基于車載排放法商用車排放影響因素研究

張濤，王樹森，鄔忠永，梁昌水，曹原，王福宏

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061; 2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061

0 引言

隨著我國汽車保有量增大，汽車尾氣已成為城市大氣的最大污染源之一，為此國家相繼出臺了柴油車的相關排放標準[1-2]。為了應對日趨嚴格的法規要求，采用便攜式排放測量系統(portable emission measurement system, PEMS)技術，實時采集、分析不同污染物并實時監控車輛和環境等參數，完整地評估重型車輛排放情況。本文中基于PEMS，選擇不同排放階段、行業、車型、功率段、海拔的車輛進行排放測試數據采集。分析各影響因素對整車污染物排放(氣體污染物主要為一氧化碳、氮氧化物)的影響。

1 試驗設備配置及相關法規

1.1 試驗設備

圖1所示為PEMS系統的取樣、分析流程。系統由GAS PEMS IS AVL492、PN PEMS AVL496、排氣流量計AVL495 EFM、控制電腦System Control、配電單元E-BOX、充電器Charger、GPS、氣象站Ambient和電池Batteties組成。NO2/NO濃度測量采用NDUV分析儀，原理為不同組分氣體對不同波長的紫外線具有選擇性吸收的特性，通過吸收光譜判別氣體的種類，通過吸收強度確定氣體的濃度。CO/CO2濃度測量采用非色散紅外光譜技術，不同濃度的氣體吸收紅外線能量不同，通過能量的變化對氣體進行定性定量分析[3]。

1.2 相關標準

國五、國六排放標準要求匯總表見表1。國五、國六排放標準對車載排放測試中CO污染物排放限值設置較寬泛，重型商用柴油車PEMS試驗中CO污染物排放結果均大幅度低于國標限值，因此不對影響CO污染物排放結果的因素進行研究。國六排放標準對車載排放測試中NOx排放值做了嚴苛的規定，并加大了對發動機低負荷段(市區段高占比+整車低負載)的要求。

表1 國五、國六排放法規簡表

2 試驗情況

2.1 試驗樣本車輛選取

選取多組排放試驗車輛進行對比，試驗車輛配置見表2。

表2 試驗車輛配置表

2.2 試驗過程

車輛試驗路線應包括市區路、市郊路和高速路，試驗應按市區-市郊-高速行駛順序連續進行，第一個出現車速超過55 km/h的短行程(指車輛從一個怠速終點到下一個怠速起點之間的行駛過程)記為市郊路的開始(對于M1、N1類車輛為70 km/h)，第一個出現車速超過75 km/h的短行程記為高速路的開始(對于M1、N1類車輛為90 km/h)[4]；市區路車輛行駛速度小于等于50 km/h (平均車速15～30 km/h)；市郊路車輛行駛速度小于等于75 km/h (平均車速45～70 km/h) ，對于M1、N1類車輛，車輛行駛速度小于等于90 km/h (平均車速60～90 km/h)；高速路車輛平均行駛車速大于70 km/h， M1、N1類車輛車輛平均行駛速度大于90 km/h。試驗開始點和結束點之間的海拔高度之差不得超過100 m，且試驗車輛的累計正海拔高度增加量應不大于1200 m/100 km[5]。國六M3類車輛PEMS測試車速示例見圖2。

3 影響因素分析

3.1 整車速比對排放性能的影響

選取某廠N3類國五牽引車的PEMS測試結果，本試驗工況為10%市區路、10%市郊路、80%高速路，整車載荷為該車最大載荷的75%。三次試驗車輛PEMS測試結果見表3。

表3 試驗車輛PEMS測試結果

與高后橋速比車輛相比，后橋速比配置為2.80的車輛發動機常用工況點對應轉速降低，該轉速區間發動機NOx原排降低，故該速比排放結果較好。且試驗過程12T+后橋速比2.80車輛中高速路段排氣溫度較高，后處理轉化效率更高。

試驗結果表明，后橋速比的變化對整車NOx比排放有較大的影響。整車速比與NOx比排放并不是線性關系。整車匹配存在合適速比匹配區間，應選擇合適的變速箱、驅動橋配置。

3.2 行駛路況對排放性能的影響

重型柴油車(總質量大于3.5 t)的排放認證是以歐洲穩態循環(European steady state cycle ,ESC)和瞬態循環(European transient cycle ,ETC)為基準。但臺架檢測無法模擬車輛在實際道路時的復雜運行工況。發動機臺架試驗中ETC測試循環NOx比排放要高于ESC測試循環[6]。在非 ETC 循環覆蓋區域，考慮到燃油經濟性，通常會犧牲部分排放性能，且排氣溫度較低時選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)不工作或是轉化效率偏低，所以重型柴油車在ETC 循環區域之外的工況NOx比排放較高[7]。

選取某廠客運車排放測試數據，研究行駛路況對排放性能的影響。該車輛為M3類國五排放階段，試驗工況為20%市區路、25%市郊路、55%高速路，加載質量為最大載質量的50%。第一次試驗中市區、市郊工況時控制車輛頻繁加減速，模擬城市交通擁堵條件下的路況，高速工況保持穩速行駛；第二次試驗中市區、市郊、高速工況均保持較車速穩定。試驗詳情見圖3～6。

SCR系統要在溫度達到噴射標準時開始運行尾氣排放處理裝置[8]。第一次試驗，整車冷啟動，且水溫未到達70 ℃正式開始試驗，此時排氣溫度約150 ℃，未達到SCR尿素起噴溫度，SCR后處理不進行轉化反應；市郊工況中試驗車頻繁加減速，整車工況波動較大，NOx原排濃度變差。第二次測試整車冷啟動，經充分熱車后正式開始試驗，低速試驗工況段穩定，NOx排放降低，進入高速工況后污染物排放降低[9]。

車輛運行工況激烈變化，發動機NOx原排變差，且發動機尾氣難以形成均勻混合氣[10]，影響后處理轉換效率。另整車冷啟動時需要采用低溫、低負荷提排溫措施以保障后處理正常工作。綜上,充分熱車、良好的駕駛習慣有利于降低整車NOx排放[11]。

3.3 海拔高度對排放性能的影響

選取某廠牽引車排放測試數據，研究平原(海拔500 m)和高原地區(海拔3000 m)試驗中海拔變化對整車污染物排放的影響。本次試驗車輛為國五排放階段，試驗工況為20%市區路、25%市郊路、55%高速路，加載質量為最大載質量的75%。平原地區、高原地區檢測污染物排放濃度及車速曲線見圖7、 8，在低、高海拔地區整車排放試驗中，低負荷工況，整車NOx排放濃度正常，高負荷試驗工況段，高海拔地區試驗車輛NOx排放升高。

平原地區、高原地區的排氣溫度如圖9、10所示，高原地區試驗在低負荷試驗工況時排氣溫度為200～400 ℃，高負荷工況時排氣溫度為400～500 ℃，高負荷工況時排氣溫度超出SCR后處理催化劑合適催化溫度，后處理轉化效率降低。

高原地區氣壓低，導致空氣中含氧量偏低，柴油燃燒不充分[12]，發動機原排惡化，高負荷工況排氣溫度升高。過高的排氣溫度，導致反應組份(NOx、NH3、O2)無法附著催化劑活性中心參與反應，SCR催化效率降低。因此，高原地區NOx排放升高，高負荷段排放惡化嚴重。

3.4 車輛載質量對排放性能的影響

取某廠牽引車整車排放數據，研究車輛不同載質量對污染物排放的影響。測試車輛處于國五排放階段，測試工況10%市區路、10%市郊路、80%高速路，整車載質量分別最大載質量的30%、75%、100%，整車NOx檢測結果見表4。

表4 牽引車輛排放測試結果

隨著載質量的增加，該車的NOx比排放降低，排溫升高，載質量為最大載質量的75%時，NOx比排放是載質量為最大載質量的100%的1.34倍，排氣溫度的比例系數為0.9。載質量為最大載質量的30%時，NOx比排放是載質量為最大載質量的75%時的1.28倍，排氣溫度比例系數為0.93。

取某廠客運車整車排放數據，研究客車不同載質量對污染物排放的影響。測試車輛處于國五排放階段，測試工況20%市區路、25%市郊路、55%高速路，整車載質量分別為最大載質量的10%、50%、100%，該車NOx檢測結果見表5。

表5 客運車輛排放測試結果

隨該車載質量的增加，NOx比排放降低，排溫升高，載質量為最大載質量的50%時，NOx比排放是載質量為最大載質量的100%時的1.18倍，排氣溫度比例系數為0.94。載質量為最大載質量的10%時，NOx比排放載質量為最大載質量的50%的1.10倍，排氣溫度比例系數為0.96。

NOx比排放與試驗車輛載質量呈負相關，試驗車輛載質量變化對不同車輛影響程度不同，載質量越低，載質量變化對排溫影響越小，因此除特殊情況外，廠家建議采取國標最低載質量。

3.5 其他因素對排放性能的影響

隨環境溫度降低，試驗檢測NOx比排放升高,低環境溫度(如環境溫度為0 ℃)，排氣溫度低于220 ℃的比例較高，為防止SCR箱尿素結晶，尿素噴射量降低，且SCR箱內催化劑處于低活性溫度，轉化效率低；隨空氣濕度的增加發動機燃燒性能變好，NOx原排濃度降低。空氣濕度與整車污染物排放濃度呈負相關。

4 結語

駕駛工況、試驗海拔、整車速比、整車載荷、環境溫度、環境濕度等因素對PEMS試驗結果產生不同程度的影響，其中整車速比過高、過低都不利于整車排放，整車速比匹配存在合理區間；整車載荷與PEMS試驗結果呈負相關，且載荷越低，載荷變化對排溫變化影響越小。

試驗條件的改變影響后處理轉化效率和整車燃燒性能，導致發動機原排和尾排的污染物排放濃度變化。整車和發動機廠家進行排放性能優化以及PEMS試驗時，可參考本文分析內容，進行優化方案和PEMS試驗設計。

除本文所列，后處理系統結構、使用柴油品質、尿素品質、尿素噴射量等都與排放性能存在聯系。仍需進一步定量總結各因素對整車PEMS排放的影響系數及關系公式。