王樹(shù)達(dá),譚建偉,呂立群,郝利君,王 欣,葛蘊(yùn)珊
(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081)
2020年中國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)3.72 億輛,全國(guó)機(jī)動(dòng)車4 項(xiàng)污染物(CO、HC、NOx和PM)排放總量已達(dá)1 593 萬(wàn)t[1],機(jī)動(dòng)車排放已經(jīng)成為城市大氣污染的重要來(lái)源。伴隨著輕型車法規(guī)的不斷完善和三元催化器(three way catalyst,TWC)等車輛后處理系統(tǒng)的不斷發(fā)展,輕型車的污染物排放量已顯著下降[2-4];然而重型車的排放法規(guī)相對(duì)落后和寬松,且NOx和顆粒物排放量占比極高[5],因此對(duì)重型車排放污染物的控制尤為重要。
在中國(guó)重型車排放標(biāo)準(zhǔn)第六階段(GB 17691—2018)實(shí)施之前,重型車的排放試驗(yàn)以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)為主[6-7]。臺(tái)架試驗(yàn)雖然可以評(píng)估不同排量和燃料形式的發(fā)動(dòng)機(jī)排放,卻無(wú)法衡量不同傳動(dòng)系統(tǒng)和載荷條件對(duì)排放結(jié)果造成的影響[8]。實(shí)際道路法中使用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(portable emission testing system,PEMS),其精度和可靠性能夠較好地滿足整車道路測(cè)試要求[9],測(cè)試結(jié)果可以真實(shí)反映車輛在實(shí)際行駛條件下的排放特性,更接近車輛實(shí)際運(yùn)行工況。目前,許多國(guó)家已將PEMS 納入排放標(biāo)準(zhǔn)體系[10-11]。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)國(guó)四、國(guó)五及國(guó)外對(duì)應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)重型車的實(shí)際道路排放特性開(kāi)展了系列研究。文獻(xiàn)[12]中比較了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試循環(huán)、隨機(jī)駕駛循環(huán)和實(shí)際道路排放測(cè)試的差異,認(rèn)為使用PEMS設(shè)備進(jìn)行實(shí)際道路排放測(cè)試可以覆蓋更多的運(yùn)行工況,能更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)車輛的真實(shí)排放水平,且重型柴油車的NOx實(shí)際道路排放至少被低估了50%,排放限值的不斷加嚴(yán)并沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的NOx減排效果。文獻(xiàn)[13]中利用PEMS 設(shè)備對(duì)國(guó)三、國(guó)四的柴油公交車和壓縮天然氣(compressed natural gas,CNG)公交車進(jìn)行了實(shí)際道路排放測(cè)試,研究表明:實(shí)際道路排放明顯高于實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證工況下的排放,在實(shí)際道路上試驗(yàn)車輛的氣體污染物排放因子均隨車速的增加而降低;與柴油車相比,CNG 公交車顆粒物(particle matter,PM)排放比較低,但是其NOx和總碳?xì)洌╰otal hydrocarbons,THC)排放比較高。文獻(xiàn)[14]中利用車載診斷系統(tǒng)(on-board diagnostics,OBD)遠(yuǎn)程對(duì)國(guó)四傳統(tǒng)柴油公交車和混動(dòng)公交車的CO2和NOx實(shí)際道路排放特性進(jìn)行了分析,結(jié)果表明與傳統(tǒng)柴油公交車相比,混合動(dòng)力公交車在減少NOx方面沒(méi)有改善,但在典型行駛模式下混動(dòng)技術(shù)使公交車的平均CO2排放降低。文獻(xiàn)[15]中利用PEMS 設(shè)備對(duì)不同燃料的國(guó)五重型半掛車進(jìn)行實(shí)際道路排放測(cè)試,研究表明重型車的實(shí)際道路排放被嚴(yán)重低估,柴油車和LNG 車的排放特性存在明顯差異,液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)車的HC 排放顯著高于柴油車。相對(duì)于傳統(tǒng)的重型柴油車,重型燃?xì)廛囀褂们鍧嵢剂咸烊粴?,在燃料成本、港口和重污染城市的運(yùn)輸中相比柴油車具有一定的優(yōu)勢(shì),具有良好的發(fā)展前景。但對(duì)不同燃料的國(guó)六重型車實(shí)際道路排放特性對(duì)比則鮮有研究。
為了揭示國(guó)六重型柴油車和LNG 車實(shí)際道路排放特性及差異,本研究中按照國(guó)六重型排放標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際道路排放測(cè)試規(guī)程,分別對(duì)4 輛典型國(guó)六重型柴油車和4 輛LNG 車開(kāi)展實(shí)際道路排放測(cè)試,并以功基窗口法和行程平均法分析了實(shí)際道路排放數(shù)據(jù),獲取了不同行駛工況下的NOx、PN、CO 及CO2的排放因子,討論了柴油車與LNG 車污染物排放差異及原因,可為后續(xù)法規(guī)的完善提供數(shù)據(jù)參考。
試驗(yàn)車輛為4 輛典型國(guó)六重型柴油車和4 輛典型國(guó)六重型LNG 車,均為N3 類車輛(最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量超過(guò)12 t 的載貨車輛),其詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。測(cè)試車輛采用主流后處理技術(shù)路線,柴油車配備有柴油機(jī)氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)、選擇性催化還原器(selected catalyst reduction,SCR)、柴油機(jī)顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)和防止氨逃逸催化器(ammoniaslip catalyst,ASC),LNG車的排放控制主要采用當(dāng)量比燃燒加廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation,EGR)系統(tǒng)和TWC 的控制策略。為降低燃油品質(zhì)變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾,所有測(cè)試車輛均采用同一批次國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的市售0 號(hào)柴油及液化天然氣。
表1 試驗(yàn)樣車基本參數(shù)
便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)采用HORIBA 公司開(kāi)發(fā)的OBS-ONE 系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由氣體測(cè)量模塊、顆粒物測(cè)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)測(cè)量車輛尾氣中NOx、CO、CO2和PN 濃度的功能,此外還具有實(shí)時(shí)測(cè)量排氣流量、監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、獲取外部環(huán)境參數(shù)和車輛實(shí)時(shí)定位的功能。PEMS 設(shè)備的安裝與布置如圖1 所示。
圖1 PEMS 設(shè)備安裝示意圖
所有PEMS 試驗(yàn)均符合重型國(guó)六排放法規(guī)的測(cè)試規(guī)程,試驗(yàn)路線符合重型國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于海拔條件的限制要求。實(shí)際道路排放測(cè)試按照市區(qū)工況、市郊工況和高速工況順序進(jìn)行,PEMS 試驗(yàn)對(duì)N3 車型的工況要求如表2 所示。
表2 PEMS 試驗(yàn)工況構(gòu)成
計(jì)算污染物比排放前需要按照重型國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,主要是對(duì)無(wú)效數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除,其中包括PEMS 設(shè)備檢查及零點(diǎn)漂移核查期間的數(shù)據(jù),未滿足邊界條件(海拔高于2 400 m 或環(huán)境溫度低于-7 ℃)的數(shù)據(jù)及車輛冷起動(dòng)期間的數(shù)據(jù)。
主要采用行程平均法與重型國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)推薦的功基窗口法對(duì)排放數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
行程平均法指車輛在某一工況下的污染物排放的總質(zhì)量或總數(shù)量與發(fā)動(dòng)機(jī)凈輸出功的比值(單位為g/(kW·h)或個(gè)/(kW·h)),計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。
式中,e 為平均比排放;m 為某一工況下污染物排放總質(zhì)量;W 為發(fā)動(dòng)機(jī)世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)(world harmonized transient cycle,WHTC)循環(huán)功。
功基窗口法按照發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架循環(huán)功將實(shí)際道路排放數(shù)據(jù)劃分為不同窗口,分別對(duì)窗口進(jìn)行排放質(zhì)量或數(shù)量計(jì)算,第i 個(gè)窗口的劃分和計(jì)算如圖2 所示。圖中,W(tj,i)為從開(kāi)始到時(shí)間tj,i之間的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功;Wref為發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC 循環(huán)功;Δt 為數(shù)據(jù)采樣周期,為1 s;mp為窗口內(nèi)污染物的質(zhì)量排放量。
圖2 功基窗口法劃分示意圖
窗口劃分依據(jù)如式(2)和式(3)所示,窗口比排放計(jì)算方法如式(4)所示。
式中,ep為窗口比排放。
重型國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)使用功率閾值對(duì)窗口有效性進(jìn)行判定,功率閾值的初始值為20%。窗口的平均功率高于20% 則為有效窗口,若有效窗口占比低于20%,則按照1% 的步長(zhǎng)降低功率閾值,直到滿足有效窗口占比超過(guò)50% 的規(guī)定。若功率閾值降至10% 而有效窗口占比仍未超過(guò)50%,則判定PEMS試驗(yàn)無(wú)效。
所有測(cè)試車輛在各個(gè)工況及完整行程的NOx比排放如圖3 所示。由圖3 可以發(fā)現(xiàn),重型LNG 車的NOx比排放顯著高于重型柴油車,且不同燃料類型的重型車NOx排放均與車輛行駛速度呈負(fù)相關(guān)。重型國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于整車道路NOx排放限值為0.69 g/(kW·h),而L3 和L4 車的NOx比排放則遠(yuǎn)高于排放限值,這可能是兩輛LNG 車的TWC 系統(tǒng)劣化失效所致,后續(xù)將對(duì)試驗(yàn)車輛的后處理裝置實(shí)際劣化情況進(jìn)行相關(guān)研究。
圖3 測(cè)試車輛在各個(gè)工況及完整行程的NOx比排放
重型柴油車使用的SCR 后處理系統(tǒng)對(duì)NOx的還原依靠催化劑進(jìn)行,其工作效率與排氣溫度密切相關(guān)。圖4 展示了D2 車和L3 車NOx瞬時(shí)排放與排氣溫度的關(guān)系。前400 s 為發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)階段,發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫較低加之需要提高轉(zhuǎn)速快速加熱后處理裝置,導(dǎo)致冷起動(dòng)階段NOx瞬態(tài)排放處于較高水平。待發(fā)動(dòng)機(jī)充分熱機(jī)后NOx排放急劇下降。車輛在市區(qū)道路行駛時(shí)頻繁起停,排氣溫度較低且波動(dòng)較大,導(dǎo)致SCR 裝置無(wú)法穩(wěn)定工作,大量NOx隨尾氣排出。隨著車速的增加,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加使得排氣溫度提高,排氣溫度超過(guò)250 ℃以后SCR 穩(wěn)定保持比較高的NOx轉(zhuǎn)換效率,因此NOx排放始終維持在較低水平。而LNG 車NOx高排放點(diǎn)與排氣溫度無(wú)明顯關(guān)系,這是后處理技術(shù)路線差異所導(dǎo)致的。
圖4 試驗(yàn)過(guò)程中NOx 瞬時(shí)排放和排氣溫度變化
NOx瞬態(tài)排放尖峰還與車輛急加速導(dǎo)致的排氣流速劇增有關(guān)[16]。車輛急加速時(shí),排氣流量和排氣流速迅速增大,而SCR 系統(tǒng)在200 ℃~300 ℃時(shí)的轉(zhuǎn)化率隨空速的增加而降低,后處理系統(tǒng)對(duì)NOx的還原反應(yīng)進(jìn)行不充分,大量未被還原的NOx隨氣流通過(guò)后處理裝置,使NOx的瞬時(shí)排放量出現(xiàn)明顯升高。圖5 為D2 車和L4 車的排氣流量和NOx瞬時(shí)排放。如圖5 所示,柴油車?yán)淦饎?dòng)后的NOx瞬態(tài)排放尖峰均與排氣流量峰值同步出現(xiàn),LNG 車的NOx高排放點(diǎn)和排氣流量的峰值點(diǎn)則存在一定的同步性。
圖5 試驗(yàn)過(guò)程中NOx 瞬時(shí)排放和排氣流量變化
市區(qū)工況下NOx排放過(guò)高可能與車輛頻繁的加減速、起停有關(guān)。文獻(xiàn)[7]中進(jìn)行過(guò)類似的研究,結(jié)果表明車輛在市區(qū)工況下具有較高的排放因子,在加速度高于0.5 m/s2的時(shí)間段內(nèi)NOx排放水平更高,文獻(xiàn)[17]中也得出了類似的結(jié)果。在市區(qū)工況中速度變化非常頻繁,頻繁的加速和減速會(huì)使缸內(nèi)燃燒產(chǎn)生波動(dòng)。車輛加速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量增大,空燃比下降,缸內(nèi)燃燒溫度提高,高溫和高壓會(huì)促進(jìn)NOx的產(chǎn)生。以D1 車和L3 車為例,圖6 為試驗(yàn)過(guò)程中兩車NOx瞬時(shí)排放和車速的變化情況,NOx瞬時(shí)排放尖峰和車輛速度變化的峰值往往同步出現(xiàn)。
圖6 試驗(yàn)過(guò)程中NOx 瞬時(shí)排放和車速變化
所有測(cè)試車輛各工況及完整行程的CO 比排放如圖7 所示。DOC 后處理系統(tǒng)可以有效控制重型柴油車的實(shí)際道路CO 排放,柴油車在各個(gè)工況和完整行程的CO 比排放較為穩(wěn)定,均遠(yuǎn)低于排放限值要求。但LNG 車的CO 排放控制差異顯著,L3車和L4 車出現(xiàn)了相對(duì)較高的CO 排放,其中L4 車市區(qū)工況下的CO 比排放達(dá)到7.7 g/(kW·h),超過(guò)重型國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的整車CO 排放6 g/(kW·h)限值。柴油車CO 比排放與行駛速度呈負(fù)相關(guān)。LNG車在市區(qū)工況下的CO 比排放同樣在整個(gè)實(shí)際道路排放測(cè)試中呈現(xiàn)出最高水平。
圖7 測(cè)試車輛在各個(gè)工況及完整行程的CO 比排放
柴油車在市區(qū)工況下CO 排放高于其他工況可能與排氣溫度有關(guān)。圖8 為試驗(yàn)過(guò)程中CO 瞬時(shí)排放和排氣溫度變化情況。相較于市郊和高速工況,市區(qū)工況下柴油車排氣溫度較低,DOC 裝置不能有效氧化尾氣中的CO,同時(shí)市區(qū)工況頻繁加減速對(duì)缸內(nèi)油氣的良好混合造成困難,排氣流量的變化也給DOC 裝置對(duì)CO 的氧化帶來(lái)不確定性。而LNG 車的CO 排放與排氣溫度無(wú)明顯關(guān)聯(lián),在排氣溫度較高時(shí)仍有較高的CO 排放。LNG 車在市區(qū)工況的CO 排放較高主要是由于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程混合氣加濃造成直接排放的CO 增加,同時(shí)TWC 在濃混合氣下對(duì)CO 轉(zhuǎn)化效率下降。
圖8 試驗(yàn)過(guò)程中CO 瞬時(shí)排放和排氣溫度變化
重型車的CO 排放還可能與車輛油耗有關(guān)。圖9 為試驗(yàn)過(guò)程中D2、L4 兩車CO 瞬時(shí)排放和車輛油耗變化情況。D2 和L4 的CO 瞬時(shí)排放峰值和車輛油耗的峰值具有一定同步性。車輛加速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載急劇增大,油耗也隨之增大,過(guò)量空氣系數(shù)減小,缸內(nèi)混合氣不完全燃燒增加且排氣流量增加,CO 停留在后處理系統(tǒng)的時(shí)間縮短,反應(yīng)不充分,使CO 瞬時(shí)排放增加。
圖9 試驗(yàn)過(guò)程中CO 瞬時(shí)排放和車輛油耗變化
所有測(cè)試車輛在各個(gè)工況及完整行程的CO2比排放如圖10 所示。不同燃料類型的重型車的CO2比排放總體較為穩(wěn)定,個(gè)體差異較小。但柴油車平均CO2排放水平比LNG 車高約10%,這是由車輛燃料類型的差異引起的。無(wú)論是柴油車還是LNG車,CO2比排放在市區(qū)、市郊和高速工況均依次遞減。
圖10 測(cè)試車輛在各個(gè)工況及完整行程的CO2比排放
柴油車實(shí)際道路CO2比排放的范圍為715 g/(kW·h)~741 g/(kW·h),LNG 車實(shí)際道路CO2比排放的范圍為605 g/(kW·h)~670 g/(kW·h),比柴油車的碳排放低6%~18%。若只考慮速度較高且行駛里程較長(zhǎng)的長(zhǎng)途運(yùn)輸工況,相較于柴油車,LNG 車CO2排放量最多可減少19.3%。由于LNG 燃料自身的碳?xì)浔鹊?,使用更多的LNG 車輛可以減少CO2排放,有助于“碳中和”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
在重型國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)中,重型柴油車的整車PN排放限值為1.2×1012個(gè)/(kW·h),主流的后處理方式為加裝DPF 系統(tǒng)進(jìn)行顆粒物捕集。對(duì)于重型LNG 車,沒(méi)有對(duì)其整車PN 排放進(jìn)行限制,因此重型LNG 車并未加裝DPF 系統(tǒng)。本次試驗(yàn)中,為了對(duì)比不同燃料的國(guó)六重型車的PN 排放特性,同時(shí)對(duì)重型LNG 車的PN 排放進(jìn)行了研究。
所有測(cè)試車輛在各個(gè)工況及完整行程的PN 比排放如圖11 所示。圖11 中的PN 排放數(shù)據(jù)表明,在不同測(cè)試工況下,測(cè)試柴油車輛的PN 排放隨行駛速度的增加而有所增大,總體保持在較低水平并顯著低于國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)限值,重型柴油車的實(shí)際道路PN排放被有效控制;重型LNG 車的PN 排放在不同工況下無(wú)明顯規(guī)律,個(gè)體差異顯著。L1、L2 車的PN排放低于重型柴油車,而L3 車的PN 排放則高出柴油車1~2 個(gè)數(shù)量級(jí),并超過(guò)了國(guó)六重型柴油車PN排放標(biāo)準(zhǔn)的限值。LNG 車使用點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī),目前國(guó)六法規(guī)不限制其整車實(shí)際道路PN 排放,建議在未來(lái)法規(guī)中增加天然氣車的實(shí)際道路PN 排放限值。
圖11 測(cè)試車輛在各個(gè)工況及完整行程的PN 比排放
重型柴油車的PN 排放與車輛運(yùn)行工況關(guān)聯(lián)不大,這主要是因?yàn)橹匦筒裼蛙嚰友b了DPF 后處理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[18]中研究表明,DPF 后處理系統(tǒng)可以顯著減少車輛的PN 排放,效率可達(dá)96%。重型柴油車在市區(qū)、市郊和高速工況的PN 比排放逐漸遞增。市區(qū)工況內(nèi),發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低,過(guò)量空氣系數(shù)較大,燃燒充分不易產(chǎn)生顆粒物排放;市郊工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定,車輛速度的提高使得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加,混合氣相對(duì)較濃以保證車輛的動(dòng)力性,缸內(nèi)PN排放會(huì)有一定程度的增加,但由于DPF 后處理系統(tǒng)對(duì)PN 的捕集作用,市郊工況的PN 瞬時(shí)排放也控制在較低的水平。高速工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)處于高速高負(fù)荷狀態(tài),燃油噴射量的持續(xù)增加致空燃比迅速減小,缸內(nèi)油氣混合條件變差,顆粒充分氧化的速度低于因燃燒不充分導(dǎo)致顆粒物生成的速度,同時(shí)排氣流量和排氣流速增加,也導(dǎo)致PN 排放增加。
而重型LNG 車使用的燃料天然氣主要由甲烷組成,甲烷是最簡(jiǎn)單、分子量最低的碳?xì)浠衔铮瑳](méi)有C—C 鍵,降低了苯環(huán)形成的可能性,燃料對(duì)顆粒物形成的貢獻(xiàn)小。LNG 發(fā)動(dòng)機(jī)的PN 排放源可能是由于潤(rùn)滑油進(jìn)入燃燒室,導(dǎo)致部分潤(rùn)滑油進(jìn)入氣缸參與燃燒,生成顆粒物,造成PN 排放顯著升高[19],后續(xù)將對(duì)試驗(yàn)車輛的潤(rùn)滑系統(tǒng)狀況進(jìn)行檢查驗(yàn)證。
(1)國(guó)六重型柴油車后處理技術(shù)路線能夠有效控制NOx、CO 及PN 的排放;但是LNG 車的排放控制效果欠佳,CO 排放存在超越法規(guī)限值的風(fēng)險(xiǎn),部分LNG 車存在NOx排放超過(guò)限值的現(xiàn)象,而PN排放則存在較大不確定性,部分LNG 車的PN 排放較高。
(2)國(guó)六重型LNG 車實(shí)際道路行駛過(guò)程中的NOx排放高于柴油車。重型柴油車的NOx排放在市區(qū)工況下處于最高水平,這可能是由于市區(qū)工況波動(dòng)較大,車輛排氣溫度低時(shí)SCR 效率下降所致。同時(shí),不同燃料的重型車NOx排放水平均與排氣流量和車輛速度波動(dòng)存在較強(qiáng)的相關(guān)性。
(3)國(guó)六重型柴油車使用DPF 系統(tǒng)有效控制了PN 排放,且PN 排放與車輛加減速、起?;緹o(wú)關(guān);國(guó)六重型LNG 車基本沒(méi)有PN 控制措施,多數(shù)車輛PN 排放處于較低水平,但個(gè)別車輛PN 排放較高。
(4)不同燃料的國(guó)六重型車之間的CO2比排放穩(wěn)定且差異較小,LNG 車實(shí)際道路CO2比排放較柴油車低6%~18%,有利于降低碳排放,這與LNG燃料碳?xì)浔鹊陀嘘P(guān)。