車輛載荷對國六重型柴油車排放的影響研究

許家毅 劉寶利 張佑源 郭 勇 劉 麟

（1-東風柳州汽車有限公司 廣西 柳州 450045 2-中國汽車技術研究中心有限公司）

引言

氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）是柴油車的主要排氣污染物，對大氣環境及人類身體健康產生危害。全國柴油車的NOx排放接近汽車排放總量的70%，PM 排放超過汽車排放總量的90%[1]。為了有效控制重型柴油車污染物排放，中華人民共和國生態環境部于2019 年7 月開始實施GB17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（簡稱國六排放標準）[2]。

隨著國六排放標準的實施，滿足國六排放標準的重型柴油車（簡稱國六重型柴油車）的排放控制受到各方重視。楊情操等[3]、夏宗寶等[4]、帥石金等[5]以及Toenges N.等[6]對重型柴油車實現國六排放標準的技術路線及排放影響進行了研究，認為國六重型柴油車NOx排放對空氣質量的影響可以忽略不記；郭勇等人就環境溫度對國六重型柴油車的排放影響進行了研究，發現低溫環境導致整車NOx排放增加，而低溫環境對顆粒數量（PN）的影響則沒有確定的趨勢[7]；汪曉偉等人就高原環境對國六重型柴油車的排放進行了研究，發現海拔高度增加不一定導致顆粒物增加[8]。

載荷變化對重型柴油車主要污染物排放具有一定影響，國六排放標準增加了實際道路排放隨載荷變化的控制要求。王剛等人就2 種技術路線的重型車整車載荷對排放的影響進行了研究[9]，但研究方法主要采用轉榖臺架的C-WTVC 循環，載荷在實際道路中對重型車排放的影響研究相對較少。

本文利用便攜式排放測試系統（portable emission measure system，PEMS）對實際道路狀態下某國六重型柴油車不同載荷的主要排氣污染物進行了測試，就載荷對整車主要排氣污染物的影響機制進行了分析，以期對國六重型柴油車減排系統的開發提供有效參考。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗樣車與柴油機及后處理系統

本試驗樣車以及使用的燃油、反應劑均符合國六排放標準。

樣車為N3 類半掛牽引車，整車參數如表1 所示。

表1 整車技術參數

試驗樣車搭載的柴油機進氣系統采用增壓中冷技術，供油系統采用高壓共軌技術。為減少原機排放，采用了廢氣再循環（EGR）和高壓噴射等缸內清潔燃燒技術。柴油機主要技術參數如表2 所示。

表2 柴油機主要技術參數

與柴油機匹配的后處理系統包括：氧化型催化轉化器（DOC）、顆粒捕捉器（DPF）、選擇性催化還原器（SCR）和氨逃逸催化器（ASC）。其中，DOC 是為了氧化尾氣中的HC，生成熱量以輔助DPF 再生；DPF是為了捕集尾氣中的顆粒物；SCR 的作用則是向尾氣中噴射尿素溶液，從而降低尾氣中的NOx；ASC 用來處理因為尿素水溶液多噴而造成的氨氣泄漏[10]。后處理系統的具體技術參數如表3 所示。

表3 后處理系統技術參數

1.2 污染物采集與分析方法

1.2.1 試驗設備及連接

采用HORIBA 公司生產的OBS ONE 車載排放測試設備對試驗樣車行駛過程中的主要排氣污染物進行測試，測試設備與整車的連接方式如圖1 所示。

圖1 PEMS 設備連接示意圖

1.2.2 評價指標及計算方法

1）平均有效窗口比排放

國六重型柴油車實際道路排放基于功基窗口法，評價指標為90%以上的有效窗口排氣污染物的窗口比排放均小于整車試驗排放限值[2]。為了量化整個PEMS 試驗過程中每一種污染物的有效窗口比排放，本文將所有有效窗口比排放的平均值規定為平均有效窗口比排放（簡稱平均窗口比排放），計算公式為：

式中：EFgas表示排氣污染物的平均窗口比排放，mg/（kW·h）；表示第i 個有效窗口排氣污染物排放量，mg；表示第i 個有效窗口功，kW·h；t1i和t2i分別表示第i 個有效窗口開始和結束的時間，s。

2）行駛工況比排放

功基窗口法無法統計無效窗口的排氣污染物，為了更好地評價某一行駛工況下的排氣污染物水平，本文采用行駛工況內車輛排氣污染物排放總質量與做功量的比值，即排氣污染物比排放來評價某一行駛工況下的排氣污染物水平，其計算公式為：

式中：Egas表示排氣污染物行駛工況比排放，mg/（kW·h）；t1和t2分別表示行駛工況開始和結束的時間，s。

1.3 測試循環介紹

重型柴油車國六排放標準中，判斷受檢整車氣態污染物和粒子數量是否超標，采用的是非標準循環中的PEMS 試驗程序[2]。PEMS 試驗程序要求按照正常駕駛特征、行駛條件和載荷在實際道路上測試車輛排氣污染物，根據平均行駛車速將道路類型劃分為市區路、市郊路和高速路，并根據整車分類劃分市區路、市郊路和高速路的時間占比，最短持續測試時間要求測試車輛累計功達到發動機WHTC 循環功的4～7 倍。本試驗樣車為N3類貨車，市區路、市郊路和高速路時間劃分比例分別為20%、25%和55%，持續測試時間均達到最短持續測試時間要求。

2 試驗結果

2.1 載荷對國六重型柴油車主要污染物的影響

2.1.1 載荷對NOx排放的影響

圖2 為不同載荷下的NOx平均窗口比排放對比。

從圖2 可以看出，車輛在10%、50%、100%載荷條件下的NOx平均窗口比排放分別為319.2、139.3、118.7mg/（kW·h）。隨著載荷的增加，NOx平均窗口比排放逐漸降低，50%、100%載荷下的NOx平均窗口比排放分別為10%載荷下的43.6%和37.2%。由此可見，國六重型柴油車在低載荷條件下NOx排放超標風險最為嚴重。

圖2 各載荷下NOx 平均窗口比排放

2.1.2 載荷對PN 排放的影響

圖3 為不同載荷下的PN 平均窗口比排放對比。

圖3 各載荷下PN 平均窗口比排放

從圖3 可以看出，車輛在10%、50%、100%載荷條件下的PN 平均窗口比排放分別為1.06×1010、6.72×1010、2.34×1011#/（kW·h）。隨著載荷的增加，PN平均窗口比排放成倍增加，50%、100%載荷下的PN比排放分別為10%載荷下的6.3 倍和22.1 倍。由此可見，國六重型柴油車在高載荷條件下PN 排放超標風險最為嚴重。

2.2 各行駛工況下載荷對國六重型柴油車主要污染物排放的影響

為了進一步分析載荷對國六重型柴油車主要排氣污染物的影響，將載荷對各行駛工況下的主要污染物排放的影響進行了工況比排放統計處理。

2.2.1 各行駛工況下載荷對NOx排放的影響

各行駛工況下，載荷對NOx排放的影響如圖4所示。

從圖4 可以看出，10%載荷下，相對于市郊、高速行駛工況，市區行駛工況NOx比排放偏高明顯，分別是市郊、高速行駛工況的5.3 倍和3.4 倍；50%、100%載荷下，市區、市郊、高速行駛工況NOx比排放差距不太大。

圖4 各載荷下NOx 工況比排放

2.2.2 各行駛工況下載荷對PN 排放的影響

各行駛工況下，載荷對PN 排放的影響如圖5所示。

圖5 各載荷下PN 工況比排放

從圖5 可以看出，10%、50%、100%載荷下，PN排放均隨市區、市郊、高速行駛工況的變化呈上升趨勢。其中，10%載荷條件下，市區、市郊、高速行駛工況PN 比排放均比較低；50%、100%載荷條件下，高速行駛工況PN 明顯增加，其中100%載荷條件下，高速行駛工況PN 比排放增加最為明顯，分別為10%、50%載荷高速行駛工況PN 比排放的29.9 倍和3.95 倍。可知，國六重型柴油車在高載荷、高車速條件下行駛，PN 排放最高。

3 結果分析

3.1 重型柴油車主要排氣污染物生成機理及控制技術

柴油車的動力系統由于采用稀燃模式，HC 和CO 排放相對較低，排放控制的重點是NOx和PM。其中，NOx主要產生于缸內高溫、富氧狀態，PM 的產生則是由于缸內燃油過濃區高溫缺氧形成碳煙。國六重型柴油車對主要排氣污染物NOx、PM 的控制除采用EGR、高壓噴射以及增強缸內氣流的缸內清潔燃燒技術以外，主要依賴于SCR、DPF 等高效后處理技術。

試驗樣車搭載的銅基分子篩SCR 系統清除NOx的反應效率主要受催化劑溫度影響，如圖6 所示。40 000 h-1空速下，NOx轉化效率隨SCR 處排氣溫度增加而增加。

圖6 整車搭載的SCR 系統40 000 h-1 空速下NOx 轉化效率

柴油機顆粒捕集器（DPF）對排氣中顆粒物的過濾效率一般高達90%，是降低柴油車顆粒物排放的有效技術手段。

3.2 試驗過程數據分析

圖7 為在各載荷PEMS 試驗程序下車速隨時間的變化關系。

圖7 不同載荷條件下PEMS 試驗程序車速變化

從圖7 可以看出，各載荷PEMS 試驗循環市區、郊區、高速行駛工況占比一致。隨著載荷的增加，PEMS 循環試驗總時間縮短。這是因為，PEMS 循環的試驗時間是基于發動機臺架世界統一瞬態循環（WHTC）總功的倍數判定的。PEMS 循環累計做功達到WHTC 循環功的4～7 倍即判定試驗有效，整車載荷越高，發動機輸出功率越高，PEMS 循環所需試驗時間越短。

圖8 為在各載荷PEMS 試驗程序下排氣溫度隨時間的變化關系。

圖8 不同載荷條件下PEMS 試驗程序排氣溫度變化

從圖8 可以看出，排氣溫度隨載荷的增加而增加。從單一載荷來看，排氣溫度隨行駛工況從市區、市郊、高速變化呈增加趨勢。

圖9 為在各載荷PEMS 試驗程序下NOx排放濃度隨時間的變化關系。

圖9 不同載荷條件下PEMS 試驗程序NOx 排放濃度變化

從圖9 可以看出，50%、100%載荷下，NOx排放濃度相對較低，普遍低于50×10-6；10%載荷前1 000 s的NOx排放濃度相對較高，最高達到900×10-6，其余時間的NOx排放濃度相對較低。這是10%載荷下，市區工況NOx比排放比市郊、高速行駛工況明顯偏高的原因（參見圖4）。導致10%載荷前1 000 s 的NOx排放濃度異常高的原因是排氣溫度過低引起的SCR效率偏低或沒有達到SCR 反應劑的噴射溫度（參見圖6）。

圖10 為在各載荷PEMS 試驗程序下PN 排放濃度隨時間的變化關系。

圖10 不同載荷條件下PEMS 試驗程序PN 排放濃度變化

從圖10 可以看出，10%載荷整個PEMS 循環過程PN 排放濃度相對較低，平均值為1 509#/cm3；50%載荷PEMS 循環前6 500 s 的PN 排放濃度平均值為7 207#/cm3，6 500 s 以后的PN 排放濃度平均值增至42 626#/cm3；100%載荷PEMS 循環前3 000 s 的PN排放濃度平均值為3 781#/cm3，3 000 s 以后的PN 排放濃度開始增加，PN 平均排放濃度達到50 041#/cm3，4 500 s 之后的PN 排放濃度平均值為136 885#/cm3。導致50%載荷及100%載荷PEMS 試驗程序下PN排放濃度增加的原因是DPF 在相應工況下的排氣溫度達到了被動再生的高效溫度（胡國強的研究表明，DPF 入口排氣溫度對被動再生速率有明顯影響，入口排氣溫度在250 ℃左右時，被動再生反應速率非常緩慢，但相同碳載量下入口溫度在320 ℃時，再生速率可達250 ℃時的10 倍[11]。），附著在DPF 載體表面的顆粒物發生再生反應之后引起DPF 過濾網孔增大，從而導致DPF 過濾效率下降。

4 結論

1）載荷對實際道路主要排氣污染物影響趨勢不同，隨著載荷的增加，NOx平均窗口比排放逐漸降低，50%、100%載荷下的NOx平均窗口比排放分別為10%載荷下的43.6%和37.2%。隨著載荷的增加，PN平均窗口比排放成倍增加，50%、100%載荷下的PN比排放分別為10%載荷下的6.3 倍和22.1 倍。

2）10%載荷市區行駛工況下，NOx比排放最高；100%載荷高速行駛工況下，PN 比排放最高。因此，對于載荷相對較低的國六重型柴油車應當重視對NOx的控制，對于應用載荷較高且長期高速行駛的國六重型柴油車應當加強PN 排放的控制。

3）載荷對國六重型柴油車排氣污染物的影響，實質上與載荷變化引起的排氣溫度變化有關，低載荷市區行駛工況下，排氣溫度相對較低，SCR 催化轉化效率較低，NOx排放較高；高載荷高速行駛工況下，排氣溫度達到DPF 被動再生高效溫度，DPF 過濾效率下降，導致PN 排放相對其他行駛工況數倍增加。