N2類車在“國六”標準下的實際道路排放分析

向橄，杜寶成，徐劃龍，冉林堯

（1.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；2.車輛排放與節能重慶市重點實驗室，重慶 401122）

前言

N2類車因其體積較小、靈活、在中低強度運輸活動中的高便利性、高載重利用率等因素，使其在運輸行業里有著較高的保有量；相應的，該類貨車的使用特性決定了其往往有著較為突出的污染物排放水平。近期，國內發布了《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）》（下文統稱：“國六”）標準的正式發布稿。其中，針對N2類貨車的實際道路排放，標準對試驗方法進行了一定的調整，并且大幅調低了NOx排放的限值。目前各車輛生產企業對排放的控制技術均以滿足《GB 17691-2005—車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》（下文統稱：“國五”）標準為目標，在“國六”標準即將實施的背景下，企業有必要了解符合“國五”標準的在用N2類車在“國六”標準下進行實際道路排放測試時的排放水平，作為技術改進的依據。

1 標準中關于實際道路排放試驗技術要求的變化

對于N2類貨車在實際道路排放測試中，“國六”標準對比現階段“國五”標準主要有以下變化：排放限值、環境條件、道路工況各階段時間分配比例。

1.1 排放限值

“國六”標準中關于壓燃式發動機汽車實際道路排放試驗的排氣污染物計算方法與“國五”標準一致，均采用功基窗口法，且窗口大小的計算方式沒有發生變化。“國六”標準中對于實際道路排放試驗的NOx限值有了極大的加嚴，具體如表1中所示，CO的排放限值沒有發生變化而重點在于NOx排放限值的變化達到了一個數量級，對比“國五”標準降低了82.75%。在逐秒采集的排放數據中，“國六”要求95%以上的數據點的NOx排放濃度小于500ppm，而在“國五”標準中，這一要求為 95%以上的數據點的 NOx排放濃度小于900ppm。

表1 壓燃式發動機排放限值

1.2 環境條件

表2為各階段標準對試驗環境條件的要求。“國六”標準中對于實際道路排放試驗的溫度條件要求更加細化，其上限需要結合測試時的大氣壓力進行計算得到；而測試海拔相較于”國五”標準進行了大幅度拓展，測試車輛甚至需要在相對較為高原的環境中試驗，此環境條件下，大氣壓力降低，空氣阻力小，可能造成測試車輛發動機需求功率下降，進而影響排放的窗口計算。

表2 環境條件

1.3 道路工況各階段時間分配比例

圖1 N2類車測試工況各階段時間分配比例

針對N2類貨車，“國六”標準沿用了“國五”標準關于道路工況各階段的平均車速的要求。主要的變化來自于各階段時間分配比例，“國六”標準大幅提高了市區路工況的時間占比。市區的工況從最低的時間占比20%提高至了接近總時間一半的45%，大幅縮短了高速路的時間比例。

2 試驗設計

通過上述標準變更，由“國六”與“國五”標準變化引起的實際道路排放測試實驗的主要差異有：

①環境條件。包括溫度、海拔。

②測試工況各階段時間分配比例。

因此我們分別設計兩組試驗：

表3 試驗編號

著重針對兩組試驗結果中CO與NOx污染物的排放特性進行對比。

2.1 邊界條件的控制

2.1.1 試驗環境溫度控制

環境條件中溫度的變化受測試時的天氣、地點的影響，會造成進、排氣溫度變化、污染物分析傳感器精度改變，進而造成排放結果有一定的波動。測試時選擇晴朗天氣，且環境溫度應同時滿足“國五”標準與“國六”標準；兩次試驗的起始溫度、結束溫度以及平均溫度差控制在合理的范圍內，避免對兩次試驗結果的對比產生干擾。

2.1.2 試驗海拔控制

為使海拔條件達到“國五”標準與“國六”標準規定的要求，通過合理的路線選擇，使試驗路線中任意點的海拔不超過 1000m，且起止點海拔差不超過 100m、累計正海拔高度增量不超過的1200m/100km。在固定或近似的測試路線前提下，海拔條件近乎一致，參照不同標準下進行多次試驗，其結果的差異幾乎不會受到海拔因素的影響。

2.1.3 測試工況各階段時間分配比例

選取的試驗路線在滿足上述溫度、海拔條件的前提下，結合當地交通狀況，使試驗時各階段時間分配比例滿足標準要求，即：

① a試驗：市區：市郊：高速=20:25:55

② b試驗：市區：市郊：高速=45:25:30

根據標準規定，實際的構成比例允許有±5%的誤差。

2.2 測試設備

試驗采用日本HORIBA公司生產制造的OBS-2200車載排放測試系統，其測量主要原理分別為：CO—非分光紅外線法（NDIR）、NOx—化學發光法（CLD）。該設備集成了排氣污染物采集與分析、GPS信號、氣象站等數據采集分析單元，精度滿足“國五”與“國六”標準的要求。

2.3 試驗車輛

選取一臺具有代表性的“國五”標準在用N2類貨車作為試驗車輛，主要參數見表4：

表4 試驗車輛信息

該車車況良好，無故障，符合本次試驗的需求。

3 結果對比分析

3.1 試驗有效性判定

3.1.1 邊界條件符合性

表5為a、b兩組試驗的測試邊界條件參數。試驗時選擇同一出發地作為試驗的起始點；按照試驗設計及標準的要求所選擇的試驗路線，最終的測試工況各階段時間分配比例如圖2所示；為滿足標準對冷啟動的要求，兩次試驗隔天進行，且天氣狀況理想。可以判定，本次對比試驗的邊界條件滿足試驗設計及標準的要求。

表5 測試邊界條件

圖2 各階段實際時間分配比例

3.1.2 窗口有效性

“國五”與“國六”標準中要求試驗數據的有效窗口數在規定的功率比界限下應不小于50%，表6為兩組試驗的有效窗口占比數，兩組試驗結果的有效窗口占比均達到了50%以上，可以判定本次對比試驗的道路排放數據有效。

表6 有效窗口占比

3.1.3 結合以上兩點，可以判定本次對比試驗中a、b兩組試驗的結果是有效的。

3.2 試驗駕駛工況比對

圖3 a、b試驗速度-時間工況圖

試驗的駕駛工況曲線如圖3所示。a、b兩組試驗對比發現，b組試驗的市區階段的比例較a組明顯增多，由于市區路車流量大、紅綠燈多等原因，交通狀況最為復雜，駕駛的加、減速工況會隨著階段比例的升高而變多；市郊階段a組駕駛相對平緩，b組因實際的交通狀況引起了較為明顯的車速波動；高速階段兩組試驗均包含一定的加減速工況。

3.3 CO排放數據對比

表7 CO排放結果

CO排放結果顯示，b組試驗與a組試驗的CO比排放結果成正比，參照“國六”標準進行的b組試驗的CO比排放有一定升高，但變化不大，引起該排放差異的因素可能為駕駛工況的變化。兩次試驗的CO排放水平均能夠滿足對應標準中CO比排放的限值。

3.4 NOx排放數據對比

表8 NOx排放結果

NOx總排放結果中，b組實驗NOx的排放水平較a組有約 89%的升高，接近一倍，按照“國六”標準進行的試驗NOx排放水平明顯惡化。通過圖4、圖5中兩組試驗的秒采排放特性圖分析，NOx高峰值頻繁出現在車速波動處，加速運動將觸發NOx污染物的高瞬間排放。從圖.3可看出，駕駛車速的波動主要集中于市區階段，b組試驗較a組試驗有更長的市區工況時間，可能是其NOx排放水平升高的因素。a組試驗中市郊階段行駛平緩，NOx的瞬態排放也相對平穩；而b組試驗市郊階段駕駛工況相對更復雜，NOx的瞬態排放波動明顯。根據“國六”標準中對NOx比排放的限值要求，b組試驗NOx比排放結果嚴重超標，達到限值的數倍。

通過讀取秒采數據分析，a組試驗中 NOx濃度不高于900ppm的數據點占比為98.6%，滿足“國五”標準的要求；而 b組試驗中 NOx濃度不高于 500ppm的數據點占比為84.7%，不符合標準要求的最低限值95%。

圖4 a組試驗排放特性圖

圖5 b組試驗排放特性圖

4 結論

①現階段“國五”N2類車在實際道路排放測試中CO的排放水平可以滿足“國六”標準的要求，針對CO排放污染物的后處理系統可以沿用目前的技術路線。

②現階段“國五”N2類車在實際道路排放測試中 NOx的比排放水平遠高于“國六”標準的限值，車輛生產企業應著重針對NOx后處理系統進行技術改進。

③現階段“國五”N2類車尾氣排放的NOx濃度高峰點過多，不符合“國六”標準的要求，生產企業應采取一定技術方法削弱NOx的高瞬間排放水平。

④駕駛工況的改變可能是“國五”N2類車在“國六”標準規定下實際道路排放測試結果明顯惡化的原因。由于樣車不足，需進一步驗證。