環(huán)境溫度對重型柴油車整車排放影響研究

郭 勇 李 博 顏 燕 高忠明

（1-天津大學(xué) 天津 300072 2-中國汽車技術(shù)研究中心有限公司）

引言

隨著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(shù)要求》[1]和DB11/965-2017《重型汽車排氣污染物排放限值及測量方法（車載法第IV、V階段）》標(biāo)準(zhǔn)開始實(shí)施，重型車整車實(shí)際道路排放測試方法和排放限值有了法律依據(jù)和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。同時重型車國六車載排放標(biāo)準(zhǔn)也處于送審階段，國六階段法規(guī)不僅加嚴(yán)了排放限值，NOx比排放整體為0.69 g/（kW·h），而且對于試驗(yàn)環(huán)境溫度的要求更加嚴(yán)苛，其規(guī)定試驗(yàn)環(huán)境溫度不低于-7℃[2]。對于后處理系統(tǒng)采用SCR技術(shù)路線國六重型柴油車，低溫環(huán)境使其滿足極低的排放限值面臨較大的壓力，因?yàn)榈退俟rSCR系統(tǒng)本就處于尿素未噴射或NOx轉(zhuǎn)化效率較低階段，再加上低溫條件對排溫和尿素箱的影響，尿素噴射就更加困難[3]，因此有必要對環(huán)境溫度對國六重型柴油車的整車排放影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，從而提出相應(yīng)的解決策略。

1 重型車PEMS試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)采用AVL MOVE便攜式車載排放設(shè)備對2輛重型國六柴油車進(jìn)行實(shí)際道路排放測試，依據(jù)《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)與汽車排氣污染物排放限值與測量方法（中國第六階段）》二次征求意見稿，分別在兩地對2輛車進(jìn)行了低溫和高溫環(huán)境條件下的多次測試，試驗(yàn)前采用Span氣和零氣對試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，試驗(yàn)中實(shí)時采集各排氣污染物濃度和發(fā)動機(jī)ECU數(shù)據(jù)，最終通過計(jì)算得到整個試驗(yàn)工況的NOx和PN平均比排放。因本文以溫度條件對排氣污染物的影響做重點(diǎn)研究，試驗(yàn)結(jié)果分析不對各污染物的窗口通過率予以評價(jià)。圖1為重型車AVL MOVE設(shè)備裝車后的示意圖。

圖1 AVL MOVE便攜式車載排放測試設(shè)備

2 試驗(yàn)方法和條件

試驗(yàn)以M3類城市客車和N2類貨車各一輛作為測試樣本，按照市區(qū)、市郊和高速的連續(xù)工況行駛，按時間比例，M3類車為70%市區(qū)工況和30%市郊工況，N2類車市區(qū)、市郊和高速工況比例分別為45%、25%和30%，圖2、3所示為2輛車的實(shí)際道路工況分布，滿足法規(guī)要求的±5%偏差要求。發(fā)動機(jī)冷卻液溫度在70℃以上或在5 min之內(nèi)變化小于2℃，測試數(shù)據(jù)用于排放達(dá)標(biāo)與否的判定，試驗(yàn)車輛的累積功達(dá)到4～7倍的WHTC循環(huán)功后，試驗(yàn)結(jié)束[1-2]。

圖2 M3類車輛工況分布

圖3 N2類車輛工況分布

2輛車在低溫和高溫環(huán)境分別進(jìn)行了3次試驗(yàn)，文中所有數(shù)據(jù)均為各載荷狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果平均值。試驗(yàn)所處低溫環(huán)境溫度范圍為-4.1～1.7℃，高溫環(huán)境溫度范圍為29.9～41.6℃。

3 環(huán)境溫度對NOx比排放的影響

M3和N2類車在低溫和高溫環(huán)境下分別進(jìn)行了半載和空載狀態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1 M3類國六車NOx總比排放對比

圖4為M3類車各試驗(yàn)載荷狀態(tài)下的環(huán)境溫度對比，低溫和高溫的平均溫度最大相差38.22℃。如圖5所示，低溫環(huán)境下，半載和空載條件下的NOx總比排放分別為1.44 g/（kW·h）和1.34 g/（kW·h），而高溫環(huán)境下，2種載荷條件下的NOx總比排放分別為0.82 g/（kW·h）和0.73 g/（kW·h）。那么與高溫環(huán)境相比，低溫環(huán)境下該車半載和空載狀態(tài)的NOx總比排放分別增加43.0%和45.5%。

圖4 M3類車試驗(yàn)環(huán)境溫度

圖5 M3類車NOx總比排放

3.2 N2類國五車NOx總比排放對比

N2類車僅做了空載狀態(tài)試驗(yàn)，如圖6所示，高溫和低溫環(huán)境溫度差值為37℃。如圖7所示，低溫環(huán)境下，NOx總比排放為1.21 g/（kW·h），高溫環(huán)境其總比排放僅為0.21 g/（kW·h），因此低溫環(huán)境下NOx總比排放整體增加了82.6%，

圖6 N2類車試驗(yàn)環(huán)境溫度

圖7 N2類車NOx總比排放

4 環(huán)境溫度對PN比排放的影響

4.1 M3類國六車PN總比排放對比

如圖8所示，M3類車低溫條件下半載和空載狀態(tài)PN總比排放分別為2.92×1011#/（kW·h）和4.50×1011#/（kW·h），高溫環(huán)境下2種載荷條件下的PN總比排放分別為8.66×1011#/（kW·h）和6.62×1011#/（kW·h）。因此，PN比排放在高溫條件下分別增加196.6%和47.1%。

圖8 M3類車PN總比排放

4.2 N2類國五車PN總比排放對比

如圖9所示，N2類車低溫和高溫環(huán)境下的PN總比排放分別為4.24×1010#/（kW·h）和2.85×1010#/（kW·h），從結(jié)果對比來看，高溫環(huán)境下的PN總比排放降低了32.7%，該結(jié)果與M3類國六車的趨勢相反。

圖9 N2類車PN總比排放

5 試驗(yàn)過程分析

如圖10所示，M3類車在2種環(huán)境溫度下的運(yùn)行速度比例控制基本一致。從圖11低速工況500 s時間的局部放大圖可以看出，NOx瞬時排放在低溫環(huán)境下整體高于高溫環(huán)境，低溫環(huán)境的NOx整體瞬時排放平均值為80×10-6，而高溫環(huán)境的排放均值為59×10-6，因此低溫環(huán)境下的NOx比排放增加。從圖12 SCR入口溫度曲線對比圖可以看出，低溫環(huán)境的SCR入口平均溫度為267℃，而高溫條件下其平均溫度為291℃，低溫環(huán)境整體平均溫度損失24℃。從對比圖中可以看出，市郊工況的溫度差值拉大，主要是隨著車速增加對流傳熱損失增大，從增壓器出口到SCR入口的排氣管散熱損失增加，SCR入口溫度整體降低更多。因而SCR系統(tǒng)需要較長時間達(dá)到起噴溫度，在高速工況盡管SCR入口溫度有所提升，但較高溫狀況仍然偏低，SCR轉(zhuǎn)化效率整體偏低，這兩點(diǎn)足以導(dǎo)致低溫環(huán)境NOx排放偏高。

圖10 M3類車車速分布

圖11 M3類車市區(qū)工況500 s NOx瞬時排放

圖12 M3類車SCR入口溫度

如圖13～15所示，N2類車較M3類城市車輛的運(yùn)行工況增加了高速工況，2種環(huán)境溫度下均按照法規(guī)要求比例運(yùn)行，車速分布如圖13所示。從圖14 NOx瞬時排放曲線可以看出，高溫狀態(tài)下，NOx整體的瞬時排放均低于低溫環(huán)境，高溫環(huán)境下的整體NOx平均瞬時排放為1.8×10-6，而低溫環(huán)境下的平均值為90×10-6，兩者相差巨大。同樣也是由于低溫環(huán)境的排氣管熱損失增加，導(dǎo)致SCR入口平均溫度降低所致，這點(diǎn)從圖14 SCR出口排溫分布曲線可以看出。在低速段兩者差異較小，但在高速工況，排溫差值明顯增加，最大處的排溫相差約45℃。

圖13 N2類車車速分布

圖14 N2類車NOx瞬態(tài)排放

圖15 N2類車SCR出口排溫

6 結(jié)論

1）環(huán)境溫度對重型柴油車的NOx排放影響較大，無論是國五還是國六重型柴油車，低溫使整車NOx排放呈現(xiàn)惡化趨勢，文中所選N2類車，低溫環(huán)境下NOx最大增加82.6%。

2）環(huán)境溫度對重型柴油車的整車PN比排放影響趨勢不確定，M3類車低溫條件下PN比排放惡化較嚴(yán)重，但N2類車高溫環(huán)境下的PN比排放增加，這點(diǎn)應(yīng)該與車輛的后處理技術(shù)路線和標(biāo)定策略相關(guān)性較大。

3）低溫環(huán)境對于采用SCR后處理系統(tǒng)的重型柴油車影響較大，尤其是對低速工況占比較大的城市車輛影響嚴(yán)重。