基于PEMS試驗的重型柴油車冷啟動 排放特征研究

張靳杰，楊 聰，徐 達，李 鑫

（中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司，湖北 武漢 430056）

前言

重型柴油車一直以來都是移動源污染物排放的主要貢獻者，根據(jù)2020年中國移動源環(huán)境管理年報的數(shù)據(jù)[1]，2019年我國柴油車 NOx 排放量超過汽車排放總量的 80%，PM 排放量超過90%。為了控制柴油車污染物的排放，《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》標準中對排放限值做了更嚴格的要求。但現(xiàn)行國標Ⅵ僅對發(fā)動機冷啟動排放做了相關(guān)要求，對于重型柴油車整車污染物排放的限制則主要針對充分熱車后的狀態(tài)[2]。相關(guān)研究表明[3]：低溫環(huán)境下柴油機氣態(tài)污染物的排放更加惡化，柴油機冷啟動試驗的污染物排放量要顯著高于熱啟動。鑒于此，有必要開展對于重型柴油車整車冷啟動階段污染物排放特征的研究，為下一個階段排放限值的制定打下基礎(chǔ)。

本文選取了五輛重型柴油車作為研究對象，研究重型柴油整車常溫冷啟動狀態(tài)下實際道路的污染物排放情況，對比分析冷啟動階段與整個車載試驗階段的污染物排放特征。

1 試驗方案

1.1 試驗車輛

試驗選取了5輛國Ⅵ的重型柴油車作為研究對象，5輛車的基本信息見表1。

表1 試驗車輛基本參數(shù)

1.2 試驗設(shè)備

試驗采用日本HORIBA公司生產(chǎn)的OBS-ONE型便攜式排放測試系統(tǒng)（PEMS）進行車載測試。該設(shè)備采用不分光紅外光譜吸收分析儀（NDIR）對CO和CO2進行測量，采用化學發(fā)光分析儀（CLD）對NOX進行測量，采用顆粒物計數(shù)系統(tǒng)（CPC）對PN進行測量。儀器具體參數(shù)見表2。

表2 OBS-ONE型便攜式排放測試系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

選擇合適的流量計與車輛尾氣管連接，GAS模塊和PN模塊分別通過采樣管線采集樣氣，對排氣污染物進行測量分析，CC模塊實時記錄污染物測量結(jié)果，并且通過連接的傳感器記錄下實時的環(huán)境溫濕度、大氣壓力以及車輛的位置和速度信息；整車的發(fā)動機水溫、轉(zhuǎn)速、扭矩等信息通過OBD接口與CC模塊通訊。設(shè)備的連接示意圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備連接示意圖

1.3 測試過程及路線

試驗測試過程參考GB 17691―2018附錄K的要求[4]，在發(fā)動機冷卻液低于30 ℃（或冷卻液溫度不高于環(huán)境溫度2 ℃）的條件下開始試驗，在水溫達到70 ℃之前的行駛階段均記為冷啟動階段。之后開始按照市區(qū)、市郊、高速的順序開展試驗，市區(qū)階段平均速度15～30 km/h，市郊平均速度45～70 km/h，高速階段平均速度大于70 km/h。N2車輛市區(qū)、市郊、高速階段的時間占比分別為45%、25%和30%，N3車輛市區(qū)、市郊、高速階段的時間占比分別為20%、25%和50%。測試路線圖如圖2所示。

圖2 試驗線路圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 污染物累計排放特征

分別將冷啟動、市區(qū)、市郊和高速試驗階段內(nèi)污染物的瞬時排放量進行累加，得到各個試驗階段內(nèi)各污染物的累計排放量。

2.1.1 NOX累計排放特征

圖3為5輛試驗車輛的NOX累計排放量結(jié)果。5輛車在冷啟動階段NOX累計排放量分別為7.41 g、13.55 g、4.13 g、10.87 g和20.29 g，由圖3可以看出，除了車輛3#，NOX在冷啟動階段的累計排放量都是在整個試驗階段中最多的。尤其是車輛4#和車輛5#，它們在冷啟動階段的NOX累計排放量占整個試驗階段的80.40%和92.84%，遠超市區(qū)、市郊和高速階段NOX累計排放量的總和。在車輛的冷啟動階段，尾氣排溫較低，未達到尿素的噴射溫度，后處理SCR此時處于休眠狀態(tài)，這個階段的排放出的尾氣NOX含量比較高。待到進入市區(qū)、市郊和高速階段，排溫上升，尿素開始噴射同時達到SCR進行反應(yīng)的適宜溫度，尾氣中的NOX被大量去除。車輛3#冷啟動時溫度較高，且很快進入到市區(qū)階段，處于冷啟動階段的時間最短，這可能是導(dǎo)致其在冷啟動階段NOX累計排放量較低的原因。

圖3 NOX累計排放量

2.1.2 CO累計排放特征

圖4為5輛試驗車輛的CO累計排放量結(jié)果。5輛車在冷啟動階段CO累積排放量分別為9.30 g、10.13 g、1.61 g、4.88 g和15.16 g，由圖4可以看出，冷啟動階段CO累積排放量占比波動較大，車輛3#的占比最小為3.30%，因為冷啟動持續(xù)時間短，且冷啟動開始的溫度最高；車輛2#的占比最大為65.27%，該車的冷啟動持續(xù)時間長，并且該車冷啟動的溫度是所有車輛中最低的。

圖4 CO累計排放量

2.1.3 PN累計排放特征

圖5為5輛試驗車輛的PN累計排放量。5輛車在冷啟動階段PN量分別為4.37E+10個、6.82E+12個、3.06E+12個、8.35E+12個和2.74E+9個，由圖5可以看出，除車輛4#外，其他4輛車在冷啟動階段的PN累積排放量占比都很低，尤其車輛1#和車輛2#，占比僅為0.05%和0.01%。相關(guān)研究表明[5]，顆粒物容易在發(fā)動機內(nèi)高溫濃混合起區(qū)域大量產(chǎn)生，冷啟動階段，車輛多處于怠速和低速工況，發(fā)動機缸內(nèi)溫度較低，而市區(qū)、市郊和高速階段，發(fā)動機缸內(nèi)溫度較高，燃油噴射量也較多[6]，所以PN在中高速階段的排放量要遠大于冷啟動階段。

圖5 PN累計排放量

2.2 污染物比排放特征

將冷啟動、市區(qū)、市郊、高速試驗階段的累計排放量比上各試驗階段的累計功，得到各個試驗階段的污染物比排放，比排放反映車輛在單位做功下污染物的排放水平。

2.2.1 NOX比排放特征

圖5為5輛試驗車輛在各試驗階段的NOX比排放，5輛車在冷啟動階段的比排放分別為11.83 g/kWh、7.19 g/kWh、4.36 g/kWh、7.55 g/kWh和5.76 g/kWh，由圖5可以看出，車輛在冷啟動階段的NOX比排放遠高于市區(qū)、市郊和高速階段的NOX比排放。冷啟動階段后處理SCR系統(tǒng)轉(zhuǎn)化效率受限[7]，并且冷啟動階段的怠速和低速工況使得此階段的累計功較低，造成此階段比排放遠高于其他三個階段的比排放。

圖6 NOX比排放

2.2.2 CO比排放特征

圖7為5輛試驗車輛在各試驗階段的CO比排放，5輛車在冷啟動階段的比排放分別為6.32 g/kWh、5.38 g/kWh、1.70 g/kWh、3.39 g/kWh和4.31 g/kWh，除車輛3#冷啟動階段的比排放略低于市區(qū)階段外，其余四輛車在冷啟動階段的比排放都遠高于其他三個階段的比排放。并且，車輛1#、2#和5#的各階段比排放數(shù)據(jù)都表現(xiàn)為冷啟動>市區(qū)>市郊>高速，說明平均速度越高，CO的比排放就越低。而冷啟動階段的比排放顯著高于其他階段，是因為在冷啟動階段，發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度低，燃油短時間內(nèi)不能完全氧化[5]，導(dǎo)致CO的排放較多。

圖7 CO比排放

2.2.3 PN比排放特征

圖8為5輛試驗車輛各試驗階段的PN比排放，5輛車在冷啟動階段的比排放分別為2.97E+10#/kWh、3.62E+12#/ kWh、3.23 E+10#/kWh、5.80 E+10#/kWh和7.78 E+8#/kWh。車輛3#和4#在冷啟動階段的PN比排放最高，而車輛1#、2#和5#在冷啟動階段的比排放較其他階段低。

圖8 PN比排放

2.3 冷啟動前后污染物濃度變化

以水溫達到70 ℃為分界點，截取70 ℃前200秒和后200秒時間內(nèi)的各污染物的瞬時排放濃度，分析各污染物濃度隨時間的變化關(guān)系。

2.3.1 NOX冷啟動前后排放濃度變化特征

圖9顯示了水溫達到70 ℃前后400 s時間內(nèi)NOX的排放濃度變化情況。由圖9可以看出，5輛試驗車輛的NOX排放濃度在水溫70 ℃前的排放濃度要遠大于水溫70 ℃后的排放濃度，NOX的濃度從200～1 000 ppm快速下降到100 ppm以下并保持穩(wěn)定。由此可見，溫度對于NOX的去除起著重要的作用。后處理SCR系統(tǒng)中使用的尿素水溶液只有在溫度達到133 ℃以上才會大量熱解，產(chǎn)生用于去除NOX的NH3[8]，在冷啟動階段，尾氣排溫很低，達不到SCR系統(tǒng)的正常工作溫度，NOX不進行反應(yīng)，當NOX排放濃度開始快速下降的階段，正是后處理SCR系統(tǒng)開始起作用的階段。

圖9 NOX冷啟動前后排放濃度

2.3.2 CO冷啟動前后排放濃度變化特征

圖10顯示了水溫達到70 ℃前后400 s時間內(nèi)CO的排放濃度變化情況。由圖可以看出，車輛1#、4#、5#在水溫達到70 ℃前的CO排放濃度要高于水溫達到70 ℃后的濃度；這是由于，冷啟動階段水溫較低，發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度也較低，從而形成大量的CO隨尾氣排出[5]。而車輛2#和3#在水溫達到70 ℃后，CO的排放濃度大于70 ℃前的排放溫度，這可能與不同廠家催化氧化反應(yīng)器的起燃特性不同有關(guān)。

圖10 CO冷啟動前后排放濃度

2.3.3 PN冷啟動前后排放濃度變化特征

圖11顯示了水溫達到70 ℃前后400 s時間內(nèi)PN的排放濃度變化情況。由圖可以看出，車輛1#、2#、5#在水溫達到70 ℃前的PN排放濃度一直很低，70 ℃后PN的排放濃度明顯增大；而車輛3#和4#在這400s的時間內(nèi)，PN的排放濃度是一個不斷減小的趨勢。這兩種相反的趨勢說明了排溫對于PN的排放濃度的影響不大，影響PN排放濃度的主要是車輛的后處理路線和標定策略[9]。

圖11 PN冷啟動前后排放濃度

3 結(jié)束語

NOX在冷啟動階段的排放濃度、比排放和累計排放量都 遠大于其他階段；CO的比排放在冷啟動階段大于其他階段，而排放濃度和累計排放量隨不同的車有不同的趨勢；PN在冷啟動階段的排放濃度、比排放和累計排放量都沒有相同的變化趨勢。

重型柴油車在冷啟動階段的NOX和CO排放是不能忽略的問題，應(yīng)加強對重型柴油車在冷啟動階段NOX和CO的排放控制。