重型車LLC循環N2O，PN10排放研究

劉志偉，李騰騰，鐘祥麟，任爍今，黃鵬程，孟慶梁

摘要： 面向未來法規需求，基于低負荷循環（low-load cycle，LLC），對重型車不同負載條件下的氧化亞氮（N2O）、10 nm以上顆粒物數量（PN10）以及23 nm以上顆粒物數量（PN23）的排放特征進行了試驗研究，并使用v-VSP分塊聚類模型進行了區域排放分析。結果表明：LLC工況下， N2O排放量隨載荷的增大而增加，與排溫直接相關；低速區或負VSP區內，N2O排放與載荷呈正相關關系，但在正VSP &中高速區域，過高的載荷反而降低了N2O的排放； PN10和PN23排放均隨載荷的增大而增加，且載荷越大，10～23 nm粒徑粒子占比越高；中高速&VSP絕對值大的區域內， PN10和PN23有較高的濃度，但PN10和PN23的絕對排放量主要存在于VSP為正的區域；隨著載荷的增大，低速&高VSP區域有更多比例10～23 nm粒徑粒子。

關鍵詞： 重型汽車；低負荷循環；氧化亞氮；顆粒；排放測量

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.005

中圖分類號：TK421.5文獻標志碼： B文章編號： 1001-2222（2024）03-0030-06

汽車是移動源大氣污染的主要貢獻者，其中保有量較少的重型車排放卻更加嚴重，僅柴油貨車的NOx和顆粒物排放就分別占據了汽車排放總量的78.3%和90.0%［1］。為滿足日益嚴格的法律法規，柴油發動機的排氣后處理系統更加復雜，產生了更多的副產物，如N2O和NH3等。其中N2O是一種典型的溫室氣體，其溫室效應是CO2的300多倍，對臭氧層有著更加嚴重的破壞性［2］。同時，隨著重型柴油車高壓共軌壓力的提升，柴油噴霧更細，會生成粒徑更小的顆粒物。因此國內外在下階段排放法規制訂思路中，考慮進一步降低限值的同時，也在計劃引入新污染物的監控，這其中就包括N2O及PN10。如在歐洲第七階段排放法規提案中［3］，將N2O排放納入測試，PN檢測要求也計劃將粒徑范圍從此前的大于23 nm修改為大于10 nm；美國環境保護署（environmental protection agency，EPA）對車輛的N2O排放做出了明確規定；我國輕型車國六排放標準已引入了N2O的測試和限值要求［4］，但對重型車還未做明確規定，且關于重型車N2O排放研究較少。范振陽等［5］對重型國六柴油發動機N2O的影響因素進行了研究，發現尿素噴射是影響N2O排放的關鍵因素。王磊等［6］通過柴油機試驗發現柴油機氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）、氨逃逸催化器（ammonia slip catalyst，ASC）以及選擇性催化還原器（selected catalyst reduction，SCR）對N2O的生成均有影響。對于顆粒物，汪曉偉等［7-8］對國六發動機細顆粒物數量排放特性進行了分析，發現重型車PEMS中高速&高負荷區間內的PN10和PN23的差異不明顯，但在中速區間，PN10顯著高于PN23。

現行標準中，重型車整車排放主要使用實際道路PEMS測試方法。該方法盡管可有效反映整車實際道路的排放情況，但其采用的功基窗口法未能對平均功率較小的低負荷工況進行評估。國內排放法規也未對低負荷測試方面提出相應要求。相關研究表明，重型車低負荷工況是比較典型的高排工況［9-12］。因此，美國西南研究院針對重型車的排放測試提出了低負荷循環這一關鍵測試部分并制定了重型車發動機和整車的補充測試程序——低負荷測試循環（low-load cycle，LLC）［10］。該測試循環也是未來法規所關注的重點。

目前的研究缺乏LLC工況條件下對未來法規所關注的N2O和PN10排放研究，考慮到負載是影響車輛排放的關鍵因素，本研究基于LLC工況，針對未來排放法規關注的排放污染物（N2O和PN10）進行了不同載荷下排放特性的研究。

1試驗車輛和方法

1.1試驗車輛

本研究采用一輛滿足國六要求的N3類牽引車，整車最大總質量為49 000 kg，發動機排量為13 L，配備有DOC、SCR、柴油機顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）和ASC的后處理系統，詳細技術參數見表1。

1.2試驗設備和方法

試驗在重型底盤測功機上進行，車輛模擬載荷設置了空載、半載以及滿載3種載荷情況，阻力系數來自于實際滑行阻力測試。采用便攜式排放測試系統PEMS測試車輛N2O排放并記錄車輛發動機的OBD瞬時數據（包括車速、轉速、扭矩等），測試原理為量子級聯激光-紅外光譜分析（quantum cascade-laser infrared spectroscopy，QCL-IR）；為了更好地分析PN10數量排放特征，采用AVL 489 Particle Counter（APC）設備同時對PN10和PN23進行采樣分析，測試原理為冷凝粒子計數（condensation particle counter，CPC），設備規格和精度見表2。

按照圖1固定車輛，并將上述兩臺設備的采樣探頭固定在車輛尾氣管的延伸管上。駕駛員按照LLC循環的車速路譜進行低負荷工況的運行，同時測試車輛的排放情況，設備采樣頻率為1 Hz。

1.3 試驗工況

LLC工況是美國加州環保局提出的測試循環，總時長為5 505 s，主要包括一個整車循環和一個發動機循環。LLC循環是在采集751輛車原始數據的基礎上，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，考慮了實際車輛行駛過程中出現的低負荷、高負荷到低負荷、低負荷到高負荷及中速巡航等情況，通過拼接、驗證方式獲得了整車LLC工況。LLC工況所采用的整車負載均未采用滿載，這也正是研究負載因素影響以及設置空載、半載和滿載3種負載條件的主要原因。本研究進行了整車層面的熱態測試，LLC工況整車速度-時間曲線見圖2。

為了分析不同負載條件下車輛的負荷特征，對3種負載下完成LLC工況的車輛瞬時功率進行了歸一化處理作為功率比（瞬時功率/標定功率×100%），對瞬時功率比進行分布統計。圖3示出3種負載工況下車輛功率的箱線圖分布。

由圖3可以看出，空載和半載的功率中位線幾乎相同，在1%標定功率附近，而滿載工況下車輛功率中位線稍高；隨著車輛載荷的增加，功率比的平均值和上四分位線均增高，總的來看3種載荷條件下，車輛進行LLC循環測試時的瞬時功率比均低于20%。故在車輛滿載條件下，LLC整車工況曲線也滿足低負荷循環的工況特征。

1.4 分析方法

本研究通過上述PEMS以及APC設備測試得到車輛在整個LLC工況中的排放數據和OBD瞬時數據，利用式（1）計算排放物在整個LLC循環下的總排放。

mgas=ugas×∑i=ni=1cgas，i×qmew，i×1f。（1）

式中：mgas為整個循環的氣態污染物質量；ugas為排氣組分密度和排氣密度比；cgas，i為排氣組分的瞬時濃度；qmew，i為瞬時排氣質量流量；f為采樣頻率；n為測量次數。

利用式（2）計算LLC工況的循環功率：

W=∑ni=1ni×Ti9 550×13 600。（2）

式中：W為發動機的循環功；ni為發動機第i秒的轉速；Ti為發動機第i秒的扭矩。

另外本研究引入了比功率（vehicle specific power，VSP）的概念，通過式（3）計算VSP，采用區間劃分的方法對污染物排放情況按照車速和VSP兩個參數進行分塊聚類處理以分析其排放特性。

VSP=v［gf+gsinα+a（1+ε）］+

0.5ρτAm（v+vm）2v。（3）

式中：VSP為瞬時比功率；v為車速；g為重力加速度，取值9.8 m/s2；f為滾動阻力系數；α為坡路角度；ε為質量因子，取值0.1；a為車輛行駛加速度；ρ為試驗環境下的空氣密度；τ為空氣阻力系數；A為車輛迎風面積；vm為試驗環境下的風速。

2結果與討論

2.1N2O排放特性

圖4示出3種負載下N2O的排放對比。N2O的總排放量隨著負載的增大而增大，但其比排放規律略有不同：滿載相比于半載的N2O比排放略有下降。雖然N2O總排放量隨負載狀態逐漸升高，但滿載循環功更高，導致了滿載下的N2O比排放略低于半載。3種載荷下N2O排放平均值分別為5.66×10－6，7.41×10－6以及9.91×10－6，N2O排放與負載存在正相關趨勢。相比于空載，在排放總量上，半載時的N2O增加了57.6%，滿載時增加了118.6%；在比排放上，相比于空載，半載時增加了21.2%，滿載時增加了19.3%。

為了更清晰地分析3種負載條件下N2O的排放差距，利用滾動平均法以100 s為間隔計算N2O瞬時濃度排放的滾動平均值，如圖5所示。由圖5可以看出，3種負載下的N2O排放趨勢較為一致，且在2 500 s之前，N2O排放與負載呈較強的正相關性，在2 500～4 000 s的過程中，滿載工況下的N2O排放低于空載和半載工況，之后又表現出與負載較強的正相關性。

另外，本研究使用v-VSP分塊聚類模型對N2O的體積排放做了對比分析，如圖6所示（圖中斜線格為缺省值）。從圖6可以看出，3種負載下的N2O排放均集中在正VSP區域，且隨VSP的增大，排放增加，而在負VSP區域無明顯規律，且排放較低。也就是說N2O在車輛加速強度大、或者比功率較高的區域將有較多排放。速度方面，過高或過低的車速均會降低N2O排放。對于負載而言，可以看到在整個負VSP區域內，N2O排放隨著負載的增加而增加，對于正VSP區域，其排放在低速區仍然保持著與負載的正相關關系，但隨著速度的增加，滿載下的N2O排放反而逐漸低于空載和半載工況。由此可知，LLC工況下，隨著VSP的增加，N2O排放逐漸增加；但隨著車速增加，N2O排放先增加再減少；負載對N2O排放影響較大，在整個低速區以及整個負VSP區域內N2O排放與負載呈正相關關系，但在正VSP、中高速區域，過高的負載反而降低了N2O的排放。

N2O多形成于后處理系統之中，其中與SCR關系較大，其產生機理主要有兩個：一是硝酸銨的形成和其隨后分解的系列反應，SCR表面容易形成硝酸鹽，其易與NH3形成硝酸銨（150 ℃左右即可生成），硝酸銨隨后分解為N2O，據文獻［15］，在硝酸銨生成和分解速度的平衡下，隨溫度的升高，該系列反應產生的N2O先增加后減少，在300 ℃左右達到峰值；二是NH3在銅沸石的作用下與氧氣發生氧化反應，該反應一般發生在400 ℃以上。

圖7示出3種載荷下的SCR前排氣溫度對比。由圖7可以看出，本研究的LLC工況的溫度范圍為150～400 ℃，故N2O的生成主要與上述第一種反應途徑有關。結合圖5和圖7來看，在前1 000 s內，空載和半載工況的排溫相差不多，且均處于較低水平，故兩者的N2O排放水平均較低，但滿載工況排溫較高，其N2O排放水平相對較高；1 000～2 500 s內3種工況的排溫差距較大，但均在300 ℃以下，導致了3種工況的N2O排放有較大差距，且與排溫呈現正相關關系；在2 500～4 300 s的時間段內，滿載工況的排溫逐漸超過了300 ℃（半載工況排溫也在3 000 s附近超過了300 ℃），故其N2O排放低于半載和空載工況。隨后溫度低于300 ℃，N2O排放與排溫又表現出正相關趨勢。

2.2PN10排放特性

圖8示出3種負載工況下PN10和PN23顆粒物的對比。從圖8可以看出，無論是顆粒物總數還是比排放，均呈現出隨著負載的增大而增大的現象，且PN10增大的趨勢更明顯，導致兩種顆粒物的數量差距隨著負載的增大也增大，也就是說，10～23 nm的粒子數量排放占比隨著負載的增大而有所增加。另外，從圖8還可看出，噴油量與顆粒物排放表現出正相關關系，隨著負載的增加，噴油量增加，顆粒物排放數量也增加。

另外，本研究從v-VSP的分塊聚類方面對PN排放進行了分析，圖9和圖10分別為PN10和PN23的濃度排放分區結果。

從車速來看，粒子數量排放多集中于車速高于30 km/h的區域；從VSP來看，VSP絕對值越大，即車輛制動或加速強度越大時，粒子數量排放越高，這種現象在PN10和PN23排放上均有體現。隨著VSP增大、車速增加，PN10排放均表現出增高趨勢，在高速&高VSP區域，PN10排放最高，并且表現出隨負載增加的正相關性；而PN23也表現出與PN10類似的規律，但其隨VSP的變化趨勢并不明顯，由此可推斷，相比于PN23，PN10對車輛負載變化更為敏感，高負載和急加速工況會大幅增加PN10排放。

此外，本研究對比了PN的排放速率與分區關系，如圖11及圖12所示。與體積排放不同，VSP為負時，車輛處于制動狀態，流量較小，顆粒物排放速率同樣較小，而在VSP為正且越來越大的區域，即車輛的加速階段，兩種粒徑范圍的粒子均增長較快，與上述瞬時數據的分析結論趨于一致。在車輛加速工況，由于噴油量突然增加，會導致更多顆粒物排放。在高速&高VSP條件下，顆粒物排放隨負載的增加正相關趨勢更為明顯。

同時，本研究也利用v-VSP分塊聚類模型對PN10和PN23的占比進行了分析，結果如圖13所示。3種負載下，幾乎在所有區域內，10～23 nm的顆粒物均占據了60%以上，甚至多數的區域下占據了80%左右，故低負荷工況下排放粒子多為10～23 nm粒子。從VSP分區來看，VSP小于0時，10～23 nm的粒子數量和負載的關系不大，但在怠速和低于30 km/h的區間，10～23 nm顆粒占比表現出隨負載增加而增大的趨勢，空載、半載及滿載占比分別為51.19%，59.26%以及79.23%。隨著速度的增加，負載對其影響逐漸減小，甚至在60 km/h的區域內，三種負載的10～23 nm排放占比相同。在VSP＞0時，大部分區域的10～23 nm粒子數量比例均隨著負載的增大而增大；因此隨著負載增大，低速、大VSP區域會產生了更多比例的10～23 nm粒徑粒子。

3結論

a） LLC工況下，N2O排放總量隨著負載的增大而增加，但其比排放在滿載時稍有降低；LLC工況下N2O主要通過硝酸銨的形成和分解系列反應生成，強烈依賴于排溫；

b） LLC工況下，負載對N2O排放影響較大，在整個低速區及整個負VSP區域內，N2O排放與負載呈正相關關系，但在正VSP &中高速區域，過高的負載反而降低了N2O的排放；

c） 無論是PN10還是PN23，均隨著負載的增加而增加，10～23 nm粒徑粒子占PN10總量的比例隨著負載的增加而增加，并且在低速&大VSP區域產生了相對更高比例的10～23 nm粒徑粒子；

d） 在中高速& VSP絕對值大的區域內，PN10和PN23有較高的數量濃度排放；但考慮到不同運行工況排氣流量差異， VSP為正的區域，PN10和PN23排放率相對較高。

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N2O and PN10 Emissions of Heavy-Duty Vehicle under Low Load Cycle

LIU Zhiwei1，LI Tengteng1，2，ZHONG Xianglin1，REN Shuojin1，HUANG Pengcheng1，MENG Qingliang1

（1.CATARC Automotive Test Center（Tianjin） Co.，Ltd.，Tianjin300300，China;2.Tianjin University，Tianjin300072，China）

Abstract： For the future legislation requirements， the emission characteristics of nitrous oxide（N2O）， particulate matter quantities above 10 nm（PN10） and above 23 nm（PN23） of heavy-duty vehicle were studied at different loads according to low load cycle（LLC）， and regional analysis was conducted using the v-VSP binning-reconstruction model. The results show that the total N2O emissions under LLC increase with the increase of load and are directly related to exhaust temperature. N2O emissions are positively correlated with load in the area of low speed or negative VSP， but N2O emissions reduce under the full load in the area of positive VSP and medium-high speed. Both PN10 and PN23 increase with the load increase， and the particles with the size of 10-23 nm take a higher proportion with the larger load. PN10 and PN23 have relatively high concentrations of emission in the area of medium-high speed and high absolute VSP values， but the absolute emissions of PN10 and PN23 mainly concentrate in the area of positive VSP values. With the increase of load， the particles with the size of 10-23 nm take higher proportion in the area of low-speed and high VSP.

Key words： heavy-duty vehicle;LLC;N2O;particle;emission measurement

［編輯： 袁曉燕］