国Ⅵ重型柴油车低负荷排放特性试验研究

2021-02-25张丹高东志包俊江景晓军

柴油机设计与制造 2021年4期

张丹，高东志，包俊江，景晓军

(1.潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261000；2.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300300)

0 引言

重型车是汽车大气污染排放的主要贡献者，2019年，柴油货车一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物排放量分别为117.5万吨、19.3万吨、485.5万吨、6.2万吨，占汽车排放总量的16.9%、11.3%、78.0%、89.9%[1]。国际清洁交通委员会(The International Council on Clean Transportation, ICCT)研究同样发现，重型柴油车是机动车NOx排放的主要来源，仅在加州，重型车占道路移动源NOx排放总量的70%以上。因此，进一步降低重型车NOx排放对改善大气质量具有积极作用[2]。

重型车现行标准中，排放测试主要采用发动机台架法与整车车载法(Portable Emission Measurement System, PEMS)两种测试方法。由于重型车种类较多，且用途广泛，发动机的排放特性与整车在实际使用过程中的排放特性存在差异，发动机台架型式认证方法并不能完全反映所有重型车实际道路排放情况。PEMS测试虽然可以较为有效地反映整车实际道路排放情况，但其采用的功基窗口法未能对平均功率较小的低负荷循环排放进行评估。另外，ICCT通过对长期跟踪的多辆class 8级(15 t～36.3 t)重型卡车的实际排放分析发现，车辆的市区(0～40.25 km/h)排放约为EPA 2010 NOx限值的7倍，市郊(40.25～80.5 km/h)排放约为限值的3倍，高速(>80.5 km/h)排放基本与限值相当[2]。由此可知，PEMS排放测试法不能有效监管评估在用车市区驾驶低速低功率下的排放水平。目前，加州提出的清洁卡车倡议中要求进一步降低NOx排放，美国西南研究院针对重型车的排放测试研究表明现有的发动机及整车认证程序遗漏了一个关键测试部分——低负荷循环，研究发现发动机在低负荷循环运行时，排温较低，后处理系统性能表现较差[2]。因此，西南研究院制定了一项新的重型发动机和整车的补充测试程序——低负荷测试循环。加州宣称若采用低负荷、低速条件下在用车管理方法，可以进一步将现行重型车基于FTP(Federal Test Procedure，FTP)循环认证的NOx排放降低90%以上，该方法预计2024年在加州率先实施。采用该循环对进一步减少重型车NOx实际排放有较大的潜力，能够促进重型车辆向超低排放或近零排放方向发展[2,3]。

为适用重型车下阶段标准进一步减排的要求，借鉴美国加州低负荷排放测试方法，研究开发适用于中国实际道路行驶的低负荷测试工况是必要的。基于此，本文采用一辆重型国Ⅵ柴油车，基于底盘测功机方法开展低速、低负荷工况下NOx、PN和CO瞬态污染物排放特征分析，并对比分析LLC[4]与转化的世界重型商用车辆瞬态循环C-WTVC(World Transient Vehicle Cycle, C-WTVC)[5]、中国重型货车行驶工况CHTC-HT(China Heavy-duty Commercial Vehicle Test Cycle for Truck, CHTC-HT)[6]三种测试循环下的比排放情况。

1 试验方案

1.1 试验车辆

试验选用N3类国Ⅵ重型柴油货车，最大设计总质量为16 000 kg，车辆及发动机基本信息见表1。

表1 样车参数

1.2 测试设备及测试工况

试验在重型底盘测功机上进行，车辆模拟载荷设置为满载。排放设备采用HORIBA MEXA-7200DTR全流稀释尾气分析仪，分别对CO、NOx、PN排放污染物进行采样分析，采集频率为1 Hz。试验循环采用美国加州低负荷行驶循环LLC，该循环整车测试曲线如图1所示。LLC是美国西南研究院为加州空气资源委员会开发的，该测试循环可以进一步降低重型车辆实际道路NOx排放。

图1 美国加州LLC行驶工况曲线

图2表示整车LLC对应的发动机扭矩、转速占比情况，即转速、扭矩大小与额定转速、扭矩相比的占比分布情况。可以看出，在LLC的发动机平均转速百分比为21%，平均扭矩百分比为8.5%。可以得出LLC的主要特点为低速、低负荷占比较多。

图2 LLC对应的发动机的扭矩、转速占比情况

不同循环行驶特性数据统计见表2，C-WTVC和CHTC-HT为中国现有的重型货车工况。比较可知，LLC运行时间为5 505 s，为中国现行工况的3倍左右。其怠速时间占比较多，占整个循环的39%，且LLC的最大加、减速度更大。

表2 不同循环行驶特性数据统计

采用同一车辆，分别进行LLC，C-WTVC和CHTC-HT循环试验，将排放测试结果进行比较分析。试验条件及底盘测功机设置依据GB/T 27840—2011《重型商用车辆燃料消耗量测量方法》，数据处理及标准限值参照GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》[7]。

2 试验结果和分析

2.1 LLC条件下重型车瞬态污染物排放特征分析

2.1.1 NOx污染物瞬态排放特征分析

由图3可知，国Ⅵ重型柴油车LLC测试结果NOx污染物瞬态排放主要集中在以下情况：(1)低速瞬变行驶过程中的急加速情况，例如350 s、900 s和1 650 s处。此时车辆急加速过程中，喷入较多燃油，燃料逐渐由过稀混合气向当量比混合气靠近，燃烧室温度升高，缸内产生NOx污染物。由于整体车速较低，SCR(Selective Catalytic Reduction, SCR)后处理效率低，使尾气排放中NOx污染物增加。(2)较长时间怠速后的车辆突然加速的情况，例如2 350 s、3 600 s、5 350 s处。车辆怠速过程中，排温较低，使得后处理系统被冷却，SCR系统未在高效工作区间，随着车辆加速，燃油喷射量增加，进气量增加，燃烧室内产生较多NOx，此时后处理SCR温升滞后，产生NOx排放。随着车辆行驶一段时间，大约100 s，SCR系统达到高效工作温度，车辆NOx排放降低。

图3 LLC条件下NOx污染物排放

综上分析，低负荷循环条件下，NOx瞬态污染物排放较高区域的产生主要是由于后处理温度较低导致的。SCR系统在排气温度低于250℃时，由于催化器未到达催化的温度，后处理系统也不进行尿素喷射，NOx可能无法得到有效控制，当SCR入口温度在350℃～450℃时，NOx转化效率达到峰值[8]。进行LLC测试时，车辆怠速时间比例达到39%，排气温度较低，因此SCR后处理装置的温度控制是低负荷循环条件下降低NOx污染物排放的关键。

2.1.2 PN污染物瞬态排放特征分析

图4所示为低负荷循环下PN污染物的瞬态排放和累积排放情况。分析图表可知，PN污染物排放主要集中在速度较高区域，在2 200 s至3 200 s阶段，车速达到60 km/h以上，此时产生PN污染物较多，达到1.0×1013(#/s)，同样在5 400 s左右，车速较高，也会产生较多的PN污染物。重型柴油车车速较高时，车辆输出功率大需要喷入较多燃油，柴油燃烧为扩散燃烧，这种燃烧方式决定了柴油与空气的混合不均匀，不可避免地存在局部缺氧的情况。车速较高时，需维持较大的输出功率喷入较多的燃油，且此时转速较高，缸内局部缺氧的现象更加明显，燃油在高温缺氧时碳化，燃烧室内形成较多碳烟。另一方面，柴油车后处理颗粒捕集装置DPF是采用孔隙物理捕捉降颗粒的方法，在车速较高时，发动机转速高，排气流量较大，颗粒物受力较大，因此捕捉困难，DPF效率降低，使得较高车速行驶条件下，PN污染物排放较高。

图4 LLC条件下PN污染物瞬态排放

2.1.3 CO污染物瞬态排放特征分析

图5所示为低负荷循环下CO污染物的瞬态排放和累积排放情况。分析图表可知，柴油车CO瞬态排放情况与车辆速度变化没有直接关系。分析瞬态排放量可知，在低负荷测试过程中，CO产生较少。这是由于柴油机这个工况下空燃比是通过改变喷油量来控制的，且始终处于气多油少的状态， CO不容易形成。

图5 LLC条件下CO污染物瞬态排放

2.2 各污染物循环比排放比较分析

重型车循环比排放表示某试验循环完成后，发动机单位输出功条件下的污染物排放量。试验完成后，将瞬态排放进行积分，得到污染物循环总排放质量，然后除以整个循环发动机的输出功，得到循环比排放。三种循环工况下的测试结果见表3，NOx和CO污染物比排放均未超出国Ⅵ整车排放限值；PN污染物比排放的LLC测试结果超出国Ⅵ排放限值。

表3 各污染物在不同工况下的比排放结果统计

图6所示为三种不同测试循环测得的NOx、PN和CO污染物比排放对比情况。分析结果可知，LLC测试结果中NOx和PN污染物比排放较其它循环显著增加，CO污染物比排放与其他循环比较变化不明显。对比可知，LLC测得的NOx比排放分别约为C-WTVC和CHTC-HT测得的比排放的15倍和7倍，PN排放较C-WTVC和CHTC-HT测得结果均高出2个数量级。以上结果表明，在低速、低负荷占比较多的工况条件下，现有的重型国Ⅵ柴油车在NOx和PN污染物方面排放量增加很多，存在超标的可能性。因此重型柴油车低速、低负荷条件下的排放控制，是重型车超低排放控制的方向之一。