不同測試循環(huán)對重型柴油車污染物排放影響試驗研究

高東志 馮鐘輝 景曉軍 李騰騰 邸少偉 李 剛

（1-中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津 300300 2-中國環(huán)境科學(xué)研究院）

引言

重型汽車在機動車NOx和PN 污染物排放分擔(dān)率上占比較高。2020 年，全國貨車一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物排放量分別為207.3×104t、46.0×104t、517.8×104t、5.8×104t，占汽車排放總量的29.8%、26.6%、84.3%、90.9%[1]。

國際清潔交通委員會（ICCT）研究發(fā)現(xiàn)，重型柴油車是機動車NOx排放的主要來源，僅在加州，重型車NOx排放占道路移動源NOx排放總量的70%以上[2]。因此，進一步降低重型車實際道路NOx排放對改善大氣質(zhì)量具有積極作用。

現(xiàn)行重型國六標準中，整車排放主要采用實際道路PEMS 測試方法。PEMS 測試雖然可以較為有效地反映整車實際道路排放情況，但其采用的功基窗口法未能對平均功率較小的低負荷工況排放進行評估。另外，ICCT 通過對長期跟蹤的多輛class 8 級重型卡車的實際排放分析發(fā)現(xiàn)，車輛的市區(qū)（0～40 km/h）排放約為EPA 2010 NOx限值的7 倍，市郊（40～80 km/h）排放約為限值的3 倍，高速（＞80 km/h）排放基本與限值相當(dāng)。以上表明現(xiàn)行的PEMS 排放測試方法并不能對在用重型車市區(qū)駕駛工況低速、低功率下的排放進行有效監(jiān)管評估，使得重型車在低負荷條件下的排放仍然較多。

中國汽車技術(shù)研究中心有限公司的宋東[3]、高忠明[4]等研究表明重型柴油車NOx實時排放濃度最高的階段為市區(qū)階段，且空載條件下實際道路NOx排放較高；加州空氣資源委員會的Yu Jiang 等[5]研究表明在用車城市駕駛循環(huán)的氮氧化物排放量范圍為0.218～0.952 g/（kW·h），高于0.272 g/（kW·h）的美國標準限值。以上研究均表明重型柴油車在低速、低載荷條件下NOx污染物排放較高。加州提出的清潔卡車倡議中要求進一步加嚴NOx污染物排放，美國西南研究院針對重型車的排放測試研究表示，現(xiàn)有的發(fā)動機及整車認證程序遺漏了一個關(guān)鍵測試部分——低負荷工況，研究發(fā)現(xiàn)發(fā)動機在低負荷工況運行時，排溫較低，后處理系統(tǒng)性能表現(xiàn)較差，致使該工況下的排放超標嚴重。基于此，西南研究院制定了一項新的重型發(fā)動機和整車的補充測試程序——LLC 低負荷[6]（Low Load Cycle）測試循環(huán)。加州宣稱采用低負荷、低速條件下在用車管理方法可以將滿足FTP 循環(huán)認證標準的重型柴油車NOx排放進一步降低90%以上，該方法計劃2024 年在加州率先實施[7]。

為適應(yīng)重型車下階段標準進一步減排的要求，借鑒美國加州低負荷排放測試方法，研究開發(fā)適用于中國實際道路行駛的低負荷測試工況是必要的?；诖耍疚拈_展三種測試循環(huán)對重型柴油車污染物排放影響研究，采用底盤測功機法研究重型車不同測試循環(huán)（C-WTVC[8]（轉(zhuǎn)化的世界重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)）、CHTC-HT[9]（中國重型貨車行駛工況）和LLC）條件下污染物排放特征，對比分析三種工況對CO、NOx和PN 瞬態(tài)排放、累積排放和比排放的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗車輛

試驗選用N3 類國六重型柴油車，最大設(shè)計總質(zhì)量為16 000 kg，車輛及發(fā)動機基本信息如表1 所示。

表1 樣車參數(shù)

1.2 測試設(shè)備及測試工況

試驗在重型底盤測功機（品牌：德國MAHA；型號：CDM-72HDD-4WD）上進行，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 污染物排放進行采樣分析，采集頻率為1 Hz。試驗條件及底盤測功機設(shè)置依據(jù)GB/T 27840-2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》[8]，數(shù)據(jù)處理及標準限值參照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）》[10]。在熱車（冷卻液溫度達到70 ℃以上）條件下，依次按照C-WTVC、CHTC-HT、LLC三種行駛曲線進行重型車污染物排放測試試驗，工況曲線如圖1 至圖3 所示，工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征如表2 所示。

表2 三種工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征

圖1 C-WTVC 重型商用車工況曲線

圖2 CHTC-HT 重型貨車中國工況曲線

圖3 LLC 美國加州低負荷行駛工況曲線

以上三種測試工況均適用于總質(zhì)量大于5 000 kg的重型貨車，其中C-WTVC 工況為中國現(xiàn)行的重型商用車油耗測試工況，CHTC-HT 工況為根據(jù)實際交通情況統(tǒng)計得出的中國實際駕駛工況，LLC 為美國加州開發(fā)的重型車低負荷測試工況。對比分析3 種行駛工況曲線以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征可知，LLC 工況較C-WTVC 和CHTC-HT 工況持續(xù)時間長，達到5 505 s。該工況最大的特點為平均速度偏低，約為其他兩種工況的二分之一；怠速比例較高，分別是C-WTVC和CHTC-HT 循環(huán)的6.6 倍和4.1 倍。LLC 工況代表重型汽車的低速行駛特征，更能反映重型汽車低速、低負荷條件下的污染物排放情況。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用全流稀釋尾氣分析儀進行排放測試，通過測試稀釋后排氣流量、稀釋后混合氣中各污染物濃度、背景空氣中各污染物濃度等，經(jīng)溫度校正、背景濃度修正計算，得出瞬態(tài)排放結(jié)果；對瞬態(tài)排放進行積分，得到污染物循環(huán)排放質(zhì)量，并通過OBD 系統(tǒng)讀取車輛循環(huán)功，將各污染物循環(huán)排放質(zhì)量除以循環(huán)功得出污染物比排放。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 循環(huán)比排放

熱車（冷卻液溫度70 ℃以上）條件下分別進行LLC、C-WTVC、CHTC-HT 三種工況試驗，分別計算各循環(huán)條件下NOx、PN 和CO 比排放情況，如表3 所示。

表3 各污染物在不同工況下的比排放結(jié)果統(tǒng)計

表3 所示為三種行駛工況下各污染物比排放測試結(jié)果。LLC 低負荷工況CO2比排放最高，為813.7 g/（kW·h），較CHTC-HT 和C-WTVC 工況排放分別高14%和19%。比較LLC、CHTC-HT 和C-WTVC 平均速度16.04 km/h、34.46 km/h 和40.62 km/h，LLC 工況的平均速度更低，表明其在低速下運行的占比更多，經(jīng)濟性較差，CO2排放高。對比分析，LLC 工況的NOx和PN 排放均較其他兩種工況偏高，其中NOx比排放約為C-WTVC 和CHTC-HT 工況比排放的15倍和7 倍，PN 排放較C-WTVC 工況和CHTC-HT 工況均高出2 個數(shù)量級。綜合分析，國六重型柴油車在LLC 低負荷測試條件下NOx和PN 排放較中國現(xiàn)行工況排放較高。

2.2 不同速度區(qū)間污染物排放特性

根據(jù)車速，以10 km/h 為間隔將車速劃分為9 個區(qū)間，分別計算各速度區(qū)間的污染物比排放。分析不同污染物在三種行駛工況下各速度區(qū)間的排放特性。

圖4 所示三種工況下，各速度區(qū)間的NOx比排放結(jié)果。三種工況下NOx排放主要集中在低速區(qū)間（0～50 km/h），且車輛在LLC 工況下的NOx排放表現(xiàn)最高，其中LLC、C-WTVC、CHTC-HT 三種工況均在0～10 km/h 速度區(qū)間內(nèi)比排放最高，分別為：1.14 g/（kW·h）、0.09 g/（kW·h）、0.19 g/（kW·h），表明NOx高排放區(qū)域為車輛由怠速轉(zhuǎn)為行駛的過程。當(dāng)車速大于50 km/h，三種工況下，NOx污染物排放均較低，表明車輛加速到較高車速后，后處理溫度可以滿足NOx較高的轉(zhuǎn)化效率，使得NOx排放降低。

圖4 各速度區(qū)間NOx 排放結(jié)果

圖5 所示為三種工況下，各速度區(qū)間的PN 比排放結(jié)果。LLC 工況條件下，除大于80 km/h 速度區(qū)間，其他各區(qū)間LLC 工況條件下，PN 排放更高，較其他兩種工況高出約2～3 個數(shù)量級。原因為，根據(jù)表2、圖3 可知，低負荷測試工況怠速占比高，最大加、減速度更大，噴油器瞬態(tài)響應(yīng)頻繁，擴散火焰中燃油較濃的區(qū)域容易形成高溫缺氧的環(huán)境，產(chǎn)生較多的顆粒數(shù)量。

圖5 各速度區(qū)間PN 排放結(jié)果

圖6 所示三種工況下，各速度區(qū)間的CO 比排放結(jié)果。分析可知，各速度區(qū)間CO 排放無明顯趨勢，且通過表3 可以看出，三種工況下，CO 循環(huán)比排放相差不大，表明不同工況對CO 污染物排放影響不大。

圖6 各速度區(qū)間CO 排放結(jié)果

2.3 污染物瞬態(tài)排放隨速度的變化關(guān)系

圖7 所示在C-WTVC 行駛工況條件下，CO、NOx、PN 污染物隨時間和車速的變化關(guān)系。對比表3可知，該工況下NOx和PN 污染物排放較其他工況排放更低。C-WTVC 工況下的NOx污染物瞬態(tài)排放基本維持在0.001 5 g/s 以下；PN 排放較低，平均值約為1.2 E+9#/s。CO 瞬態(tài)排放主要體現(xiàn)在車輛的加速過程，在690 s、950 s 和1 250 s 時刻附近，車速由0 km/h持續(xù)加速到60 km/h 以上時，是產(chǎn)生CO 最多區(qū)域。

圖8 所示在CHTC-HT 工況條件下，CO、NOx、PN 污染物隨時間和車速的變化關(guān)系。CHTC-HT 工況的NOx瞬時排放較C-WTVC 工況高一個數(shù)量級左右，且在390 s 左右，NOx排放出現(xiàn)較大值約為0.03 g/s，該時刻為車輛較長時間怠速之后的加速階段，怠速使得車輛后處理溫度降低導(dǎo)致SCR 轉(zhuǎn)化效率較低，尾排中NOx瞬時排放增加。對于PN 瞬態(tài)排放，1 300 s后的高車速階段排放更高。比較圖7 中C-WTVC 工況瞬態(tài)排放，CHTC-HT 工況下CO 排放略低，同樣集中在加速階段，最大瞬時值約為0.1 g/s。

圖7 C-WTVC 工況瞬態(tài)排放結(jié)果

圖8 CHTC-HT 工況瞬態(tài)排放結(jié)果

圖9 表示在LLC 工況條件下，CO、NOx、PN 污染物隨時間和車速的變化關(guān)系。LLC 工況下NOx污染物排放較其他工況更多。分析NOx瞬態(tài)排放曲線可知，高排放區(qū)域主要集中在車輛較長時間怠速然后加速的階段。主要原因為車輛怠速條件下，發(fā)動機噴油量少，排氣溫度低，且較低的排氣流經(jīng)后處理裝置，使得SCR 被降溫至低效率轉(zhuǎn)化區(qū)域。然后加速行駛過程中，燃燒室內(nèi)高溫并伴隨產(chǎn)生較多的NOx污染物，而此時的SCR 后處理器溫升滯后，轉(zhuǎn)化效率較低，車輛尾氣中NOx排放較高。隨著車速持續(xù)一段時間，排氣溫度升高，SCR 轉(zhuǎn)化效率增加，氮氧排放逐漸降低。LLC 行駛工況的PN 排放較C-WTVC 和CHTCHT 行駛工況增加兩個數(shù)量級，表明低負荷的行駛工況下，車輛尾氣中產(chǎn)生較多數(shù)量的顆粒物。顆粒物的產(chǎn)生主要集中在車速較高的區(qū)域，此時發(fā)動機功率輸出較大，噴油量增加，燃油空氣混合程度較差，產(chǎn)生較多的顆粒物。分析CO 瞬態(tài)排放，在整個LLC 循環(huán)過程中，CO 排放較低，與其他循環(huán)排放量接近。

圖9 LLC 工況瞬態(tài)排放結(jié)果

比較三種行駛工況瞬態(tài)排放可知，LLC 工況對NOx與PN 污染物排放影響較大，NOx排放主要集中在怠速之后的加速階段，LLC 工況怠速占比較多，使得NOx瞬態(tài)排放產(chǎn)生區(qū)增多；另外怠速時間越長，SCR 后處理效率降低越多，NOx瞬態(tài)排放量越多。LLC 工況下，PN 瞬態(tài)排放較其他兩工況高出2 個數(shù)量級，可解釋為LLC 工況較其他工況最大加、減速度更高，需要噴入更多燃油，燃料局部分布不均勻，產(chǎn)生較多顆粒物。LLC 工況的CO 排放與C-WTVC 和CHTC-HT 工況排放差別不大。綜上可知，LLC 工況較高的怠速占比以及更高的加、減速度使得NOx和PN 污染物排放更高。因此，怠速條件及較大加速條件下的排放控制優(yōu)化是重型車進一步減排的關(guān)鍵。

2.4 LLC 累積排放分析

將C-WTVC、CHTC-HT 和LLC 三種工況下的CO、NOx、PN 污染物進行逐秒累積，分析不同污染物累積排放隨時間的變化規(guī)律。

圖10～圖12 表示車輛在三種工況下行駛時的污染物累積排放結(jié)果。其中C-WTVC 和CHTC-HT工況測試時間為1 800 s，LLC 工況測試時間為5 505 s，同一車輛完成C-WTVC、CHTC-HT 和LLC 三種循環(huán)工況，做功分別為19.7 kW·h、13.9 kW·h、23.3 kW·h。可以看出LLC 工況單位時間累積的循環(huán)功最少。相較與其它兩種工況，LLC 工況的NOx污染物排放隨時間的累積速率較快，且累積過程中存在幾次較大突升，主要對應(yīng)于車輛加速的過程，尤其是長時間怠速后的加速階段。LLC 條件下PN 累積排放，較其他循環(huán)更多。CO 排放與其他循環(huán)相差不大。綜上LLC工況代表重型車怠速情況較多且頻繁加減速的行駛狀態(tài)，該工況下NOx和PN 污染物排放量增加，發(fā)動機累積功較慢，循環(huán)比排放增加。

圖10 C-WTVC 累積排放結(jié)果

圖11 CHTC-HT 累積排放結(jié)果

圖12 LLC 累積排放結(jié)果

3 結(jié)論

本文采用一輛重型國六柴油車，基于底盤測功機方法開展LLC、C-WTVC、CHTC-HT 三種工況排放測試對比試驗研究，分析CO、NOx和PN 污染物的綜合比排放、各速度區(qū)間排放、瞬態(tài)污染物排放和累積排放，得出如下結(jié)論：

1）LLC 工況下的NOx、PN 污染物排放最高，其中NOx污染物綜合比排放分別較C-WTVC 和CHTCHT 工況排放高約15 倍和7 倍，PN 綜合比排放較其它工況高出約2 個數(shù)量級。

2）分析LLC 行駛工況的NOx瞬態(tài)排放曲線可知，高排放區(qū)域主要集中在車輛較長時間怠速然后加速的階段，LLC 工況下怠速占比更高，達到35.2%，使得發(fā)動機SCR 后處理系統(tǒng)溫度較低，未達到最佳NOx轉(zhuǎn)換效率狀態(tài)，導(dǎo)致NOx排放升高。

3）LLC 工況的NOx污染物排放隨時間的累積速率最快，且對應(yīng)于車輛加速的過程存在幾次較大突升，尤其是長時間怠速后的加速階段。另外，LLC 工況單位時間累積的循環(huán)功較少，NOx污染物比排放較高。