基于不同優化策略的國六汽車起重機排放特性研究

高 潔 ， 賈佳奇 ， 楊錦天 ， 董慶奇 ， 董 浩 ， 王浩偉 ， 羅天嬌

（1.中機科（北京）車輛檢測工程研究院有限公司，北京 102100；2.國家工程機械質量檢驗檢測中心，北京 102100；3.中機寰宇（山東）車輛認證檢測有限公司，山東 德州 253000）

0 引言

重型柴油車國六排放標準GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[1]對重型柴油車排放的要求非常嚴格，需要進行實際道路排放PEMS 試驗，用PEMS 試驗工況下的排放代表重型車的實際道路排放。不同于重型車燃料消耗量轉鼓測試方法[2]，國六標準中只對PEMS 試驗的工況比例構成作了規定，并沒有標準循環。有相關研究人員對實際道路排放測試進行了研究[3-5]。

重型汽車在機動車NOx 和PN 污染物排放分擔率上占比很高。2021 年全年，全國貨車一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物、顆粒物排放量分別為206.2 萬t、51.6 萬t、480.7 萬t、5.8 萬t，分別占汽車排放總量的29.7%、28.4%、84.6%、91.1%[6]。國際清潔交通委員會研究發現，重型柴油車是機動車NOx 排放的主要來源，僅在美國加州，重型車NOx 排放就占到了道路移動源NOx 排放總量的70%以上。因此，進一步降低重型車實際道路NOx 排放對改善大氣質量具有積極作用。

基于重型柴油車國六排放標準，以一輛N3 類國六汽車起重機為研究對象，在PEMS 試驗工況下，采用六種不同的優化策略開展排放試驗，研究起重機在不同優化策略下CO、CO2、NOx 和PN 排放特性的變化規律，為汽車起重機污染物排放控制提供技術指導和數據支撐。

1 試驗方案

1.1 試驗樣車

試驗車輛為重型國六汽車起重機，該車為N 3 類非城市車輛，車輛及發動機技術參數如表1 所示。測試車輛采用的是市場上主流的EGR+DOC+DPF+SCR+ASC 后處理技術路線。燃油品質和載荷對試驗結果有很大影響，為了最大程度降低此影響，每次試驗都保持車輛處于滿載狀態，且采用同一批次的滿足國六排放標準的市售零號柴油[7]。記錄每次試驗溫度、濕度、大氣壓力、碳載量、司機等信息，確保每次試驗的司機、設備和環境等試驗條件一致。

表1 車輛及發動機技術參數

1.2 試驗設備

試驗是在7 2 英寸（品牌：美國寶克，型號：M7349）重型商用車底盤測功機上開展，采用PEMS設備進行車輛排氣污染物的測量，排放測試設備為奧地利AVL 公司生產的便攜式車載排放分析儀，AVL M.O.V.E 系統主要由GAS 模塊、PN 模塊、排氣流量計、控制電腦、配電單元、充電器、GPS、氣象站和電池等組成。GAS 模塊采用不分光紅外線吸收型分析儀測量CO、CO2的排放量，不分光紫外線分析儀測量NOx 的排放量；PN 模塊采用擴散荷電法原理測量PN，排氣流量計采用皮托管原理測量排氣流量，GPS測量車輛速度、經度、緯度和海拔[8]。

1.3 試驗工況

試驗采集實際道路PEMS 路譜，采集的工況曲線如圖1 所示。其中市區路、市郊路和高速路實際占比分別為22%、23%和55%，且平均速度分別為19.15 km/h、56.03 km/h和76.37 km/h，滿足標準要求。

根據PEMS 工況，車輛在底盤測功機上進行排氣污染物的測量，其中，車輛道路行駛阻力系數是由V-BOX設備采集滿載狀態下的車輛滑行數據所得，具體為A=1 941.70 N、B=12.750 0 N/（km/h）、C=0.403 00 N/（km/h）2，車輛具體優化策略如表2 所示。

2 結果分析

2.1 NOx排放特性

車輛在不同優化策略下的NOx 比排放如圖2 所示。在相同試驗工況下，樣車采用不同的優化策略時，其排放結果有很大差別。#1 優化策略的NOx 行程平均比排放最低，為0.154 g/（kWh），#2~#6 策略的NOx 行程平均比排放是#1 策略的1.7~2.1 倍。其中，#1 為車輛正常狀態，排放結果均低于其他優化策略，說明原車排放最佳，后期采用不同的優化策略，不僅不會降低排放，反而排放有所上升。對于#2 和#3，表明車輛累碳后的碳載量對NOx 排放并無明顯影響。對于整體，車輛NOx 比排放隨著速度的提高均呈現逐漸降低的趨勢，具體表現為市區>市郊>高速，整個行程的比排放處于市區和市郊工況之間，比排放最高的區域出現在市區工況，數值為0.4 g/（kWh），重型柴油車國六排放標準NOx 排放限值為0.69 g/（kWh），表明NOx排放均未超出標準限值。

圖2 不同優化策略下車輛的NOx比排放

分析NOx 比排放出現上述差異的原因，主要是因為在市區工況時，起重機怠速比例較高，發動機負荷較低，導致SCR 入口溫度比尿素水解溫度低，大幅降低SCR 裝置的工作效率[9-10]，導致市區工況NOx 排放量高于其他工況。在市區和市郊工況，車輛速度有所提升，發動機負荷升高，其缸內燃燒溫度升高使得NOx 原排大幅增加，排氣溫度上升，SCR 裝置開始正常工作，NOx 尾氣排放大幅降低[11]。

國六重型汽車起重機SCR 裝置的工作效率與排氣溫度有很大關系。#2 優化策略下車輛的NOx 瞬時排放和排氣溫度關系如圖3 所示。試驗前450 s 是發動機的冷啟動階段，在冷啟動過程中，由于SCR 入口溫度沒有達到正常工作溫度，NOx 排放處于較高水平且出現瞬時排放峰值。冷啟動結束后，發動機得到充分熱機，排溫達到SCR 正常工作溫度，達到了有效控制NOx 排放的效果。因此在后續市郊和高速工況，NOx大幅降低，接近零排放且很少出現排放峰值。

圖3 #2 優化策略下車輛的NOx 瞬時排放和排氣溫度變化圖

#2 優化策略下車輛的NOx 瞬時排放和排氣流量關系如圖4 所示。由圖4 可知，在冷啟動階段，車輛急加速時，排氣流量迅速增大，而SCR 并未開始工作，使得大量NOx 隨尾氣氣流排出，導致NOx 瞬時排放量明顯增高。冷啟動過后，NOx 瞬時排放和排氣流量的峰值呈現正相關。

圖4 #2 優化策略下車輛的NOx 瞬時排放和排氣流量變化圖

#2 優化策略下車輛的NOx 瞬時排放和車速變化關系如圖5 所示。車輛在市區工況，速度變化非常頻繁，導致發動機缸內燃燒產生很大波動。車輛在急加速時使得發動機噴油量急劇增加，空燃比下降，缸內燃燒溫度升高，在高溫、高壓條件下，NOx 排放量增加，以#2 優化策略試驗過程為例，車輛NOx 瞬時排放和車速變化的峰值呈現正相關。

圖5 #2優化策略下車輛的NOx瞬時排放和車速變化圖

2.2 CO排放特性

車輛在不同優化策略下的CO 比排放如圖6 所示。在#5 和#6 優化策略下，市區工況CO 排放非常嚴重且行程平均比排放分別是#1 的5.3 倍和6.3 倍。說明優化扭矩響應和尿素噴射策略會導致車輛在市區工況過程中發動機噴油量增加，出現不完全燃燒、CO 排放量急劇增加的現象。對于整體，除#3 工況外，市區工況CO 排放均高于市郊和高速工況，市區工況車輛排溫低，DOC 裝置氧化尾氣中CO 的效率不高，雖然高速工況導致發動機負荷增加，缸內缺氧使得燃燒不充分，CO 排放增加，但是此時發動機功率較高，使得高速工況下的CO 比排放較低。與此同時，市區工況中頻繁的加減速會嚴重影響發動機缸內油氣混合，使得燃料不能充分燃燒，且排氣流量的變化也會對DOC 裝置氧化CO 產生不良影響，導致CO排放大幅增加。

圖6 不同優化策略下車輛的CO 比排放

重型柴油車國六排放標準中CO 排放限值為6.0 g/（kWh），而本文設計工況下CO比排放最大為0.077 8 g/（kWh），遠遠低于排放限值。表明車輛現有的后處理技術路線完全能夠有效控制CO 排放，也說明未來重型柴油車排放標準限值仍有很大降低空間。

2.3 CO2排放特性

車輛在不同優化策略下的CO2比排放如圖7 所示。#1優化策略CO2排放始終處于最低狀態。CO2比排放總體較為穩定，個體間差異不大。CO2比排放在市區工況、市郊工況和高速工況中始終呈現依次降低的趨勢。這是因為市區工況車輛頻繁加減速，發動機負荷低，導致噴油量迅速增加，油氣混合不充分，燃料不完全燃燒，為了達到所需轉速和扭矩，柴油消耗量增加，使得CO2排放較高。隨著車速和發動機負荷不斷提高，發動機燃料逐漸得到充分燃燒，使得CO2排放逐漸下降。經分析CO2瞬時排放與ECU 瞬時油耗關系，表明兩者的峰值同步出現且呈現正相關。

2.4 PN排放特性

車輛在不同優化策略下的PN 比排放如圖8 所示。PN 排放隨著車輛行駛速度和發動機負荷的增加而增加，但總體排放處于較低水平，重型柴油車國六排放標準中壓燃式發動機整車PN 的排放限值為1.2×1012#/（kWh），均遠低于此排放限值，表明國六重型車DPF 后處理裝置起到了有效控制PN排放的效果。

圖8 不同優化策略下車輛的PN 比排放

車輛在市區、市郊和高速三個工況下PN 排放之所以逐漸遞增，是因為在市區工況，車輛速度和發動機負荷較低，過量空氣系數較大，燃料燃燒充分導致顆粒物排放較低。在市郊工況下，發動機轉速趨于穩定狀態，車速上升導致發動機負荷增加，為了使車輛的動力得到有效保證，混合氣的濃度也相應增加，導致PN 排放有所提升，但是由于DPF 裝置發揮作用，所以市郊工況的PN 排放也處于較低水平。在高速工況下，車輛速度提升，發動機負荷較高，噴油量迅速增加，空燃比迅速降低，發動機缸內油氣混合不充分，混合濃度相對較高，DPF 裝置捕捉顆粒物的速度低于其生成的速度，同時排氣流量也較高，導致PN排放大幅增加。

3 結論

1）國六重型汽車起重機E G R+D O C+D P F+SCR+ASC 的后處理技術路線可以有效控制NOx、CO、CO2和PN 排放。但相對于正常狀態下的車輛，采用不同的優化策略并沒有使排放得到有效控制，反而有所上升，尤其是NOx 和PN，上升效果更為明顯，平均提高了60%~90%。但是污染物排放均遠低于重型車國六排放標準限值，表明下階段排放標準污染物排放限值仍有較大的下降空間。

2）對于采用#1 策略的車輛，其NOx 排放最低，為0.154 g/（kWh），#2~#6 策略下NOx 行程平均比排放是#1 策略的1.7~2.1 倍。NOx 比排放隨著速度的提高而逐漸降低，具體表現為市區>市郊>高速。比排放最高的區域出現在市區工況，主要是因為車輛速度波動大，加減速較多，排氣溫度低，SCR 效率低。此外，NOx 瞬時排放和排氣流量、行駛速度均呈現正相關的趨勢。對于#2 和#3 策略，表明車輛累碳后的碳載量對NOx 排放并無明顯影響。

3）優化扭矩響應和尿素噴射策略會導致車輛在市區工況過程中發動機噴油量急劇增加，出現發動機不完全燃燒、CO 排放量急劇增加的現象。市區工況中頻繁的加減速會嚴重影響發動機缸內油氣混合，且排氣溫度和排氣流量也會對DOC裝置氧化CO產生不良影響。雖然高速工況下發動機負荷增加，缸內缺氧使得燃燒不充分，CO瞬時排放增加，但是此時發動機功率較高，使得高速工況下的CO比排放處于較低水平。

4）不同優化策略的起重機CO2比排放總體較為穩定，個體間差異不大。CO2瞬時排放峰值與ECU瞬時油耗峰值同步出現且呈正相關。

5）國六重型車DPF 后處理裝置可以起到有效控制PN 排放的效果。PN 排放與車輛行駛速度、發動機負荷存在很大關系。而優化噴嘴噴射和尿素噴射策略會導致PN排放成倍增加。