车辆载荷对国六重型柴油车排放的影响研究

许家毅 刘宝利 张佑源 郭 勇 刘 麟

（1-东风柳州汽车有限公司 广西 柳州 450045 2-中国汽车技术研究中心有限公司）

引言

氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）是柴油车的主要排气污染物，对大气环境及人类身体健康产生危害。全国柴油车的NOx排放接近汽车排放总量的70%，PM 排放超过汽车排放总量的90%[1]。为了有效控制重型柴油车污染物排放，中华人民共和国生态环境部于2019 年7 月开始实施GB17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（简称国六排放标准）[2]。

随着国六排放标准的实施，满足国六排放标准的重型柴油车（简称国六重型柴油车）的排放控制受到各方重视。杨情操等[3]、夏宗宝等[4]、帅石金等[5]以及Toenges N.等[6]对重型柴油车实现国六排放标准的技术路线及排放影响进行了研究，认为国六重型柴油车NOx排放对空气质量的影响可以忽略不记；郭勇等人就环境温度对国六重型柴油车的排放影响进行了研究，发现低温环境导致整车NOx排放增加，而低温环境对颗粒数量（PN）的影响则没有确定的趋势[7]；汪晓伟等人就高原环境对国六重型柴油车的排放进行了研究，发现海拔高度增加不一定导致颗粒物增加[8]。

载荷变化对重型柴油车主要污染物排放具有一定影响，国六排放标准增加了实际道路排放随载荷变化的控制要求。王刚等人就2 种技术路线的重型车整车载荷对排放的影响进行了研究[9]，但研究方法主要采用转榖台架的C-WTVC 循环，载荷在实际道路中对重型车排放的影响研究相对较少。

本文利用便携式排放测试系统（portable emission measure system，PEMS）对实际道路状态下某国六重型柴油车不同载荷的主要排气污染物进行了测试，就载荷对整车主要排气污染物的影响机制进行了分析，以期对国六重型柴油车减排系统的开发提供有效参考。

1 试验设备及方法

1.1 试验样车与柴油机及后处理系统

本试验样车以及使用的燃油、反应剂均符合国六排放标准。

样车为N3 类半挂牵引车，整车参数如表1 所示。

表1 整车技术参数

试验样车搭载的柴油机进气系统采用增压中冷技术，供油系统采用高压共轨技术。为减少原机排放，采用了废气再循环（EGR）和高压喷射等缸内清洁燃烧技术。柴油机主要技术参数如表2 所示。

表2 柴油机主要技术参数

与柴油机匹配的后处理系统包括：氧化型催化转化器（DOC）、颗粒捕捉器（DPF）、选择性催化还原器（SCR）和氨逃逸催化器（ASC）。其中，DOC 是为了氧化尾气中的HC，生成热量以辅助DPF 再生；DPF是为了捕集尾气中的颗粒物；SCR 的作用则是向尾气中喷射尿素溶液，从而降低尾气中的NOx；ASC 用来处理因为尿素水溶液多喷而造成的氨气泄漏[10]。后处理系统的具体技术参数如表3 所示。

表3 后处理系统技术参数

1.2 污染物采集与分析方法

1.2.1 试验设备及连接

采用HORIBA 公司生产的OBS ONE 车载排放测试设备对试验样车行驶过程中的主要排气污染物进行测试，测试设备与整车的连接方式如图1 所示。

图1 PEMS 设备连接示意图

1.2.2 评价指标及计算方法

1）平均有效窗口比排放

国六重型柴油车实际道路排放基于功基窗口法，评价指标为90%以上的有效窗口排气污染物的窗口比排放均小于整车试验排放限值[2]。为了量化整个PEMS 试验过程中每一种污染物的有效窗口比排放，本文将所有有效窗口比排放的平均值规定为平均有效窗口比排放（简称平均窗口比排放），计算公式为：

式中：EFgas表示排气污染物的平均窗口比排放，mg/（kW·h）；表示第i 个有效窗口排气污染物排放量，mg；表示第i 个有效窗口功，kW·h；t1i和t2i分别表示第i 个有效窗口开始和结束的时间，s。

2）行驶工况比排放

功基窗口法无法统计无效窗口的排气污染物，为了更好地评价某一行驶工况下的排气污染物水平，本文采用行驶工况内车辆排气污染物排放总质量与做功量的比值，即排气污染物比排放来评价某一行驶工况下的排气污染物水平，其计算公式为：

式中：Egas表示排气污染物行驶工况比排放，mg/（kW·h）；t1和t2分别表示行驶工况开始和结束的时间，s。

1.3 测试循环介绍

重型柴油车国六排放标准中，判断受检整车气态污染物和粒子数量是否超标，采用的是非标准循环中的PEMS 试验程序[2]。PEMS 试验程序要求按照正常驾驶特征、行驶条件和载荷在实际道路上测试车辆排气污染物，根据平均行驶车速将道路类型划分为市区路、市郊路和高速路，并根据整车分类划分市区路、市郊路和高速路的时间占比，最短持续测试时间要求测试车辆累计功达到发动机WHTC 循环功的4～7 倍。本试验样车为N3类货车，市区路、市郊路和高速路时间划分比例分别为20%、25%和55%，持续测试时间均达到最短持续测试时间要求。

2 试验结果

2.1 载荷对国六重型柴油车主要污染物的影响

2.1.1 载荷对NOx排放的影响

图2 为不同载荷下的NOx平均窗口比排放对比。

从图2 可以看出，车辆在10%、50%、100%载荷条件下的NOx平均窗口比排放分别为319.2、139.3、118.7mg/（kW·h）。随着载荷的增加，NOx平均窗口比排放逐渐降低，50%、100%载荷下的NOx平均窗口比排放分别为10%载荷下的43.6%和37.2%。由此可见，国六重型柴油车在低载荷条件下NOx排放超标风险最为严重。

图2 各载荷下NOx 平均窗口比排放

2.1.2 载荷对PN 排放的影响

图3 为不同载荷下的PN 平均窗口比排放对比。

图3 各载荷下PN 平均窗口比排放

从图3 可以看出，车辆在10%、50%、100%载荷条件下的PN 平均窗口比排放分别为1.06×1010、6.72×1010、2.34×1011#/（kW·h）。随着载荷的增加，PN平均窗口比排放成倍增加，50%、100%载荷下的PN比排放分别为10%载荷下的6.3 倍和22.1 倍。由此可见，国六重型柴油车在高载荷条件下PN 排放超标风险最为严重。

2.2 各行驶工况下载荷对国六重型柴油车主要污染物排放的影响

为了进一步分析载荷对国六重型柴油车主要排气污染物的影响，将载荷对各行驶工况下的主要污染物排放的影响进行了工况比排放统计处理。

2.2.1 各行驶工况下载荷对NOx排放的影响

各行驶工况下，载荷对NOx排放的影响如图4所示。

从图4 可以看出，10%载荷下，相对于市郊、高速行驶工况，市区行驶工况NOx比排放偏高明显，分别是市郊、高速行驶工况的5.3 倍和3.4 倍；50%、100%载荷下，市区、市郊、高速行驶工况NOx比排放差距不太大。

图4 各载荷下NOx 工况比排放

2.2.2 各行驶工况下载荷对PN 排放的影响

各行驶工况下，载荷对PN 排放的影响如图5所示。

图5 各载荷下PN 工况比排放

从图5 可以看出，10%、50%、100%载荷下，PN排放均随市区、市郊、高速行驶工况的变化呈上升趋势。其中，10%载荷条件下，市区、市郊、高速行驶工况PN 比排放均比较低；50%、100%载荷条件下，高速行驶工况PN 明显增加，其中100%载荷条件下，高速行驶工况PN 比排放增加最为明显，分别为10%、50%载荷高速行驶工况PN 比排放的29.9 倍和3.95 倍。可知，国六重型柴油车在高载荷、高车速条件下行驶，PN 排放最高。

3 结果分析

3.1 重型柴油车主要排气污染物生成机理及控制技术

柴油车的动力系统由于采用稀燃模式，HC 和CO 排放相对较低，排放控制的重点是NOx和PM。其中，NOx主要产生于缸内高温、富氧状态，PM 的产生则是由于缸内燃油过浓区高温缺氧形成碳烟。国六重型柴油车对主要排气污染物NOx、PM 的控制除采用EGR、高压喷射以及增强缸内气流的缸内清洁燃烧技术以外，主要依赖于SCR、DPF 等高效后处理技术。

试验样车搭载的铜基分子筛SCR 系统清除NOx的反应效率主要受催化剂温度影响，如图6 所示。40 000 h-1空速下，NOx转化效率随SCR 处排气温度增加而增加。

图6 整车搭载的SCR 系统40 000 h-1 空速下NOx 转化效率

柴油机颗粒捕集器（DPF）对排气中颗粒物的过滤效率一般高达90%，是降低柴油车颗粒物排放的有效技术手段。

3.2 试验过程数据分析

图7 为在各载荷PEMS 试验程序下车速随时间的变化关系。

图7 不同载荷条件下PEMS 试验程序车速变化

从图7 可以看出，各载荷PEMS 试验循环市区、郊区、高速行驶工况占比一致。随着载荷的增加，PEMS 循环试验总时间缩短。这是因为，PEMS 循环的试验时间是基于发动机台架世界统一瞬态循环（WHTC）总功的倍数判定的。PEMS 循环累计做功达到WHTC 循环功的4～7 倍即判定试验有效，整车载荷越高，发动机输出功率越高，PEMS 循环所需试验时间越短。

图8 为在各载荷PEMS 试验程序下排气温度随时间的变化关系。

图8 不同载荷条件下PEMS 试验程序排气温度变化

从图8 可以看出，排气温度随载荷的增加而增加。从单一载荷来看，排气温度随行驶工况从市区、市郊、高速变化呈增加趋势。

图9 为在各载荷PEMS 试验程序下NOx排放浓度随时间的变化关系。

图9 不同载荷条件下PEMS 试验程序NOx 排放浓度变化

从图9 可以看出，50%、100%载荷下，NOx排放浓度相对较低，普遍低于50×10-6；10%载荷前1 000 s的NOx排放浓度相对较高，最高达到900×10-6，其余时间的NOx排放浓度相对较低。这是10%载荷下，市区工况NOx比排放比市郊、高速行驶工况明显偏高的原因（参见图4）。导致10%载荷前1 000 s 的NOx排放浓度异常高的原因是排气温度过低引起的SCR效率偏低或没有达到SCR 反应剂的喷射温度（参见图6）。

图10 为在各载荷PEMS 试验程序下PN 排放浓度随时间的变化关系。

图10 不同载荷条件下PEMS 试验程序PN 排放浓度变化

从图10 可以看出，10%载荷整个PEMS 循环过程PN 排放浓度相对较低，平均值为1 509#/cm3；50%载荷PEMS 循环前6 500 s 的PN 排放浓度平均值为7 207#/cm3，6 500 s 以后的PN 排放浓度平均值增至42 626#/cm3；100%载荷PEMS 循环前3 000 s 的PN排放浓度平均值为3 781#/cm3，3 000 s 以后的PN 排放浓度开始增加，PN 平均排放浓度达到50 041#/cm3，4 500 s 之后的PN 排放浓度平均值为136 885#/cm3。导致50%载荷及100%载荷PEMS 试验程序下PN排放浓度增加的原因是DPF 在相应工况下的排气温度达到了被动再生的高效温度（胡国强的研究表明，DPF 入口排气温度对被动再生速率有明显影响，入口排气温度在250 ℃左右时，被动再生反应速率非常缓慢，但相同碳载量下入口温度在320 ℃时，再生速率可达250 ℃时的10 倍[11]。），附着在DPF 载体表面的颗粒物发生再生反应之后引起DPF 过滤网孔增大，从而导致DPF 过滤效率下降。

4 结论

1）载荷对实际道路主要排气污染物影响趋势不同，随着载荷的增加，NOx平均窗口比排放逐渐降低，50%、100%载荷下的NOx平均窗口比排放分别为10%载荷下的43.6%和37.2%。随着载荷的增加，PN平均窗口比排放成倍增加，50%、100%载荷下的PN比排放分别为10%载荷下的6.3 倍和22.1 倍。

2）10%载荷市区行驶工况下，NOx比排放最高；100%载荷高速行驶工况下，PN 比排放最高。因此，对于载荷相对较低的国六重型柴油车应当重视对NOx的控制，对于应用载荷较高且长期高速行驶的国六重型柴油车应当加强PN 排放的控制。

3）载荷对国六重型柴油车排气污染物的影响，实质上与载荷变化引起的排气温度变化有关，低载荷市区行驶工况下，排气温度相对较低，SCR 催化转化效率较低，NOx排放较高；高载荷高速行驶工况下，排气温度达到DPF 被动再生高效温度，DPF 过滤效率下降，导致PN 排放相对其他行驶工况数倍增加。