重型商用車瞬態(tài)工況NOx排放特征分析

劉剛 李靜靜 王興元 李建東

【摘要】為分析瞬態(tài)工況對重型商用車NOx排放的影響，通過對重型商用車瞬態(tài)運行工況進行分類，在冷車起步、行駛中停車起步、通過高速公路收費口、超越加速4個典型工況下針對NOx排放特征開展試驗研究，結(jié)果表明：瞬態(tài)工況會引起NOx排放量升高，尿素溶液的消耗量相對于穩(wěn)態(tài)工況增加了約0.86～4倍。

關(guān)鍵詞：重型商用車 瞬態(tài)工況 NOx排放 超越加速

中圖分類號：U467.1+1? ?文獻標(biāo)志碼：A? ?DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230080

Analysis of NOx Emission Characteristics of Heavy-Duty Commercial Vehicles in Transient Conditions

Liu Gang1，2， Li Jingjing1，2， Wang Xingyuan1，2， Li Jiandong1，2

（1. State Key Laboratory of Engine Reliability， Weifang 261061; 2. R&D Center， Weichai Power Co.， Ltd.， Weifang 261061）

【Abstract】To analyze the influence of transient conditions on NOx emission of heavy duty commercial vehicles， by classifying the transient operating conditions of heavy-duty commercial vehicles， the NOx emission characteristics were tested under four typical operating conditions， including cold car start， stop and start while driving， driving through highway toll gates， and overtaking acceleration. The test results show that the transient condition will cause the NOx emission to rise， and increase the consumption of urea solution， which is about 0.86～4 times of the steady condition.

Key words： Heavy-duty Commercial Vehicles， Transient conditions， NOx emissions， Overtaking acceleration

【引用格式】劉剛， 李靜靜， 王興元， 等. 重型商用車瞬態(tài)工況NOx排放特征分析[J]. 汽車工程師， 2024（6）： 42-48.

LIU G， LI J J， WANG X Y， et al. Analysis of NOx Emission Characteristics of Heavy-Duty Commercial Vehicles in Transient Conditions[J]. Automotive Engineer， 2024（6）： 42-48.

1 前言

車輛行駛過程中，受車型、地形、路況、駕駛行為等的影響，動力系統(tǒng)經(jīng)常處于瞬態(tài)運行工況，其性能、污染物排放量等與穩(wěn)態(tài)工況差異較大[1]。本文基于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）》分析冷車起步、行駛中停車起步、通過高速公路收費口、超越加速4種瞬時工況對整車NOx排放的影響。

2 試驗測試

2.1 試驗條件

試驗設(shè)備采用奧地利AVL李斯特公司的便攜式排放測試系統(tǒng)（Portable Emission Measurement System，PEMS），如圖1所示[2]。

試驗車輛為某自卸車，車輛主要參數(shù)如表1所示，車輛載荷為裝載質(zhì)量的100%。

試驗行駛路線與整車道路排放試驗相同。試驗方法、數(shù)據(jù)計算處理方法采用整車道路排放試驗中的功基窗口法[3]。

2.2 試驗方案

研究表明，急加速等瞬態(tài)工況對NOx排放的影響較大[4]，故本文從整車動力學(xué)理論出發(fā)，結(jié)合行程動力學(xué)的應(yīng)用，分析起步加速和超越加速兩類工況對NOx排放的影響。試驗方案如下：

a. 整車瞬態(tài)工況識別。整車瞬態(tài)工況最直觀的表現(xiàn)為車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油門開度、加速度等參數(shù)的突然變化[5]，首先進行瞬態(tài)工況類型識別，包括冷車起步、行駛中停車起步、通過高速公路收費口、超越加速、上坡下坡等，本文主要研究除坡度影響外的其他工況類型。

b. 相關(guān)因素分析。從排氣溫度、上游NOx排放量、下游NOx排放量、尿素噴射量等方面分析瞬態(tài)工況下的變化趨勢。

c. 產(chǎn)生影響分析。分析瞬態(tài)工況對NOx排放量、尿素消耗量等方面的影響。

3 試驗分析

3.1 起步加速

3.1.1 冷車起步加速

冷車起步是存在較多復(fù)雜工況的階段，受油門、擋位、駕駛習(xí)慣等多方面的影響。研究表明，在整車道路排放試驗中，冷車起動時間占試驗全程時間的4.27%，但產(chǎn)生的NOx質(zhì)量占全部排放物質(zhì)量的9.59%[6]。

根據(jù)國六排放標(biāo)準，整車排放試驗應(yīng)在發(fā)動機起動前開始采集排放和測量數(shù)據(jù)，圖2所示為試驗車型的冷車起步運行工況數(shù)據(jù)。

車輛電源接通23 s后起動發(fā)動機，發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)117 s后起步，電源接通后第378 s時排氣溫度升至200 ℃（排氣后處理裝置起作用的溫度），第1 047 s時水溫升至70 ℃。相關(guān)測試結(jié)果如表2所示。

通常認為瞬態(tài)NOx排放量在50 mL/m3以下時不存在排放結(jié)果超標(biāo)風(fēng)險。從表2中可以看出，NOx排放峰值在第384 s降至50 mL/m3以下，即水溫在升至70 ℃之前排氣后處理裝置已發(fā)揮作用。從圖2中NOx瞬態(tài)排放量曲線也可看出，在水溫升至70 ℃時NOx排放量已降至正常水平。

為防止車輛冷態(tài)條件下的惡劣排放，在冷車起步階段應(yīng)增加熱管理措施，且駕駛行為應(yīng)趨于緩和，以減少冷態(tài)和瞬態(tài)同時作用對NOx排放造成的影響。

3.1.2 行駛中停車起步

行駛中停車起步工況具體包括車速下降、停車等待、起步加速、車速穩(wěn)定4個階段，加速特征曲線如圖3所示。

車輛行駛過程中在松開油門的瞬間，車速下降，發(fā)動機水溫、排氣溫度均下降，直至重新起步加速一段時間后，相應(yīng)溫度開始上升，同時，NOx排放量等參數(shù)也發(fā)生變化。

圖4所示為初始車速為32 km/h、停車時間為20 s（工況1）和40 s（工況2），以及初始車速為55 km/h、停車時間為40 s（工況3）的3種工況下排氣溫度、發(fā)動機水溫、上游NOx排放量和下游NOx排放量等參數(shù)的變化情況，主要參數(shù)變化過程如表3所示。

從表3中可以看出，停車時間越長，排氣溫度下降越多，工況1～工況3排氣溫度下降率分別為1.42%、19.23%、17.59%。工況2和工況3排氣溫度變化率相差較小，但是二者原始排氣溫度相差較大，高達56 ℃。工況2條件下停車后再次起步時排氣溫度處于尿素溶液開始噴射的臨界點（190 ℃）附近，這一現(xiàn)象從下游NOx排放量的峰值上也可以看出。在這一過程中，下游NOx排放量變化的持續(xù)時間較短，且峰值較低，即使是低車速停車時間長的工況，下游NOx排放量峰值僅為103.59 mL/m3，見圖4。

此外，從圖4中可以看出，起步時上游NOx排放量和下游NOx排放量均存在高位波動，上游NOx排放量變化遠大于下游NOx排放量變化，這將導(dǎo)致尿素溶液消耗量增加，將該工況與穩(wěn)態(tài)工況進行對比，這3種情況下的尿素溶液消耗量較穩(wěn)態(tài)行駛工況提高約2.53～4倍。

總體來看，行駛中停車起步工況排氣溫度變化約在20%以內(nèi)，對下游NOx排放造成一定的影響，但持續(xù)時間較短，相對于車輛試驗全程排放量，該部分影響可忽略，但對上游NOx排放的影響相對較大。

3.1.3 通過高速公路收費口

重型商用車在經(jīng)過高速公路收費站時可能存在減速并多次停車起步加速的過程[7]，典型的工況曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出，從第一次停車至正常行駛經(jīng)歷了多次起步過程，上游NOx排放和下游NOx排放均相應(yīng)呈現(xiàn)不同程度的波動，排氣溫度呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢。NOx排放量的瞬時變化較大，但時間較短，按照國六標(biāo)準功基窗口法計算，影響較小。圖6所示為一次完整的PEMS運行工況，其中高速段包含一段通過高速公路收費口的工況。圖7所示為按照功基窗口法計算得到的NOx窗口比排放結(jié)果。

由圖7可以看出，車輛通過高速公路收費口時NOx瞬態(tài)排放量較大，且采用功基窗口法計算時NOx有效窗口比排放升高，但相對于瞬態(tài)變化，窗口比排放變化較小。

通過高速公路收費口過程中，排放相關(guān)的主要參數(shù)變化情況如表4所示。

由表4可知，通過高速公路收費口工況下游NOx排放量峰值較大，但持續(xù)時間較短，較穩(wěn)態(tài)行駛工況增加了約50%的尿素溶液消耗量，對整體排放結(jié)果影響較小。

3.2 超越加速

超越加速會引起發(fā)動機進氣量和供油量的突變，對NOx的排放也會產(chǎn)生影響[8]。本文針對車速由30 km/h提高至50 km/h和由50 km/h提高至70 km/h 2種急加速工況進行分析。超越加速工況下工況點分布和關(guān)鍵參數(shù)曲線如圖8、圖9所示。

從圖9中可以看出：初始車速為50 km/h的工況相比于初始車速為30 km/h的急加速工況，扭矩和下游NOx排放量變化均較大，且持續(xù)時間較長；每次加速過程中排氣溫度均呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢，該現(xiàn)象由急加速時瞬時排氣流量突然增大導(dǎo)致，如圖10所示。

此外，在超越加速工況下，尿素噴射遲于進氣流量的變化，如圖11所示。液體的慣性遠大于氣體的慣性[9]，因此，類似急加速的強瞬態(tài)工況下，尿素溶液噴射量的增長滯后于進氣流量的增長，由此造成上游NOx排放量升高而尿素溶液噴射量增加滯后的現(xiàn)象，這也是導(dǎo)致下游NOx排放量較高的因素之一[10]。此時，如遇前期后處理氨存儲不足，可能會導(dǎo)致短時下游NOx排放量較大的現(xiàn)象。

根據(jù)圖9的結(jié)果，超越加速過程中，相對于上游NOx排放量，下游NOx排放量的變化較小，這必然導(dǎo)致尿素用量的增加，通過試驗得到超越加速工況下的尿素溶液消耗量較穩(wěn)態(tài)行駛工況提高約0.86～1.43倍。

4 結(jié)束語

本文針對起步加速、超越加速等常見的瞬態(tài)工況對重型商用車NOx排放量的影響進行了系統(tǒng)性試驗研究，結(jié)果表明，此類工況會在一定程度上增大車輛的NOx排放量，并相應(yīng)增加尿素溶液的消耗量，其中行駛中停車起步工況下尿素溶液消耗量最多，尿素溶液消耗量較穩(wěn)態(tài)行駛工況提高約2.53～4倍。

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（責(zé)任編輯 王 一）

修改稿收到日期為2023年9月12日。