高原環境下載荷對國六重型整車排放影響研究*

（中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300）

引言

我國疆域遼闊，地形復雜，其中僅高原地區覆蓋面積就占據我國陸地總面積的33%左右，隨著我國國民經濟不斷提高，高原地區的經濟發展也在持續增長，而重型車作為拉動經濟增長的主要源動力，其排放對高原地區的環境污染也頗為顯著[1-2]。因此為改善和維護高原生態環境，研究高海拔環境下重型車實際道路排放特性，對高原地區重型車排放標準制定、排放監管以及相應車型的開發標定等都具有重要的指導意義[3-5]。

目前國內外許多學者對高海拔地區的重型車排放均進行了不同程度的學術研究，其中Jia Liu，Ge Yunshan 等人[6]利用PEMS 設備在海拔2 200 米和海拔3 200 米處研究了海拔高度及VSP 參數對柴油車顆粒物數量排放的影響，結果表明高原環境下車輛在低速和高速工況下的PN 排放較高，而在中等車速下，PN 排放隨海拔高度的增加逐漸降低；陳劍杰等人[7]研究了高原山地環境下柴油車NOx排放隨海拔升高呈現先增高后降低，而隨道路坡度的增加不斷升高的變化趨勢；余思綺等人[8]在平原地區利用重型車研究了測試工況順序及構成比例對車輛NOx排放影響，研究結果顯示，與標準中規定的測試方法相比，測試工況對車輛NOx排放的影響較大；黃成，陳長虹等人[9]在上海市研究了車輛實際道路排放與行駛工況的相關性，結果說明車輛在高速加速行駛狀態下易產生高排放，且在市郊工況行駛時其排放最低。但基于高海拔環境下重型車載荷狀態及行駛工況對車輛排放的影響研究尚且不足。

因此本文利用國六重型車在高海拔地區下分別進行了10%、50%、100%載荷狀態下的排放測試，研究了載荷因素對車輛在高海拔環境下的排放影響并分析了車輛行駛工況與排放窗口通過率的相關性。

1 實驗設備和方法

1.1 試驗車輛

試驗選取2 種不同類型的車輛進行了國六b 階段的高海拔排放測試。試驗環境的平均環境溫度為20 ℃左右，平均大氣壓為77 kPa 左右，平均海拔在2 400 m 左右，試驗車輛及發動機基本信息見表1。

表1 樣車及發動機信息

1.2 試驗設備

便攜式車載排放測試設備（PEMS）相比于實驗室排放分析儀具有體積小、可操作性強、裝卸便捷以及可真實反映車輛實際排放水平等優點，該設備主要由氣體測量模塊、PN 測量模塊、排氣流量計（EFM）、GPS 系統、主機、電源等部分組成，可安裝在車上對車輛行駛過程中的排氣流量、污染物濃度以及環境溫濕度、海拔高度等參數進行實時測量，并通過標準協議利用OBD 讀碼器可獲取車輛的ECU數據。

本實驗采用的PEMS 設備為日本Horiba 公司生產的OBS-ONE 便攜式車載排放測試設備（PEMS），該設備對NOx氣體的分析測量原理主要采用化學發光分析儀（CLD），CO、CO2分析采用不分光紅外線吸收型分析儀（NDIR），對顆粒物PN 的分析原理采用凝縮離子法進行分析測量。試驗中PEMS 設備的安裝示意圖如圖1 所示。

圖1 PEMS 設備安裝示意圖

1.3 試驗方案

試驗在平均海拔2 350 米左右的道路上進行。試驗過程中環境溫度、起止點海拔高度差、累計正海拔高度等均滿足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）》標準測試要求[10]。依據標準確定出樣車1、樣車2 的工況構成比例，如表2 所示，其中市區、市郊和高速工況分別以55 km/h 和75 km/h 的短行程工況進行劃分，試驗依次對2 輛樣車在載荷10%、50%、100%條件下進行排放測試。

表2 行駛工況構成比例

2 試驗結果與分析

2.1 載荷對車輛排放的影響分析

顆粒物與NOx作為柴油車的主要污染物，本文僅針對車輛在高原試驗環境下NOx與PN 的排放結果進行分析。

圖2 樣車1 不同載荷NOx 排放

圖3 樣車2 不同載荷NOx 排放

圖2、圖3 分別為高原環境下樣車1 和樣車2 的NOx排放與車輛排氣溫度隨載荷的變化趨勢。結果顯示3 種載荷狀態下，車輛的NOx排放隨載荷增加逐漸下降，且在100%載荷下排放明顯降低。其中10%和50%載荷時車輛的NOx相差較小，且相比于10%載荷狀態，樣車1 和樣車2 在50%載荷下的NOx排放分別下降了1.9%和11.1%，而在100%載荷時，NOx排放較50%載荷分別減少了29.3%和90.4%。

Chang-yuan WANG 等人[11]在底盤測功機上對國六重型車進行不同載荷下的排放研究表明隨著載荷增加，車輛的NOx排放逐漸降低，其分析結果與本實驗NOx排放變化規律相同，即說明了車輛無論在高原環境還是在實驗室法規認證環境條件下，其車輛排放隨載荷的增加均顯示逐漸下降。

樣車1、2 在不同載荷下PN 排放如圖4、5 所示。

圖4 樣車1 不同載荷PN 排放

圖5 樣車2 不同載荷PN 排放

由圖4、圖5 可知，樣車1 隨著載荷的增加，其PN 排放呈先降低后增加趨勢，而樣車2 則表現隨載荷增加其PN 排放逐漸下降。對比排放結果可知，樣車2 的PN 排放約為樣車1 排放的6～10 倍，這表明隨著車輛整備質量增加，發動機的功率需求以及單位時間內的噴油量增加，導致擴散燃燒階段產生的PN 排放增多。

其中受顆粒物高溫缺氧生成條件影響，車輛在高原環境下行駛時，由于空氣密度以及大氣壓力較低，導致發動機空氣進氣量減少，造成缸內混合氣不均勻，燃燒惡化，而樣車1 在10%～100%載荷變化范圍內，其發動機做功量及PN 排放均不斷增加，其中50%載荷時出現PN 比排放略微降低的主要原因是該載荷狀態下PN 比排放受發動機做功量的影響較PN 排放影響較大，且樣車1 的NOx排放受載荷因素的影響較小。

圖5 中樣車2 的PN 排放隨載荷增加逐漸下降與樣車1 的變化趨勢不同。由于樣車2 的發動機功率較大，發動機做功受載荷因素的影響偏大，導致發動機做功量差別較大，對PN 排放影響較大，同時車輛的排氣溫度偏高，最高排溫約達280 ℃，而PN 在較高的排氣溫度環境下與空氣中的氧氣結合被氧化，從而起到消除PN 的作用，因此在2 種因素的影響下，樣車2 的PN 比排放隨載荷的增加逐漸降低，且受載荷影響較大。

2.2 行駛工況對排放窗口通過率的影響

功基窗口法（AWM）是一種通過比較各功基窗口比排放與發動機型式檢驗比排放的符合性從而評價車輛排放的分析方法。功基窗口的定義是從試驗第一個采樣點開始以1 為步長進行推移，直至形成的連續區間的累計功達到一個發動機WHTC 循環功為止，則該連續區間記為一個功基窗口，依據功基窗口的定義，對試驗所有采樣點進行窗口移動，最終得到一系列功基窗口，其中功基窗口內污染物排放質量與窗口做功量的比值則稱為窗口的比排放。

所有功基窗口中，窗口平均功率百分比大于20%閾值的窗口稱為有效窗口，標準要求有效窗口百分比大于50%則判定試驗有效，否則無效。所有有效窗口中污染物排放滿足限值要求的窗口數量達到有效窗口數量90%以上，則判定該車輛排放合格。

本文利用功基窗口排放分析法，分析不同載荷試驗條件對車輛在各行駛工況下的窗口通過率影響。樣車1、2 窗口通過率分析結果如表3、4 所示。

表3 樣車1 窗口通過率分析結果

表4 樣車2 窗口通過率分析結果

圖6、圖7 分別顯示了車輛在不同載荷、不同工況下的NOx和PN 的排放結果以及相應的排放窗口通過率的變化情況。

圖6 樣車1 NOx 比排放

圖7 樣車1 PN 比排放

同時結合表3 對車輛窗口通過率的分析結果可知，樣車1 在3 種載荷下的NOx排放均顯示超標，而PN 排放均為合格。其中圖6 顯示車輛在3 種載荷狀態下，市區、市郊工況的NOx排放均超過國六標準對NOx的標準限值0.69g/（kW·h），從而導致NOx排放在市區和市郊工況下的窗口通過率均基本為0，而高速工況NOx排放雖然較低且窗口通過率均為100%，但車輛整體排放水平仍表現超標，主要因為受樣車1運行工況比例影響，車輛在市區工況的運行時間較長，NOx排放對車輛整體排放貢獻率較大，因此市區工況是影響樣車1 全工況下NOx排放水平的主要工況。

圖7 顯示車輛在3 種載荷下的PN 排放隨載荷的增加逐漸增多，且分析結果顯示，車輛在市區工況下的PN 排放最低，高速工況下的排放最高。雖然PN的排放在高速工況表現較高，但通過觀察可知，車輛在全工況下行駛時PN 排放均滿足標準限值1.2×1012，但結合表3 車輛在市區工況下的窗口通過率均為0，其原因主要為市區工況下，發動機做功量偏低，導致該工況下車輛累計功未能形成一個有效的功基窗口，但車輛整體排放結果仍顯示PN 排放合格。因此PN 的窗口通過率受市區工況影響較小，而與排放較高的高速工況有較大的相關性。

依據表2 中標準對樣車2 在市區、市郊和高速工況下的行駛時間分配比例可知，樣車2 在高速工況下的行駛時間占比較大，對于NOx排放來說，雖然市區工況是其主要的生成區域，但由于樣車2 在市區工況行駛時間較短，因此該工況下形成的NOx排放對車輛整體排放貢獻率相對較小，如圖8 所示，車輛在市區工況的NOx排放最高，且10%和50%載荷時的NOx排放均表現超標，而100%載荷時的市區工況雖然滿足國六標準限值，但由于車輛在該工況下的行駛時間較短，導致該工況下未能形成一個有效的功基窗口，因此窗口通過率為0，而在市郊和高速工況行駛時，車輛的NOx排放均表現合格，其相應的窗口通過率均為90%以上，樣車2 的NOx排放判定合格。因此對于樣車2 來說，高速工況是影響其排放的主要工況。

圖8 樣車2 NOx 比排放

同時表4 的分析結果顯示車輛在3 種載荷狀態下的PN 排放均表現不合格。通過分析可知，車輛的PN 排放結果主要受高速工況的排放影響較大，圖9中所示車輛PN 排放主要集中在高速工況，且隨載荷增加，車輛在高速工況下的PN 平均比排放逐漸下降，而PN 總的窗口通過率逐漸上升，因此可以發現高速工況是影響樣車2 PN 排放的主要工況。

圖9 樣車2 PN 比排放

3 結論

通過研究高原環境下不同載荷以及行駛工況對國六整車排放的影響，得出以下結論：

1）高原環境下，車輛的NOx排放隨載荷的增加逐漸降低，與實驗室法規認證條件下車輛排放受載荷因素的影響結果相似。車輛在100%載荷下的排放降低明顯，其中樣車1 和樣車2 在100%載荷下的NOx排放較50%載荷排放分別降低了29.3%和90.4%。對于PN 排放，樣車2 不同載荷下的PN 平均比排放約為樣車1 的6～10 倍。其中樣車1 的PN 排放受載荷因素影響較小，而樣車2 在大負荷狀態下，其PN 排放受載荷影響較大。

2）車輛排放的窗口通過率受行駛工況影響較大。其中樣車1 受市區工況影響較大，3 種載荷狀態下車輛的NOx排放均顯示超標，PN 排放均表現合格。而樣車2 的整體排放受高速工況影響較大，3 種載荷狀態下車輛的NOx排放均表現合格，而PN 排放均顯示超標。