重型柴油車實(shí)際道路排放影響因素的試驗(yàn)研究

宋子鈺，王明達(dá)，陶云飛，張暉，曲衛(wèi)東

（1.長春汽車檢測中心有限責(zé)任公司，長春130011；2.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012）

主題詞：重型柴油車 道路排放 影響因素 海拔高度 環(huán)境溫度 負(fù)載

縮略語

NOx Nitrogen Oxides

PN Particulate Number

PEMS Portable Emission Measurement System

SCR Selective Catalytic Reduction

DPF Diesel Particle Filter

DOC Diesel Oxidation Catalyst

ASC Ammonia Slip Catalyst

CVS Constant Volume Sample

EGR Exhaust Gas Recirculation

EFM Emission Flow Measurement

GAS Gas Analyzer System

ECU Electronic Control Unit

GPS Global Positioning System

ICM Interface Communication Module

PDCM Power Distribution Control Module

1 前言

我國柴油車保有量僅占汽車總保有量的9.1%，但其氮氧化物（NOx）和顆粒物數(shù)量（PN）排放分別占汽車排放總量的88.9%和99%，柴油車已成為NOx和PN的主要來源之一[1-2]。為了緩解汽車尾氣給環(huán)境帶來的壓力，減少汽車尾氣排放，2018年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了重型柴油車國六法規(guī)[3]，增加了整車實(shí)際道路排放測試要求和限值。實(shí)際道路排放測試時(shí)需使用便攜式排放物測量系統(tǒng)（Portable Emission Measurement System，PEMS），此外，法規(guī)還規(guī)定了車輛載荷與環(huán)境等邊界條件，即最大和最小環(huán)境溫度及最高海拔。

不同于在底盤測功機(jī)進(jìn)行的排放測試，實(shí)際道路排放測試過程受駕駛工況、交通狀況、駕駛風(fēng)格、載荷、環(huán)境溫度、海拔高度和分析儀的不確定性因素影響。Georgios等[4]的研究中對歐Ⅴ重型車進(jìn)行了試驗(yàn)，分析車速、排氣溫度、控制策略和道路坡度對NOx排放的影響，指出NOx排放與道路坡度呈正相關(guān)。Wang等[5]的研究中分析了交通狀況對公交車排放的影響，指出了在市區(qū)工況中延誤時(shí)間和速度對公交車排放有明顯影響。宋東、郭勇和汪曉偉等[6-8]分別對不同載荷、不同環(huán)境溫度、不同海拔下的重型車實(shí)際道路排放進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)載荷、環(huán)境溫度、海拔會對車輛的排放造成影響。Barouch等[9]的研究中對24輛柴油、CNG和LNG重型車輛進(jìn)行了試驗(yàn)，分析了在道路上和實(shí)驗(yàn)室中的排放，指出測試設(shè)備不確定性對排放結(jié)果影響很大，使用便攜式排放測量系統(tǒng)(PEMS)必須驗(yàn)證設(shè)備的一致性。

在現(xiàn)有文獻(xiàn)中對國六法規(guī)規(guī)定的載荷和環(huán)境邊界條件對污染物的影響分析較少，且沒有詳細(xì)的分析高瞬時(shí)NOx和PN對實(shí)際道路排放結(jié)果的影響。本文對裝有選擇性催化還原轉(zhuǎn)化器（SCR）、柴油顆粒捕集器（DPF）、氧化型催化轉(zhuǎn)化器（DOC）、氨逃逸催化器（ASC）的國六重型柴油車的實(shí)時(shí)道路排放進(jìn)行測試，分析包括海拔高度，環(huán)境溫度和載荷在內(nèi)的不同試驗(yàn)條件對NOx、PN排放的影響。

2 試驗(yàn)裝置及方案

2.1 測試車輛

測試車輛為滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的N3類柴油車，如圖1，裝配攜帶DOC+DPF+SCR+ASC后處理裝置的4.8 L渦輪增壓柴油機(jī)。測試車輛主要參數(shù)見表1。

圖1 后處理技術(shù)

表1 測試車輛主要參數(shù)

2.2 測試設(shè)備：

測試設(shè)備采用Sensors公司生產(chǎn)的SEMTECH便攜式車載排放測試系統(tǒng)，測試設(shè)備安裝見圖2，測試設(shè)備規(guī)格參數(shù)見表2。在試驗(yàn)前，對PEMS測試設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室的CVS定容稀釋采樣系統(tǒng)進(jìn)行比較，確保PEMS測試設(shè)備的EFM排氣流量計(jì)、GAS氣體分析儀漂移滿足法規(guī)要求，測試設(shè)備的準(zhǔn)確度可信。

圖2 測試設(shè)備安裝示意（ECU:電子控制系統(tǒng)，GPS:全球定位系統(tǒng)，ICM:接口通訊模塊，PDCM:配電和控制模塊）

表2 測試設(shè)備規(guī)格參數(shù)

2.3 測試方案與測試路線：

為了研究海拔高度、環(huán)境溫度和載荷對NOx、PN排放的影響，選用國六標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10%載荷、50%載荷和100%載荷3個(gè)邊界值對測試車輛進(jìn)行加載，按照國六標(biāo)準(zhǔn)的要求，在長春、青島、瓊海、昆明和西寧分別開展PEMS試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境條件見表3。為降低測試結(jié)果的誤差，測試由同一名駕駛員駕駛同一車輛在天氣狀況相近的3天內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)在各地開始試驗(yàn)前均進(jìn)行一次駐車再生，避免因碳載量不同而導(dǎo)致的排放性能差異。

表3 試驗(yàn)環(huán)境條件

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)的排放結(jié)果見表4。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

3.2 海拔高度對NOx的影響

圖3給出了3種載荷下不同海拔高度的NOx排放結(jié)果，NOx排放結(jié)果隨海拔高度的升高呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。

圖3 不同海拔高度下NOx排放結(jié)果

NOx的生成由燃燒溫度、氧氣濃度和燃燒時(shí)間共同決定。隨著海拔高度的增加，進(jìn)氣量減少，導(dǎo)致滯燃期變長，直到活塞接近上止點(diǎn)時(shí)，油氣混合物才能點(diǎn)燃，缸內(nèi)燃燒溫度隨之升高，NOx增加。而在高海拔地區(qū)氧濃度下降，2 400 m的空氣密度僅為海平面的79%左右，這時(shí)氧氣嚴(yán)重短缺，測試車輛的大氣壓力傳感器識別到壓力的降低，啟動高原增壓器保護(hù)，減少噴油量，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒溫度隨之降低，盡管此時(shí)燃燒持續(xù)期也較長，但燃燒溫度的降低對NOx的生成影響更大，因此在西寧地區(qū)NOx生成減少。

3.3 海拔高度對PN的影響

圖4給出了3種載荷下不同海拔高度的PN排放結(jié)果，PN排放結(jié)果隨海拔高度的升高呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。

圖4 不同海拔高度下PN排放結(jié)果

有研究表明，PN與發(fā)動機(jī)負(fù)荷有關(guān)，負(fù)荷越大，PN越高[8]。以10%載荷下不同海拔高度地區(qū)的發(fā)動機(jī)負(fù)荷分布為例，圖5中車輛在高海拔下的發(fā)動機(jī)負(fù)荷區(qū)域較低海拔下的負(fù)荷區(qū)域變窄[10]，且發(fā)動機(jī)平均扭矩在高海拔下表現(xiàn)為最低，比較西寧地區(qū)的平均扭矩（221.67 N·m）較青島地區(qū)的平均扭矩（271.71 N·m）減小約為18%。車輛隨海拔增加動力性降低，而增壓器并沒有或不足以對動力性的損失進(jìn)行補(bǔ)償[8]，且隨海拔的增加空氣密度降低，使測試車輛在較高海拔的風(fēng)阻減小[11]，共同導(dǎo)致發(fā)動機(jī)負(fù)荷降低，PN排放結(jié)果隨海拔的上升呈現(xiàn)下降的趨勢。

圖5 10%載荷不同海拔高度下MAP

3.4 環(huán)境溫度對NOx的影響

圖6給出了3種載荷下不同環(huán)境溫度的NOx排放結(jié)果，NOx排放結(jié)果隨環(huán)境溫度的升高呈現(xiàn)逐漸減少的趨勢。

圖6 不同環(huán)境溫度下的NOx排放結(jié)果

溫度對后處理，特別是SCR的效率影響較大[7]，溫度較低時(shí)，SCR工作溫度在減速與低速時(shí)均下降明顯，轉(zhuǎn)化效率降低，導(dǎo)致NOx排放升高。圖7給出了10%載荷下排溫曲線。3地區(qū)的排溫曲線趨勢具有相似性，在市區(qū)切換到市郊工況和市郊切換到高速工況時(shí)，排溫下降明顯，而在溫度較低地區(qū)排溫處于最低值（132.9℃和155.8℃），

圖7 10%載荷下排溫曲線

低排溫導(dǎo)致了SCR轉(zhuǎn)化效率下降，進(jìn)而造成NOx排放升高，NOx排放隨環(huán)境溫度的下降呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

在圖8中顯示，市區(qū)階段的NOx較高，SCR在市郊和高速表現(xiàn)出很高的效率，約在75～200℃的排溫時(shí)NOx降低，此時(shí)SCR達(dá)到了200℃的激活閾值溫度，曲線的斜率降低。在200℃以上的NOx升高，是因?yàn)镾CR合適催化溫度約為300～400℃[12]。

圖8 10%載荷下NOx累計(jì)概率密度

3.5 環(huán)境溫度對PN的影響

圖9給出了3種載荷下不同環(huán)境溫度的PN排放結(jié)果，PN排放結(jié)果隨環(huán)境溫度的升高呈現(xiàn)逐漸增加趨勢。

圖9 不同環(huán)境溫度下的PN排放結(jié)果

圖10給出了50%載荷下PN瞬時(shí)速率與加速度、速度關(guān)系，在低速和中低速行駛過程中，PN排放保持在很低的水平。DPF可以將顆粒物排放降低90%以上[13]，在低速和勻速時(shí)DPF對顆粒物的捕集效率較好，PN的高峰值主要出現(xiàn)在高速階段。

圖10 50%載荷下PN瞬時(shí)速率與加速度、速度關(guān)系

PN在高速出現(xiàn)高峰值主要有以下4點(diǎn)原因：

（1）測試車輛持續(xù)高速行駛時(shí)，發(fā)動機(jī)負(fù)荷較大，使燃燒室溫度升高，燃料分子發(fā)生離解的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其聚合的概率，產(chǎn)生大量的自由基，引起一系列鏈分支反應(yīng)和鏈終止反應(yīng)，并形成一些基團(tuán)[14-15]，最終導(dǎo)致測試車輛的顆粒物隨發(fā)動機(jī)燃燒室溫度升高而急劇增加，顆粒物瞬時(shí)排放速率快速增加。

（2）測試車輛在高速行駛時(shí)，發(fā)動機(jī)負(fù)荷較大，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高，燃燒室內(nèi)燃燒混合氣流場波動較大，從而導(dǎo)致測試車輛顆粒物瞬時(shí)排放速率出現(xiàn)較大幅度的波動。

（3）在市郊切換到高速工況和高速工況過程中，SCR系統(tǒng)均會增加反應(yīng)劑的噴射量，過量的反應(yīng)劑可能會導(dǎo)致顆粒物增加[16-17]。

（4）高速工況顆粒物排放較高，DPF捕集能力受限，導(dǎo)致PN增加，試驗(yàn)車輛的DPF捕集水平還有提升空間。

環(huán)境溫度影響了發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣溫度，且環(huán)境溫度的升高使排氣溫度升高，使DPF中催化劑涂層對SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率有所提高[9]，導(dǎo)致了PN的增加。

3.6 載荷對NOx的影響

圖11給出了3種載荷下NOx排放結(jié)果，NOx排放結(jié)果隨載荷的升高呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。

圖11 不同載荷下的NOx排放結(jié)果

以瓊海地區(qū)試驗(yàn)為例，圖12給出了不同載荷下的NOx排放結(jié)果與排溫曲線，NOx排放結(jié)果在不同載荷下表現(xiàn)出市區(qū)階段均較高的特征，在100%載荷下高速階段NOx較高。

圖12 不同載荷下的NOx排放結(jié)果與排溫曲線

市區(qū)階段較高是由于此時(shí)后處理溫度較低，SCR處理效率低，NOx排放惡化。在10%載荷下的試驗(yàn)排溫增加更加緩慢，導(dǎo)致其市區(qū)階段的NOx最高。100%載荷下高速階段較高是由于載荷較大，排溫增加較快，且負(fù)荷較高，排氣溫度過高，超出SCR系統(tǒng)合適催化溫度，此時(shí)NOx無法附著催化劑活性中心參與反應(yīng)[18]，高速階段的NOx排放惡化。

PEMS試驗(yàn)采用功基窗口法進(jìn)行排放數(shù)據(jù)分析,其特征是：不同于市區(qū)和市郊階段形成的有效窗口較少，在高速階段發(fā)動機(jī)做功多，有效窗口也多，這時(shí)排溫雖然較高，但由于短行程和在高速公路不能一直保持高速行駛，怠速和減速時(shí)排溫都容易降低，導(dǎo)致SCR轉(zhuǎn)化效率降低，NOx瞬時(shí)濃度大幅增加，此時(shí)NOx窗口比排放結(jié)果較高就直接影響了整個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果，使其變大，這也是100%載荷下NOx排放較高的原因。

3.7 載荷對PN的影響

圖13給出了3種載荷下PN排放結(jié)果，PN排放結(jié)果隨載荷的升高基本呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

圖13 不同載荷下的PN排放結(jié)果

載荷較高時(shí)由于發(fā)動機(jī)整體負(fù)荷增加，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩升高，噴油量增多，使得燃燒不充分，同時(shí)隨著排氣量的增加DPF捕集能力受限，導(dǎo)致PN排放總體上升高。

4 結(jié)束語

本文針對國六重型車排放法規(guī)中實(shí)際道路尾氣排放規(guī)定的試驗(yàn)條件，對一臺國六重型柴油車進(jìn)行18次有效的實(shí)際道路尾氣排放測試，分析了包括海拔高度，環(huán)境溫度和載荷在內(nèi)的不同試驗(yàn)條件對NOx、PN排放的影響，結(jié)果表明：NOx隨海拔高度的升高呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，PN隨海拔高度的升高呈現(xiàn)減少的趨勢。溫度對后處理，特別是SCR的效率影響較大，NOx隨環(huán)境溫度的升高呈現(xiàn)減少的趨勢，隨載荷的升高呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。PN隨環(huán)境溫度和載荷的升高均呈現(xiàn)增加的趨勢。

針對重型車實(shí)際道路排放，未來仍有進(jìn)一步研究的空間。首先，重型車國六法規(guī)沒有要求計(jì)算冷啟動階段的排放，后續(xù)的研究可以增加冷啟動階段對排放的影響。其次，本文研究了NOx和PN的排放特性，對CO、THC和非常規(guī)污染物的排放特性有待進(jìn)一步研究。此外，在未來的研究中可以將燃油消耗量和實(shí)際道路排放測試結(jié)合分析。