車輛載荷和空調(diào)對(duì)重型車實(shí)際道路排放的影響

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司 天津 300300）

引言

2018 年6 月22 日，國(guó)家生態(tài)環(huán)境部與國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局聯(lián)合下發(fā)《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》[1]。與國(guó)五階段相比，國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)增加了整車車載法（PEMS）試驗(yàn)。PEMS 測(cè)試是指實(shí)際道路下整車排放測(cè)試。在國(guó)六法規(guī)中對(duì)PEMS 的測(cè)試規(guī)范有諸多的要求。其中對(duì)車輛載荷的要求在國(guó)六a 階段為該車輛最大載荷的50%～100%，在國(guó)六b 階段為該車輛最大載荷的10%～100%。對(duì)環(huán)境溫度要求為-7 ℃至38 ℃。

周華等人[2]在重型底盤測(cè)功機(jī)上研究了不同車輛載荷對(duì)重型柴油整車排放影響，發(fā)現(xiàn)載荷對(duì)顆粒物數(shù)量（PN）的排放沒有規(guī)律性的影響，但增加車輛載荷會(huì)降低重型車NOx的排放。Zhang 等人[3]研究了不同車輛載荷對(duì)重型柴油卡車的排放影響，發(fā)現(xiàn)車輛載荷對(duì)排放影響最大的是NOx，其次為CO 和PN。當(dāng)處于高溫和低溫環(huán)境時(shí)，空調(diào)是否開啟會(huì)對(duì)排放產(chǎn)生影響。趙偉等人[4]研究了空調(diào)對(duì)輕型車污染物和油耗的影響，發(fā)現(xiàn)開啟空調(diào)會(huì)導(dǎo)致車輛污染物排放及油耗不同程度的增加。Brodrick 等人[5]研究了空調(diào)開啟對(duì)重型柴油卡車怠速污染物排放的影響，研究表明開啟空調(diào)會(huì)增加怠速時(shí)NOx的排放。

目前關(guān)于空調(diào)和車輛載荷對(duì)PEMS 測(cè)試的研究較少。基于此，本文選取了一輛國(guó)六排放的重型城市公交車，研究了高溫條件下空調(diào)開啟和車輛載荷對(duì)PEMS 測(cè)試排放的影響，從而方便企業(yè)更好地去應(yīng)對(duì)法規(guī)要求的PEMS 測(cè)試。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 測(cè)試車輛和測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)選取了一輛國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的城市公交車進(jìn)行PEMS 測(cè)試。排放控制技術(shù)路線為廢氣再循環(huán)（EGR）+氧化催化器（DOC）+顆粒捕集器（DPF）+選擇性催化還原器（SCR）[6]。選擇公交車的原因是公交車車廂面積大，空調(diào)開啟的影響會(huì)顯著。測(cè)試車輛的主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 測(cè)試車輛的主要技術(shù)參數(shù)

測(cè)試設(shè)備為試驗(yàn)采用奧地利AVL 公司生產(chǎn)的AVL M.O.V.E 便攜式車載排放測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括尾氣氣態(tài)污染物分析系統(tǒng)（GAS PEMs）、尾氣顆粒物數(shù)量分析系統(tǒng)（PN PEMs）、尾氣流量計(jì)（EFM）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、溫濕度儀、OBD 記錄儀等設(shè)備。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

為了評(píng)估空調(diào)和車輛載荷對(duì)重型車實(shí)際道路排放的影響，以正交型式設(shè)計(jì)了4 組試驗(yàn)，空調(diào)溫度設(shè)定為25 ℃。其中空載不開空調(diào)為試驗(yàn)A，半載不開空調(diào)為試驗(yàn)C，空載開空調(diào)為試驗(yàn)B，半載開空調(diào)為試驗(yàn)D，如表2 所示。

表2 PEMS 測(cè)試矩陣

按照國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于城市車輛，車輛測(cè)試時(shí)的運(yùn)行道路組成依次為：70%的市區(qū)路和30%的市郊路，允許實(shí)際構(gòu)成比例有±5%的誤差。測(cè)試地點(diǎn)在湖北武漢，測(cè)試時(shí)間為8 月份，正是溫濕度很高的季節(jié)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 測(cè)試特征

4 次PEMS 測(cè)試的特征如表3 所示。按照法規(guī)要求，冷卻水溫70 ℃以下的數(shù)據(jù)被剔除。4 次行駛的平均溫度都在35 ℃以上，平均濕度在50%左右。B 測(cè)試行駛的里程和平均車速最高，其次是C 和D，A 測(cè)試行駛的里程和平均車速最低。A 測(cè)試的市區(qū)占比最高，為72.5%，B、C、D 的市區(qū)占比均在68.5%左右。A測(cè)試的加減速比例和怠速比例最高，其次為D、C、B。

表3 PEMS 測(cè)試參數(shù)

4 次實(shí)際行駛的速度曲線如圖1 所示。

圖1 4 次PEMS 測(cè)試的車速曲線

2.2 排放對(duì)比

4 次PEMS 測(cè)試的NOx比排放如圖2 所示。在空載情況下，開啟空調(diào)后PEMS 測(cè)試的NOx比排放為0.62 g/（kW·h），比不開空調(diào)PEMS 測(cè)試的NOx比排放降低了24.4%。在半載的情況下，開啟空調(diào)后PEMS 測(cè)試的NOx比排放為0.62 g/（kW·h），比不開空調(diào)PEMS 測(cè)試的NOx比排放降低了39.2%。在同樣不開空調(diào)的情況下，空載PEMS 測(cè)試的NOx比排放比半載低了19.6%。而在同樣開啟空調(diào)的情況下，半載PEMS 測(cè)試的NOx比排放和空載的基本一致。國(guó)六法規(guī)要求的NOx的排放限值為0.69 g/（kW·h）。從圖中可以看到，在不開空調(diào)的情況下，不管是空載還是半載，NOx的比排放均超過了限值的要求。

圖2 4 次PEMS 測(cè)試NOx比排放對(duì)比

NOx的最終排放是生成和去除兩者綜合作用的結(jié)果[7]。不管是開啟空調(diào)還是增加車輛載荷，都是增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況點(diǎn)發(fā)生了改變，因此缸內(nèi)生成的NOx會(huì)有所不同。同時(shí)，增加負(fù)荷后，會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度，從而影響SCR的催化效率，造成NOx催化凈化的差異[6-7]。圖3 是4次PEMS 測(cè)試SCR 前溫度的變化情況。表4 是4 次PEMS 測(cè)試SCR 前的平均溫度以及累積功率。半載且開啟空調(diào)的情況下累積功最高，為154.5（kW·h），且SCR 前的平均溫度最高，為292.1 ℃。更高的排溫使SCR 的催化效率更高，從而NOx排放最低。空載且開啟空調(diào)的情況下累積功為148.6（kW·h），SCR前的平均溫度為278.2 ℃。半載且不開空調(diào)的情況下累積功為124.9（kW·h），但SCR 前的平均溫度最低，為236.3 ℃。由此可見，是否開啟空調(diào)對(duì)NOx排放的影響要高于從空載到半載的變化對(duì)NOx排放的影響。這是由于測(cè)試車型是一輛客車，其車廂面積較大，而載重量并不高。因此開啟空調(diào)所需要的能量較大，從而大幅提升了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，增加了后處理的排溫，降低了NOx的最終排放。

圖3 4 次PEMS 測(cè)試SCR 前溫度對(duì)比

值得注意的是，在不開啟空調(diào)的情況下，雖然從空載到半載增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，體現(xiàn)為空載不開空調(diào)的累積功要低于半載不開空調(diào)的累積功，但是空載不開空調(diào)PEMS 測(cè)試SCR 前的平均溫度反而要高于半載不開空調(diào)的平均溫度[8]。分析原因可能是空載不開空調(diào)的PEMS 測(cè)試A 有較多的加減速工況[9]，且當(dāng)天進(jìn)行試驗(yàn)的環(huán)境溫度（37.5 ℃）要高于半載不開空調(diào)的PEMS 測(cè)試B（35.9 ℃）。

表4 PEMS 測(cè)試參數(shù)

4次PEMS 測(cè)試的PN 比排放如圖4 所示。從圖中可以看到，相較于國(guó)六法規(guī)要求的PN 的排放限值8×1012個(gè)/（kW·h），4 次PEMS 測(cè)試的PN 結(jié)果均滿足限值要求。PN 排放最高的是半載且開啟空調(diào)的測(cè)試，為1.06×1012個(gè)/（kW·h）。其次為空載開啟空調(diào)，半載不開空調(diào)，PN 排放分別為8.25×1011個(gè)/（kW·h），6.74×1011個(gè)/（kW·h）。PN 排放最低的是空載且不開空調(diào)的測(cè)試，為4.49×1011個(gè)/（kW·h）。PN 排放與PEMS 循環(huán)的累積功具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。這是因?yàn)轭w粒物排放跟發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，負(fù)荷越大，顆粒物排放越高[10-11]。

圖4 4 次PEMS 的PN 比排放對(duì)比

3 結(jié)論

通過對(duì)一輛國(guó)六排放水平的城市公交車在高溫條件下不同車輛載荷以及空調(diào)開啟的PEMS 試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：

1）在空載和半載兩種情況下，開啟空調(diào)會(huì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排溫，從而降低了NOx的排放。在不開空調(diào)的情況下，半載的NOx排放要高于空載的NOx排放。在開啟空調(diào)的情況下，半載和空載的NOx排放相差不大。

2）增加載荷或者開啟空調(diào)都會(huì)造成PN 排放的增加。

3）由于PEMS 測(cè)試的邊界范圍很廣，影響因素眾多，需要企業(yè)在開發(fā)過程中進(jìn)行多場(chǎng)景的驗(yàn)證。