重型柴油城市车辆实际道路冷启动排放特性研究

2023-05-22吴春玲白晓鑫景晓军刘卫林裴毅强

汽车实用技术 2023年9期

吴春玲，李旭，白晓鑫，景晓军，刘卫林，裴毅强

（1.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300；2.天津大学机械工程学院，天津 300072）

根据《中国移动源环境管理年报（2022）》显示[1]，2021年，全国机动车氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）排放量分别为582.1万吨、6.9万吨，其中，来自柴油车排放的氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）分别占汽车排放总量的80%和90%以上，成为汽车NOx和PM排放的主要来源。为了强化重型车排放源头控制，2018年6月，生态环境部与市场监管总局发布了国家标准《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 17691—2018），自2023年7月1日起，全国范围内正式实施重型柴油车国六b阶段排放标准。

当前实施的重型车排放型式认证试验，包括发动机世界协调瞬态循环（World Harmonized Transient Cycle, WHTC）及中国重型商用车辆瞬态循环（China-World Transient Vehicle Cycle, CWTVC）、便携式排放测试系统（Portable Emissions Measurement System, PEMS）的排放测试。发动机WHTC测试排放是通过冷、热态排放加权计算（冷态权重为0.14，热态为0.86），考虑了冷启动阶段的排放。而在重型柴油车的C-WTVC和PEMS整车排放测试时，均未考虑冷启动排放，在进行C-WTVC循环排放测试时[2]，需提前运行1～2个热车循环来对车辆和底盘测功机进行充分预热再进行正式测试，测试不包括冷启动；在进行重型整车实际道路 PEMS测试时[3]，法规要求测试开始时发动机冷却液温度不得超过30 ℃，如果环境温度超过30 ℃，冷却液起始温度不得高于环境温度 2 ℃，但在发动机启动后，直到冷却液温度达到70 ℃或者在5分钟之内其温度变化小于2 ℃，测试才正式开始。

对于满足国六排放的重型柴油车，普遍采用的排放后处理技术路线是氧化型催化转化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）+柴油微粒过滤器（Diesel Particulate Filter, DPF）＋选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction, SCR）+氨逃逸催化器（Ammonia Slip Catalyst, ASC）[4-6]，车辆热机情况下，SCR催化器对NOx的转化效率大于90%[7-8]；但在车辆冷启动阶段排气温度较低，未达到尿素起喷温度或 SCR催化器温度较低，NOx转化效率低，使得冷启动阶段的 NOx排放要远大于热机[9-10]。2019年欧盟委员会发布的欧六E阶段中新增关于冷启动的排放测试规范[11]，将发动机冷却液温度从 30 ℃上升到 70 ℃时排放单独计算，记作冷启动阶段排放，且由于城市车辆行驶工况的特殊性，其市区工况时间占比较高，而车辆在市区路段行驶时，平均速度较低，怠速占比较高，且车辆频繁起停，使得发动机转速和负荷往往较低，排气温度较低，SCR效能低，不利于排放控制。

因此，需要进一步开展重型柴油城市车辆PEMS测试在冷启动阶段污染物排放特征研究，引入新的能体现冷启动阶段排放计算和评价方法。

1 试验设计

1.1 试验车辆

研究选取1辆符合国六b阶段排放要求的城市重型车辆进行 PEMS测试，其排放后处理为氧化型催化转化器（DOC）、废气再循环（Exhaust Gas Recirculation, EGR）、选择性催化还原技术（SCR）和柴油微粒过滤器（DPF），车辆的基本信息如表1所示。

表1 测试车辆基本信息

1.2 试验设备

试验采用奥地利AVL公司生产的M.O.V.E移动式排放测试系统（PEMS）进行实际道路行驶排放测试。设备的量程和精度如表2所示。

表2 测试设备信息

1.3 试验要求及基本情况

为确认重型车辆国六 b排放评估方法的通用性，研究设计对试验车辆进行 3次不同排放水平的测试。依照GB 17691—2018附录K的要求，PEMS设备应在车辆点火启动前开始采样，测量排气的温度、流量并记录发动机和环境参数，数据采集频率为1 Hz；在测试开始时发动机冷却液温度不超过30 ℃；试验按照市区—市郊顺序连续行驶，市区平均车速 15～30 km/h，市郊平均车速45～70 km/h；试验持续时间应保证测试车辆的累计功达到发动机WHTC循环功的4～7倍[3,9,10]。

对试验车辆进行 3次不同的实际道路 PEMS测试，测试基本信息如表3所示。以发动机冷却液温度达 30℃为起始点的试验数据作为有效数据进行分析，测试功倍数和路线分配比例均满足法规要求，冷却液温度30～70 ℃时长在561～706 s之间，占整体 PEMS时长 7%以下，最小占比为5.11%。

表3 PEMS测试基本信息

表4 车辆冷启动阶段运行特征

2 国六功基窗口法

国六功基窗口法并非将车辆所有实际道路排放数据纳入计算，而是待冷却液温度到达70 ℃后（或在5分钟内变化小于2 ℃），以1 s为步长逐秒往后移动，根据到达发动机台架WHTC测试循环功为基准获得不同时长的窗口，分别计算各窗口的平均功率与发动机最大功率的比值，即窗口平均功率比，以此来确认该窗口是否满足有效窗口，进而再对NOx排放进行判定[2]。

如图1所示，第i个窗口的周期(t2,i-t1,i)由式（1）判断，终止时刻t2,i由式（1）、（2）共同判断：

图1 功基窗口法示意图

式中，W(tj,i)为从开始到时间tj,i内的发动机循环功，kWh；Wref为车辆的发动机 WHTC试验的循环功，kWh；Δt为测试数据的采样周期，1 s。

采用式（3）计算各窗口各污染物质量或数量的比排放ep（g/kWh或#/kWh）：

式中，mp为窗口内各污染物的排放总质量或排放总数量，g/窗口或#/窗口；W(t2,i)-W(t1,i)为第i个平均窗口的发动机循环功，kWh。

计算各窗口的平均功率比，设定平均功率比大于 20%（即功率阈值为 20%）的窗口为有效窗口，有效窗口占比大于或等于50%则PEMS试验有效，再通过有效窗口的 NOx通过率来判定排放是否超标；如果有效窗口占比低于 50%，则按照1%的步长降低进一步功率阈值，直到有效窗口比例达到50%为止；但功率阈值最小不能低于10%，否则试验无效。国六标准要求 90%的有效窗口污染物比排放应小于690 mg/kWh，本研究为直观体现车辆实际排放情况，采用将有效窗口污染物比排放从小到大排序后，处于 90%分位值的结果代表该污染物的排放，若NOx比排放的90%分位值低于690 mg/kWh，则排放合格[3]。

本文为研究车辆冷启动排放评估方法，以发动机冷却液温度超过30 ℃的数据作为有效数据，利用移动功基窗口法对试验数据进行分析。

3 试验结果及分析

3.1 累计排放量特征

以冷却液到达 30 ℃作为有效数据起始点，30～70 ℃为冷启动，70 ℃后为热态，分别计算车辆在冷启动、市区、市郊段的污染物 NOx和颗粒数量（Particle Number, PN）的累计排放量如图2所示（数据标签为冷启动阶段排放所占比例）。

图2 NOx与PN累计排放量

3次测试在冷启动阶段的 NOx累计排放量分别为8.91 g、10.33 g和12.35 g，冷启动NOx累计排放量占整体排放的23.72%以上，由表3可知，怠速时长占比最大仅为 6.82%，但 NOx排放量明显比市区和市郊阶段高。由于车辆尾排 NOx主要受到SCR效能的影响，在涂敷铜基催化剂的SCR中，当喷入理论需求的尿素喷射量时，在一定温度范围内，NOx的转化效率与SCR的温度呈正相关，且基本在SCR前温度大于200 ℃时NOx转化效率可达 90%以上，也就是车辆运行过程中的SCR温度和尿素喷射量主要影响 NOx的转化效率，进而影响尾排 NOx，而车辆在冷启动时车速较低且变化频繁，发动机负荷低，使得SCR整体温度较低，未喷或者少喷尿素，且低温导致 NOx转化效率受限，进而导致 NOx浓度较高[12-13]，在进入市区工况后，排温逐渐上升，尿素开始喷射同时 SCR的 NOx转化效率大大增加，使得 NOx排放相比于冷启动阶段大幅降低。

3次测试在冷启动阶段 PN累计量分别为1.77×1010个、2.45×1012个和 2.78×1011个，除测试2冷启动阶段PN累计排放量占比为21.04%，其它2组测试在冷启动阶段的PN累积排放量占比均低于6.05%。相关研究表明，颗粒物容易在发动机内高温浓混合气区域大量产生，冷启动阶段车辆多处于怠速和低速工况，发动机缸内温度较低，所以 PN排放较少[12]；而市区和市郊阶段发动机缸内混合气较浓且温度较高，造成了裂解和脱氢的有利条件，使得细颗粒物生成量剧增[14-15]；同时，国六柴油机均配置了DPF后处理装置，其对排放的颗粒物的过滤效率受温度的影响比较小，所以PN在中高速阶段的排放量要远大于冷启动阶段。

3.2 移动平均窗口法分析

针对 PEMS测试瞬态数据，以冷却液温度高于30 ℃后作为有效数据，基于功基窗口法对车辆的基本运行数据、功基窗口平均功率比和功基窗口持续时间进行分析，结果如图3所示。由市区过度到市郊，随着车速的增加，3次测试功基窗口持续时间均逐渐降低，即达到相同的WHTC循环功所用时长减少；而功基窗口平均功率比随车速增加逐渐增大，车辆做功增加，由图可知，低功率阈值主要集中在冷启动和市区阶段。

图3 PEMS测试结果

按照国六标准设置功率阈值来计算车辆排放时，测试1有效窗口功率阈值为10%，其它2次测试均为 11%，即只针对图3中的功基窗口平均功率比大于该功率阈值的区域判定车辆的排放，而该区域主要集中在市区后三分之一和市郊工况，3次测试无效窗口数分别占全窗口的52.28%、34.53%和21.59%；冷启动占无效窗口的15.02%、16.69%和29.96%，基本在15%以上，所以冷启动排放需要引起重视。但目前重型车国六排放标准只考虑冷却液温度大于70 ℃区域的排放，忽略了车辆冷启动，且设置有效窗口功率阈值剔除了部分市区高排工况，使得实际排放被低估。

3.3 冷启动排放特征

由图2(a)和图3分析可知，车辆在冷却液温度在30～70 ℃的冷启动阶段NOx排放占比大。本研究运用移动窗口法计算冷启动阶段的功基窗口比排放，并结合移动窗口时长、NOx尾排瞬时浓度和SCR前温度进行重点分析，结果如图4所示。

图4 PEMS冷启动排放

车辆启动时 NOx尾排较高，随着冷却液温度和SCR温度升高，NOx尾排浓度逐渐降低，3次测试第一个窗口的 NOx比排放最大，并随时序窗口的后移逐渐降低。第1个窗口截止到第3 464 s、3 072 s和3 104 s，最后一个窗口截止到第3 911 s、3 616 s和3 720 s，结合图3的瞬态数据，3次测试的最后一个窗口均在市区工况的中部靠后，此时虽然发动机负荷大，缸内燃烧温度较高，NOx原排浓度大[16]，但由于此时SCR后处理已经达到高效区间，NOx转化效率可达90%以上[8]，使得车辆 NOx尾排大幅降低。所以随着功基窗口后移使得SCR高温工况占比增多，NOx的窗口比排放逐渐减小；而整个冷启动过程中，PN排放则基本趋于稳定，变化不明显。

3次测试冷却液温度从30 ℃上升至70 ℃约10 min，和SCR后处理温度到达200 ℃时间接近，此温度基本也是尿素的起喷温度，在之后 NOx瞬态排放会有明显改善，所以冷启动阶段的排放不可忽视。

4 含冷启动的排放评估方法

由以上分析可知，虽然试验车辆在冷启动阶段持续时间短，但是 NOx排放量大，不能忽视，为更真实反映车辆实际道路排放，有必要在进行整车排放水平评估时，引入冷启动排放。本研究针对PEMS测试，以冷却液温度在30～70 ℃数据来评价冷态排放，冷却液温度到达70 ℃之后评价热态排放，参照发动机瞬态WHTC循环，冷启动加权系数取 0.14，热态加权系数取 0.86，加权求和获得包含冷启动的车辆实际道路PEMS排放[3,14]，对比几种含冷启动的重型车辆排放评估方法供参考。

4.1 以功基窗口法计算

以冷启动阶段功基窗口中比排放最大值作为冷启动排放；计算热态结果时，为覆盖更多市区工况，更加贴近车辆实际使用排放，将功基窗口功率阈值调整至国六标准中允许的最低值 10%（若全窗口功率阈值＞10%，则按全窗口比排放值计算），以其窗口比排放的 90%分位值为热态排放。以上冷热态加权求和作为加权结果，与国六排放标准方法计算的有效窗口的 90%分位值对比（图中：国六标准法），结果如图5所示。

图5 以功基窗口法计算的NOx和PN的比排放

由图5可知，#2和#3车包含冷启动排放的NOx加权排放结果明显超过国六标准排放限值。3辆车包含冷启动的PEMS排放结果分别为177.0 mg/ kWh、833.2 mg/kWh和719.3 mg/kWh，按国六标准计算的法规结果分别为 49.8 mg/kWh、662.6 mg/kWh和388.2 mg/kWh，前者比后者排放分别大241.3%、25.75%和85.31%，排放通过难度增大。需要注意的是，3次测试依据功基窗口计算的冷启动比排放明显高于热态排放，且冷启动排放分别高于法规限值（690 mg/kWh）31.68%、141.85%和186.93%，基本达到法规限值的1.3～2.8倍，也有研究表明[15]冷启动阶段的 NOx排放可以达到发动机台架测试结果的2～4倍，而冷启动是车辆启动必经过程，所以在评估车辆实际道路 NOx排放时，此时巨大的排放不容忽视。

而包含冷启动的3次测试PN加权排放和法规排放无明显差别，两者分别为法规排放限值1.2×1012#/kWh的 3.86%和 4.49%、16.05%和18.84%、5.33%和9.10%，明显低于法规限值，法规计算相比于加权结果稍高。热态PN计算结果大于冷启动，是因为法规计算中市区和市郊比例更高，而市区和市郊是PN形成的有利条件。

4.2 全工况计算

分别计算冷启动、热态的 NOx和 PN累计排放质量，再除以该时间段内发动机累计输出功，分别得到两阶段的质量比排放。加权求和的排放与法规功基窗口法的有效窗口 90%分位值对比（图中：法规排放），结果如图6所示。

图6 以全工况计算的NOx和PN比排放

就 NOx比排放来看，冷、热态加权获得的加权值明显高于法规计算的结果，3次测试加权结果分别为 743.4 mg/kWh、 1 224.0 mg/kWh和1 222.0 mg/kWh，为国六标准法结果的14.92、1.85和3.15倍，明显加大了排放的通过难度；而冷启动NOx比排放甚至达到国六标准法排放的9倍以上，达国六标准限值690 mg/kWh的7.3～8.7倍，所以想要控制车辆排放，冷启动排放及其相关控制策略也需要引起重视。

4.3 结果对比

功基窗口法、全工况法和国六标准方法计算PEMS得到的NOx比排放和PN比排放如图7所示。两种建议方法的 NOx比排放比国六标准法排放升高25%以上，因为均将PEMS测试的冷启动考虑在内，而冷启动排放由于未达到SCR系统尿素起喷温度，SCR效能受限，均增加了NOx排放通过的难度；而PN排放结果无明显规律，且均在国六标准限值的 20%以内，可能需要进一步探索其他的PN排放评估方法并加严PN限值。