張丹，高東志，包俊江，景曉軍

(1.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東濰坊 261000；2.中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300300)

0 引言

重型車(chē)是汽車(chē)大氣污染排放的主要貢獻(xiàn)者，2019年，柴油貨車(chē)一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物、顆粒物排放量分別為117.5萬(wàn)噸、19.3萬(wàn)噸、485.5萬(wàn)噸、6.2萬(wàn)噸，占汽車(chē)排放總量的16.9%、11.3%、78.0%、89.9%[1]。國(guó)際清潔交通委員會(huì)(The International Council on Clean Transportation, ICCT)研究同樣發(fā)現(xiàn)，重型柴油車(chē)是機(jī)動(dòng)車(chē)NOx排放的主要來(lái)源，僅在加州，重型車(chē)占道路移動(dòng)源NOx排放總量的70%以上。因此，進(jìn)一步降低重型車(chē)NOx排放對(duì)改善大氣質(zhì)量具有積極作用[2]。

重型車(chē)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，排放測(cè)試主要采用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架法與整車(chē)車(chē)載法(Portable Emission Measurement System, PEMS)兩種測(cè)試方法。由于重型車(chē)種類(lèi)較多，且用途廣泛，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放特性與整車(chē)在實(shí)際使用過(guò)程中的排放特性存在差異，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架型式認(rèn)證方法并不能完全反映所有重型車(chē)實(shí)際道路排放情況。PEMS測(cè)試雖然可以較為有效地反映整車(chē)實(shí)際道路排放情況，但其采用的功基窗口法未能對(duì)平均功率較小的低負(fù)荷循環(huán)排放進(jìn)行評(píng)估。另外，ICCT通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期跟蹤的多輛class 8級(jí)(15 t～36.3 t)重型卡車(chē)的實(shí)際排放分析發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛的市區(qū)(0～40.25 km/h)排放約為EPA 2010 NOx限值的7倍，市郊(40.25～80.5 km/h)排放約為限值的3倍，高速(>80.5 km/h)排放基本與限值相當(dāng)[2]。由此可知，PEMS排放測(cè)試法不能有效監(jiān)管評(píng)估在用車(chē)市區(qū)駕駛低速低功率下的排放水平。目前，加州提出的清潔卡車(chē)倡議中要求進(jìn)一步降低NOx排放，美國(guó)西南研究院針對(duì)重型車(chē)的排放測(cè)試研究表明現(xiàn)有的發(fā)動(dòng)機(jī)及整車(chē)認(rèn)證程序遺漏了一個(gè)關(guān)鍵測(cè)試部分——低負(fù)荷循環(huán)，研究發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷循環(huán)運(yùn)行時(shí)，排溫較低，后處理系統(tǒng)性能表現(xiàn)較差[2]。因此，西南研究院制定了一項(xiàng)新的重型發(fā)動(dòng)機(jī)和整車(chē)的補(bǔ)充測(cè)試程序——低負(fù)荷測(cè)試循環(huán)。加州宣稱(chēng)若采用低負(fù)荷、低速條件下在用車(chē)管理方法，可以進(jìn)一步將現(xiàn)行重型車(chē)基于FTP(Federal Test Procedure，F(xiàn)TP)循環(huán)認(rèn)證的NOx排放降低90%以上，該方法預(yù)計(jì)2024年在加州率先實(shí)施。采用該循環(huán)對(duì)進(jìn)一步減少重型車(chē)NOx實(shí)際排放有較大的潛力，能夠促進(jìn)重型車(chē)輛向超低排放或近零排放方向發(fā)展[2,3]。

為適用重型車(chē)下階段標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步減排的要求，借鑒美國(guó)加州低負(fù)荷排放測(cè)試方法，研究開(kāi)發(fā)適用于中國(guó)實(shí)際道路行駛的低負(fù)荷測(cè)試工況是必要的?；诖耍疚牟捎靡惠v重型國(guó)Ⅵ柴油車(chē)，基于底盤(pán)測(cè)功機(jī)方法開(kāi)展低速、低負(fù)荷工況下NOx、PN和CO瞬態(tài)污染物排放特征分析，并對(duì)比分析LLC[4]與轉(zhuǎn)化的世界重型商用車(chē)輛瞬態(tài)循環(huán)C-WTVC(World Transient Vehicle Cycle, C-WTVC)[5]、中國(guó)重型貨車(chē)行駛工況CHTC-HT(China Heavy-duty Commercial Vehicle Test Cycle for Truck, CHTC-HT)[6]三種測(cè)試循環(huán)下的比排放情況。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)車(chē)輛

試驗(yàn)選用N3類(lèi)國(guó)Ⅵ重型柴油貨車(chē)，最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量為16 000 kg，車(chē)輛及發(fā)動(dòng)機(jī)基本信息見(jiàn)表1。

表1 樣車(chē)參數(shù)

1.2 測(cè)試設(shè)備及測(cè)試工況

試驗(yàn)在重型底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行，車(chē)輛模擬載荷設(shè)置為滿載。排放設(shè)備采用HORIBA MEXA-7200DTR全流稀釋尾氣分析儀，分別對(duì)CO、NOx、PN排放污染物進(jìn)行采樣分析，采集頻率為1 Hz。試驗(yàn)循環(huán)采用美國(guó)加州低負(fù)荷行駛循環(huán)LLC，該循環(huán)整車(chē)測(cè)試曲線如圖1所示。LLC是美國(guó)西南研究院為加州空氣資源委員會(huì)開(kāi)發(fā)的，該測(cè)試循環(huán)可以進(jìn)一步降低重型車(chē)輛實(shí)際道路NOx排放。

圖1 美國(guó)加州LLC行駛工況曲線

圖2表示整車(chē)LLC對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速占比情況，即轉(zhuǎn)速、扭矩大小與額定轉(zhuǎn)速、扭矩相比的占比分布情況?？梢钥闯?，在LLC的發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速百分比為21%，平均扭矩百分比為8.5%?？梢缘贸鯨LC的主要特點(diǎn)為低速、低負(fù)荷占比較多。

圖2 LLC對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速占比情況

不同循環(huán)行駛特性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，C-WTVC和CHTC-HT為中國(guó)現(xiàn)有的重型貨車(chē)工況。比較可知，LLC運(yùn)行時(shí)間為5 505 s，為中國(guó)現(xiàn)行工況的3倍左右。其怠速時(shí)間占比較多，占整個(gè)循環(huán)的39%，且LLC的最大加、減速度更大。

表2 不同循環(huán)行駛特性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用同一車(chē)輛，分別進(jìn)行LLC，C-WTVC和CHTC-HT循環(huán)試驗(yàn)，將排放測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較分析。試驗(yàn)條件及底盤(pán)測(cè)功機(jī)設(shè)置依據(jù)GB/T 27840—2011《重型商用車(chē)輛燃料消耗量測(cè)量方法》，數(shù)據(jù)處理及標(biāo)準(zhǔn)限值參照GB 17691—2018《重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》[7]。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 LLC條件下重型車(chē)瞬態(tài)污染物排放特征分析

2.1.1 NOx污染物瞬態(tài)排放特征分析

由圖3可知，國(guó)Ⅵ重型柴油車(chē)LLC測(cè)試結(jié)果NOx污染物瞬態(tài)排放主要集中在以下情況：(1)低速瞬變行駛過(guò)程中的急加速情況，例如350 s、900 s和1 650 s處。此時(shí)車(chē)輛急加速過(guò)程中，噴入較多燃油，燃料逐漸由過(guò)稀混合氣向當(dāng)量比混合氣靠近，燃燒室溫度升高，缸內(nèi)產(chǎn)生NOx污染物。由于整體車(chē)速較低，SCR(Selective Catalytic Reduction, SCR)后處理效率低，使尾氣排放中NOx污染物增加。(2)較長(zhǎng)時(shí)間怠速后的車(chē)輛突然加速的情況，例如2 350 s、3 600 s、5 350 s處。車(chē)輛怠速過(guò)程中，排溫較低，使得后處理系統(tǒng)被冷卻，SCR系統(tǒng)未在高效工作區(qū)間，隨著車(chē)輛加速，燃油噴射量增加，進(jìn)氣量增加，燃燒室內(nèi)產(chǎn)生較多NOx，此時(shí)后處理SCR溫升滯后，產(chǎn)生NOx排放。隨著車(chē)輛行駛一段時(shí)間，大約100 s，SCR系統(tǒng)達(dá)到高效工作溫度，車(chē)輛NOx排放降低。

圖3 LLC條件下NOx污染物排放

綜上分析，低負(fù)荷循環(huán)條件下，NOx瞬態(tài)污染物排放較高區(qū)域的產(chǎn)生主要是由于后處理溫度較低導(dǎo)致的。SCR系統(tǒng)在排氣溫度低于250℃時(shí)，由于催化器未到達(dá)催化的溫度，后處理系統(tǒng)也不進(jìn)行尿素噴射，NOx可能無(wú)法得到有效控制，當(dāng)SCR入口溫度在350℃～450℃時(shí)，NOx轉(zhuǎn)化效率達(dá)到峰值[8]。進(jìn)行LLC測(cè)試時(shí)，車(chē)輛怠速時(shí)間比例達(dá)到39%，排氣溫度較低，因此SCR后處理裝置的溫度控制是低負(fù)荷循環(huán)條件下降低NOx污染物排放的關(guān)鍵。

2.1.2 PN污染物瞬態(tài)排放特征分析

圖4所示為低負(fù)荷循環(huán)下PN污染物的瞬態(tài)排放和累積排放情況。分析圖表可知，PN污染物排放主要集中在速度較高區(qū)域，在2 200 s至3 200 s階段，車(chē)速達(dá)到60 km/h以上，此時(shí)產(chǎn)生PN污染物較多，達(dá)到1.0×1013(#/s)，同樣在5 400 s左右，車(chē)速較高，也會(huì)產(chǎn)生較多的PN污染物。重型柴油車(chē)車(chē)速較高時(shí)，車(chē)輛輸出功率大需要噴入較多燃油，柴油燃燒為擴(kuò)散燃燒，這種燃燒方式?jīng)Q定了柴油與空氣的混合不均勻，不可避免地存在局部缺氧的情況。車(chē)速較高時(shí)，需維持較大的輸出功率噴入較多的燃油，且此時(shí)轉(zhuǎn)速較高，缸內(nèi)局部缺氧的現(xiàn)象更加明顯，燃油在高溫缺氧時(shí)碳化，燃燒室內(nèi)形成較多碳煙。另一方面，柴油車(chē)后處理顆粒捕集裝置DPF是采用孔隙物理捕捉降顆粒的方法，在車(chē)速較高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，排氣流量較大，顆粒物受力較大，因此捕捉困難，DPF效率降低，使得較高車(chē)速行駛條件下，PN污染物排放較高。

圖4 LLC條件下PN污染物瞬態(tài)排放

2.1.3 CO污染物瞬態(tài)排放特征分析

圖5所示為低負(fù)荷循環(huán)下CO污染物的瞬態(tài)排放和累積排放情況。分析圖表可知，柴油車(chē)CO瞬態(tài)排放情況與車(chē)輛速度變化沒(méi)有直接關(guān)系。分析瞬態(tài)排放量可知，在低負(fù)荷測(cè)試過(guò)程中，CO產(chǎn)生較少。這是由于柴油機(jī)這個(gè)工況下空燃比是通過(guò)改變噴油量來(lái)控制的，且始終處于氣多油少的狀態(tài)， CO不容易形成。

圖5 LLC條件下CO污染物瞬態(tài)排放

2.2 各污染物循環(huán)比排放比較分析

重型車(chē)循環(huán)比排放表示某試驗(yàn)循環(huán)完成后，發(fā)動(dòng)機(jī)單位輸出功條件下的污染物排放量。試驗(yàn)完成后，將瞬態(tài)排放進(jìn)行積分，得到污染物循環(huán)總排放質(zhì)量，然后除以整個(gè)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功，得到循環(huán)比排放。三種循環(huán)工況下的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，NOx和CO污染物比排放均未超出國(guó)Ⅵ整車(chē)排放限值；PN污染物比排放的LLC測(cè)試結(jié)果超出國(guó)Ⅵ排放限值。

表3 各污染物在不同工況下的比排放結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖6所示為三種不同測(cè)試循環(huán)測(cè)得的NOx、PN和CO污染物比排放對(duì)比情況。分析結(jié)果可知，LLC測(cè)試結(jié)果中NOx和PN污染物比排放較其它循環(huán)顯著增加，CO污染物比排放與其他循環(huán)比較變化不明顯。對(duì)比可知，LLC測(cè)得的NOx比排放分別約為C-WTVC和CHTC-HT測(cè)得的比排放的15倍和7倍，PN排放較C-WTVC和CHTC-HT測(cè)得結(jié)果均高出2個(gè)數(shù)量級(jí)。以上結(jié)果表明，在低速、低負(fù)荷占比較多的工況條件下，現(xiàn)有的重型國(guó)Ⅵ柴油車(chē)在NOx和PN污染物方面排放量增加很多，存在超標(biāo)的可能性。因此重型柴油車(chē)低速、低負(fù)荷條件下的排放控制，是重型車(chē)超低排放控制的方向之一。

圖6 各污染物在不同工況下的比排放結(jié)果

3 結(jié)論

試驗(yàn)采用一輛重型國(guó)Ⅵ柴油車(chē)，基于底盤(pán)測(cè)功機(jī)方法開(kāi)展低速、低負(fù)荷條件下NOx、PN和CO瞬態(tài)污染物排放特征分析，并對(duì)比分析LLC、C-WTVC、CHTC-HT三種測(cè)試循環(huán)下的比排放情況，得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于瞬態(tài)排放：LLC測(cè)試條件下，重型柴油車(chē)NOx污染物瞬態(tài)排放主要集中在兩種情況：低速瞬變行駛過(guò)程中的急加速情況和較長(zhǎng)時(shí)間怠速后的車(chē)輛加速情況。PN污染物瞬態(tài)排放主要集中在車(chē)速較高區(qū)域。

(2)對(duì)于循環(huán)比排放：LLC測(cè)試循環(huán)下，現(xiàn)有的重型國(guó)Ⅵ柴油車(chē)在NOx和PN污染物排放量增加很多，其中NOx污染物比排放分別是C-WTVC和CHTC-HT工況排放的15倍和7倍，PN比排放較其他工況均高出2個(gè)數(shù)量級(jí)。LLC測(cè)試工況對(duì)CO比排放影響不明顯。

綜上所述，重型國(guó)Ⅵ柴油車(chē)低速、低負(fù)荷條件下NOx和PN污染物排放增加，因此重型柴油車(chē)低速、低負(fù)荷條件下污染物排放控制，是重型車(chē)滿足超低排放并改善大氣環(huán)境的重要手段之一。