處理系統(tǒng)也不進(jìn)行尿素噴射，NOx可能無法得到有效控制，當(dāng)SCR入口溫度在350℃～450℃時，NOx轉(zhuǎn)化效率達(dá)到峰值[8]。進(jìn)行LLC測試時，車輛怠速時間比例達(dá)到39%，排氣溫度較低，因此SCR后處理裝置的溫度控制是低負(fù)荷循環(huán)條件下降低NOx污染物排放的關(guān)鍵。

2.1.2 PN污染物瞬態(tài)排放特征分析

圖4所示為低負(fù)荷循環(huán)下PN污染物的瞬態(tài)排放和累積排放情況。分析圖表可知，PN污染物排放主要集中在速度較高區(qū)域，在2 200 s至3 200 s階段，車速達(dá)到60 km/h以上，此時產(chǎn)生PN污染物較多，達(dá)到1.0×1013(#/s)，同樣在5 400 s左右，車速較高，也會產(chǎn)生較多的PN污染物。重型柴油車車速較高時，車輛輸出功率大需要噴入較多燃油，柴油燃燒為擴(kuò)散燃燒，這種燃燒方式?jīng)Q定了柴油與空氣的混合不均勻，不可避免地存在局部缺氧的情況。車速較高時，需維持較大的輸出功率噴入較多的燃油，且此時轉(zhuǎn)速較高，缸內(nèi)局部缺氧的現(xiàn)象更加明顯，燃油在高溫缺氧時碳化，燃燒室內(nèi)形成較多碳煙。另一方面，柴油車后處理顆粒捕集裝置DPF是采用孔隙物理捕捉降顆粒的方法，在車速較高時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高，排氣流量較大，顆粒物受力較大，因此捕捉困難，DPF效率降低，使得較高車速行駛條件下，PN污染物排放較高。

圖4 LLC條件下PN污染物瞬態(tài)排放

2.1.3 CO污染物瞬態(tài)排放特征分析

圖5所示為低負(fù)荷循環(huán)下CO污染物的瞬態(tài)排放和累積排放情況。分析圖表可知，柴油車CO瞬態(tài)排放情況與車輛速度變化沒有直接關(guān)系。分析瞬態(tài)排放量可知，在低負(fù)荷測試過程中，CO產(chǎn)生較少。這是由于柴油機(jī)這個工況下空燃比是通過改變噴油量來控制的，且始終處于氣多油少的狀態(tài)， CO不容易形成。

圖5 LLC條件下CO污染物瞬態(tài)排放

2.2 各污染物循環(huán)比排放比較分析

重型車循環(huán)比排放表示某試驗(yàn)循環(huán)完成后，發(fā)動機(jī)單位輸出功條件下的污染物排放量。試驗(yàn)完成后，將瞬態(tài)排放進(jìn)行積分，得到污染物循環(huán)總排放質(zhì)量，然后除以整個循環(huán)發(fā)動機(jī)的輸出功，得到循環(huán)比排放。三種循環(huán)工況下的測試結(jié)果見表3，NOx和CO污染物比排放均未超出國Ⅵ整車排放限值；PN污染物比排放的LLC測試結(jié)果超出國Ⅵ排放限值。

表3 各污染物在不同工況下的比排放結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖6所示為三種不同測試循環(huán)測得的NOx、PN和CO污染物比排放對比情況。分析結(jié)果可知，LLC測試結(jié)果中NOx和PN污染物比排放較其它循環(huán)顯著增加，CO污染物比排放與其他循環(huán)比較變化不明顯。對比可知，LLC測得的NOx比排放分別約為C-WTVC和CHTC-HT測得的比排放的15倍和7倍，PN排放較C-WTVC和CHTC-HT測得結(jié)果均高出2個數(shù)量級。以上結(jié)果表明，在低速、低負(fù)荷占比較多的工況條件下，現(xiàn)有的重型國Ⅵ柴油車在NOx和PN污染物方面排放量增加很多，存在超標(biāo)的可能性。因此重型柴油車低速、低負(fù)荷條件下的排放控制，是重型車超低排放控制的方向之一。

圖6 各污染物在不同工況下的比排放結(jié)果

3 結(jié)論

試驗(yàn)采用一輛重型國Ⅵ柴油車，基于底盤測功機(jī)方法開展低速、低負(fù)荷條件下NOx、PN和CO瞬態(tài)污染物排放特征分析，并對比分析LLC、C-WTVC、CHTC-HT三種測試循環(huán)下的比排放情況，得出以下結(jié)論：

(1)對于瞬態(tài)排放：LLC測試條件下，重型柴油車NOx污染物瞬態(tài)排放主要集中在兩種情況：低速瞬變行駛過程中的急加速情況和較長時間怠速后的車輛加速情況。PN污染物瞬態(tài)排放主要集中在車速較高區(qū)域。

(2)對于循環(huán)比排放：LLC測試循環(huán)下，現(xiàn)有的重型國Ⅵ柴油車在NOx和PN污染物排放量增加很多，其中NOx污染物比排放分別是C-WTVC和CHTC-HT工況排放的15倍和7倍，PN比排放較其他工況均高出2個數(shù)量級。LLC測試工況對CO比排放影響不明顯。

綜上所述，重型國Ⅵ柴油車低速、低負(fù)荷條件下NOx和PN污染物排放增加，因此重型柴油車低速、低負(fù)荷條件下污染物排放控制，是重型車滿足超低排放并改善大氣環(huán)境的重要手段之一。