葛子豪,尹 航,徐 龍,楊 揚(yáng),吉 喆,黃 英* (.北京理工大學(xué),北京 0008；.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 000；.濰柴動力股份有限公司,山東 濰坊 606)

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國移動源環(huán)境管理年報(bào)(2022)》,2021 年我國機(jī)動車排放的氮氧化物(NOx)總量為580.7 萬t,其中重型柴油貨車貢獻(xiàn)了408.6 萬t 的NOx排放,約占機(jī)動車NOx排放總量的78.1%[1].另一方面,多方研究表明,每年我國移動污染源產(chǎn)生的二氧化碳(CO2)排放總量在10 億t 左右,其中汽車的貢獻(xiàn)度在80%左右.如果按車型計(jì)算,重型貨車排放的CO2占汽車排放總量的39.7%,如果按燃料分類,柴油車占比達(dá)52.5%[2],因此柴油車是我國主要的NOx污染來源和重要的CO2排放源.

以往對重型車污染物或CO2排放因子的研究主要基于實(shí)際道路排放試驗(yàn)(PEMS 試驗(yàn))[3-13],并結(jié)合汽車或者發(fā)動機(jī)的排放/油耗認(rèn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[14-21]獲得排放因子.但無論是PEMS 試驗(yàn)、還是排放/油耗認(rèn)證實(shí)驗(yàn),都是在環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力,行駛工況等受控的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的,并不能完全真實(shí)反映汽車在實(shí)際道路上的污染物和CO2排放狀況[4,11-21],2018 年頒布的《重型柴油車排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB17691-2018)[22]中規(guī)定:所有滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油車都應(yīng)配備遠(yuǎn)程排放監(jiān)控系統(tǒng),并按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定向汽車生產(chǎn)企業(yè)平臺和國家平臺逐秒傳輸車輛、發(fā)動機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)和NOx濃度數(shù)據(jù).重型柴油車遠(yuǎn)程排放監(jiān)控屬于車載排放監(jiān)控(OBM) 的實(shí)踐之一[22],也是國六標(biāo)準(zhǔn)最重要的規(guī)定之一.根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),進(jìn)一步分析能夠獲得每一輛國六重型柴油車在道路上實(shí)際運(yùn)行燃油消耗量/CO2和NOx排放數(shù)據(jù),和傳統(tǒng)排放因子方法相比較,基于排放遠(yuǎn)程監(jiān)控大數(shù)據(jù)進(jìn)行的污染物和碳排放分析,能更加真實(shí)的反映出重型車實(shí)際運(yùn)行過程中的污染物和碳排放特征.因此通過大數(shù)據(jù)分析獲得的研究結(jié)果更有代表性,更能反應(yīng)實(shí)際道路的污染物和碳排放[23].由于遠(yuǎn)程監(jiān)控要求是在國六(B)階段才開始正式實(shí)施的(2023年7月1日),目前國內(nèi)針對重型車排放遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)開展的研究較少,相關(guān)研究方法、數(shù)據(jù)分析方法鮮有報(bào)道.

為分析實(shí)際道路上行駛的國五和國六柴油車的NOx和CO2排放水平,本文研究獲取了20 輛滿足國五和國六排放標(biāo)準(zhǔn)重型柴油車(其中7 輛國五排放標(biāo)準(zhǔn)車,13 輛國六排放標(biāo)準(zhǔn)車)的排放遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),數(shù)據(jù)覆蓋春、夏、秋、冬4 個不同季節(jié).本文重點(diǎn)研究了遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析處理方法的影響,將遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)獲得的NOx排放數(shù)據(jù)分別按駕駛循環(huán)平均法、功基窗口計(jì)算方法以及3B-MAW[25]方法的要求分別進(jìn)行分析,得到了國五、國六重型柴油車實(shí)際道路上行駛的NOx排放因子和排放特征,使用平均法分析得到了上述車輛的CO2排放,研究評估了國五、國六柴油車的CO2排放水平.

1 車輛信息分析方法

1.1 車輛信息數(shù)據(jù)來源

本文中,車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控信息數(shù)據(jù)來源于遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺,根據(jù)車輛保有量統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,選取了7 輛市場占有率最高的國五重型柴油車和13 輛市場占有率最高的國六重型柴油車對遠(yuǎn)程監(jiān)控排放數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,選擇的重型柴油車排放標(biāo)準(zhǔn)、后處理裝置及試驗(yàn)車行駛里程數(shù)如表1 所示.

表1 試驗(yàn)車輛基本信息Table 1 Basic information of tested vehicles

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

美國加州環(huán)保局(CARB)推薦采用三區(qū)間移動平均窗口(3B-MAW)方法對重型車PEMS 試驗(yàn)排放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,該方法將車輛在怠速、低負(fù)荷和中/高負(fù)荷工況下的NOx排放率分別進(jìn)行分析,是一種典型的分功率段進(jìn)行排放分析的方法,本文參考3B-MAW 方法進(jìn)行道路柴油機(jī)實(shí)際道路排放特性實(shí)際道路排放分析.

CARB 關(guān)于PEMS 的試驗(yàn)方法與GB17691-2018 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定類似,也是按照市區(qū)、市郊、高速的順序進(jìn)行排放實(shí)驗(yàn),所不同的是實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理方法不同,3B-MAW 法采用移動平均原理,以固定的300s 作為劃分依據(jù),以1Hz 的移動速度將實(shí)際道路排放數(shù)據(jù)劃分為不同的窗口,計(jì)算每個窗口的NOx比排放.

在3B-MAW 方法中,窗口歸一化平均CO2排放率決定了窗口類型,計(jì)算公式如下:

式中:CO2average為窗口CO2平均排放率,g/h;FCL 為EPA 標(biāo)準(zhǔn)中的CO2系族認(rèn)證等級,g /(kW·h),HPmax為發(fā)動機(jī)額定功率,kW.

若某窗口歸一化平均CO2排放率低于6%,則該窗口被劃定為怠速窗口;若其歸一化平均CO2排放率在6～20%之間,則將其劃定為低負(fù)荷窗口,若歸一化平均CO2排放率超過20%,則劃定為中/高負(fù)荷窗 口.

不同類型窗口的比排放計(jì)算方法和排放限值并不相同,怠速窗口的NOx比排放按公式(2)計(jì)算,低負(fù)荷窗口和中/高負(fù)荷窗口的NOx比排放按公式(3)計(jì)算:

式中:eSOS,Idle為怠速窗口的NOx排放速率,g/h;eSOS,a為低負(fù)荷窗口和中/高負(fù)荷窗口的NOx比排放(a代表低負(fù)荷或中/高負(fù)荷窗口),g/(kW·h);mNOx和mCO2分別為NOx和CO2質(zhì)量排放速率,g/s,由遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)獲得的NOx和CO2排放、排氣流量數(shù)據(jù)計(jì)算得到;eCO2,FTP,FCL為與發(fā)動機(jī)功率等級對應(yīng)的CO2系族認(rèn)定等級數(shù)據(jù),g/(kW·h)[25].

我國還沒有對重型發(fā)動機(jī)提出CO2認(rèn)證要求,上述公式中的CO2系族認(rèn)證等級數(shù)據(jù)參照WHTC循環(huán)實(shí)驗(yàn)獲得的CO2結(jié)果進(jìn)行計(jì)算.

3B-MAW 方法將車輛運(yùn)行工況按怠速、低負(fù)荷和中/高負(fù)荷窗口分別進(jìn)行計(jì)算,更能反映道路柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況特點(diǎn),以及帶有SCR 等后處理裝置柴油車的NOx排放控制水平,是較為理想的重型柴油車遠(yuǎn)程排放監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析處理方法,建議中國下一階段排放標(biāo)準(zhǔn)中借鑒3B-MAW 方法提出適合中國的遠(yuǎn)程監(jiān)控和PEMS 數(shù)據(jù)分析方法.

除3B-MAW 方法以外,本文還研究了行程平均法的應(yīng)用,行程平均法就是將實(shí)際柴油車從啟動、行駛到行程結(jié)束的一個實(shí)際駕駛循環(huán)中的總NOx排放量分別除以車輛行駛里程、或者發(fā)動機(jī)的累積功,分別計(jì)算得到車輛在該駕駛循環(huán)中的基于里程和基于功的NOx比排放,具體計(jì)算公式見公式(4)和(5):

式中:eNOxMileage為基于里程的NOx比排放,g/km;eNOxWork為基于功的NOx比排放,g/kWh;mNOx為車輛在駕駛循環(huán)的NOx排放量,g;s為遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)路段中獲得的車輛行駛的總里程,km;W為遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)路段中發(fā)動機(jī)輸出的總有效功,kWh.

采用平均法計(jì)算CO2排放,將車輛在駕駛循環(huán)的總CO2排放分別除以車輛總行駛里程、以及循環(huán)總功,分別計(jì)算得到車輛基于里程和功的CO2排放率,具體公式如下式(6)和式(7):

式中:eCO2Mileage為基于里程的 CO2比排放,g/km;eCO2Work為基于功的CO2比排放,g/kWh;mCO2為試驗(yàn)車輛在完整駕駛循環(huán)的CO2排放量, g;根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中獲得的柴油消耗量計(jì)算獲得,s為駕駛循環(huán)歷程長度,km;W為試驗(yàn)車輛駕駛循環(huán)功,kWh.

對遠(yuǎn)程監(jiān)控獲得的排放數(shù)據(jù)按WHTC 功基窗口法計(jì)算各窗口NOx排放量,計(jì)算方法參考國六標(biāo)準(zhǔn)中PEMS 試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定,不同的是遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)計(jì)算從記錄的有效數(shù)據(jù)起始點(diǎn)開始,終點(diǎn)結(jié)束,不同于PEMS 實(shí)驗(yàn)方法規(guī)定的從市區(qū)、市郊、高速的順序進(jìn)行.

將試驗(yàn)結(jié)果中各窗口內(nèi)的NOx比排放由低到高進(jìn)行排列,選取NOx排放第90%窗口比排放結(jié)果作為功基窗口法的NOx實(shí)驗(yàn)結(jié)果,即該車輛的NOx排放因子[22],除此之外, 還將各窗口的NOx排放進(jìn)行算數(shù)平均計(jì)算得到窗口平均NOx比排放,計(jì)算公式如式(8):

式中:nwindow為窗口總數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 柴油車實(shí)際道路行駛特征

圖1顯示了同一輛國六重型貨車(總質(zhì)量18t)在不同時(shí)間的車速分布.2021年6月21日,該車主要在天津市內(nèi)市區(qū)及武清區(qū)、濱海新區(qū)等郊區(qū)行駛,行駛時(shí)間接近6h,由于大部分時(shí)間在市區(qū)及郊區(qū)行駛,平均車速較低.2021年6月25日,該車從江蘇省南通市開往上海市,主要在高速公路上行駛,行駛時(shí)間略多于2h,主要在市郊和高速公路行駛,大部分時(shí)間的行駛時(shí)速在80km/h左右.很明顯,由于該車在不同時(shí)間的行駛路線特征完全不同.其速度特征差異亦相當(dāng)大.

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控獲得的車輛瞬態(tài)速度信息Fig.1 Vehicle transient speed information obtained by remote monitoring

根據(jù)GB17691-2018標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,重型車按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行PEMS 試驗(yàn)時(shí),實(shí)驗(yàn)行駛路線應(yīng)從市區(qū)開始,然后按照市區(qū)、市郊、高速公路的順序依次進(jìn)行,行駛距離應(yīng)滿足4～7 個WHTC(全球統(tǒng)一重型車協(xié)調(diào)循環(huán))功,并按功基窗口法進(jìn)行排放數(shù)據(jù)處理,標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定,滿足國六(A)的柴油車在實(shí)驗(yàn)過程中的道路載荷應(yīng)該在50%～90%之間,國六(B)的實(shí)驗(yàn)載荷規(guī)定在10%～90%之間.

但是現(xiàn)實(shí)生活中,重型車在道路上行駛的路線、載荷根據(jù)工作需要而定,顯然不能符合PEMS 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)要求,并且從監(jiān)控平臺上獲得的數(shù)據(jù)信息只有車輛的實(shí)際行駛路線、行駛速度和發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)信息,并不包括車輛載荷信息,實(shí)際道路行駛更不會按PEMS 標(biāo)準(zhǔn)所要求的市區(qū)、市郊、高速路順序和路段里程分布行駛,因此不能直接應(yīng)用PEMS 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)分析和處理方法.如果人為將遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)按PEMS的規(guī)定要求進(jìn)行人工拼接,顯然不符合真實(shí)反映實(shí)際道路排放特征的宗旨, 并且PEMS標(biāo)準(zhǔn)中也明確規(guī)定不允許將不同時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工拼接,為了充分利用排放遠(yuǎn)程監(jiān)控獲取的信息進(jìn)行重型柴油車的排放狀態(tài)分析,需要另外開發(fā)一種行之有效的分析方法.

2.2 柴油車實(shí)際道路NOx 排放特征

圖2 是根據(jù)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲得的重型柴油車SCR 催化劑上、下游的NOx排放、SCR 入口溫度、SCR 催化劑轉(zhuǎn)換效率和柴油機(jī)輸出功率之間的關(guān)系.隨著發(fā)動機(jī)輸出功率增加,SCR 入口溫度增加,NOx轉(zhuǎn)換效率提高,NOx比排放明顯下降,但排放隨功率增加下降到一定程度之后基本保持不變,這也是國六柴油車排放控制的共同特點(diǎn),因此根據(jù)柴油機(jī)的實(shí)際輸出功率大小分段進(jìn)行排放評價(jià)是一種科學(xué)合理的數(shù)據(jù)分析方法.

圖2 國六重型柴油車NOx 排放、SCR 入口溫度及效率隨功率的變化趨勢Fig.2 Changing trend of NOx emission, SCR inlet temperature and SCR efficiency versus engine power

選擇兩輛國六柴油車的遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),進(jìn)一步分析計(jì)算NOx比排放隨功率變化的趨勢,根據(jù)發(fā)動機(jī)實(shí)際輸出功率與額定功率的比值,按不同比例范圍進(jìn)行分類,得到圖3 不同功率比區(qū)間的NOx排放.可以看到,不同功率比區(qū)間范圍的排放特性完全不同,功率比大于15%以上時(shí)的比排放相對穩(wěn)定,而功率比小于5%～6%時(shí),由于排氣溫度相對較低,SCR 催化劑基本不起作用,這時(shí)主要依靠機(jī)內(nèi)凈化措施控制NOx排放,NOx比排放明顯高于中/高負(fù)荷工況.根據(jù)這個特點(diǎn),采用按功率區(qū)間對遠(yuǎn)程監(jiān)控排放結(jié)果進(jìn)行分析的方法,更能夠反映出重型柴油車的實(shí)際排放特征.

圖3 兩輛國六重型柴油車分功率區(qū)間的NOx 排放Fig.3 NOx emissions in power bins of two China-6 heavy-duty vehicles

圖4 表示的是7 輛國五柴油車和13 輛國六柴油車參照3B-MAW 方法計(jì)算得到的NOx排放特性.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:無論是怠速、低負(fù)荷還是中/高負(fù)荷工況,國五重型柴油車的排放均遠(yuǎn)高于國六重型柴油車,國六重型柴油車在小負(fù)荷和中/高負(fù)荷工況下的NOx排放水平比國五重型柴油車明顯降低,部分國六柴油車的NOx排放甚至比國五車低1 個數(shù)量級左右.

圖4 重型柴油車NOx 排放特性(3B-MAW 法)Fig.4 NOx emission characteristics of heavy-duty vehicles(3B-MAW method)

無論對于國五,還是國六柴油車,中/高負(fù)荷工況的NOx排放均低于低負(fù)荷工況的NOx排放.低負(fù)荷NOx排放較高的主要原因是低負(fù)荷工況下,排氣溫度普遍低于200℃,達(dá)不到SCR 催化劑工作所要求的高效溫度區(qū)間,因此未來排放控制技術(shù)的重點(diǎn)應(yīng)致力提高SCR 催化劑的低溫活性,或者通過有效的熱管理措施提高小負(fù)荷工況下SCR 催化劑的入口溫度.

圖5 為7 輛國五柴油車輛和13 輛國六柴油車按照行程平均法計(jì)算得到的 NOx比排放,無論基于功率、還是基于里程的比排放,國六柴油車的 NOx排放均明顯低于國五柴油車,部分國六柴油車的平均NOx比排放甚至比國五柴油車低一個數(shù)量級左右,說明國六柴油車對 NOx的排放控制切實(shí)有效,而國五柴油車的 NOx排放則高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值,沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的控制水平.

圖5 重型柴油車NOx 排放特性(行程平均法)Fig.5 NOx emission characteristics of heavy-duty vehicles(average method)

與3B-MAW 方法相比,行程平均法簡單易行,所反映的是重型柴油車在實(shí)際道路上行駛的平均排放,有一定的代表性,但是這種方法的缺陷是不能反映出重型車實(shí)際運(yùn)行工況,以及發(fā)動機(jī)負(fù)載的差異,并不能真實(shí)反映出柴油車的實(shí)際排放控制效果.

圖6 為上述7 輛國五柴油車和13 輛國六柴油車按功基窗口法計(jì)算出的NOx排放特性,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,除個別車輛以外,大部分按功基窗口法計(jì)算得到的國六柴油車平均NOx排放因子比國五柴油車低一個數(shù)量級左右,對國五車,按功基窗口法計(jì)算得到的NOx排放結(jié)果與總窗口平均法相差不大,由于國六車輛的排放水平大幅度下降,采用上述兩種方法計(jì)算得到的排放量絕對值雖然總體差距不大,但個別車輛的相對偏差接近一倍.

圖6 重型柴油車NOx 排放特性(功基窗口法)Fig.6 NOx emission characteristics of heavy-duty vehicles(work-based window method)

2.3 柴油車實(shí)際道路CO2 排放特征

如圖7,與國五柴油車相比,國六柴油車的CO2平均排放水平高10%左右,這是由于國六柴油車為了更有效控制NOx的排放,采取了更多的熱管理措施,以提高SCR 催化劑對NOx的轉(zhuǎn)換效率,但這些措施卻導(dǎo)致發(fā)動機(jī)油耗增加.因此面對碳排放和污染物控制的雙重壓力,應(yīng)對排放控制技術(shù)升級不能僅考慮污染物的控制,還應(yīng)采取更有效的技術(shù)措施,進(jìn)一步提高柴油機(jī)的熱效率,降低油耗,在降低NOx排放的同時(shí)降低CO2排放.

圖7 重型柴油車CO2 排放特性Fig.7 CO2 emission characteristics of heavy-duty vehicles

3 結(jié)論

3.1 在實(shí)際道路工況下,無論是使用基于里程、還是基于功的平均法,還是使用功基窗口法,國六重型柴油車的NOx排放都明顯低于國五重型柴油車,二者差距甚至可以達(dá)到一個數(shù)量級左右,國六柴油車有效降低了NOx排放水平,但國五重型柴油車實(shí)際排放則明顯超過標(biāo)準(zhǔn)限值要求.

3.2 在怠速工況下,國五重型柴油車的NOx排放顯著高于國六重型柴油車.無論國五還是國六柴油車,NOx比排放均隨功率增加呈降低趨勢,中/高負(fù)荷的NOx排放明顯低于低負(fù)荷工況,當(dāng)功率比大于20%時(shí),NOx比排放趨于穩(wěn)定.

3.3 如果不采取專門的油耗降低措施,國六柴油車CO2排放比國五柴油車高10%左右,不利于降低碳排放.因此在排放控制技術(shù)升級的同時(shí),還應(yīng)同時(shí)提高柴油機(jī)的熱效率,降低柴油機(jī)油耗,以切實(shí)降低柴油車實(shí)際道路的燃油消耗量和CO2排放.

3.4 與其它方法相比, 3B-MAW 方法將柴油車在怠速、小負(fù)荷和中/高負(fù)荷工況下的NOx排放分開進(jìn)行評價(jià),較適合于重型柴油車排放遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析.