關(guān)于載荷及工況對國六重型柴油車排放的影響探討

高忠明 許丹丹 徐軍輝 李博

摘? 要：本文基于一輛國六排放水平的N2重型柴油車，分析探討了載荷及工況對車輛NOx和顆粒物數(shù)量（PN）排放的影響。結(jié)果表明：相比于空載，半載NOx比排放降低了2.22%，PN比排放升高了1.73%;滿載NOx比排放降低了12.36%，PN比排放升高了12.97%。相比于城市工況，市郊工況NOx比排放降低了72.1%-79.8%，PN比排放增加了35.2-142.5倍;高速工況NOx比排放降低了95.9%-97.6%，PN比排放增加了36.1-154.5倍?；诎l(fā)動機后處理的工作原理，對上述結(jié)果進行了簡單分析并提出了解決方法，以減小載荷及工況對國六重型柴油車排放的影響。

關(guān)鍵詞：柴油車;載荷;工況;NOx;PN

中圖分類號：U461? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）02-0016-06

Abstract： Based on an N2 CHINA Six-stage heavy-duty diesel vehicle，this paper analyzes and explores the effect of load and operating conditions on NOx and particle number（PN） emission. The result shows that compared to no-load， half-load NOx specific emission is reduced by 2.22%， and PN specific emission is increased by 1.73%; Full-load NOx specific emission is reduced by 12.36%， and PN specific emission is increased by 12.97%. Compared with urban conditions， NOx specific emission in suburban conditions is reduced by 72.1% -79.8%， PN specific emission is increased by 35.2-142.5 times; NOx emission in high-speed conditions is reduced by 95.9% -97.6%， and PN specific emission is increased by 36.1-154.5 times. Based on the working principle of engine post-processing， the above results are briefly analyzed and solutions are proposed to reduce the effect of load and working conditions on the emission of CHINA Six-stage Heavy-duty diesel vehicle.

Key Words： Diesel Vehicle; Load; Operating Condition; NOx; PN

柴油機以熱效率高、燃油經(jīng)濟性好、可靠性高和動力性強的優(yōu)點受到人們青睞[1]。但柴油機排出的大量有害物質(zhì)也給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染，危害人類的健康[2]。氮氧化物進入人體會導(dǎo)致肺部和支氣管疾病[3]。柴油機排出的顆粒中核模態(tài)粒子占有較大數(shù)量百分比[4]，這種細小的顆粒對人體的危害更加嚴(yán)重[5]。隨著排放法規(guī)的日益加嚴(yán)，各種污染物限值進一步降低，相對于國五標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，國六重型車排放標(biāo)準(zhǔn)[8]加嚴(yán)了NOx排放限值，并針對柴油車增加了PN的檢測。

車輛在實際使用過程中會出現(xiàn)空載、滿載極端的運行工況，部分車輛因用途單一存在實際運行速度偏低的情況，這些情況均會影響車輛的正常排放。比如郭佳棟等[9]研究表明，某些裝有選擇性催化還原（SCR）系統(tǒng)的國Ⅳ公交車因運行速度偏低導(dǎo)致實際NOx排放比國Ⅲ公交車高，Velders等[10]研究表明，歐Ⅴ的卡車在實際使用中排放并沒有達到法規(guī)加嚴(yán)所達到的預(yù)期，并且這種情況在城市工況更為明顯。作為國六重型柴油車凈化NOx主要技術(shù)的SCR系統(tǒng)，其轉(zhuǎn)化效率依然受限于排氣溫度的影響。

由于PN在國六重型車標(biāo)準(zhǔn)b階段實施后才作為重型柴油車監(jiān)管污染物，因此相關(guān)重型柴油車PN排放的研究較少，尤其是實際道路中車輛NOx與PN的共同研究，載荷與工況對二者的影響更是罕有涉及。本文基于一輛國六重型柴油載貨汽車，使用HORIBA公司生產(chǎn)的OBS-ONE車載排放設(shè)備對樣車進行不同載荷狀態(tài)，相同載荷不同工況下的排氣污染物分析研究。

1? ? 材料與方法

1.1? ?試驗車輛

試驗車輛為一臺最大設(shè)計總質(zhì)量為11噸的載貨汽車，具體參數(shù)見表1所示：

1.2? ?測試儀器

測試儀器使用的是HORIBA公司生產(chǎn)的OBS-ONE車載排放測試設(shè)備。測試儀器連接及布局見示意圖1。該儀器主要由主控單元、氣體分析單元、PN計數(shù)單元、流量測量單元、GPS及溫濕度傳感器等部件構(gòu)成。CO2與CO采用非分散紅外法（NDIR）的分析原理，NOx采用化學(xué)發(fā)光法（CLD）的分析原理，PN采用凝聚顆粒計數(shù)法（CPC）的計數(shù)原理。該儀器可實時測量排氣中CO2、CO、NOx和PN的濃度，并根據(jù)排氣流量、排氣壓力、排氣溫度、排氣組分密度和排氣密度比（ugas）等參數(shù)自動計算排氣中各氣體污染物的質(zhì)量流量以及顆粒物的數(shù)量流量。通過OBD診斷接口讀取車輛發(fā)動機及后處理的實時運行參數(shù)，根據(jù)發(fā)動機實際扭矩百分比、摩擦扭矩百分比、參考扭矩、轉(zhuǎn)速計算發(fā)動機瞬時功率。

1.3? ?試驗方法

試驗依據(jù)國六重型車排放標(biāo)準(zhǔn)對樣車分別進行空載、半載、滿載狀態(tài)下的三次實際道路排放試驗，每次試驗由市區(qū)工況（車速0-50km/h，平均車速15-30 km/h）、市郊工況（第一個車速超過55 km/h的短行程記為市郊的開始，50-75km/h，平均車速45-70 km/h）、高速工況（第一個車速超過75 km/h的短行程記為高速的開始，平均車速大于70 km/h）組成，并按此順序完成試驗。試驗中各工況的時間比例為市區(qū)工況45%、市郊工況25%、高速工況30%，允許±5%的比例偏差。

本次研究取用的數(shù)據(jù)為試驗的“有效數(shù)據(jù)（剔除70℃以下的冷啟動數(shù)據(jù)）”。一段時間內(nèi)某種污染物累積排放質(zhì)量（PN為累積總數(shù)量）與該時間段內(nèi)發(fā)動機累積輸出功的比值為該污染物在這段時間的比排放，單位為g/kWh或#/kWh。通過對比空載、半載、滿載試驗NOx與PN的比排放結(jié)果來分析載荷帶來的影響。對比每次試驗的市區(qū)、市郊、高速三種工況NOx與PN的比排放結(jié)果來分析工況帶來的影響。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?基本結(jié)果

試驗基本結(jié)果如表2所示：

2.2? ?氮氧化物

圖2給出了載荷與工況對NOx排放的影響及各工況SCR載體平均溫度。

相比于空載，半載與滿載狀態(tài)下NOx比排放分別降低了2.22%和12.36%。相比于市區(qū)工況，市郊工況的NOx比排放降低了72.1%-79.8%，高速工況NOx比排放降低了95.9%-97.6%。由圖2可見，載荷的增加、工況車速的增加均使NOx比排放呈現(xiàn)下降的趨勢，但載荷增加引起的變化相對較小，車輛工況變化帶來的影響較為明顯。這是由于該樣車主要依靠SCR凈化發(fā)動機產(chǎn)生的NOx，而排氣溫度是影響SCR工作的主要因素。當(dāng)SCR載體溫度低于180℃時，為了防止結(jié)晶后處理系統(tǒng)不會噴射尿素。載荷的增加以及工況車速的提高均會增加發(fā)動機的負(fù)荷，進而使得排氣溫度升高，增加尿素噴射時間占比的同時也提高了SCR的轉(zhuǎn)化效率，使得NOx排放降低。從圖2（a）可以看出，與空載狀態(tài)相比，半載和滿載狀態(tài)時車輛SCR載體平均溫度只提高了3.50℃和12.29℃，對尿素噴射時間占比的提高以及SCR轉(zhuǎn)化效率的提高不明顯，因而導(dǎo)致載荷的增加對該樣車NOx排放的降低影響較小。從圖2（b）可以看出，三次試驗的市區(qū)工況SCR載體平均溫度均低于180℃，排溫在大部分時間未能達到尿素的啟噴溫度，因此市區(qū)工況的NOx排放近似等于發(fā)動機原始排放，相比于市區(qū)工況，市郊和高速工況由于車速的提高、發(fā)動機負(fù)荷的增加，使得市郊工況SCR載體平均溫度升高了55.64-62.74℃，高速工況SCR載體平均溫度升高了79.43-83.75℃。SCR載體溫度的大幅度升高使得尿素噴射時間占比以及SCR轉(zhuǎn)化效率得到有效提高，進而使得該樣車在市郊工況下NOx比排放相對市區(qū)工況均下降了70%以上，高速工況下降了95%以上。

2.3? ?顆粒物數(shù)量

2.3.1 顆粒物排放結(jié)果

圖3給出了各載荷試驗PN平均比排放與各工況PN累計排放占比情況。圖4 給出了各工況PN平均比排放。

從圖3可見，PN的比排放隨著載荷的增加呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢。相比于空載，半載與滿載狀態(tài)下PN比排放增長了1.73%和12.97%;市區(qū)工況的PN累積排放占比在0.2%-0.7%之間，市郊工況的PN累積排放占比在33.5%-41.8%之間，高速工況的PN累積排放占比在57.5%-66.3%之間。從圖4可以看出，PN的比排放隨著工況車速的增加呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢。相比于市區(qū)工況，市郊工況PN比排放增加了35.2-142.5倍，高速工況PN比排放增加了36.1-154.5倍。車速由城市工況提高至市郊工況時，PN增長較為劇烈，在市郊工況轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚俟r的過程中，PN增長相對緩慢。

2.3.2 結(jié)果分析

圖5給出了各載荷試驗及各工況對應(yīng)的發(fā)動機平均噴油正時。圖6給出了各載荷試驗及各工況對應(yīng)的發(fā)動機平均噴油壓力。

從圖5可以看出隨著載荷的增加、車速的提高，發(fā)動機的平均噴油正時隨之增大。噴油正時的增大，發(fā)動機每個循環(huán)的噴油時刻提前，導(dǎo)致發(fā)動機滯燃期增加，使得燃料與氧氣的混合更加均勻，粒子在缸內(nèi)的氧化時間增加，進而降低了顆粒物數(shù)量，同時噴油正時的增加還會導(dǎo)致顆粒物各濃度曲線向小直徑粒子方向偏移，核態(tài)粒子比例增加，積聚態(tài)粒子比例減少[11]。從圖6可以看出隨著載荷的增加、工況車速的提高，發(fā)動機的平均噴油壓力隨之增大。噴油壓力的增加，增大了燃油噴霧錐角和噴射貫穿距，使得油氣混合更加均勻，燃油噴射液滴會隨噴油壓力的提高而更加細小，增加了燃油的比表面積，同時噴射壓力的提高，為柴油機缸內(nèi)工質(zhì)提供較高的噴射能量，從而使得氣缸內(nèi)的氣流運動加劇，改善了油氣的混合條件，使得粒子得到充分的氧化，進而降低了顆粒物數(shù)量。

從發(fā)動機噴油正時與噴油壓力可以分析出，隨著載荷的增加以及車速的增加發(fā)動機的PN原始排放呈降低趨勢，并且核態(tài)粒子比例增加，積聚態(tài)粒子比例減少。

圖7給出了各載荷試驗及各工況對應(yīng)的DPF平均壓差。為了便于分析，本文采用DPF進出口溫度平均值近似模擬DPF內(nèi)部溫度。圖8給出了各載荷試驗及各工況的DPF內(nèi)部溫度。

從圖7可以看出隨著載荷的增加，工況車速的增加，DPF內(nèi)部溫度隨之升高。排氣溫的提高間接導(dǎo)致了PN排放的增加，其原因為排氣中的NO在DOC的作用下與O2反應(yīng)生成NO2，進入DPF后，NO2與DPF中被捕捉的碳顆粒發(fā)生反應(yīng)，破壞了DPF中具有吸附作用的碳膜，并且這種反應(yīng)速率與溫度呈明顯的指數(shù)關(guān)系[12]。相比于小負(fù)荷，發(fā)動機在負(fù)荷較大的情況下，因噴油壓力及噴油正時的增大導(dǎo)致質(zhì)量較大的積聚模態(tài)粒子比例減少，使得DPF積碳得不到有效補充，進一步加快了碳載量的降低速度，碳載量的減少使得DPF的過濾效率降低，增加了車輛的PN排放。

從圖8可以看出隨著載荷的增加、工況車速的增加，DPF壓差會因此增大。DPF壓差的增加，導(dǎo)致DPF過濾微孔兩端的壓差增加，使得DPF碳膜在此時可吸附的顆粒減少，同時部分附著在微孔周圍的細小顆粒因壓差的增加而穿過微孔逃離DPF。由于NO2與碳煙的反應(yīng)，使得碳煙與DPF壁面接觸松散，部分顆粒甚至直接懸浮在氣流中，進而被排氣氣流吹掃出DPF，增加了車輛的PN排放。

由圖5、圖6、圖7、圖8可以看出，整車工況變化引起的發(fā)動機噴油正時、噴油壓力、DPF內(nèi)部溫度、DPF壓差的變化程度均大于載荷增加引起的變化。因此載荷變化對PN排放的影響相對較小，車輛運行工況對PN排放的影響相對較大。

3? ? 結(jié)論與建議

3.1? ?結(jié)論

1、隨著載荷的增加、工況車速的增加，車輛NOx平均比排放呈下降趨勢。

2、隨著載荷的增加、工況車速的增加，車輛PN平均比排放呈上升趨勢。

3、載荷的增加以及車速的提高會降低DPF過濾效率導(dǎo)致最終PN排放增加。

4、DOC+DPF+SCR車輛在市區(qū)工況下NOx排放特性較差，PN排放特性較好，高速工況下NOx排放特性較好，PN排放特性較差。NOx排放主要來源于市區(qū)及市郊工況，PN排放主要來源于市郊和高速工況。

5、車輛載荷的變化對NOx與PN排放的影響相對較小，車輛運行工況對NOx與PN排放的影響相對較大。

3.2? ?建議

1、縮短發(fā)動機排氣出口至SCR系統(tǒng)入口的管道長度、加裝后處理系統(tǒng)保溫裝置、適當(dāng)?shù)臏p小低負(fù)荷工況下發(fā)動機的噴油提前角可有效的提高排氣溫度，進而降低車輛小負(fù)荷、低車速工況下的NOx排放。

2、適當(dāng)增大DPF容積，降低DPF兩端的壓差，增加DPF目數(shù)，拓寬DPF捕捉粒徑范圍，進而降低PN排放。

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