重型車低負荷運行特征及NOx排放特性

汪曉偉,景曉軍,高 濤,李 剛,谷雪景,張佑源

重型車低負荷運行特征及NO排放特性

汪曉偉1,景曉軍1,高 濤1,李 剛2*,谷雪景2,張佑源3

(1.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司,天津 300300；2.中國環境科學研究院,北京 100012；3.東風柳州汽車有限公司,廣西 柳州 545000)

利用遠程監控數據分析了北京國六重型柴油城市用車在低負荷運行特征和排放特征,并選取了一臺滿足國六排放標準的6L柴油機,結合發動機在環方法在發動機臺架上開展了國六法規循環(WHTC)和加州低負荷循環(LLC)的排放試驗,對比分析了低負荷循環下的氮氧化物(NO)排放特性.結果表明:國六城市柴油車的低負荷運行時間長,并且低負荷運行階段NO排放占比高.加州構建的LLC循環能夠能反映長時間運行在低負荷以及長時間怠速造成排溫降低導致NO轉化效率降低的實際情況.LLC循環下的NO排放很高,主要原因是由于排溫較低所致.中國也應該根據商用車實際行駛特征,開發低負荷工況來控制低負荷條件下的NO排放.但由于車輛載荷對NO轉化效率和NO排放有較大影響,因此開發低負荷工況時,需要考慮載荷設置.

重型柴油車；遠程監控；低負荷；運行特性；氮氧化物；排放

《中國移動源環境管理年報(2021)》顯示[1],我國2020年機動車排放的NO約626.3萬t;汽車是機動車污染物排放總量的主要貢獻者,其排放的 NO占比超過90%;而柴油車NO排放量超過汽車排放總量的 80%.《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》將NO的排放限值較國五排放標準加嚴了77%[2],增加了車輛實際道路車載法排放試驗(PEMS)來控制車輛實際道路的排放,并且采用功基窗口法來計算排放,要求PEMS測試中90%以上的有效窗口排放需低于0.69g/(kW×h)的排放限值.眾多研究探索了重型車的PEMS排放特性,表明PEMS測試更能反映車輛的真實排放情況[3-7].但PEMS測試有效窗口指的是窗口平均功率大于發動機最大功率的20%的窗口,也就意味著有一部分平均功率較小的低負荷循環排放并未進行評估.呂立群等[8]在最新的研究中發現功基窗口法規定的功率閾值導致大量發動機低功率、NO高比排放數據被剔除,嚴重低估重型車實際道路尤其城市工況下NO排放水平.在車輛實際運行中,尤其是在市區行駛、交通擁堵、作業車輛(如清掃車、垃圾車)作業的過程中,車輛將長時間行駛在低速低負荷的區域.文獻發現[9-14],在低速階段或者市區運行過程中,柴油車實際的NO排放與認證結果存在較大的差異,其NO排放非常嚴重.但在目前的排放法規中,無論是發動機臺架測試還是整車PEMS測試,都沒有充分去考慮低負荷運行情況.因此,美國加州環保局委托西南研究院制定了一項新的重型發動機和整車的補充測試程序低負荷測試循環(LLC)[15-17],并將在排放標準中正式實施.

為滿足重型車下階段排放標準進一步減排的要求,借鑒美國加州低負荷排放測試方法,研究開發適用于中國實際道路行駛的低負荷測試工況是必要的.目前鮮有文獻對柴油車低負荷排放進行研究,僅張丹等[18]在整車轉鼓上開展了整車LLC的測試,其發現整車LLC循環測得的NO比排放是中國重型商用車輛循環(C-WTVC)[19]的15倍.因此,本文基于遠程監控平臺的數據對我國實際行駛中的低負荷特征進行了分析,然后在一臺滿足國六排放標準的6L柴油機上,開展了基于國六法規循環(WHTC)和LLC發動機循環的研究;并采用發動機在環(EIL)的方法,在發動機臺架上運行不同載荷的LLC整車循環,對低負荷循環下的NO排放特性進行闡釋,分析了整車LLC循環和發動機LLC循環的排放差異.

1 試驗方法

1.1 LLC循環

LLC循環是美國加州環保局委托西南研究院制定的一個時長為5505s的測試循環,如圖1所示.LLC循環包括一個整車循環和一個發動機循環,但目前規定只需要進行發動機循環,并且是在熱態條件下開展試驗[15].

圖1 美國加州低負荷測試循環

LLC循環的開發過程中采集了751輛車超過600GB的原始數據,并通過低負荷窗口定義、聚類分析等得到了代表性的工況片段,充分考慮了實際車輛行駛過程中出現的持續低負荷、高負荷到低負荷,低負荷到高負荷以及中速巡航等場景,再通過拼接、試驗驗證等方式獲得了整車的LLC循環[17].LLC整車循環的各場景特性如表1所示.其中場景1～3為持續低負荷運行,場景3的平均車速、平均功率最低,怠速占比達到53%.場景4為中速巡航以及倒拖,倒拖比例達到28%,怠速占比最低,僅有10%.場景5為高負荷轉換到低負荷再到倒拖及短怠速,其倒拖比例最高,達到34%.場景6為在原地長時間作業后,從低負荷轉換到高負荷,怠速占比最高,為66%.

表1 LLC循環中各場景的特性

在得到了LLC整車循環之后,西南研究院采用美國環保署的溫室氣體排放模型(GEM)將整車工況轉換為發動機工況[15],從而得到了發動機的LLC工況.值得注意的是,在轉換過程中,所采用的的整車載荷均沒有采用滿載.這也是在本文中通過EIL分析不同載荷的LLC循環排放的原因.

1.2 EIL方法

發動機在環的開發方法,是指在傳統的發動機臺架上,通過將構建的虛擬整車模型、駕駛員模型、道路和環境模型耦合到一起來實現在發動機臺架上對整車功能進行開發優化的一種方式[20-23].該方法能夠將駕駛策略、測試環境等變量進行統一,從而排除來自于駕駛、交通狀況、環境條件的干擾,達到研究載荷這個唯一變量對同一個測試循環排放影響的目的.

1.3 基于遠程監控數據的分析方法

目前國六法規要求重型車輛必須安裝車載終端,向國家平臺或地方平臺傳輸數據.為研究我國實際行駛中的低負荷特征,首先對遠程監控數據做了如下處理:1)剔除發動機轉速為0的數據;2)剔除NO傳感器發送的無效值的數據(在數據中體現為一個3000+或-10以下的值).將低負荷工況定義為凈輸出扭矩百分比低于20%的工況,分成3個區間,分別是低于10%,10%～15%和15%～20%.凈輸出扭矩百分比是指當前轉速下的實際扭矩與參考扭矩的比值,在OBD數據中體現為扭矩百分比和摩擦扭矩百分比的差值.

計算各低負荷區間的時間占比和排放占比,其中:10%以下低負荷占比=發動機凈輸出扭矩百分比￡10%的點的數量/總的采集點的數量×100%;10%～ 15%低負荷占比2=發動機凈輸出扭矩百分比>10%且￡15%的點的數量/總的采集點的數量×100%; 15%～20%低負荷占比=發動機凈輸出扭矩百分比>15%且￡20%的點的數量/總的采集點的數量× 100%;

參照國六法規,NO排放=SCR下游NO傳感器濃度×(進氣質量流量+燃油質量流量)×0.001587/ 3600,不再進行相關修正.分別計算NO排放總質量以及10%以下、10%～15%和15%～20%低負荷運行下的NO質量.將各低負荷區間的NO質量除以NO排放總質量,得到各低負荷區間下NO排放占 比.

本次研究隨機抽取了北京國六標準的混凝土車、工程作業車、垃圾車和環衛車各1輛1個月的遠程數據進行分析.

1.4 試驗設備

本文中發動機臺架試驗設備包括AVL電力測功機,氣體排放分析儀、顆粒物數量分析儀,以及EIL測試平臺的整車駕駛員模型AVL VSMTM以及實時系統 AVL Testbed CONNECT? (RT)等.主要的測試設備以及軟件見表2.

表2 主要的測試設備和軟件

續表2

1.5 試驗發動機和整車模型

本文所研究的試驗樣機為一臺6L的滿足國六排放標準的重型柴油機,額定功率為180kW,最大扭矩為970Nm,排放控制技術路線為廢氣再循環(EGR)+柴油氧化催化器(DOC)+顆粒捕集器(DPF)+選擇性催化還原器(SCR)+氨逃逸催化器(ASC).對應的整車模型為一輛N3非城市自卸車.整備質量為9000kg,最大總質量為24500kg,變速箱包括10個前進擋位.其中滿載和空載下的滑行系數為實際道路滑行得到.在發動機臺架使用滑行系數進行模擬滑行后通過AVL的Coastdown Manager軟件評估調整后使用.發動機和整車建模的詳細參數見表3.

表3 發動機及整車建模主要參數

1.6 試驗過程

按照國六法規要求開展熱態WHTC(WHTC-H)和LLC發動機工況試驗(LLC_發動機),并通過發動機在環開展滿載和空載條件下的LLC整車工況試驗(LLC_整車滿載和LLC_整車空載),測量氣態污染物和顆粒物數量排放(PN).

2 結果與討論

2.1 基于遠程監控數據的低負荷特征

由圖2可見,4類車的低負荷時間占比范圍為70%～92%.環衛車的低負荷時間占比最高,為92%.垃圾車的低負荷時間占比最低,但也有70%.從低負荷的NO排放占比來看,4類車的低負荷NO排放占比范圍為39%～53%.環衛車的占比最低,為39%.其他3類車的占比均超過了50%.對于混凝土車,低負荷時間主要集中在10%以下的負荷區間,且NO排放也主要集中在此區間,可能是因為這輛混凝土車在城區行駛少,主要是用于攪拌.工程作業車和垃圾車低負荷時間和NO排放主要集中在10%～15%的負荷區間,而環衛車低負荷時間和NO排放主要集中在10%以下的負荷區間.

盡管各車型由于技術水平和排放控制路線不一致,且樣本量低.但由于是隨機抽取,獲得的結論也基本一致,即目前國六城市用車的低負荷運行時間長,NO排放占比高,說明低負荷條件下的NO排放亟需控制.

圖2 基于北京遠程監控數據的重型車低負荷特征

2.2 不同循環下污染物排放

由表4可見,與熱態WHTC相比,LLC發動機循環的氣態污染物排放均有增加,而顆粒物排放有所降低.其中LLC發動機循環的CO和THC排放分別是熱態WHTC循環的3.5和7.8倍,但依然滿足目前國六排放法規的限值要求.而LLC發動機循環的NO排放是熱態WHTC循環的8.8倍,是國六排放法規限值的3.2倍.LLC發動機循環的PN排放是熱態WHTC循環的0.5倍.

對比LLC整車循環滿載和空載下的排放發現,空載條件下,氣態污染物排放升高,而顆粒物排放降低.滿載的CO、THC和NO排放比空載條件下分別增加了231%、1223%和382%,而PN排放降低了40%.

表4 不同循環下污染物比排放量

對比LLC整車循環和發動機循環的排放結果發現,空載LLC整車循環的CO、THC和NO比發動機循環分別高26.6%、19.4%和126%,而PN排放低1.5%.而滿載LLC整車循環的CO、THC和NO比發動機循環分別低61.8%、91%和53.1%,而PN排放高64.6%.

上述結論說明了載荷對最終的污染物排放會產生較大的影響,跟Wang等[24]的研究結果一致.他們研究了半掛牽引車載荷對排放的影響,發現載荷對于低速運行區間的排放影響最大.因此在開發LLC工況的過程中,在由整車工況轉換為發動機工況時,需要合理設置車輛載荷.過高的車輛載荷轉換的發動機工況,會降低低負荷的評估強度.而過低的車輛載荷轉換的發動機工況,也不符合重型車作為商用運輸車輛的實際用途.

2.3 不同循環下NOx瞬態排放特征

由圖3可見,NO的排放增加主要對應4個區域.第1個是LLC開始的持續低負荷階段,對應場景1和2,此時NO排放持續增加.第2、3區域對應場景4、5,在一段時間的怠速后,轉速和扭矩的增加,導致NO排放增加.第4個區域對應場景6,此時發動機經歷了一個非常長時間的怠速,轉速和扭矩增加后,NO排放明顯增加.而在場景3中,盡管負荷很低,但并沒有非常明顯的NO排放.

如圖4所示,對于熱態WHTC循環,其NO瞬態排放峰值主要出現在循環的第350～500s的區域.該階段的NO占總的熱態WHTC循環NO排放的85%.熱態WHTC的最大峰值為0.18g/s,而LLC發動機循環的NO排放最大峰值為0.29g/s.

圖3 LLC發動機循環NOx瞬態排放特性

圖4 熱態WHTC循環NOx瞬態排放特性

由圖5可見,滿載條件下的NO瞬態排放特性與LLC發動機循環相似,也是分為4個區域.但空載條件下NO的瞬態排放特性與LLC發動機循環存在一定差異.最明顯的差距是在場景3.在LLC發動機循環中,NO排放增加很少.但在空載條件下的整車LLC循環中,NO排放顯著增加.這說明在對場景3進行整車工況轉化成發動機工況時,應將車輛載荷設置得更低一些,才能更好地體現對場景3這種持續超低負荷的管控效果.

圖5 LLC整車循環NOx瞬態排放特性

2.4 LLC各場景NOx排放特性

由圖6可見,LLC發動機循環比排放最高的是場景6,為4.56g/(kW×h),約為國六排放限值的9.9倍.其次是場景1、5、4,其比排放分別為國六排放限值的4.1、2.5和2.1倍.場景2和3的比排放都低于國六排放限值.而對于LLC整車循環,在滿載條件下,比排放最高的是場景6,為3.4g/(kW×h),約為國六限值的7.4倍,其次是場景1,其比排放為國六限值的3.3倍.其后依次為場景4、2、5、3,比排放都低于國六排放限值.在空載條件下,比排放最高的是場景1,達到10.2g/(kW×h),為國六排放限值的22.2倍,其次是場景6、3、2、5、4,其比排放分別為國六排放限值的19.4、17.8、5.6、4.5和3.3倍.

由圖7可見,無論是整車循環還是發動機循環,場景6的NO排放占比都是最高的,其中LLC發動機循環和LLC整車滿載循環的NO排放占比達到了50%.LLC發動機循環和LLC整車滿載循環在場景3的NO排放占比極低,而LLC整車空載循環各場景的NO排放占比分布更加均衡.這也說明目前LLC發動機循環對場景3的考核作用不強.

圖6 LLC循環各場景NOx比排放

圖7 LLC循環各場景NOx排放占比

2.5 討論

影響最終NO排放的因素是發動機原排和SCR的催化效率.發動機原排取決于發動機的運行工況和控制策略如EGR的使用等[25-26],而SCR的催化效率的影響因素很多[27-28],但主要取決于排氣溫度.

基于OBD數據里的SCR前NO傳感器和空氣流量、燃油流量等參數,按照國六標準計算NO比排放的要求計算得到了LLC循環下各場景以及熱態WHTC和LLC總循環的NO原排比排放,如表5所示.熱態WHTC總循環的原排比排放跟LLC發動機總循環相差不大,分別為7.2,7.0g/(kW×h).而LLC整車滿載循環和空載循環的總原排比排放相差不大,分別為8.8,9.0g/(kW×h),空載循環略高.從LLC的場景分布來看,對于LLC發動機循環,原排最高的是場景6,達9.4g/(kW×h),最低的為場景2,為5.7g/ (kW×h).對于LLC整車滿載循環,原排最高的是場景3,達10.8g/(kW×h).其次為場景6,為10.1g/(kW×h).最低的為場景1,為6.6g/(kW×h).對于整車空載循環,原排最高的是場景3,達15.1g/(kW×h).其次為場景1和場景6,分別為14.6,13.5g/(kW×h).最低的為場景4,為6.6g/ (kW×h).

表5 基于前NOx傳感器的NOx原排[g/(kW×h)]

基于SCR前后NO傳感器的值,計算了SCR的NO轉化效率.NO轉化效率為NO原排總量與NO尾排總量的差值占原排總量的百分比.由表6可見,從整個循環來看,熱態WHTC、LLC發動機循環、LLC整車空載循環和LLC整車滿載循環的平均SCR入口溫度分別為272,189,170,237℃.因此,熱態WHTC的NO轉化效率最高,達97%.LLC整車空載循環的NO轉化效率最低,僅為64%.LLC發動機循環和LLC整車滿載循環分別為81%和89%.由于LLC整車空載循環的原排又最高,因此其最終比排放高達3.37g/(kW×h)(見表4).熱態WHTC的原排要略高于LLC發動機循環,但由于其NO轉化效率高,因此其最終比排放僅為0.17g/(kW×h).盡管LLC整車滿載循環的原排要高于LLC發動機循環,但由于其排溫更高,因此其轉化效率更高,導致其最終比排放只有LLC發動機循環的一半.這說明NO轉化效率對最終NO排放的影響,要大于原排的影響.

從場景分布來看,LLC發動機循環各場景中場景2的平均SCR入口溫度最高,為225℃,其NO轉化效率也高達97%.場景6的平均SCR入口溫度最低,僅有147℃,其NO轉化效率只有56%.LLC整車滿載循環各場景中場景5的平均SCR入口溫度最高,為297℃,其NO轉化效率也高達98%.場景6的平均SCR入口溫度最低,僅有173℃,其NO轉化效率只有64%.LLC發動機循環和整車滿載循環場景6的NO原排也很高,因此最終的NO排放也很高.

LLC整車空載循環各場景中場景5的平均SCR入口溫度最高,為202℃,其NO轉化效率為85%.場景6的平均SCR入口溫度最低,僅有133℃,其NO轉化效率只有44%.此外,LLC整車空載循環場景1和3,轉化效率分別為41%和51%,而場景1、3和6的NO原排又非常高,因此這3個場景的NO排放很高.此外,從表6中也可以看出,并不是平均入口溫度越高,NO轉化效率越高.這主要是因為這里的溫度只是平均溫度,并不能完全對應上瞬態NO轉化效率.

表6 NOx的轉化效率及平均SCR入口溫度

圖8 SCR入口溫度和NOx尾排濃度

如圖8所示,對于場景1、2、3,由于持續低負荷運行,LLC整車空載循環的SCR入口溫度大部分都在200℃以下.此外,場景4、5、6中,都有一段時間較長的怠速.這段時間SCR入口溫度均有明顯的下降,場景6尤為明顯,所以LLC循環中場景6的NO轉化效率非常低.

3 結論

3.1 北京國六城市柴油車的低負荷運行時間長,NO排放占比高.重型柴油車低負荷下的NO排放亟需控制.

3.2 基于發動機臺架,結合EIL方法闡明LLC整車循環和發動機循環的排放特征以及跟目前WHTC循環排放特性的差異.LLC循環能夠能反映長時間運行在低負荷以及長時間怠速造成排溫降低導致NO轉化效率降低的實際情況.目前的WHTC循環并不能對這些場景進行考核,因此中國也應該根據商用車實際行駛特征,開發適合中國道路特征的低負荷工況.

3.3 車輛載荷對NO轉化效率和最終的NO排放有較大影響,因此低負荷工況的開發過程中,尤其是在將整車工況轉換成發動機工況時,應考慮載荷的影響.

3.4 LLC循環下的NO排放很高,主要原因是由于排溫較低所致.因此,企業在針對LLC循環進行標定開發時,要尤其關注后處理系統的熱管理以及SCR的低溫轉化性能.

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Low load running characteristics and NOxemission under low load for heavy-duty diesel vehicles.

WANG Xiao-wei1, JING Xiao-jun1, GAO Tao1, LI Gang2*, GU Xue-jing2, ZHANG You-yuan3

(1.CATARC Automotive Test Center (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin 300300, China；2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China；3.Dongfeng Liuzhou Motor Co., Ltd., Liuzhou 545000, China)., 2022,42(11)：5063～5071

The operation and emission performances of a heavy-duty diesel urban vehicle which meets the China VI emission standard have been investigated based on remote monitoring data. Furthermore, a 6L diesel engine which also meets the China VI emission standard has been adopted to carry out the World Harmonized Transient-State Cycle (WHTC) and California Low Load Cycle (LLC) emission tests on an engine test bench using the engine-in-the-loop methodology. The NOemission characteristics under the low-load conditions have been studied. Results suggest that the heavy-duty diesel urban vehicle tends to run under the low-load conditions, accompanied with a large portion of NOemitted. The LLC test reveals the fact that the engine spends more time running under the low-load condition, which leads to a low emission temperature as well as low NOconversion efficiency. The high NOemission under the LLC test is mainly caused by the low exhaust temperature. China is suggested to develop low-load cycle to control the NOemissions under such conditions according to the actual driving characteristics of commercial vehicles. The loading setting should be taken into consideration when developing the low-load cycle given the fact that the NOconversion and emission are significantly affected by the vehicle loading.

heavy-duty diesel vehicle；remote monitor；low load cycle；run characteristics；nitrogen oxides；emission

X511

A

1000-6923(2022)11-5063-09

汪曉偉(1984-),男,湖南益陽人,高級工程師,博士,主要從事汽車及發動機節能減排工作.發表論文40余篇.

2022-04-12

國家重點研究計劃(2019YFC0214800)資助;中國環境科學研究院中央級公益性科研院所基本科研業務專項資助(2021-JY-23)

* 責任作者, 高級工程師, ligang@vecc.org.cn