重型柴油车实际道路排放影响因素的试验研究

宋子钰，王明达，陶云飞，张晖，曲卫东

（1.长春汽车检测中心有限责任公司，长春130011；2.中国环境科学研究院，北京100012）

主题词：重型柴油车 道路排放 影响因素 海拔高度 环境温度 负载

缩略语

NOx Nitrogen Oxides

PN Particulate Number

PEMS Portable Emission Measurement System

SCR Selective Catalytic Reduction

DPF Diesel Particle Filter

DOC Diesel Oxidation Catalyst

ASC Ammonia Slip Catalyst

CVS Constant Volume Sample

EGR Exhaust Gas Recirculation

EFM Emission Flow Measurement

GAS Gas Analyzer System

ECU Electronic Control Unit

GPS Global Positioning System

ICM Interface Communication Module

PDCM Power Distribution Control Module

1 前言

我国柴油车保有量仅占汽车总保有量的9.1%，但其氮氧化物（NOx）和颗粒物数量（PN）排放分别占汽车排放总量的88.9%和99%，柴油车已成为NOx和PN的主要来源之一[1-2]。为了缓解汽车尾气给环境带来的压力，减少汽车尾气排放，2018年生态环境部发布了重型柴油车国六法规[3]，增加了整车实际道路排放测试要求和限值。实际道路排放测试时需使用便携式排放物测量系统（Portable Emission Measurement System，PEMS），此外，法规还规定了车辆载荷与环境等边界条件，即最大和最小环境温度及最高海拔。

不同于在底盘测功机进行的排放测试，实际道路排放测试过程受驾驶工况、交通状况、驾驶风格、载荷、环境温度、海拔高度和分析仪的不确定性因素影响。Georgios等[4]的研究中对欧Ⅴ重型车进行了试验，分析车速、排气温度、控制策略和道路坡度对NOx排放的影响，指出NOx排放与道路坡度呈正相关。Wang等[5]的研究中分析了交通状况对公交车排放的影响，指出了在市区工况中延误时间和速度对公交车排放有明显影响。宋东、郭勇和汪晓伟等[6-8]分别对不同载荷、不同环境温度、不同海拔下的重型车实际道路排放进行测试，发现载荷、环境温度、海拔会对车辆的排放造成影响。Barouch等[9]的研究中对24辆柴油、CNG和LNG重型车辆进行了试验，分析了在道路上和实验室中的排放，指出测试设备不确定性对排放结果影响很大，使用便携式排放测量系统(PEMS)必须验证设备的一致性。

在现有文献中对国六法规规定的载荷和环境边界条件对污染物的影响分析较少，且没有详细的分析高瞬时NOx和PN对实际道路排放结果的影响。本文对装有选择性催化还原转化器（SCR）、柴油颗粒捕集器（DPF）、氧化型催化转化器（DOC）、氨逃逸催化器（ASC）的国六重型柴油车的实时道路排放进行测试，分析包括海拔高度，环境温度和载荷在内的不同试验条件对NOx、PN排放的影响。

2 试验装置及方案

2.1 测试车辆

测试车辆为满足国六排放标准的N3类柴油车，如图1，装配携带DOC+DPF+SCR+ASC后处理装置的4.8 L涡轮增压柴油机。测试车辆主要参数见表1。

图1 后处理技术

表1 测试车辆主要参数

2.2 测试设备：

测试设备采用Sensors公司生产的SEMTECH便携式车载排放测试系统，测试设备安装见图2，测试设备规格参数见表2。在试验前，对PEMS测试设备和实验室的CVS定容稀释采样系统进行比较，确保PEMS测试设备的EFM排气流量计、GAS气体分析仪漂移满足法规要求，测试设备的准确度可信。

图2 测试设备安装示意（ECU:电子控制系统，GPS:全球定位系统，ICM:接口通讯模块，PDCM:配电和控制模块）

表2 测试设备规格参数

2.3 测试方案与测试路线：

为了研究海拔高度、环境温度和载荷对NOx、PN排放的影响，选用国六标准规定的10%载荷、50%载荷和100%载荷3个边界值对测试车辆进行加载，按照国六标准的要求，在长春、青岛、琼海、昆明和西宁分别开展PEMS试验，试验环境条件见表3。为降低测试结果的误差，测试由同一名驾驶员驾驶同一车辆在天气状况相近的3天内进行，同时在各地开始试验前均进行一次驻车再生，避免因碳载量不同而导致的排放性能差异。

表3 试验环境条件

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

本次试验的排放结果见表4。

表4 试验结果

3.2 海拔高度对NOx的影响

图3给出了3种载荷下不同海拔高度的NOx排放结果，NOx排放结果随海拔高度的升高呈现先增加后减少的趋势。

图3 不同海拔高度下NOx排放结果

NOx的生成由燃烧温度、氧气浓度和燃烧时间共同决定。随着海拔高度的增加，进气量减少，导致滞燃期变长，直到活塞接近上止点时，油气混合物才能点燃，缸内燃烧温度随之升高，NOx增加。而在高海拔地区氧浓度下降，2 400 m的空气密度仅为海平面的79%左右，这时氧气严重短缺，测试车辆的大气压力传感器识别到压力的降低，启动高原增压器保护，减少喷油量，导致缸内燃烧温度随之降低，尽管此时燃烧持续期也较长，但燃烧温度的降低对NOx的生成影响更大，因此在西宁地区NOx生成减少。

3.3 海拔高度对PN的影响

图4给出了3种载荷下不同海拔高度的PN排放结果，PN排放结果随海拔高度的升高呈现逐渐减少的趋势。

图4 不同海拔高度下PN排放结果

有研究表明，PN与发动机负荷有关，负荷越大，PN越高[8]。以10%载荷下不同海拔高度地区的发动机负荷分布为例，图5中车辆在高海拔下的发动机负荷区域较低海拔下的负荷区域变窄[10]，且发动机平均扭矩在高海拔下表现为最低，比较西宁地区的平均扭矩（221.67 N·m）较青岛地区的平均扭矩（271.71 N·m）减小约为18%。车辆随海拔增加动力性降低，而增压器并没有或不足以对动力性的损失进行补偿[8]，且随海拔的增加空气密度降低，使测试车辆在较高海拔的风阻减小[11]，共同导致发动机负荷降低，PN排放结果随海拔的上升呈现下降的趋势。

图5 10%载荷不同海拔高度下MAP

3.4 环境温度对NOx的影响

图6给出了3种载荷下不同环境温度的NOx排放结果，NOx排放结果随环境温度的升高呈现逐渐减少的趋势。

图6 不同环境温度下的NOx排放结果

温度对后处理，特别是SCR的效率影响较大[7]，温度较低时，SCR工作温度在减速与低速时均下降明显，转化效率降低，导致NOx排放升高。图7给出了10%载荷下排温曲线。3地区的排温曲线趋势具有相似性，在市区切换到市郊工况和市郊切换到高速工况时，排温下降明显，而在温度较低地区排温处于最低值（132.9℃和155.8℃），

图7 10%载荷下排温曲线

低排温导致了SCR转化效率下降，进而造成NOx排放升高，NOx排放随环境温度的下降呈现逐渐增加的趋势。

在图8中显示，市区阶段的NOx较高，SCR在市郊和高速表现出很高的效率，约在75～200℃的排温时NOx降低，此时SCR达到了200℃的激活阈值温度，曲线的斜率降低。在200℃以上的NOx升高，是因为SCR合适催化温度约为300～400℃[12]。

图8 10%载荷下NOx累计概率密度

3.5 环境温度对PN的影响

图9给出了3种载荷下不同环境温度的PN排放结果，PN排放结果随环境温度的升高呈现逐渐增加趋势。

图9 不同环境温度下的PN排放结果

图10给出了50%载荷下PN瞬时速率与加速度、速度关系，在低速和中低速行驶过程中，PN排放保持在很低的水平。DPF可以将颗粒物排放降低90%以上[13]，在低速和匀速时DPF对颗粒物的捕集效率较好，PN的高峰值主要出现在高速阶段。

图10 50%载荷下PN瞬时速率与加速度、速度关系

PN在高速出现高峰值主要有以下4点原因：

（1）测试车辆持续高速行驶时，发动机负荷较大，使燃烧室温度升高，燃料分子发生离解的概率远远大于其聚合的概率，产生大量的自由基，引起一系列链分支反应和链终止反应，并形成一些基团[14-15]，最终导致测试车辆的颗粒物随发动机燃烧室温度升高而急剧增加，颗粒物瞬时排放速率快速增加。

（2）测试车辆在高速行驶时，发动机负荷较大，发动机转速高，燃烧室内燃烧混合气流场波动较大，从而导致测试车辆颗粒物瞬时排放速率出现较大幅度的波动。

（3）在市郊切换到高速工况和高速工况过程中，SCR系统均会增加反应剂的喷射量，过量的反应剂可能会导致颗粒物增加[16-17]。

（4）高速工况颗粒物排放较高，DPF捕集能力受限，导致PN增加，试验车辆的DPF捕集水平还有提升空间。

环境温度影响了发动机的进气温度，且环境温度的升高使排气温度升高，使DPF中催化剂涂层对SO2向SO3的转化率有所提高[9]，导致了PN的增加。

3.6 载荷对NOx的影响

图11给出了3种载荷下NOx排放结果，NOx排放结果随载荷的升高呈现先减少后增加的趋势。

图11 不同载荷下的NOx排放结果

以琼海地区试验为例，图12给出了不同载荷下的NOx排放结果与排温曲线，NOx排放结果在不同载荷下表现出市区阶段均较高的特征，在100%载荷下高速阶段NOx较高。

图12 不同载荷下的NOx排放结果与排温曲线

市区阶段较高是由于此时后处理温度较低，SCR处理效率低，NOx排放恶化。在10%载荷下的试验排温增加更加缓慢，导致其市区阶段的NOx最高。100%载荷下高速阶段较高是由于载荷较大，排温增加较快，且负荷较高，排气温度过高，超出SCR系统合适催化温度，此时NOx无法附着催化剂活性中心参与反应[18]，高速阶段的NOx排放恶化。

PEMS试验采用功基窗口法进行排放数据分析,其特征是：不同于市区和市郊阶段形成的有效窗口较少，在高速阶段发动机做功多，有效窗口也多，这时排温虽然较高，但由于短行程和在高速公路不能一直保持高速行驶，怠速和减速时排温都容易降低，导致SCR转化效率降低，NOx瞬时浓度大幅增加，此时NOx窗口比排放结果较高就直接影响了整个试验的结果，使其变大，这也是100%载荷下NOx排放较高的原因。

3.7 载荷对PN的影响

图13给出了3种载荷下PN排放结果，PN排放结果随载荷的升高基本呈现逐渐增加的趋势。

图13 不同载荷下的PN排放结果

载荷较高时由于发动机整体负荷增加，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捕集能力受限，导致PN排放总体上升高。

4 结束语

本文针对国六重型车排放法规中实际道路尾气排放规定的试验条件，对一台国六重型柴油车进行18次有效的实际道路尾气排放测试，分析了包括海拔高度，环境温度和载荷在内的不同试验条件对NOx、PN排放的影响，结果表明：NOx随海拔高度的升高呈现先增加后减少的趋势，PN随海拔高度的升高呈现减少的趋势。温度对后处理，特别是SCR的效率影响较大，NOx随环境温度的升高呈现减少的趋势，随载荷的升高呈现先减少后增加的趋势。PN随环境温度和载荷的升高均呈现增加的趋势。

针对重型车实际道路排放，未来仍有进一步研究的空间。首先，重型车国六法规没有要求计算冷启动阶段的排放，后续的研究可以增加冷启动阶段对排放的影响。其次，本文研究了NOx和PN的排放特性，对CO、THC和非常规污染物的排放特性有待进一步研究。此外，在未来的研究中可以将燃油消耗量和实际道路排放测试结合分析。