王志紅，龐 博，張遠軍，杜紅云，董夢龍，胡 杰

（1.武漢理工大學汽車工程學院，武漢 430070；2.武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430070；3.襄陽達安汽車檢測中心有限公司，襄陽 441004）

0 概述

重型車的污染物排放已經(jīng)成為大氣污染的重要來源，其中其氮氧化物排放占汽車排放總量的80% 以上，顆粒物排放占90% 以上［1］。加州空氣資源委員會（CARB）等機構(gòu)和組織為了進一步降低柴油車的排放特別是NOx的排放，將出臺更加嚴格的標準。從2024年開始CARB 的NOx的排放限值將降至0.067 g/（kW·h），到2027年將繼續(xù)降低至0.027 g/（kW·h）［2］，并將低負荷循環(huán)（low load cycle，LLC）測試工況加入重型車的發(fā)動機臺架測試中，對低負荷排放考核進一步加嚴［3］。

部分城市類重型車如郵政運輸車、垃圾自卸車、公交車等絕大部分時間在低負荷工況運行。但是，在對實際道路排放測試的試驗數(shù)據(jù)進行處理時，歐洲功基窗口法規(guī)定測試窗口的功率閾值至少要大于10%，美國NTE 法（not-to-exceed，NTE）的測試窗口僅覆蓋30% 以上的功率和轉(zhuǎn)矩區(qū)間［4］，不能完全涵蓋重型車的實際運行工況。

國內(nèi)外學者針對相關(guān)排放標準下的重型車實際道路排放特性展開了廣泛而深入的研究。文獻［5］中對城市類公交車和出租車開展了實際道路排放測試，研究表明城市類輕型車和重型車在市區(qū)工況下的平均行駛速度較低，提高行駛速度有利于降低車輛污染物的排放總量。文獻［6］中利用便攜式排放測試系統(tǒng)（portable emission measurement system，PEMS）對6 輛重型柴油車進行實際道路排放測試，研究結(jié)果表明重型車國六排放標準中采用的功基窗口法所規(guī)定的功率閾值會導致大量發(fā)動機低功率、NOx比排放高的窗口被剔除，低估了重型車在實際道路測試中的NOx排放水平。文獻［7–8］中研究指出重型柴油車的NOx實際道路排放至少被低估了50%，排放限值的不斷加嚴并沒有達到預期的NOx減排效果。文獻［9］中研究結(jié)果表明功基窗口法中規(guī)定將所有窗口的90% 分位的排放因子作為此分析方法的最終結(jié)果，第90 個累積百分位窗口可能是“高排放”或“低排放”窗口，會引起測試的誤差。

GB17691—2018《重型柴油車污染物排放限值與測試方法（中國第六階段）》［10］（以下簡稱“國六”）新增了整車實際道路污染物排放測試，要求使用壓燃式發(fā)動機的重型車需要進行實際道路排放測試。目前重型車的國六排放標準采用功基窗口法對實際道路排放試驗數(shù)據(jù)進行處理，功基窗口法雖然能提高逐秒排放數(shù)據(jù)在計算結(jié)果中的利用率，但存在市區(qū)行駛階段計算權(quán)重顯著偏低的問題，大量低負荷工況下的數(shù)據(jù)會被忽略，進而可能導致低估污染物實際道路排放量［11–12］。研究和監(jiān)督重型車低負荷工況下的排放特性對有效降低車輛污染物排放具有十分重要的意義。本研究致力于探究城市類重型柴油車的低負荷工況排放特性，為后續(xù)的法規(guī)完善提供數(shù)據(jù)參考。

1 測試裝置與測試方法

1.1 試驗車輛

城市車輛主要包括在城市運行的公交車、郵政車和環(huán)衛(wèi)車。試驗車輛為3 輛典型國六城市類柴油車，后處理系統(tǒng)配置有柴油機氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）、選擇性催化還原（selected catalyst reduction，SCR）、柴油機顆粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）和氨逃逸催化器（ammonia slip catalyst，ASC），詳細技術(shù)參數(shù)見表1。N2 類車指最大設(shè)計總質(zhì)量大于3 500 kg 而小于12 000 kg 的載貨車輛；M3 類車指最大設(shè)計總質(zhì)量大于5 000 kg的載客車輛，Ⅲ級指可載乘員數(shù)（不包括駕駛員）多于22 人且不允許乘員站立的車輛。在測試過程中，試驗車輛的載荷均設(shè)定為對應(yīng)車輛最大載荷的50%，試驗使用的燃油均采用0 號柴油。

表1 試驗車輛技術(shù)參數(shù)

1.2 測試設(shè)備

試驗使用的測試設(shè)備是日本HORIBA 公司的OBS-ONE，安裝及布置如圖1 所示。該設(shè)備主要由中央控制單元（central control unit）、電源供電單元（power supply unit）、電力轉(zhuǎn)換單元（power exchange unit）、氣體分析模塊（gas analyzer module）、顆粒物測量模塊（particle number measurement module）組成。其中，氣體分析模塊用來測量CO2、CO、NOx的濃度，顆粒物測量模塊用來測量顆粒物濃度。

圖1 PEMS 設(shè)備安裝示意圖

1.3 試驗路線

試驗地點選在襄陽市襄州區(qū)，試驗路線如圖2所示，實線箭頭代表市區(qū)路段的行駛路線，虛線箭頭代表市郊路段的行駛路線。路線選取盡量形成環(huán)路，這樣起始點和終點距離較近，能夠滿足試驗始點和結(jié)束點之間海拔高度差不超過100 m 的要求，節(jié)省時間而且提高效率。

圖2 試驗路線圖

1.4 試驗方案與試驗環(huán)境

城市類車輛的PEMS 試驗路段比例為70% 的市區(qū)工況和30% 市郊工況，允許實際構(gòu)成比例有5%的偏差。為降低試驗環(huán)境、路況、駕駛習慣、海拔高度等因素對試驗結(jié)果的影響，試驗選在天氣狀況相近的3 天，每天相同時間段選用同一名駕駛員按照相同試驗路線完成試驗。詳細試驗工況比例見表2。

表2 試驗工況相關(guān)參數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)國六排放法規(guī)標準，首先對試驗過程中記錄的污染物濃度、排氣流量等數(shù)據(jù)進行時間對正。時間對正后，再對無效數(shù)據(jù)進行剔除，得到試驗的有效數(shù)據(jù)。本研究采用比排放值的計算和功基窗口法兩種數(shù)據(jù)處理方法，分別對有效數(shù)據(jù)進行處理。

2.1 比排放值的計算

根據(jù)重型車國六排放法規(guī)標準，污染物的比排放值可以通過如下方法計算得到。首先，用式（1）確定污染物的質(zhì)量排放率。

式中，mgas為污染物的質(zhì)量排放率，g/s；ugas為排氣組分密度與稀釋排氣密度比；Cgas為排氣組分平均體積分數(shù)；med為整個循環(huán)的總稀釋排氣質(zhì)量，kg。

總的污染物排放質(zhì)量可由式（2）確定。

式中，Mgas為試驗過程中污染物的排放總質(zhì)量，g；τ為試驗的單位時間；n為試驗總時長，s。

污染物的比排放值可由式（3）確定。

式中，egas為污染物的比排放值，g/（kW·h）；W為測試全程的總功，kW·h。

2.2 功基窗口法

功基窗口法是以發(fā)動機臺架試驗對應(yīng)的世界統(tǒng)一瞬態(tài)循環(huán)（world harmonised transient cycle，WHTC）循環(huán)功作為劃分窗口的依據(jù)，將數(shù)據(jù)劃分成窗口來進行計算。功基窗口法的限制條件：剔除冷起動階段的數(shù)據(jù)，窗口的平均功率要大于發(fā)動機最大功率的20%，有效窗口第90 分位的污染物比排放值大于排放限值。

2.2.1 窗口劃分

圖3 表示在劃分第i個平均窗口時，發(fā)動機做的循環(huán)功對應(yīng)的污染物質(zhì)量的變化。第i個平均窗口周期（t2，i-t1，i）由式（4）確定，終止時刻t2，i由式（5）確 定。t為 窗口的采 樣時刻，s；t1，i和t2，i分別為 第i個平均窗口的采樣起始時刻和終止時刻，s。

圖3 功基窗口法

式 中，W(tj，i) 為從開始到時間tj，i內(nèi)的發(fā)動機循環(huán)功，kW·h；j為第i個窗口內(nèi)的采樣周期總數(shù)；Wref為WHTC 的循環(huán)功，kW·h；Δt為數(shù)據(jù)采樣周期，1 s。Δm為第i個窗口內(nèi)的污染物排放變化量，g。

2.2.2 窗口比排放

每個窗口內(nèi)污染物的平均比排放由式（6）和式（7）確定。

式中，mgas/PN，j為每次數(shù)據(jù)采樣得到的氣體污染物或PN 的總質(zhì)量，g；mp為每個窗口內(nèi)污染物的排放量，mg；W(t2，i)-W(t1，i)為第i個平均窗口的發(fā)動機循環(huán)功，kW·h；ep為每個窗口內(nèi)污染物的比排放值，mg/（kW·h）。

3 結(jié)果分析

通常情況下，把發(fā)動機負荷率低于25% 的工況定義為低負荷工況［13］。車輛運行時，PEMS 設(shè)備通過連接車載自動診斷系統(tǒng)（on-board diagnostic，OBD）裝置讀取一系列發(fā)動機參數(shù)，如發(fā)動機負荷率和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。將排放測試數(shù)據(jù)進行整理，對發(fā)動機負荷率按照每隔5 個百分點的分段方式進行分類，通過計算比排放分析車輛在低負荷工況下不同負荷段的CO、NOx、PN 的排放，再結(jié)合功基窗口法分析低負荷工況下的窗口情況。

3.1 污染物的排放占比

試驗車輛的發(fā)動機負荷率處于不同區(qū)間段時CO、NOx、PN 的排放質(zhì)量占比如圖4所示。0～20% 負荷率區(qū)間內(nèi)，1 號車、2 號車、3 號車CO 排放質(zhì)量占比分別為86.6%、72.0% 和83.1%，NOx排放質(zhì)量占比分別為87.0%、73.4% 和60.7%，PN排放質(zhì)量占比分別為52.9%、88.3% 和85.6%。由此可見，部分城市類重型車的低負荷工況占比高，當發(fā)動機處于低負荷工況運行時各類污染物的排放占比均很高。

圖4 不同負荷工況下各測試車輛的污染物排放占比對比圖

3.2 污染物的比排放值

圖5 為試驗車輛的發(fā)動機負荷率處于不同區(qū)間段時，對應(yīng)的CO 比排放值。1 號車輛在負荷率處于0～5% 和5%～10% 的區(qū)間時，CO 的比排放分別為10.49 g/（kW·h）和8.41 g/（kW·h），高于國六CO 排放限值（6g/（kW·h））。2 號車輛在負荷率處于0～5%區(qū)間時的CO 比排放為5.85 g/（kW·h），接近國六CO 排放限值。3 輛車的最高比排放區(qū)間均為負荷率0～5% 區(qū)間段，且高排放區(qū)間基本均位于低負荷區(qū)間。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：當車輛啟動時，發(fā)動機處于低速低負荷狀態(tài)，柴油與空氣混合不均勻，部分產(chǎn)生的火焰會出現(xiàn)淬熄的現(xiàn)象，局部燃燒不夠充分，會增加CO 的產(chǎn)生；另外，城市類重型車在低負荷工況運行時會伴隨著頻繁的制動，DOC 系統(tǒng)無法發(fā)揮出完整的效能，CO 無法及時地被氧化成CO2。

圖5 不同負荷工況下各試驗車輛的CO 的比排放

雖然1 號車輛在負荷率為0～10% 的區(qū)間內(nèi)的比排放結(jié)果高于國六排放限值，但是綜合3 輛車的情況來看，各個負荷段里CO 的排放數(shù)值基本符合國六排放標準。

圖6 為試驗車輛的發(fā)動機處于不同負荷率區(qū)間段時的NOx比排放值。1 號車輛在負荷率處于0～5%、5%～10%、10%～15%、15%～20% 區(qū)間內(nèi)時，NOx的比排放分別為2.14 g/（kW·h）、1.26 g/（kW·h）、1.14 g/（kW·h）、0.98 g/（kW·h），均高于國六NOx排放限值（0.69 g/（kW·h））。2 號車輛在負荷率低于30% 時的NOx比排放均高于國六NOx排放限值，最高的比排放區(qū)間為負荷率0～5% 區(qū)間，比排放為3.55 g/（kW·h）。3 號車輛在負荷率為0～5% 時的比排放最高，比排放的值為0.93 g/（kW·h），高于國六NOx排放限值。

圖6 不同負荷工況下各試驗車輛的NOx的比排放

城市類重型車大多數(shù)時間在市區(qū)工況運行，市區(qū)工況的怠速比例高，發(fā)動機低負荷的工況占比高。當發(fā)動機處于低負荷工況時，缸內(nèi)的噴油量較少，空氣的占比較高，柴油機的過量空氣系數(shù)大，氧氣含量高，高溫富氧時有利于NOx的生成。當發(fā)動機處于低負荷工況時，排氣溫度較低，在很長時間內(nèi)車輛的排氣溫度低于尿素的熱解和水解溫度。由于SCR系統(tǒng)中尿素的起噴溫度在200 ℃～210 ℃范圍內(nèi)，過低的排氣溫度造成尿素無法充分水解，SCR 系統(tǒng)的效能大幅降低，導致市區(qū)工況下NOx的排放量增多。而在市郊工況時，即使發(fā)動機負荷高，缸內(nèi)燃燒溫度高。NOx原排濃度大，但是SCR 系統(tǒng)中的尿素達到了水解溫度，可以實現(xiàn)90% 以上的轉(zhuǎn)換效率，大幅降低了NOx排放量。

圖7 為試驗車輛的發(fā)動機處于不同負荷率區(qū)間時對應(yīng)的PN 比排放值。測試車輛在負荷率較低時，PN 比排放遠低于國六限值，但是仍然有低負荷工況的排放占比高的現(xiàn)象出現(xiàn)。2 號車輛和3 號車輛在負荷率處于0～5% 區(qū)間時PN 比排放最高，分別為3.71×1011個/（kW·h）和6.42×1011個/（kW·h），均低于國六PN 排放限值1.2×1012個/（kW·h）。

圖7 不同負荷工況下各試驗車輛的PN 的比排放

由以上數(shù)據(jù)可以看出，PN 排放主要也是產(chǎn)生于低負荷工況。主要原因是：當發(fā)動機處于低負荷工況時，氣門的重疊角偏大使得進氣壓力偏低，進氣量少，造成進氣渦流弱，導致缸內(nèi)柴油與空氣的混合不均勻，局部燃燒不夠充分，產(chǎn)生大量細小顆粒物，導致車輛PN 排放升高。

綜上可知，在低負荷階段PN 排放遠低于國六排放限值。在實際檢測過程中，可以把PN 檢測作為次要關(guān)注對象，而著重關(guān)注NOx排放。

3.3 平均比排放

試驗車輛的平均比排放結(jié)果如表3 所示。國六法規(guī)中污染物CO、NOx、PN 的排放限值分別為6.00 g/（kW·h）、0.69 g/（kW·h）和1.2×1012個/（kW·h）。各類污染物的平均比排放均低于國六排放限值。由前面的分析可知，雖然試驗車輛的平均比排放都低于國六排放限值，但是當發(fā)動機在不同的負荷下運行時產(chǎn)生的排放量差別明顯，低負荷階段的排放量占比很大。

表3 污染物的平均比排放

3.4 NOx 的排放分布特征

在分析不同負荷率下污染物的比排放值時，發(fā)現(xiàn)在低負荷工況下NOx排放多次出現(xiàn)超出限值的情況。為了更加明顯地觀察NOx排放分布特征，圖8中列出了測試車輛的NOx比排放散點分布。如圖8所示，1 號車輛比排放較高的點基本分布于0～20%負荷段，2 號車輛和3 號車輛比排放較高的點較為集中地分布于0～40% 的負荷段，這說明了NOx的高比排放點集中分布在低負荷工況。因此，在重型車的實際道路排放檢測中，NOx排放要作為車企和檢測機構(gòu)關(guān)注的重點。

圖8 各試驗車輛在不同負荷率下NOx 比排放分布

3.5 功率閾值對NOx 排放的影響

本節(jié)著重討論功率閾值對NOx窗口比排放的影響。法規(guī)中有效窗口的選擇原則為：窗口平均功率大于發(fā)動機最大功率的20% 的窗口為有效窗口，要求有效窗口的比例大于等于50%。若有效窗口的比例低于50%，則按照1% 的步長降低功率閾值的要求，若功率閾值降低至10%而有效窗口比例仍未超過50%，則判定PEMS 試驗無效。功基窗口的數(shù)據(jù)見表4。

表4 功基窗口相關(guān)數(shù)據(jù)

圖9 匯總了3 輛試驗車輛NOx窗口比排放的分布規(guī)律，圖中豎直方向的實線對應(yīng)功率閾值，實線左側(cè)為無效窗口，右側(cè)為有效窗口，即參與排放計算判定的窗口；圖中水平方向的虛線對應(yīng)有效窗口的第90% 分位的NOx比排放值，虛線上方的窗口比排放不受排放限值的約束。所以，實際上受到功基窗口法約束的NOx的窗口為圖中右下方的方形。

圖9 實際道路NOx 窗口比排放分布特性

在判定窗口有效性的過程中，1 號、2 號和3 號車輛分別剔除了20.13%、38.69% 和25.35% 的窗口，而且1 號車輛和3 號車輛的絕大部分被剔除的窗口都是NOx高比排放窗口，被剔除窗口的比排放值大多高于有效窗口的90% 分位NOx比排放值。這些NOx高比排放窗口的剔除導致大量發(fā)動機處于低負荷工況下的數(shù)值點被忽略掉，造成由此方法計算得到的結(jié)果出現(xiàn)較大的偏差。這些忽略掉的窗口數(shù)值正是城市車輛的常規(guī)工況點所在，導致相較于所有窗口，有效窗口NOx比排放大幅減少且分布特性巨變，有效窗口無法表征車輛實際尤其市區(qū)工況下的NOx排放水平，功基窗口法計算得到的NOx實際道路排放結(jié)果較實際情況被嚴重低估。

4 結(jié)論

（1）試驗車輛在發(fā)動機處于0～20% 負荷率區(qū)間時，CO、NOx、PN 排放量占比分別達到72%～86%、60%～87%、52%～88%。由此可見，部分城市類重型柴油車的低負荷工況占比高，且低負荷工況下各類污染物的排放占比均很高。

（2）在低負荷工況下區(qū)間段內(nèi)，測試車輛的CO和NOx的比排放值均出現(xiàn)超出法規(guī)限值的情況，且NOx的排放超標情況較為嚴重。

（3）運用功基窗口法處理數(shù)據(jù)時，過高的功率閾值會使得使用此方法在進行計算和評價時忽略大量發(fā)動機處于低負荷工況下的窗口，造成結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。