用不同算法時載荷條件對重型車比排放影響的對比試驗

張 凡，李 梁，于津濤

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300，中國）

生態環境部發布的《中國移動源環境管理年報（2020）》[1]指出，機動車是污染物排放總量的主要貢獻者，其排放的一氧化碳（CO）、碳氫化合物（hydrocarbon,HC）、 氮 氧 化 物（nitrogen oxides, NOx）和 顆 粒 物（particulate mass, PM）等4 項主要污染物均超過90%。占全國汽車保有量9%的柴油車NOx排放量超過汽車排放總量的80%，PM 排放量超過90%。因此，降低重型柴油車的污染物排放水平是改善環境空氣質量的重要手段之一。生態環境部在2018 年6 月發布的重型柴油車第六階段標準[2]中，引入了更加復雜的測試過程和更加嚴格的排放限值，國Ⅵ的NOx和PM 排放限值和國Ⅴ相比分別降低了77%和67%。

由于發動機臺架測試無法真實反映重型車實際道路行駛的排放狀況，國Ⅵ標準使用整車車載法（portable emission measurement system, PEMS）試驗來評價車輛在使用中的實際排放狀況。6a 階段規定的PEMS 測試載荷范圍是50%～100%，而6b 階段則是10%～100%，說明重型車的載荷比例會影響實際道路的污染物排放水平。文獻研究表明，瑞典國家道路與交通研究所、印度理工學院、加拿大麥吉爾大學、美國北卡羅來納州立大學、清華大學環境學院、東南大學交通學院、江蘇大學汽車與交通工程學院、廣東工業大學機電工程學院、中國汽車技術研究中心有限公司、天津大學機械工程學院等[3-14]主要通過整車實際道路試驗的研究方法，分別針對貨車和客車在不同海拔、環境溫度、道路坡度等條件下不同載荷比例對1～2 輛樣品車輛二氧化碳（CO2）、NOx、顆粒物數量（particulate number,PN）及非常規污染物排放的影響程度開展了試驗研究。

本研究在實際道路上進行了重型車污染物排放的測試，重點調查CO、CO2、NOx和PN 這4 項污染物的變化情況。試驗使用車載排放分析系統，分別測量8 輛重型車在實際道路工況下上述4 種污染物的排放，對滿足不同排放標準要求的重型車排放測試結果進行定量分析，查明載荷比例對單位行駛里程排放、單位行駛里程·車輛質量排放、單位發動機做功排放以及載荷修正系數的影響程度。

1 試驗裝置及方法

研究中采用進行生產一致性和在用車符合性檢查的重型柴油車作為試驗車輛，包括國Ⅵ標準車輛6 輛和國Ⅴ2 輛。試驗車裝配的發動機排量2.8～11.6 L，試驗車的最大總質量為4.5～49.0 t。國Ⅵ、國Ⅴ柴油車的后處理裝置分別為 DOC+DPF+SCR+ASC 和SCR。其中：DOC 為柴油車氧化催化器(diesel oxidation catalyst)；DPF 為柴油機微粒捕集器(diesel particulate filter)；SCR 為選擇性催化還原催化器(selective catalytic reduction)；ASC 為氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst)。試驗車的關鍵參數如表1 所示。試驗車所用燃料為燕山石化公司提供的滿足GB 19147-2016 中油品參數要求的市售國Ⅵ柴油。

表1 試驗車輛關鍵參數

試驗中所采用的主要測試儀器為HORIBA 公司的OBS-ONE-G12 型車載排放分析系統，該系統集成了車載自動診斷（on board diagnostics，OBD）讀取設備、全球定位系統（global position system, GPS）測量設備與排放測量設備，分別使用化學發光分析儀測量NOx，不分光紅外線吸收型分析儀測量CO、CO2以及凝縮離子法測量顆粒物PN。

同一車輛分別加載不同的載荷質量，依據標準GB 17691-2018 附錄K 的測試規范進行整車道路排放試驗，試驗數據采集頻率為1 Hz。整車排放試驗運行工況滿足GB 17691-2018 附錄K 中不同車輛類型的工況比例構成要求，同一車輛的試驗路線和車輛速度在不同載荷比例條件下盡量保持一致。

2 試驗結果及分析

2.1 載荷比例對CO 排放的影響

圖1給出了單位行駛里程的CO 排放結果。從圖1a 中可以看出，載荷比例（η）從0%增加到100%時,重型貨車國V-1#單位行駛里程CO 排放先降低后增加, 而中型貨車國V-2#則先增加，直至載荷比例增到125%，此后CO 排放呈降低趨勢，兩輛車的規律不一致。這2 輛國Ⅴ柴油車的后處理系統均為SCR，對CO 排放影響小，因此CO 排放主要取決于發動機的原機排放。當整車載荷比例改變時，發動機的輸出扭矩發生變化，結果顯示國Ⅴ柴油車單位行駛里程CO 排放受載荷比例的影響較小。

圖1b 顯示，隨著載荷比例的增大，國Ⅵ-1#、4#、5#的單位行駛里程CO 排放明顯下降，國Ⅵ-2#和國Ⅵ-6#基本不變，國Ⅵ-3#有上升的趨勢。6 輛國Ⅵ柴油車的后處理系統均為DOC+DPF+SCR+ASC，對CO排放有轉換作用，因此CO 排放取決于原機排放和后處理效率。結果顯示，國Ⅵ柴油車單位行駛里程CO排放略小于國Ⅴ柴油車，載荷比例對國Ⅵ柴油車CO 排放的影響更大。

圖1 不同排放標準重型車單位行駛里程的CO 排放

為了進一步定量分析規律，以50%載荷比例時的單位行駛里程排放數值作為基準值，分別計算其他載荷比例時排放數值與基準值之間的比值，得到載荷修正系數(k)。圖2 分別給出了單位行駛里程CO 排放載荷修正系數的散點圖和線性擬合曲線。可以看出，根據線性擬合曲線，國Ⅴ車輛單位行駛里程CO 排放載荷修正系數隨著載荷比例的增大而增加，斜率為0.005 5，而國Ⅵ車輛呈現相反的結果，CO 排放載荷修正系數略有下降，斜率為- 0.000 6。表明：隨著載荷比例的增大，發動機負荷增大，相同行駛里程的發動機原排CO 增加，國Ⅴ車輛單位行駛里程CO 排放有增加的趨勢，而國Ⅵ車輛后處理能有效降低CO，單位行駛里程CO 排放不隨載荷比例的增大而增加。

圖2 不同排放標準重型車單位行駛里程CO 排放的載荷修正系數

為了更好體現載荷比例對發動機的影響，依據GB 17691-2018 附錄K 的PEMS 測試規范和計算方法，分別測試了國Ⅴ和國Ⅵ重型車單位發動機做功的CO 排放并對數據做了與單位行駛里程CO 排放數據相同的處理，結果顯示：國Ⅴ和國Ⅵ重型車單位發動機做功CO排放隨載荷比例變化的規律分別與相同車輛單位行程里程CO 排放隨載荷比例變化規律相同。

圖3給出了單位發動機做功CO 排放的載荷修正系數隨載荷系數變化的規律。可見，國Ⅴ車輛單位發動機做功CO 排放的載荷修正系數的線性擬合曲線斜率為0.005 7，與單位行駛里程時的斜率基本一致，而國Ⅵ車輛單位發動機做功排放的線性擬合，斜率為- 0.002 4，高于單位行駛里程時的斜率- 0.000 6，載荷修正系數隨載荷比例增加而下降的趨勢更明顯。結果顯示，發動機工作在更高的負荷區時，國Ⅴ車輛單位發動機做功的CO 原排有增加的趨勢，但經過后處理轉換后, 國Ⅵ車輛CO 排放隨著載荷比例的增大而降低，后處理系統具有更高的轉換效率。

圖3 不同排放標準重型車單位發動機做功CO 排放的載荷修正系數

為了評價單位質量重型車的排放水平，進行了單位行駛里程·車輛質量的CO 排放的計算。圖4 給出了單位行駛里程·車輛質量CO 排放的載荷修正系數的線性擬合曲線。可以看出，國Ⅴ車輛的單位行駛里程·車輛質量CO 排放的載荷修正系數基本不隨載荷比例的增大而變化(線性擬合曲線斜率 - 0.000 6），而國Ⅵ車輛的載荷修正系數明顯下降(斜率為 - 0.004 6)。結果表明行駛相同的里程時，載荷比例越大的國Ⅵ重型車，單位質量整車的CO 排放水平越低。

圖4 不同排放標準重型車單位行駛里程`·車輛質量CO 排放的載荷修正系數

2.2 載荷比例對CO2 排放的影響

圖5給出了單位行駛里程的CO2排放結果。從圖5 中可以看出，2 輛國Ⅴ和6 輛國Ⅵ柴油車CO2排放隨載荷比例變化的規律基本一致。柴油車單位行駛里程CO2排放受載荷比例的影響明顯，隨著載荷比例的增大，單位行駛里程CO2排放也逐漸增加，但是每輛車增加的幅度不相等。

圖5 不同排放標準重型車單位行駛里程的CO2 排放

圖6分別給出了單位行駛里程CO2排放載荷修正系數的散點圖和線性擬合曲線。從圖6a 中可以看出，單位行駛里程CO2排放載荷修正系數隨著載荷比例的增大而增加，斜率為0.002 3，而國Ⅵ車輛的結果也基本相似，斜率為0.002 0, 表明隨著載荷比例的增大，發動機負荷增大，相同行駛里程的發動機油耗增加，因此車輛單位行駛里程CO2排放有增加的趨勢。

圖6 不同排放標準重型車單位行駛里程CO2 排放的載荷修正系數

圖7給出了單位發動機做功CO2排放的載荷修正系數隨載荷系數變化的規律，可以看出，無論是國Ⅴ還是國Ⅵ車輛，單位發動機做功的CO2排放基本上不隨載荷比例的增大而變化，保持在相同的排放水平。國Ⅴ車輛單位發動機做功CO2排放的載荷修正系數的線性擬合曲線斜率為 - 0.000 2，而國Ⅵ車輛單位發動機做功排放的線性擬合斜率為 - 0.000 4，近似為水平直線,表明當載荷比例變化時，發動機的工作負荷發生變化，但是發動機的有效熱效率基本不變，單位發動機做功的CO2排放維持在相同的水平。

圖7 不同排放標準重型車單位發動機做功CO2 排放的載荷修正系數

圖8給出了單位行駛里程·車輛質量的CO2排放載荷修正系數的線性擬合曲線。國Ⅴ和國Ⅵ車輛單位行駛里程·車輛質量CO2排放的載荷修正系數都隨著載荷比例的增大而下降，線性擬合曲線斜率相似，分別為-0.004 0、- 0.003 5，表明行駛相同的里程時，載荷比例越大的國Ⅵ重型車，單位質量整車的CO2排放水平越低。

圖8 不同排放標準重型車單位行駛里程·車輛質量CO2 排放的載荷修正系數

2.3 載荷比例對NOx 排放的影響

2 輛國Ⅴ柴油車的后處理系統均為SCR，對NOx排放有降低的作用，因此，NOx排放取決于原機排放和后處理效率。圖9 給出了單位行駛里程的NOx排放結果。從圖9a 中可以看出，載荷比例(η)從0%增加到100%，重型貨車國V-1#的單位行駛里程NOx排放先降低后增加； 而中型貨車國V-2#，隨著載荷比例從0%增加到75%，單位行駛里程NOx排放逐漸增加，但載荷比例再繼續增加，NOx排放卻呈降低趨勢。但這2 種國Ⅴ柴油車單位行駛里程NOx排放受載荷比例的影響較小。6 輛國Ⅵ柴油車的后處理系統均為DOC+ DPF + SCR + ASC，對NOx排放有很強的轉換作用，NOx排放主要取決于后處理轉換效率。從圖9b 可見，隨著載荷比例的增大，國VI-1#和國VI-3#車的單位行駛里程NOx排放先下降后上升，國VI-6#車先上升后下降，國VI-2#、國VI-4#和國VI-5#車逐漸上升。結果顯示，載荷比例對國Ⅵ柴油車單位行駛里程NOx排放的影響更大, 但國Ⅵ柴油車單位行駛里程NOx排放遠低于國Ⅴ柴油車。

圖9 不同排放標準重型車單位行駛里程的NOx 排放

圖10給出了單位行駛里程NOx排放載荷修正系數的散點圖和線性擬合曲線。從圖中可以看出，國Ⅴ車輛的線性擬合曲線斜率僅為0.000 1，表明單位行駛里程NOx排放載荷修正系數基本不隨載荷比例的增大而變化，而國Ⅵ車輛呈現不同的結果，NOx排放載荷修正系數逐漸增加，斜率為0.003 2。表明隨著載荷比例的增大，發動機負荷增大，國Ⅴ車輛的后處理能有效降低NOx，單位行駛里程NOx排放不隨載荷比例的增大而增加；而國Ⅵ車輛的NOx排放水平很低，高負荷時后處理的轉換效率可能難以滿足排放轉換的要求，因此, 國Ⅵ車輛單位行駛里程NOx排放有增加的趨勢。

圖10 不同排放標準重型車單位行駛里程NOx 排放的載荷修正系數

圖11給出了單位發動機做功的NOx排放載荷修正系數隨載荷系數變化的規律。從圖11 中可見，國Ⅴ車輛單位發動機做功NOx排放的載荷修正系數的線性擬合曲線斜率為 - 0.001 8，隨載荷比例增加有下降的趨勢，而國Ⅵ車輛單位發動機做功排放的線性擬合斜率為0.001 8，低于單位行駛里程時的斜率(0.0032），載荷修正系數隨載荷比例增加而上升的趨勢有所減緩。結果顯示，發動機工作在更高的負荷區時，國Ⅴ車輛單位發動機做功的NOx排放略有降低，而國Ⅵ車輛的排放有增加的趨勢，但是離散度較大，每個車輛的結果規律差異較大。

圖11 不同排放標準重型車單位發動機做功NOx 排放的載荷修正系數

圖12給出了單位行駛里程·車輛質量的NOx排放結果和NOx排放載荷修正系數的線性擬合曲線。從圖17 中可以看出，2 條線性擬合曲線斜率分別為 - 0.0024和 - 0.005 4，表明國Ⅵ車輛的單位行駛里程·車輛質量NOx排放的載荷修正系數隨著載荷比例的增大而下降，而國Ⅴ車輛的載荷修正系數下降明顯，說明行駛相同的里程時，載荷比例越大的重型車，單位質量整車的NOx排放水平越低。

圖12 不同排放標準重型車單位行駛里程·車輛質量NOx 排放的載荷修正系數

2.4 載荷比例對PN 排放的影響

2 輛國Ⅴ柴油車均沒有柴油機微粒捕集器(DPF)，對PN 排放影響小，因此PN 排放主要取決于發動機的原機排放。6 輛國Ⅵ柴油車的后處理系統均為DOC+DPF+SCR+ASC，對PN 排放有轉換作用，因此，PN 排放取決于原機排放和后處理效率。圖13 給出了重型車單位行駛里程的PN 排放結果。可以看出，2 輛國Ⅴ柴油車的規律基本一致，隨著載荷比例的增大，單位行駛里程PN 排放逐漸增加，但增加的幅度不大； 6 輛國Ⅵ柴油車隨著載荷比例的增大，單位行駛里程PN 排放也逐漸增加，且增加的幅度高于國Ⅴ車輛。結果顯示: 國Ⅵ柴油車單位行駛里程PN 排放遠低于國Ⅴ柴油車，載荷比例對國Ⅵ柴油車單位行駛里程PN 排放的影響更大。

圖13 不同排放標準重型車單位行駛里程的PN 排放

圖14分別給出了單位行駛里程PN 排放載荷修正系數的散點圖和線性擬合曲線。可以看出，國Ⅵ車輛單位行駛里程PN 排放載荷修正系數隨著載荷比例的增大而顯著增加，線性擬合曲線斜率為0.011 9；國Ⅴ車輛的結果規律相似，線性擬合曲線斜率為0.001 2，遠低于國Ⅵ車輛。結果表明：隨著載荷比例的增大，發動機工作在更高的負荷工況，相同行駛里程的車輛產生了更多的顆粒物數量排放；國Ⅵ車輛因高負荷時DPF 后處理的轉換效率難以滿足排放轉換的要求，所以國Ⅵ車輛單位行駛里程PN 排放有顯著增加的趨勢。

圖14 不同排放標準重型車單位行駛里程PN 排放的載荷修正系數

圖15給出了單位發動機做功的PN 排放載荷修正系數隨載荷系數變化的規律。可以看出，國Ⅴ車輛單位發動機做功PN 排放的載荷修正系數的線性擬合曲線斜率為 - 0.000 6，基本不隨載荷比例的增大而變化，而國Ⅵ車輛單位發動機做功PN 排放的線性擬合斜率為0.0063（低于單位行駛里程時的斜率0.011 9），載荷修正系數隨載荷比例增加而上升的趨勢有所減緩。表明發動機工作在更高的負荷區時，國Ⅴ車輛單位發動機做功的PN 排放略有降低，而國Ⅵ車輛經過后處理轉換后的PN 排放逐漸增加。

圖15 不同排放標準重型車單位發動機做功PN 排放的載荷修正系數

圖16給出了單位行駛里程·車輛質量的PN 排放載荷修正系數的線性擬合曲線。可以看出，國Ⅵ車輛的單位行駛里程·車輛質量NOx排放的載荷修正系數隨著載荷比例的增大而增加（線性擬合曲線斜率0.0051 ），而國Ⅴ車輛呈現相反的趨勢，載荷修正系數明顯下降(斜率為 - 0.005 0)。表明行駛相同的里程時，國Ⅵ重型車載荷比例越大，單位質量整車的PN 排放水平越高，而國Ⅴ重型車規律相反。

圖16 不同排放標準重型車單位行駛里程·車輛質量PN 排放的載荷修正系數

2.5 不同載荷比例條件下車輛狀態和排放瞬態曲線的對比

本研究進一步分析了車速、累計實際扭矩百分比、排氣溫度、PN、CO2和NOx排放的瞬態結果，圖17和圖18 分別給出了1 輛國Ⅴ和1 輛國Ⅵ車輛在PEMS試驗中的PN 和NOx排放瞬態曲線。累計實際扭矩百分比為通過OBD 讀取的實際扭矩百分比值隨著時間（1 Hz）累計的結果。排氣溫度為PEMS 設備使用的排氣流量計上排溫傳感器記錄的溫度結果，排氣流量計與車輛排氣出口相連。

圖17 國Ⅴ重型車不同載荷比例條件下的瞬態排放對比

圖18 國Ⅵ重型車不同載荷比例條件下的瞬態排放對比

瞬態結果表明，在6 種載荷比例條件下國Ⅴ車輛進行PEMS 試驗時，車輛的車速曲線基本相似，而隨著載荷比例的增大，發動機的累計實際扭矩百分比也逐漸增加，說明發動機工作在更高的負荷工況，而發動機的排氣溫度也有增加的趨勢。圖17 給出的PN 和NOx瞬態排放顯示，2 種污染物在不同的載荷條件下瞬態排放曲線基本相似，只是在排放峰值水平上有所差異，特別是高載荷比例時最后的高速階段出現很高的PN 峰值（見圖17a），以及低載荷比例時最初的市區階段出現較高的NOx峰值（見圖17b）。

與國Ⅴ車輛結果相比，國Ⅵ車輛的車速、累計實際扭矩百分比、排氣溫度和CO2瞬態排放結果得到相同的結論。從圖18a 中可以看出，由于有DPF 后處理的轉換作用，國Ⅵ車輛的PN 瞬態排放遠低于國Ⅴ車輛，大部分試驗時間都維持在很低的水平，只有在高載荷比例條件時，在最初的市區階段和最后的高速階段出現了很高的PN 峰值，這就造成了高載荷比例時國Ⅵ車輛單位行駛里程PN 排放的增加。在高載荷比例高速階段，由于排氣溫度升高和排氣流量增加，在柴油機微粒捕集器（DPF）上發生的被動再生過程明顯加劇，PN 排放量形成峰值。圖18b 顯示，催化還原催化器（SCR）后處理有很高的轉換效率，國Ⅵ車輛的NOx瞬態排放在大部分的PEMS 試驗過程中維持在很低的排放水平，只是在最初的市區階段有較大的NOx排放峰值，而高載荷比例時NOx排放峰值高于低載荷比例，與高載荷比例時國Ⅵ車輛單位行駛里程NOx排放增加的趨勢相符。

3 結 論

不同排放標準要求的重型車實際道路工況排放測試結果表明，載荷比例對不同污染物排放的影響程度隨著計算處理方法（單位行駛里程排放、單位行駛里程·車輛質量排放、單位發動機做功排放）的不同，結果差異較大。

在不同載荷比例條件下各污染物的單位行駛里程排放規律不明顯。行駛相同的里程時，載荷比例越大的國Ⅵ重型車，單位質量整車的PN 排放水平越高，CO、CO2和NOx排放水平越低。隨著載荷比例的增大，國Ⅵ重型車單位發動機做功的PN 和NOx排放增加，CO2排放不變，CO 排放降低。

在高載荷比例條件時，國Ⅵ車輛單位行駛里程PN排放增加，原因是國Ⅵ車輛在最初的市區階段和最后的高速階段由于排氣溫度升高和排氣流量增加，在柴油機微粒捕集器(DPF)上發生的被動再生過程明顯加劇，出現了很高的PN 峰值。