重型柴油车不同载荷下实际道路行驶排放特性

2020-11-04郑永明梁大平

汽车工程 2020年10期

宋东，郑永明，刘爽，梁大平

（中汽研汽车检验中心（昆明）有限公司，昆明 651700）

前言

GB17691—2018《重型柴油车污染物排放限值与测试方法（中国第六阶段）》（以下简称“国六”）增加了整车实际道路排放（PEMS）测试，要求装用压燃式发动机重型车需要进行实际行驶过程中CO、NOx、PN污染物排放测试。其中国六a阶段要求PEMS试验车辆的载荷为最大载荷的50%-100%，国六b阶段要求PEMS试验车辆的载荷为最大载荷的10%-100%［1］。

在国六标准发布之前，国内外已有Vlieger、Hausberger、陈长虹、黄成、高继东、葛蕴珊、余思绮、于谦等［2-10］分别对不同排放标准的柴油车的实际道路排放进行测试，并对排放影响因素进行分析，发现影响重型车排放的主要因素有驾驶行为、道路坡度、车辆行驶速度、车辆载荷、加速度、测试工况顺序、发动机运行负荷。国六标准发布之后，郭勇、汪晓伟等［11-12］分别对不同海拔、不同温度环境下的重型车实际道路排放进行测试，发现海拔因素、环境温度同样也会对车辆的排放造成影响。

为研究车辆载荷对柴油车实际道路排放的影响，选用国六标准中10%载荷、50%载荷、100%载荷3个边界值对测试车辆进行加载，按照国六对路线工况的要求在云南昆明（海拔约1 914 m，大气压力约81.0 kPa）开展了试验。

1 测试装置与测试方法

1.1 测试车辆与测试设备

测试车辆为满足国六排放标准正在开发过程中的N2类柴油车，装配携带SCR＋DOC＋DPF＋ASC后处理装置的4.0 L涡轮增压柴油机。测试车辆和发动机的主要参数见表1和表2。

表1 测试车辆主要参数

测试设备采用日本Horiba公司生产的OBSONE便携式车载排放测试系统，其中气体分析模块可对CO、CO2、NO、NO2采集与测量，颗粒物计数模块可对PN采集与测量，环境测量模块可记录温度、湿度和大气压力，全球定位系统（GPS）可对车辆的行驶路线与速度进行记录与测量，另外可通过车辆OBD诊断接口读取发动机转速、转矩、水温等相关参数。测试设备规格参数见表3。

表2 装配发动机主要性能参数

表3 测试设备规格参数

1.2 测试方案与测试环境

测试时通过小型汽油发电机对PEMS设备供电，将发电机与PEMS设备置于车厢中部并加以固定，以减少测试过程中的震动。通过配重沙袋为测试车辆增加载荷，沙袋应均匀摆放在车厢内，不能集中堆积或对PEMS设备造成干扰。

对于N2类车型，标准要求PEMS测试路段比例为45%的市区路、25%的市郊路、30%的高速路依次进行，允许实际构成比例有5%的偏差，测试时间最短应保证累积功达到发动机WHTC循环功的4～7倍。

为降低测试环境、路况、驾驶习惯、海拔高度等因素对测试结果的影响，测试选在天气状况相近的3天内在每天相同时间段选用同一名驾驶员按照相同测试路线依据国六标准要求分别完成了10%、50%、100%共3组载荷的PEMS测试。

2 测试结果与讨论

3次不同载荷的PEMS测试的测试时长、行驶距离、路段比例、平均车速和累积功见表4，3次测试均满足标准对测试路线与工况的要求，测试车速分布见图1，发动机转速与转矩情况见图2。3次测试过程中，100%载荷时高速工况阶段发生了DPF再生，其并非单纯造成PN排放量增加，同时也伴随着发动机内部燃烧、排气温度和后处理转化能力等多方面因素的变化，故将以10%载荷全阶段、50%载荷全阶段、100%载荷的市区工况和市郊工况阶段为重点展开讨论。3次测试的排放测试结果如图3所示。

表4 测试路线和测试工况比例

图1 测试车速分布

图2 发动机转速和转矩分布

2.1 不同载荷下PN排放

如图3所示，10%、50%载荷下的PN比排放结果低于标准排放限值，100%载荷是由于DPF发生了主动再生，导致PN比排放结果高出标准排放限值61.67%。

图3 CO、NO x、PN、CO2比排放结果

图4为PN实时排放浓度。通过计算可得：在市区工况下3种载荷的PN平均排放浓度值分别为2 199.08、830.29和1 353.43＃/cm3；在市郊工况下3种载荷的PN平均排放浓度值分别为6 049.19、8 374.33和6 954.15＃/cm3；在高速工况下3种载荷的PN平均排放浓度值分别为28 551.11、37 264.49和617 846.64＃/cm3，可以看出PN的排放主要来源于高速阶段，且不同载荷下的PN排放浓度随着车辆行驶速度的提升而显著升高。这是由于发动机转速、转矩升高，喷油量增多，使得燃烧不充分，同时随着排气量的增加DPF捕集效率降低，导致PN排放浓度升高。

图4 PN实时排放浓度

其中100%载荷的高速工况DPF发生再生时排放浓度最高，其浓度分别为10%、50%载荷下浓度的21.64倍、16.58倍，这也是造成该载荷下PN比排放结果超排放限值的原因，同时引起该工况阶段的排温升高至500℃，排气温度见图5。

图5 排气温度分布

2.2 不同载荷下CO排放

图6为CO实时排放浓度，通过计算可得：在市区工况3种载荷的CO的平均排放浓度值分别为117.4×10-6、219.1×10-6和124.9×10-6；在市郊工况3种载荷的CO平均排放浓度值分别为168.5×10-6、171.4×10-6和171.1×10-6；在高速工况3种载荷的CO的平均排放浓度值分别为122.1×10-6、157.7×10-6和137.2×10-6。不同道路工况下50%载荷时CO排放浓度均最高，其中排放最高浓度出现在50%载荷下的市区工况；最低排放浓度出现在10%载荷下的市郊工况。

图6 CO实时排放浓度

由图3比排放结果可以看出，3种载荷下的CO比排放结果均远低于标准排放限值6 000 mg/（kW·h），其中在50%载荷下CO的比排放结果最高，较在10%载荷下CO的比排放结果高30.1%，较在100%载荷下CO的比排放结果高35.9%，因此，CO的排放浓度标定并不是车企的重点标定项目。

2.3 不同载荷下NO x排放

如图3所示，3种载荷下的NOx比排放结果均低于标准排放限值690 mg/（kW·h），其中在10%载荷下NOx比排放结果为540 mg/（kW·h），最接近排放限值，较在50%载荷下NOx的比排放结果高78.22%，较在100%载荷下NOx的比排放量高10.07%。

图7为NOx实时排放浓度，通过计算可得：在市区工况3种载荷的NOx的平均排放浓度值分别为81.14×10-6、36.59×10-6和23.20×10-6；在市郊工况下3种载荷的NOx的平均排放浓度值分别为24.81×10-6、19.26×10-6和26.82×10-6；在高速工况下3种载荷的NOx的平均排放浓度值分别为12.18×10-6、7.64×10-6和36.18×10-6。NOx排放浓度最高出现在市区工况下10%载荷时，较50%、100%载荷分别高出121.75%和249.74%，排放浓度最低出现在高速工况下50%载荷时。高速工况下50%载荷时NOx排放浓度最低，分别较10%载荷与100%载荷下的排放浓度分别减少86.62%和75.42%。在10%载荷与50%载荷工况下，NOx排放浓度随着测试车速的增加呈现出下降的趋势，其原因为随着发动机负荷增加，喷油量增加，缸内空燃比降低，同时伴随着后处理温度升高，SCR处于适宜的温度区间，转化效率提高，从而降低NOx浓度。