基于功基窗口法的國六重型柴油車實(shí)際道路排放研究

呂立群,尹 航,王軍方,于全順,葛蘊(yùn)珊*,王 欣 (.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 0008；.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 000；.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 0000)

重型車在汽車保有量中雖然占比不高,但氮氧化物和顆粒物排放量巨大,分別占汽車排放總量的83.5%和 90.1%[1].為了減少重型車污染物排放對大氣環(huán)境的危害,世界各國相繼出臺了各種機(jī)動車排放法規(guī),經(jīng)過幾十年的努力,目前已形成了以歐盟、美國和日本為代表的三大排放標(biāo)準(zhǔn)體系[2-3].標(biāo)準(zhǔn)所依托的試驗(yàn)測試方法主要由特定測試循環(huán)實(shí)現(xiàn),而部分研究表明重型車實(shí)驗(yàn)室測試循環(huán)與實(shí)際道路排放結(jié)果之間存在明顯差異,重型車實(shí)際道路污染物排放量被嚴(yán)重低估.

為縮小實(shí)際道路排放與實(shí)驗(yàn)室測試循環(huán)排放結(jié)果差異,將 PEMS運(yùn)用于汽車尾氣排放評估的技術(shù)得到迅速發(fā)展.高繼東等[4-5]對輕型車、柴油車和混合動力公交車開展系列實(shí)際道路排放測試,結(jié)果表明PEMS設(shè)備在污染物測量方面具有良好的精度和可信度,同時(shí)發(fā)現(xiàn)測試車輛實(shí)際道路排放因子明顯高于實(shí)驗(yàn)室測試循環(huán)結(jié)果.Thompson等[6]的研究揭示了相同結(jié)果:通過對比實(shí)驗(yàn)室測試循環(huán)、隨機(jī)駕駛循環(huán)和實(shí)際道路排放測試的差異,使用 PEMS設(shè)備開展實(shí)際道路排放可以覆蓋更大范圍的車輛行駛工況,更能反映車輛尾氣污染物實(shí)際排放量.同時(shí),國內(nèi)外學(xué)者也對重型車實(shí)際道路排放特性開展了相關(guān)研究,本課題組葛蘊(yùn)珊等[7-8]利用PEMS設(shè)備測試了城市車輛和半掛車輛的實(shí)際道路排放,結(jié)果表明被測車輛實(shí)際道路排放因子遠(yuǎn)超實(shí)驗(yàn)室循環(huán)測試結(jié)果,空調(diào)負(fù)載變化對公交車排放因子影響巨大,半掛車 NOx和 PN實(shí)際道路排放量被嚴(yán)重低估,Durbin等[9]的研究揭示了相同的研究結(jié)果.另外,Velders[10]和 Ligterink等[11]的相關(guān)研究指出重型車的 NOx實(shí)際道路排放量至少被低估了 50%,排放法規(guī)的升級并沒有達(dá)到預(yù)期的NOx減排效果.

雖然型式認(rèn)證測試循環(huán)不斷優(yōu)化,但固定且單一的特性使其仍無法有效覆蓋車輛實(shí)際工況,最終導(dǎo)致重型車污染物實(shí)際排放量被低估.因此,研究重型車實(shí)際道路排放測試規(guī)程和數(shù)據(jù)處理方法對重型車尾氣污染物實(shí)際排放量的控制有十分重要的意義.2018年6月22日,生態(tài)環(huán)境部正式頒布重型國六排放標(biāo)準(zhǔn)[12],將實(shí)際道路行駛測量方法(PEMS試驗(yàn))納入到對重型車排放的監(jiān)管中,并且采用功基窗口法評估重型車實(shí)際道路排放.重型國六排放標(biāo)準(zhǔn)所采用的功窗口法優(yōu)缺點(diǎn)明顯.一方面,功基窗口法的移動平均特性可以將PEMS試驗(yàn)的有限數(shù)據(jù)擴(kuò)展出大量的“瞬態(tài)循環(huán)(WHTC)”,可大幅提高排放數(shù)據(jù)的利用率;另一方面,移動平均特性又會導(dǎo)致瞬態(tài)排放數(shù)據(jù)的計(jì)算權(quán)重發(fā)生變化,存在市區(qū)和高速行駛階段計(jì)算權(quán)重顯著偏低的問題[13-14],可能導(dǎo)致功基窗口法對污染物實(shí)際道路排放量的低估.此外,重型國六排放標(biāo)準(zhǔn)對功率閾值的限制也增加了功基窗口法對實(shí)際道路排放評估結(jié)果的不確定性.

目前,鮮有文獻(xiàn)揭示功基窗口法的移動平均特性和參數(shù)變化對重型車排放評估結(jié)果的影響.基于此,本研究按照重型國六排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的實(shí)際道路排放測試規(guī)程,利用PEMS設(shè)備對6輛典型國六重型柴油車開展實(shí)際道路排放測試,采用功基窗口法計(jì)算并分析重型車污染物實(shí)際道路比排放,并對功基窗口法對重型柴油車實(shí)際道路排放評價(jià)的適用性開展研究.

1 車輛與方法

1.1 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)車輛為 6輛典型國六重型柴油車,技術(shù)參數(shù)見表 1.測試車輛采用主流后處理技術(shù)路線,配備有氧化型催化器(DOC)、選擇性催化還原(SCR)和顆粒捕集器(DPF),城市車輛#5配備了氨逃逸催化器(ASC).為了減小因載荷條件和燃油品質(zhì)變化帶來的排放差異,所有測試車輛的載荷條件均設(shè)置為相應(yīng)車輛最大載荷的 50%,試驗(yàn)燃油均采用同一批次滿足國六標(biāo)準(zhǔn)的市售#0柴油.

表1 測試車輛技術(shù)參數(shù)Table 1 Information of test vehicles

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

PEMS設(shè)備采用日本 HORIBA公司生產(chǎn)的OBS-ONE車載尾氣分析裝置,該系統(tǒng)主要由污染物排放測量模塊、排氣流量計(jì)、數(shù)據(jù)通訊模塊和環(huán)境監(jiān)控模塊構(gòu)成,具有實(shí)時(shí)獲取車輛尾氣中二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和顆粒物數(shù)量(PN)濃度、排氣流量、車輛狀態(tài)、外界環(huán)境參數(shù)和車輛位置信息等功能.PEMS設(shè)備安裝及載荷布置如圖1所示.

圖1 PEMS設(shè)備安裝示意Fig.1 Installation of PEMS apparatus

1.3 試驗(yàn)要求

PEMS試驗(yàn)道路工況包括:市區(qū)、市郊和高速工況,不同類型車輛的道路工況構(gòu)成要求不同,道路工況占比由行駛時(shí)間確定,詳細(xì)規(guī)定如表2所示.PEMS試驗(yàn)除滿足工況構(gòu)成和速度要求外,還需要符合海拔高度要求,試驗(yàn)開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的海拔高度差應(yīng)低于 100m,車輛累計(jì)正海拔高度增加量應(yīng)低于1200m/100km.

表2 PEMS試驗(yàn)工況構(gòu)成Table 2 Composition of road conditions for PEMS test

1.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

按照重型國六排放標(biāo)準(zhǔn)要求,首先對試驗(yàn)過程中記錄的污染物濃度、排氣流量、車輛定位信息、環(huán)境參數(shù)和其他瞬態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間對正.時(shí)間對正后需要對無效數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除,包括:設(shè)備檢查及零點(diǎn)漂移核查期間的數(shù)據(jù),未滿足環(huán)境條件的數(shù)據(jù)和冷啟動期間的數(shù)據(jù).未滿足環(huán)境條件的數(shù)據(jù)指海拔高度超過 2400m 或溫度低于-7℃的數(shù)據(jù);冷啟動期間的數(shù)據(jù)指發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后直至冷卻液溫度達(dá)到 70℃或冷卻液溫度 5min內(nèi)變化不超過2℃期間的數(shù)據(jù),以先到者為準(zhǔn).

1.5 功基窗口法

功基窗口法不對所有的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算,該方法按照發(fā)動機(jī)臺架測試循環(huán)功將實(shí)際道路排放測試數(shù)據(jù)劃分為不同子集,分別對子集進(jìn)行排放質(zhì)量計(jì)算.這些子集稱為窗口,重型國六標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以車輛發(fā)動機(jī)對應(yīng)的 WHTC循環(huán)功作為劃分窗口的依據(jù),并以 1Hz的頻率對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行移動平均計(jì)算.

1.5.1 窗口劃分 如圖 2所示,第 i個(gè)窗口的周期(t2,j-t1,i)由式(1)判斷,終止時(shí)刻 t2,i由式(2)判斷:

圖2 功基窗口法示意Fig.2 Work-based window method diagram

式中:W(tj,i)為從開始到 tj,i時(shí)間內(nèi)的發(fā)動機(jī)累計(jì)功,kWh;Wref為 WHTC 循環(huán)功,kW·h;Δt為數(shù)據(jù)采樣周期,1s.

1.5.2 窗口比排放 窗口比排放指一個(gè)窗口內(nèi)所有工況點(diǎn)的污染物質(zhì)量或數(shù)量與窗口內(nèi)發(fā)動機(jī)累計(jì)功的比值 ep[g/(kW·h)]或[個(gè)/(kW·h)],按照式(3)和式(4)計(jì)算:

式中:mp為窗口內(nèi)污染物的排放總質(zhì)量或數(shù)量,g或個(gè);W(t2,i)-W(t1,i)為第i個(gè)平均窗口的發(fā)動機(jī)循環(huán)功,kW·h.

1.5.3 試驗(yàn)通過判定 功率閾值用于判定污染物窗口的有效性,平均功率百分比超過功率閾值的窗口為有效窗口.功率閾值的初始值為 20%,有效窗口的占比超過50%,判定PEMS試驗(yàn)有效.若有效窗口比例低于 50%,按照 1%的步長降低功率閾值限制,若功率閾值降低至 10%而有效窗口比例仍未超過50%,則判定PEMS試驗(yàn)失敗.

1.5.4 排放合規(guī)判定 重型國六排放標(biāo)準(zhǔn)只對有效窗口進(jìn)行排放合規(guī)判定,要求 90%以上的有效窗口污染物比排放低于排放限值要求.將各有效窗口的污染物比排放按照升序排列,若 90%分位的污染物窗口比排放低于排放限值要求,則說明車輛實(shí)際道路排放合格.

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物排放因子

測試車輛不同工況下NOx、CO和PN的平均比排放和功基窗口法計(jì)算得到的窗口比排放結(jié)果分別如圖3、圖4和圖5所示.

重型國六排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定柴油車 NOx排放限值為0.69g/(kW·h),如圖3所示,測試車輛實(shí)際道路NOx排放因子隨車速提高明顯降低,市區(qū)工況下,試驗(yàn)車輛的 NOx排放因子顯著高于市郊和高速工況,最高為2.02g/(kW·h),超過國六排放限值1.93倍,而市郊、高速和完整行程的 NOx排放因子則遠(yuǎn)低于排放限值要求.造成排放因子差異的主要原因是重型柴油車在市區(qū)工況的怠速比例高、發(fā)動機(jī)負(fù)荷低,導(dǎo)致SCR入口溫度低于或接近尿素水解溫度,大幅降低SCR裝置效能,導(dǎo)致市區(qū)工況下 NOx瞬時(shí)排放量較大[8,15].而市郊和高速工況下,雖然發(fā)動機(jī)負(fù)荷提高,缸內(nèi)燃燒溫度升高致使 NOx原排濃度較大,但排氣溫度的升高使 SCR裝置處于正常工作狀態(tài),可實(shí)現(xiàn)90%以上的轉(zhuǎn)化效率,使柴油車尾氣 NOx排放量大幅降低[16].

圖3 NOx排放因子對比Fig.3 Comparison of NOx emission factors

值得注意的是,功基窗口法獲得的所有窗口和有效窗口的 90%分位 NOx比排放差異巨大,所有窗口的 90%分位 NOx比排放最高可達(dá) 1.45g/(kW·h),而有效窗口的 90%分位 NOx比排放最高僅為0.44g/(kW·h).這一差異表明,現(xiàn)行功基窗口法規(guī)定的功率閾值在判定窗口有效性的過程中剔除了大量實(shí)際道路工況中 NOx瞬時(shí)高排放工況點(diǎn),導(dǎo)致重型柴油車實(shí)際道路NOx排放評估結(jié)果被低估.

重型國六排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定柴油車CO和PN排放限值分別為6.0g/(kW·h)和1.2×1012個(gè)/(kW·h),由圖4和圖5可知,CO和PN排放因子最高分別為1.46g/(kW·h)和 7.67×1010個(gè)/(kW·h),遠(yuǎn)低于相應(yīng)排放限值要求.一方面,這表明目前的排放后處理技術(shù)路線能夠在實(shí)際道路工況下有效控制重型柴油車 CO和PN排放;另一方面,這表明未來重型柴油車排放標(biāo)準(zhǔn)仍有較大的收緊空間.

圖4 CO排放因子對比Fig.4 Comparison of CO emission factors

圖5 PN排放因子對比Fig.5 Comparison of PN emission factors

高速工況的 CO排放因子低于市區(qū)和市郊工況結(jié)果,而PN排放則與CO排放結(jié)果正相反.一方面,高速工況下柴油機(jī)缸內(nèi)混合氣相對較濃,細(xì)顆粒物生成量急劇增加;另一方面,排氣流速的提高導(dǎo)致顆粒物在DPF裝置內(nèi)滯留時(shí)間縮短,導(dǎo)致車輛實(shí)際 PN排放升高[15,17].雖然高速工況相較市區(qū)和市郊工況發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加,缸內(nèi)局部缺氧致使不完全燃燒加劇、CO排放量增加,但高速工況下發(fā)動機(jī)功率大幅提高,最終導(dǎo)致基于功的 CO排放因子反而降低[8].

需要注意的是,功率閾值的限制對CO和PN窗口比排放結(jié)果影響十分有限.主要原因是重型柴油車市區(qū)和市郊工況下的CO和PN比排放雖然高于高速工況,但差異有限.功率閾值的限制導(dǎo)致實(shí)際道路CO和PN排放評估時(shí)大量低功率窗口被剔除,但各CO和PN窗口比排放之間差異并不明顯,有效窗口和所有窗口的CO和PN比排放的均值和離散程度并沒有發(fā)生明顯改變,最終導(dǎo)致 90%分位比排放差異有限.

排放結(jié)果表明,6輛重型柴油車的NOx、CO和PN實(shí)際道路排放雖然差異明顯,但均符合重型國六排放法規(guī)要求.目前主流柴油機(jī)后處理系統(tǒng)對CO和PN實(shí)際道路排放控制有效,而NOx實(shí)際道路排放雖然滿足法規(guī)要求,但存在超越法規(guī)限制的風(fēng)險(xiǎn).功基窗口法規(guī)定的功率閾值限制,對重型柴油車實(shí)際道路CO和PN排放評估影響有限,但很可能導(dǎo)致實(shí)際道路NOx排放量的嚴(yán)重低估.

2.2 功率閾值影響

各污染物窗口比排放表明,功率閾值的限制對功基窗口法評估實(shí)際道路CO和PN排放評估影響有限,但對實(shí)際道路 NOx排放能否達(dá)標(biāo)有顯著影響,因此本節(jié)僅討論功率閾值對 NOx窗口比排放結(jié)果的影響.

圖6展示了測試車輛NOx窗口比排放的分布特性,圖中豎線為對應(yīng)的功率閾值,右側(cè)為參與排放合規(guī)判定的有效窗口;圖中橫線對應(yīng)有效窗口 90%分位 NOx比排放值,橫線上方的 NOx窗口比排放不受法規(guī)限值約束;橫線和豎線圍成的右下方灰色區(qū)域?yàn)楣翱诜▽?shí)際約束到的 NOx窗口比排放,圖 6中百分比表示各區(qū)域內(nèi)窗口數(shù)量的占比.

圖6 實(shí)際道路NOx窗口比排放分布特性Fig.6 Distribution characteristics of real-world NOx emission factors of windows

分析圖 6可知,功率閾值限制導(dǎo)致被剔除的窗口占比存在不確定性.如圖6(a)、圖6(b)和圖6(e)所示,#1車、#2車和#4車的有效窗口占比分別為90.33%、91.02%和100%,表明絕大多數(shù)窗口參與了NOx排放判定,但同時(shí)#1車和#2車分別有18.71%和18.17%的NOx窗口比排放是不受法規(guī)限值約束,且其中大部分 NOx窗口比排放超標(biāo),這也證明了圖 3中#1車和#2車所有窗口和有效窗口90%分位NOx比排放的明顯差異,是功率閾值在判定有效窗口過程中剔除高NOx比排放窗口造成的.

由圖6(c)、圖6(d)、圖6(f)可知,功率閾值的限制導(dǎo)致#3車、#5車和#6車分別有46.68%、35.33%和 37.70%的窗口在實(shí)際道路 NOx排放評估中被剔除,且絕大多數(shù)為NOx高比排放窗口.不難發(fā)現(xiàn),#3車和#6車在實(shí)際道路 NOx排放評估中被剔除窗口的NOx比排放均高于對應(yīng)有效窗口90%分位NOx比排放,這些窗口的缺失直接導(dǎo)致#3車和#6車在排放合格判定中 90%分位 NOx窗口比排放分別降低了44.83%和 93.10%,降幅巨大.以上結(jié)果說明,功率閾值的限制給功基窗口法評估實(shí)際道路 NOx排放帶來了不確定性,很可能大幅低估重型柴油車實(shí)際道路NOx排放因子.

圖 7對應(yīng)測試車輛的 NOx瞬時(shí)排放速率特性,虛線框中包含的工況點(diǎn)在功基窗口法評估實(shí)際道路 NOx排放時(shí)隨無效窗口被剔除,并未參與排放評估.不難發(fā)現(xiàn),在功率閾值的限制下,大量發(fā)動機(jī)低功率、NOx瞬時(shí)高排放的工況點(diǎn)被剔除.而這些工況點(diǎn)是重型車典型的城市運(yùn)行工況,剔除這些工況點(diǎn)導(dǎo)致功基窗口法無法評估重型車城市工況運(yùn)行的NOx排放量,導(dǎo)致重型國六排放法規(guī)對城市區(qū)域 NOx排放控制的缺失.一方面將難以有效削減大氣二次顆粒物和近地臭氧污染;另一方面也將大幅增加高人口密度區(qū)域的健康暴露風(fēng)險(xiǎn).

圖 7 NOx瞬時(shí)排放速率Fig 7 NOx instantaneous emission rate

功率閾值的限制最高可致 46.68% NOx高比排放的窗口被剔除在實(shí)際道路 NOx排放評估之外,而這些窗口包含的工況點(diǎn)主要是發(fā)動機(jī)低功率、NOx瞬時(shí)高排放的工況點(diǎn),導(dǎo)致有效窗口相較所有窗口,NOx比排放驟減且分布特性發(fā)生明顯變化.顯然,這些有效窗口無法代表重型柴油車實(shí)際道路尤其城市運(yùn)行工況下的 NOx真實(shí)排放水平,功基窗口法獲得的實(shí)際道路 NOx排放結(jié)果較實(shí)際情況被嚴(yán)重低估.

3 建議

6輛國六重型柴油車的PEMS試驗(yàn)表明,目前主流的排放后處理技術(shù)路線能夠有效控制重型柴油車實(shí)際道路工況下的CO和PN排放,但NOx排放控制存在很大不確定性.重型國六排放法規(guī)采用的功基窗口法評價(jià)方式存在嚴(yán)重低估重型柴油車實(shí)際道路 NOx排放的風(fēng)險(xiǎn),尤其在國六法規(guī)從a階段過渡到b階段后,車輛載荷下限由50%降低至10%,PEMS試驗(yàn)中發(fā)動機(jī)平均輸出功率降低的可能性進(jìn)一步增加,這將增加功基窗口法剔除低功率、高 NOx比排放窗口的風(fēng)險(xiǎn),導(dǎo)致重型柴油車實(shí)際道路NOx排放量被低估.

一方面,建議在后續(xù)法規(guī)的修訂中進(jìn)一步加嚴(yán)實(shí)際道路CO和PN排放限值;另一方面,建議在后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂過程中重點(diǎn)考慮柴油車排放對市區(qū)的污染,采用更加科學(xué)合理且有利于促進(jìn)柴油機(jī)排放控制技術(shù)進(jìn)步的數(shù)據(jù)處理方法,使法規(guī)能夠更加準(zhǔn)確反映重型車 NOx排放水平,尤其是發(fā)動機(jī)功率較低而NOx排放較為惡劣的情況.

4 結(jié)論

4.1 重型柴油車后處理裝置能有效減小實(shí)際行駛過程中的CO和PN排放,但對于NOx排放控制仍存在較大不確定性.應(yīng)加強(qiáng)對重型柴油車市區(qū)道路行駛和柴油機(jī)低負(fù)荷條件下 NOx排放量的監(jiān)管,提高SCR裝置低溫轉(zhuǎn)換效率,降低重型柴油車城市區(qū)域NOx實(shí)際排放量.

4.2 重型國六排放標(biāo)準(zhǔn)采用功基窗口法計(jì)算實(shí)際道路排放,但功基窗口法規(guī)定的功率閾值導(dǎo)致大量發(fā)動機(jī)低功率、NOx高比排放數(shù)據(jù)被剔除,嚴(yán)重低估重型車實(shí)際道路尤其城市工況下 NOx排放水平.在后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂中應(yīng)進(jìn)一步修改完善,以便更有利于促進(jìn)柴油車排放控制技術(shù)進(jìn)步.