基于發(fā)動機在環(huán)不同載荷對重型車排放影響研究

鄭春芳，李騰騰，高濤

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

前言

傳統(tǒng)的重型車排放認證只是發(fā)動機的認證，但臺架認證的發(fā)動機工況與重型車實際道路發(fā)動機工況有較大差異，發(fā)動機法規(guī)認證的排放結(jié)果不能完全反映整車實際道路真實排放水平，自《重型柴油車污染物排放限值及測量方法》（中國第六階段）[1]要求國六重型車要求整車在實際道路中測試排放。在實際道路測試中影響排放的因素眾多，比如：天氣、交通、路面狀況、駕駛習慣、載荷等，經(jīng)分析研究載荷影響排放權(quán)重較大，王剛[2]、周華[3]、郭勇[4]等人基于轉(zhuǎn)轂平臺已經(jīng)分析載荷對重型車常規(guī)污染物及非常規(guī)污染物影響，但轉(zhuǎn)轂平臺由于駕駛員因素影響，每次試驗并不能保證駕駛操作一致，從而會導(dǎo)致排放差異。本文基于發(fā)動機在環(huán)在同一駕駛條件試驗一致性較好情況下研究不同載荷的對重型車排放的影響。本文通過VSM（Vehicle Simulation Model，VSM）軟件建立整車模型、駕駛員模型、工況模型，在發(fā)動機在環(huán)（Engine-in-Loop）平臺設(shè)定10%、50%、100%、150%載荷，分析不同載荷主要排放物NOx、CO、PN差異。

1 試驗簡介

1.1 試驗設(shè)備

本文的試驗研究是基于發(fā)動機在環(huán)仿真平臺的軟、硬件設(shè)備，該平臺具體測試設(shè)備名稱如表 1，整車及發(fā)動機關(guān)鍵參數(shù)如表2。

表1 EIL試驗設(shè)備名稱

1.2 試驗循環(huán)

本試驗所采用的循環(huán)為 GB/T 27840-2011《商用車燃料消耗量測量方法》推薦的重型柴油車整車綜合油耗測量所使用的工況（C-WTVC 循環(huán)）[5]，C-WTVC是以世界重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)WTVC（World Transient Vehicle Cycle）為基礎(chǔ)，調(diào)整加速度和減速度形成的駕駛循環(huán)，測試曲線如圖1所示。

圖1 C-WTVC循環(huán)速度曲線

1.3 樣車參數(shù)

該樣車為 N2類重型車，該車發(fā)動機及整車關(guān)鍵參數(shù)值如表2。

表2 發(fā)動機及整車關(guān)鍵參數(shù)

1.4 試驗方案

為保證試驗數(shù)據(jù)有效，不同載荷在C-WTVC循環(huán)試驗時每次試驗邊界及進入條件一致，具體參數(shù)值如表3。

表3 試驗邊界及進入條件

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 車速跟隨性分析

在模擬實車循環(huán)試驗中，模擬車速對C-WTVC循環(huán)車速的跟隨性決定了試驗結(jié)果的精度，如果復(fù)現(xiàn)的車速誤差較大，測試結(jié)果就不具備說服力[6]，圖2是4次不同載荷下車速與C-WTVC目標車速跟隨性對比結(jié)果，由圖中結(jié)果可以看出，模擬車速與目標車速具有很強跟隨性，分別對比不同載荷測試車速與目標車速偏差的平均值及最大偏差，具體數(shù)值如表4，發(fā)現(xiàn)隨著載荷增加偏差平均值及最大偏差值呈增加趨勢，但整體偏差平均值不足0.5km/h，最大偏差值未超出3.5km/h，表明4種載荷下模擬車速復(fù)現(xiàn)目標車速。

表4 不同載荷下偏差值

圖2 不同載荷車速對比

2.2 NOx排放分析

NOx轉(zhuǎn)化效率與SCR前的排溫有直接聯(lián)系，總體而言，SCR前排溫高于某溫度后，轉(zhuǎn)化效率隨溫度升高而升高，當SCR前溫度達到一定溫度后，轉(zhuǎn)化效率基本達到99%以上，轉(zhuǎn)化效率基本不變。針對本車研究中圖3為不同載荷下NOx排放量，10%載荷下NOx排放值為2.99g，排放量是其他載荷近2倍。通過圖4不同載荷SCR前溫度對比圖發(fā)現(xiàn)在（300～600）秒之間10%載荷SCR前溫度都在240℃以下，此時間段內(nèi)由于SCR前溫度偏低，NOx轉(zhuǎn)化效率偏低，導(dǎo)致NOx大幅增加。50%、100%、150%載荷 NOx排放量較接近在（1～1.5）g之間，150%載荷在超載下產(chǎn)生的NOx量較多，但 SCR前排溫明顯高于其他載荷，NOx轉(zhuǎn)化效率偏高，導(dǎo)致最終NOx排放量處在較低水平。說明該車在超載情況NOx超標風險較低。

圖3 不同載荷NOx排放對比

圖4 不同載荷SCR前溫度對比

通過圖 5不同載荷不同路況 NOx對比發(fā)現(xiàn)，4種載荷NOx的排放量主要集中在市區(qū)工況，分別占總量的76.4%、77.4%、81.1%、89.3%，因為市區(qū)平均車速在23km/h，停車起步較多導(dǎo)致后處理SCR前溫度較長時間處在NOx低轉(zhuǎn)化效率區(qū)；隨著載荷的增加，在市區(qū)內(nèi)NOx排放占比逐漸增大趨勢，因為隨著載荷增加尤其是超載平均排溫相對于低載荷平均排溫高20℃，使得超載時市區(qū)工況NOx轉(zhuǎn)化效率也較高。通過圖5不難看出，在市郊工況下，4種載荷NOx占比較小，高速工況占比幾乎為零，說明該車控制NOx排放應(yīng)加強市區(qū)工況的熱管理保護策略，提升后處理排溫。

圖5 不同載荷不同路況NOx對比

2.3 PN排放分析

本小節(jié)主要分析C-WTVC循環(huán)不同載荷PN的排放量對比。不同載荷PN循環(huán)累計量如圖6所示，10%、50%、100%正常載荷下PN的累計量分別為：5.2e11、5.8e11、7.88e11，隨著載荷增加PN累計量逐漸增加，這與CO2排放趨勢一致，如圖8所示，隨著載荷的增加CO2排放量逐漸增加。150%載荷下PN循環(huán)累計個數(shù)陡然增加，CO2的循環(huán)排放量高于其他載荷，這說明PN個數(shù)增加與超載情況噴油量增加，缸內(nèi)燃燒溫度高，霧化不均勻氧氣不充足有關(guān)系。

圖6 不同載荷PN累計個數(shù)對比

圖7 不同路況不同載荷PN數(shù)量對比

通過圖6、圖7分析發(fā)現(xiàn)：10%、50%、100%載荷，高速工況PN排放最高，市區(qū)排放量劇中，市郊路況排放最低；150%載荷不同路況PN排放量均高于其他載荷，尤其在市區(qū)路況150%載荷PN排放數(shù)量遠高于其他載荷，原因是在市區(qū)行駛中啟停次數(shù)增加，急加速、急減速增多油門變化劇烈使缸內(nèi)混合物在高溫缺氧情況下燃燒，從而導(dǎo)致顆粒數(shù)大幅增加。

圖8 不同載荷CO2量對比

2.4 CO排放分析

CO循環(huán)排放量主要受混合氣濃度的影響，由于柴油機在擴散燃燒過程局部區(qū)域燃料與空氣混合不均勻?qū)е鲁霈F(xiàn)過濃的混合氣，這些混合氣因為缺氧而不能完全燃燒生成CO[4]。由圖9可見，CO的循環(huán)排放量隨著載荷的增加而逐漸增多，因為載荷量增大導(dǎo)致燃油消耗增加使混合物過濃燃燒過程增加，從而CO循環(huán)排放量10%載荷與50%載荷相差不大，100%載荷CO循環(huán)排放隨著載荷而增加。10%載荷CO循環(huán)排放量相比50%載荷CO循環(huán)排放量增加1倍，150%載荷CO循環(huán)排放量相比50%載荷增加2倍。

圖9 不同載荷CO量對比

由圖10分析發(fā)現(xiàn)：不同載荷在市區(qū)路況CO排放均遠高于其他路況，高速路況沒有CO排放產(chǎn)生。主要原因是在市區(qū)路況復(fù)雜導(dǎo)致過濃混合物燃燒次數(shù)較多，導(dǎo)致的CO量累計大。通過分析發(fā)現(xiàn)：市區(qū)路況是CO產(chǎn)生的主要原因，在發(fā)動機燃燒開發(fā)過程集中優(yōu)化低速低負荷區(qū)域燃燒過程，會減少CO循環(huán)排放量。

圖10 不同載荷CO對比

3 試驗結(jié)論

以一輛重型柴油車為研究對象，通過發(fā)動機在環(huán)平臺測試設(shè)備得到排放數(shù)據(jù)，結(jié)合不同載荷C-WTVC循環(huán)工況進行分析，得到如下結(jié)論：

（1）隨著載荷的增加NOx循環(huán)排放量增加，超載情況NOx排放超標風險較低。在所有載荷下，市區(qū)工況的 NOx占比較大，高達80%左右，低速低負荷區(qū)后處理排溫提升空間較大，有待進一步優(yōu)化。市郊工況NOx排放水平居中，高速工況幾乎無NOx排放。

（2）隨著載荷的增加 PN循環(huán)排放量增加，超載情況PN排放急劇增加，排放超標風險很高。10%、50%、100%三種載荷下，高速工況相對其他工況排放略高，市區(qū)、市郊工況排放水平基本相當。150%超載下，市區(qū)工況PN排放較惡劣，遠高于法規(guī)限值。

（3）隨著載荷增加CO循環(huán)排放量逐漸增加，超載情況CO排放值超標風險較低。在所有載荷下，CO排放量幾乎來源市區(qū)工況，市郊工況CO有少許，高速工況幾乎為零。低速低負荷區(qū)域混合物均勻程度決定CO循環(huán)排放量。