滿足國五車載測量法排放要求的重型商用車控制策略研究

郭 威

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州545005）

2017年9月19 日，《HJ857-2017重型柴油車、氣體燃料車排氣污染物車載測量方法及技術要求》正式發布[1]，今后柴油車排放的主體責任單位由以前的發動機企業轉變為整車企業，這樣更加有利于獲取整車真實排放特性的轉變，是大勢所趨，但整車企業也面臨的較大的挑戰。由于整車配置（變速箱、后橋、輪胎等）的差異，導致了不同車輛運行時的發動機運行工況的差異，不再和以前有準確發動機轉速扭矩運行輸入點的WHTC和ETC瞬態循環工況一樣可以在發動機臺架測試時就標定好排放，整車的配置和布置對整車排放的影響也至關重要。而且部分整車企業也缺乏相應的排放控制的能力和經驗，故而需要結合整車運行特點和發動機排放控制策略，進行對應的調整，使整車排放順利滿足法規的要求。

此外，由于HJ857-2017發布后，相關地方標準已經一律作廢或無效，而作為制定嚴格地方標準的排頭兵，北京地區很可能會在DB11/965-2013的基礎上，針對國五車輛制定和實施比HJ857-2017標準嚴格而低于國六排放要求的北京地方標準，涉及的變化較多，暫不區分討論。

1 引言

工欲善其事必先利其器，想要全面滿足PEMS排放測試法規的要求，就需要對它有全面而細致的了解，充分認識其測試特點和影響因素，進而能從容的應對。

發動機作為整車排放控制的核心部件，在應對PEMS排放測試時，怎樣的排放標定策略才最合適，在應對載貨、牽引、自卸車等不同用途車輛時應該有怎樣的調整，這些是發動機廠必須研究的課題。

催化器作為發動機排放控制的核心部件之一，其體積相對較大，一般布置于車架上，其布置特點和管路的散熱情況也會較大的影響催化器的工作狀態。

由于有了整車這個載體，發動機的運行工況不再固定，整車的配置選型會對于發動機的排放結果產生直接的影響。故而整車配置的選型，也會對PEMS排放測試產生直接的影響。

最后是駕駛行為的影響，個人駕駛行為的差異肯定會在一定程度上影響排放結果，而如何盡量減少個人的駕駛行為的影響，盡量統一形成良好的駕駛方式，也是需要規范的內容。

2 法規解讀

根據HJ857-2017的排放要求：2017年10月1日后新申報公告的車型需要達標排放要求并按要求提交測試報告，已銷售的車型也要進行在用符合性檢查，這樣就要求整車企業提前做好足夠的應對準備。

PEMS測試依舊采用功基窗口法，有效性判定：有效功基窗口應占所有功基窗口的50%以上，否則試驗無效；車輛排放達標判定：滿足排放限值要求的功基窗口占有效功基窗口的比例達到90%及以上，且NOx排放濃度不高于900 ppm的數據點需要占有效數據點的比例達到95%及以上，否則判定排放超標[1]。排放限值如表1.

表1 排放限值（g/k W h）

根據之前試驗結果的經驗，有效功基窗口占所有功基窗口的比例要求都能達標，主要是滿足排放限制要求的有效功基窗口比例的問題最大，而900 ppm的NOx濃度限制對于發動機排查標定策略比較偏激的機型也是潛在的風險項。

整車的行駛路線需要按照市區-市郊-高速的順序遵循規定的車速范圍來行駛，且正式開始測試之前整車的預熱條件也要嚴格遵守法規的要求，要求在發動機啟動的20 min之內，水溫超過70℃或者5 min內的水溫變化小于2℃即需要開展試驗。故而整車的運行將是由低速逐漸到高速的過程，發動機的運行轉速和負荷，也必定是由小變大的過程。在市區和市郊路段，由于車速低，發動機輸出功率低，催化器溫度相對低，此階段的排放控制將會是整個PEMS測試的最重要路段。

另外，M1、M2、M3、N2類車輛（城市車輛除外）的市區和市郊路段時間占比由N3類的10%與10%提高到更長的20%與25%，城市車輛則沒有高速路段，市區和市郊占比分別為70%與30%，再加上不同裝載質量的區別，城市車輛通過排放的難度最大，N3類車輛相對最容易通過排放。

另外需要注意邊界條件的要求，測試的環境溫度范圍為2℃ ～38℃，海拔不超1 000 m，起始點和結束點海拔高度差不超100m，試驗累計正海拔增量不超1 200 m/100 kM（該要求借鑒了輕型汽車的排放法規要求[2]）。結合車速和預熱的要求，進行重型商用車PEMS測試試驗時需要盡可能找低溫、非山區的極限路段來進行測試。圖1所示。

圖1 某重型柴油車P E M S設備安裝圖

3 影響因素

3.1 發動機的排放控制策略

眾多周知，以前的柴油車排放控制控制點全在于發動機企業，主要有國五標準GB17691-2005規定的穩態循環ESC和瞬態循環ETC，有城市用柴油機標準HJ689-2014的瞬態WHTC循環。如圖2所示。

圖2 某發動機E T C和WH T C工況點分布圖

而進行PEMS測試試驗時，在市區和市郊路段，司機根據發動機轉速的變化和經驗選取合適檔位運行，在高速路段則大多采用最高檔，一般的牽引車和載貨車，都會使這一段的發動機轉速位于中低轉速區域以提高經濟性，自卸車等專用車則因為其特殊性而行駛工況有較大的差異。

根據圖3和圖4的對比，可知不同車型運行時的發動機運行工況很可能存在較大的差異。故而所以為了滿足排放要求，發動機的標定應該更側重于整車的常用工況轉速區域，特別是在PEMS測試試驗的市區開始階段，此時由于溫度低，尿素未噴射，需要通過標定降低發動機本體對應工作區域的排放，以保證有效數據點的NOx濃度值不至于過高。

圖3 某重型載貨車P E M S測試工況區域圖

圖4 某自卸車P E M S測試工況區域圖

3.2 保溫措施

催化器作為控制發動機控制排放的核心部件之一，隨著排放要求越來越嚴格，催化器的轉化效率也要求越來越高，目前的國五柴油商用車型，后處理系統普遍采用SCR（選擇性催化還原）的路線，少數地區的城市用車也會采用DOC+PDF+SCR的路線，都是依賴于SCR催化器中噴射尿素來降低NOx排放。

實際試驗時，有效功基窗口的排放比NOx值大多是如圖5的變化趨勢，發動機廠家為了防止尿素結晶，只有在催化器溫度達到一定值之前才會噴射尿素，因為市區市郊路段的排氣溫度低，尿素遲遲未開始噴射，故而導致NOx排放高，而尿素噴射后，能有效抑制NOx的排放，比NOx值則能有效控制。所以為了保證催化器能盡早進入工作狀態，盡快提高催化器溫度是控制排放的重要方法。

圖5 某車型P E M S測試的窗口比N O x圖

3.2.1 排氣管催化器保溫

綜合考慮成本和功能需求，國五階段的SCR催化器基本采用釩基催化器，而釩基催化器除了有高溫（大約530℃以上）出現釩逃逸的失效風險，還有低溫時對NOx的轉化效率和轉化速率都明顯降低的特點。

圖6所示為某一國五催化器在40000空速下的的溫度—轉化效率關系圖，從圖中可以看出：催化器轉化效率一般在275～250℃以下迅速降低；在溫度低時，不但催化器的轉化效率降低，而且催化器的轉化速率也會迅速下降。

圖6 某催化器的溫度-轉化效率關系圖

圖7所示為某一機型發動機增壓器出氣口到催化器的排氣管路包裹保溫材料與不包裹保溫材料的溫差對比圖，1.5 m長的排氣管路，溫度差異就已經非常明顯，中低負荷區域一般有10～20℃的溫度提升，所以包裹保溫材料，對于提高催化器溫度會有較大的作用。而催化器包裹保溫材料的效果也會根據催化器本身結構的差異而有不同程度的效果。根據目前的經驗，特別是在低溫環境或者排氣管路較長時，排氣管和催化器包裹保溫材料是非常必要的。

圖7 排氣管包裹與不包裹溫差圖

3.2.2 節氣門的影響

除了直接對排氣管路和催化器包裹保溫材料外，發動機裝配節氣門也是有效地提高中低負荷運行時排溫的措施，通過電控標定，節氣門能合理地限制進入氣缸的進氣量，特別是在發動機倒拖時能有效降低進氣量以減少催化器的散熱損失。如圖8所示的，在典型的市區和市郊路段的發動機運行區域，通過使用和標定節氣門，使該區域的排溫提高了約30℃，能極大的幫助催化器盡早進入工作狀態。

圖8 某發動機帶節氣門與不帶節氣門的全工況溫度圖

另外，EGR也是能提高排溫的發動機性能件，但是采用EGR會犧牲油耗，提高PM（顆粒物）的排放，且其會增加冷卻系統的負擔，布置影響大，不是最佳的方案。

3.3 整車配置的調整

目前國內的發動機企業，普遍采用“一機多配”的方式，即同一型號發動機，匹配多個廠家不同用途的車型；最理想的情況當然是“一機一配”，即同一型號發動機，與一車型相對應，做到車型的經濟性和排放的最優化搭配，但現實中這樣會讓發動機狀態過多，增加龐大的電控標定和設計開發工作，目前難以實行。

由于整車配置的不同和駕駛行為的差異，發動機的運行工況往往有較大的差異，但是由于發動機是同一型號，其排放標定策略不變，排放控制區域也一致。這樣就導致了同一型號發動機難以兼顧經濟性和排放的方式來滿足如此多車型的排放控制要求。適當的調整整車配置來適應發動機排放控制策略，在滿足整車排放的基礎上，也折中兼顧整車經濟性的要求，這已是目前整車排放控制的重要研究課題。

變速箱速比、輪胎規格和后橋速比的選擇，對于發動機的運行工況有決定性作用。車輛運行時的發動機轉速Ne計算公式如下[3]：×V（車速）

采用合適的變速箱速比、后橋主減速比和輪胎，結合發動機的排放控制特性，使整車運行時的發動機工況點盡量處于低排放區域，從而達標整車排放要求。

以圖9的某重型柴油車PEMS測試的發動機工況運行圖為例，在了解發動機的排放控制重點區域后，可以通過調整整車速比，即加大或者減小速比，使高速路段的運行區域向高轉速或者低轉速偏移，從而運行在排放重點控制區域，降低實際NOx排放量。

圖9 某重型柴油車的P E M S測試發動機工況運行圖

3.4 駕駛行為

駕駛行為對于測試結果的影響主要在于：駕駛員的檔位選擇是否合適，是否存在高檔低速或者低檔高速現象，是否存在過多的急加速急剎車等等，會對排放測試的結果有大約10%的影響。作為工程技術人員，不該為了通過排放測試而特意約束駕駛員的駕駛行為，而是應該努力使整車排放只要在駕駛員正常的駕駛行為之內，都能順利的達標排放要求，這才是實行實際道路排放測試的初衷。

培養駕駛員形成良好的駕駛習慣，在合適的發動機轉速下升擋和降檔，合理使用油門和剎車，不僅能有效地降低整車油耗，更能避免不良的駕駛行為導致的結果偏差，這應是我們前進的方向。

4 結論

對于重型柴油車通過PEMS排放測試法規的相關策略，具體結論如下：

（1）發動機針對實際的運行工況區域進行對應性的電控標定，特別是在市區、市郊路段，需要降低發動機本體原排的NOx排放水平。

（2）整車上針對排氣管路和催化器，做好良好的保溫措施，以保證催化器盡快提高到合適工作溫度。另外，發動機采用節氣門也是有效地提高排氣溫度的手段。

（3）可以調整整車配置：變速箱、后橋速比、輪胎直徑，來改變整車運行時的發動機運行區域，使發動機運行于排放重點控制區域，以降低NOx排放。

（4）培養駕駛員良好的駕駛習慣，降低測試過程中的不良駕駛行為導致的數據及結果的影響。

5 結束語

本文針對2017年9月19日環保部發布的《HJ85 7-2017重型柴油車、氣體燃料車排氣污染物車載測量方法及技術要求》[1]，結合個人試驗的心得和理論分析，對滿足車載測量法排放要求的重型商用車控制策略進行研究，對于相關行業人員提供一定的指導性或者參考作用。

[1]HJ857-2017.重型柴油車、氣體燃料車排氣污染物車載測量方法及技術要求[S].

[2]GB 18352.6-2016.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S].

[3]GBT27840-2011.商用車燃料消耗量測量方法》[S].