向橄,杜寶成,徐劃龍,冉林堯
(1.中國汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122;2.車輛排放與節(jié)能重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 401122)
N2類車因其體積較小、靈活、在中低強(qiáng)度運(yùn)輸活動(dòng)中的高便利性、高載重利用率等因素,使其在運(yùn)輸行業(yè)里有著較高的保有量;相應(yīng)的,該類貨車的使用特性決定了其往往有著較為突出的污染物排放水平。近期,國內(nèi)發(fā)布了《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)》(下文統(tǒng)稱:“國六”)標(biāo)準(zhǔn)的正式發(fā)布稿。其中,針對N2類貨車的實(shí)際道路排放,標(biāo)準(zhǔn)對試驗(yàn)方法進(jìn)行了一定的調(diào)整,并且大幅調(diào)低了NOx排放的限值。目前各車輛生產(chǎn)企業(yè)對排放的控制技術(shù)均以滿足《GB 17691-2005—車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》(下文統(tǒng)稱:“國五”)標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo),在“國六”標(biāo)準(zhǔn)即將實(shí)施的背景下,企業(yè)有必要了解符合“國五”標(biāo)準(zhǔn)的在用N2類車在“國六”標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行實(shí)際道路排放測試時(shí)的排放水平,作為技術(shù)改進(jìn)的依據(jù)。
對于N2類貨車在實(shí)際道路排放測試中,“國六”標(biāo)準(zhǔn)對比現(xiàn)階段“國五”標(biāo)準(zhǔn)主要有以下變化:排放限值、環(huán)境條件、道路工況各階段時(shí)間分配比例。
“國六”標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車實(shí)際道路排放試驗(yàn)的排氣污染物計(jì)算方法與“國五”標(biāo)準(zhǔn)一致,均采用功基窗口法,且窗口大小的計(jì)算方式?jīng)]有發(fā)生變化?!皣睒?biāo)準(zhǔn)中對于實(shí)際道路排放試驗(yàn)的NOx限值有了極大的加嚴(yán),具體如表1中所示,CO的排放限值沒有發(fā)生變化而重點(diǎn)在于NOx排放限值的變化達(dá)到了一個(gè)數(shù)量級(jí),對比“國五”標(biāo)準(zhǔn)降低了82.75%。在逐秒采集的排放數(shù)據(jù)中,“國六”要求95%以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)的NOx排放濃度小于500ppm,而在“國五”標(biāo)準(zhǔn)中,這一要求為 95%以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)的 NOx排放濃度小于900ppm。
表1 壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)排放限值
表2為各階段標(biāo)準(zhǔn)對試驗(yàn)環(huán)境條件的要求?!皣睒?biāo)準(zhǔn)中對于實(shí)際道路排放試驗(yàn)的溫度條件要求更加細(xì)化,其上限需要結(jié)合測試時(shí)的大氣壓力進(jìn)行計(jì)算得到;而測試海拔相較于”國五”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了大幅度拓展,測試車輛甚至需要在相對較為高原的環(huán)境中試驗(yàn),此環(huán)境條件下,大氣壓力降低,空氣阻力小,可能造成測試車輛發(fā)動(dòng)機(jī)需求功率下降,進(jìn)而影響排放的窗口計(jì)算。
表2 環(huán)境條件
圖1 N2類車測試工況各階段時(shí)間分配比例
針對N2類貨車,“國六”標(biāo)準(zhǔn)沿用了“國五”標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于道路工況各階段的平均車速的要求。主要的變化來自于各階段時(shí)間分配比例,“國六”標(biāo)準(zhǔn)大幅提高了市區(qū)路工況的時(shí)間占比。市區(qū)的工況從最低的時(shí)間占比20%提高至了接近總時(shí)間一半的45%,大幅縮短了高速路的時(shí)間比例。
通過上述標(biāo)準(zhǔn)變更,由“國六”與“國五”標(biāo)準(zhǔn)變化引起的實(shí)際道路排放測試實(shí)驗(yàn)的主要差異有:
①環(huán)境條件。包括溫度、海拔。
②測試工況各階段時(shí)間分配比例。
因此我們分別設(shè)計(jì)兩組試驗(yàn):
表3 試驗(yàn)編號(hào)
著重針對兩組試驗(yàn)結(jié)果中CO與NOx污染物的排放特性進(jìn)行對比。
2.1.1 試驗(yàn)環(huán)境溫度控制
環(huán)境條件中溫度的變化受測試時(shí)的天氣、地點(diǎn)的影響,會(huì)造成進(jìn)、排氣溫度變化、污染物分析傳感器精度改變,進(jìn)而造成排放結(jié)果有一定的波動(dòng)。測試時(shí)選擇晴朗天氣,且環(huán)境溫度應(yīng)同時(shí)滿足“國五”標(biāo)準(zhǔn)與“國六”標(biāo)準(zhǔn);兩次試驗(yàn)的起始溫度、結(jié)束溫度以及平均溫度差控制在合理的范圍內(nèi),避免對兩次試驗(yàn)結(jié)果的對比產(chǎn)生干擾。
2.1.2 試驗(yàn)海拔控制
為使海拔條件達(dá)到“國五”標(biāo)準(zhǔn)與“國六”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求,通過合理的路線選擇,使試驗(yàn)路線中任意點(diǎn)的海拔不超過 1000m,且起止點(diǎn)海拔差不超過 100m、累計(jì)正海拔高度增量不超過的1200m/100km。在固定或近似的測試路線前提下,海拔條件近乎一致,參照不同標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行多次試驗(yàn),其結(jié)果的差異幾乎不會(huì)受到海拔因素的影響。
2.1.3 測試工況各階段時(shí)間分配比例
選取的試驗(yàn)路線在滿足上述溫度、海拔條件的前提下,結(jié)合當(dāng)?shù)亟煌顩r,使試驗(yàn)時(shí)各階段時(shí)間分配比例滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,即:
① a試驗(yàn):市區(qū):市郊:高速=20:25:55
② b試驗(yàn):市區(qū):市郊:高速=45:25:30
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,實(shí)際的構(gòu)成比例允許有±5%的誤差。
試驗(yàn)采用日本HORIBA公司生產(chǎn)制造的OBS-2200車載排放測試系統(tǒng),其測量主要原理分別為:CO—非分光紅外線法(NDIR)、NOx—化學(xué)發(fā)光法(CLD)。該設(shè)備集成了排氣污染物采集與分析、GPS信號(hào)、氣象站等數(shù)據(jù)采集分析單元,精度滿足“國五”與“國六”標(biāo)準(zhǔn)的要求。
選取一臺(tái)具有代表性的“國五”標(biāo)準(zhǔn)在用N2類貨車作為試驗(yàn)車輛,主要參數(shù)見表4:
表4 試驗(yàn)車輛信息
該車車況良好,無故障,符合本次試驗(yàn)的需求。
3.1.1 邊界條件符合性
表5為a、b兩組試驗(yàn)的測試邊界條件參數(shù)。試驗(yàn)時(shí)選擇同一出發(fā)地作為試驗(yàn)的起始點(diǎn);按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)的要求所選擇的試驗(yàn)路線,最終的測試工況各階段時(shí)間分配比例如圖2所示;為滿足標(biāo)準(zhǔn)對冷啟動(dòng)的要求,兩次試驗(yàn)隔天進(jìn)行,且天氣狀況理想??梢耘卸?,本次對比試驗(yàn)的邊界條件滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)的要求。
表5 測試邊界條件
圖2 各階段實(shí)際時(shí)間分配比例
3.1.2 窗口有效性
“國五”與“國六”標(biāo)準(zhǔn)中要求試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效窗口數(shù)在規(guī)定的功率比界限下應(yīng)不小于50%,表6為兩組試驗(yàn)的有效窗口占比數(shù),兩組試驗(yàn)結(jié)果的有效窗口占比均達(dá)到了50%以上,可以判定本次對比試驗(yàn)的道路排放數(shù)據(jù)有效。
表6 有效窗口占比
3.1.3 結(jié)合以上兩點(diǎn),可以判定本次對比試驗(yàn)中a、b兩組試驗(yàn)的結(jié)果是有效的。
圖3 a、b試驗(yàn)速度-時(shí)間工況圖
試驗(yàn)的駕駛工況曲線如圖3所示。a、b兩組試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn),b組試驗(yàn)的市區(qū)階段的比例較a組明顯增多,由于市區(qū)路車流量大、紅綠燈多等原因,交通狀況最為復(fù)雜,駕駛的加、減速工況會(huì)隨著階段比例的升高而變多;市郊階段a組駕駛相對平緩,b組因?qū)嶋H的交通狀況引起了較為明顯的車速波動(dòng);高速階段兩組試驗(yàn)均包含一定的加減速工況。
表7 CO排放結(jié)果
CO排放結(jié)果顯示,b組試驗(yàn)與a組試驗(yàn)的CO比排放結(jié)果成正比,參照“國六”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的b組試驗(yàn)的CO比排放有一定升高,但變化不大,引起該排放差異的因素可能為駕駛工況的變化。兩次試驗(yàn)的CO排放水平均能夠滿足對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中CO比排放的限值。
表8 NOx排放結(jié)果
NOx總排放結(jié)果中,b組實(shí)驗(yàn)NOx的排放水平較a組有約 89%的升高,接近一倍,按照“國六”標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的試驗(yàn)NOx排放水平明顯惡化。通過圖4、圖5中兩組試驗(yàn)的秒采排放特性圖分析,NOx高峰值頻繁出現(xiàn)在車速波動(dòng)處,加速運(yùn)動(dòng)將觸發(fā)NOx污染物的高瞬間排放。從圖.3可看出,駕駛車速的波動(dòng)主要集中于市區(qū)階段,b組試驗(yàn)較a組試驗(yàn)有更長的市區(qū)工況時(shí)間,可能是其NOx排放水平升高的因素。a組試驗(yàn)中市郊階段行駛平緩,NOx的瞬態(tài)排放也相對平穩(wěn);而b組試驗(yàn)市郊階段駕駛工況相對更復(fù)雜,NOx的瞬態(tài)排放波動(dòng)明顯。根據(jù)“國六”標(biāo)準(zhǔn)中對NOx比排放的限值要求,b組試驗(yàn)NOx比排放結(jié)果嚴(yán)重超標(biāo),達(dá)到限值的數(shù)倍。
通過讀取秒采數(shù)據(jù)分析,a組試驗(yàn)中 NOx濃度不高于900ppm的數(shù)據(jù)點(diǎn)占比為98.6%,滿足“國五”標(biāo)準(zhǔn)的要求;而 b組試驗(yàn)中 NOx濃度不高于 500ppm的數(shù)據(jù)點(diǎn)占比為84.7%,不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的最低限值95%。
圖4 a組試驗(yàn)排放特性圖
圖5 b組試驗(yàn)排放特性圖
①現(xiàn)階段“國五”N2類車在實(shí)際道路排放測試中CO的排放水平可以滿足“國六”標(biāo)準(zhǔn)的要求,針對CO排放污染物的后處理系統(tǒng)可以沿用目前的技術(shù)路線。
②現(xiàn)階段“國五”N2類車在實(shí)際道路排放測試中 NOx的比排放水平遠(yuǎn)高于“國六”標(biāo)準(zhǔn)的限值,車輛生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)著重針對NOx后處理系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。
③現(xiàn)階段“國五”N2類車尾氣排放的NOx濃度高峰點(diǎn)過多,不符合“國六”標(biāo)準(zhǔn)的要求,生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)采取一定技術(shù)方法削弱NOx的高瞬間排放水平。
④駕駛工況的改變可能是“國五”N2類車在“國六”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下實(shí)際道路排放測試結(jié)果明顯惡化的原因。由于樣車不足,需進(jìn)一步驗(yàn)證。