重型柴油车实际道路氮氧化物和碳排放研究

2024-03-08葛子豪北京理工大学北京0008中国环境科学研究院北京000潍柴动力股份有限公司山东潍坊606

中国环境科学 2024年2期

葛子豪,尹航,徐龙,杨扬,吉喆,黄英* (.北京理工大学,北京 0008；.中国环境科学研究院,北京 000；.潍柴动力股份有限公司,山东潍坊 606)

根据生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报(2022)》,2021 年我国机动车排放的氮氧化物(NOx)总量为580.7 万t,其中重型柴油货车贡献了408.6 万t 的NOx排放,约占机动车NOx排放总量的78.1%[1].另一方面,多方研究表明,每年我国移动污染源产生的二氧化碳(CO2)排放总量在10 亿t 左右,其中汽车的贡献度在80%左右.如果按车型计算,重型货车排放的CO2占汽车排放总量的39.7%,如果按燃料分类,柴油车占比达52.5%[2],因此柴油车是我国主要的NOx污染来源和重要的CO2排放源.

以往对重型车污染物或CO2排放因子的研究主要基于实际道路排放试验(PEMS 试验)[3-13],并结合汽车或者发动机的排放/油耗认证实验数据[14-21]获得排放因子.但无论是PEMS 试验、还是排放/油耗认证实验,都是在环境温度、湿度、大气压力,行驶工况等受控的实验条件下进行的,并不能完全真实反映汽车在实际道路上的污染物和CO2排放状况[4,11-21],2018 年颁布的《重型柴油车排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(GB17691-2018)[22]中规定:所有满足国六排放标准的重型柴油车都应配备远程排放监控系统,并按标准规定向汽车生产企业平台和国家平台逐秒传输车辆、发动机主要运行参数和NOx浓度数据.重型柴油车远程排放监控属于车载排放监控(OBM) 的实践之一[22],也是国六标准最重要的规定之一.根据远程监控数据,进一步分析能够获得每一辆国六重型柴油车在道路上实际运行燃油消耗量/CO2和NOx排放数据,和传统排放因子方法相比较,基于排放远程监控大数据进行的污染物和碳排放分析,能更加真实的反映出重型车实际运行过程中的污染物和碳排放特征.因此通过大数据分析获得的研究结果更有代表性,更能反应实际道路的污染物和碳排放[23].由于远程监控要求是在国六(B)阶段才开始正式实施的(2023年7月1日),目前国内针对重型车排放远程数据开展的研究较少,相关研究方法、数据分析方法鲜有报道.

为分析实际道路上行驶的国五和国六柴油车的NOx和CO2排放水平,本文研究获取了20 辆满足国五和国六排放标准重型柴油车(其中7 辆国五排放标准车,13 辆国六排放标准车)的排放远程监控数据,数据覆盖春、夏、秋、冬4 个不同季节.本文重点研究了远程监控数据的分析处理方法的影响,将远程监控数据获得的NOx排放数据分别按驾驶循环平均法、功基窗口计算方法以及3B-MAW[25]方法的要求分别进行分析,得到了国五、国六重型柴油车实际道路上行驶的NOx排放因子和排放特征,使用平均法分析得到了上述车辆的CO2排放,研究评估了国五、国六柴油车的CO2排放水平.

1 车辆信息分析方法

1.1 车辆信息数据来源

本文中,车辆远程监控信息数据来源于远程监控平台,根据车辆保有量统计分析结果,选取了7 辆市场占有率最高的国五重型柴油车和13 辆市场占有率最高的国六重型柴油车对远程监控排放数据进行了分析,选择的重型柴油车排放标准、后处理装置及试验车行驶里程数如表1 所示.

表1 试验车辆基本信息Table 1 Basic information of tested vehicles

1.2 数据分析方法

美国加州环保局(CARB)推荐采用三区间移动平均窗口(3B-MAW)方法对重型车PEMS 试验排放数据进行分析处理,该方法将车辆在怠速、低负荷和中/高负荷工况下的NOx排放率分别进行分析,是一种典型的分功率段进行排放分析的方法,本文参考3B-MAW 方法进行道路柴油机实际道路排放特性实际道路排放分析.

CARB 关于PEMS 的试验方法与GB17691-2018 标准的规定类似,也是按照市区、市郊、高速的顺序进行排放实验,所不同的是实验结果的数据处理方法不同,3B-MAW 法采用移动平均原理,以固定的300s 作为划分依据,以1Hz 的移动速度将实际道路排放数据划分为不同的窗口,计算每个窗口的NOx比排放.

在3B-MAW 方法中,窗口归一化平均CO2排放率决定了窗口类型,计算公式如下:

式中:CO2average为窗口CO2平均排放率,g/h;FCL 为EPA 标准中的CO2系族认证等级,g /(kW·h),HPmax为发动机额定功率,kW.

若某窗口归一化平均CO2排放率低于6%,则该窗口被划定为怠速窗口;若其归一化平均CO2排放率在6～20%之间,则将其划定为低负荷窗口,若归一化平均CO2排放率超过20%,则划定为中/高负荷窗口.

不同类型窗口的比排放计算方法和排放限值并不相同,怠速窗口的NOx比排放按公式(2)计算,低负荷窗口和中/高负荷窗口的NOx比排放按公式(3)计算:

式中:eSOS,Idle为怠速窗口的NOx排放速率,g/h;eSOS,a为低负荷窗口和中/高负荷窗口的NOx比排放(a代表低负荷或中/高负荷窗口),g/(kW·h);mNOx和mCO2分别为NOx和CO2质量排放速率,g/s,由远程监控数据获得的NOx和CO2排放、排气流量数据计算得到;eCO2,FTP,FCL为与发动机功率等级对应的CO2系族认定等级数据,g/(kW·h)[25].

我国还没有对重型发动机提出CO2认证要求,上述公式中的CO2系族认证等级数据参照WHTC循环实验获得的CO2结果进行计算.

3B-MAW 方法将车辆运行工况按怠速、低负荷和中/高负荷窗口分别进行计算,更能反映道路柴油机实际运行工况特点,以及带有SCR 等后处理装置柴油车的NOx排放控制水平,是较为理想的重型柴油车远程排放监控数据分析处理方法,建议中国下一阶段排放标准中借鉴3B-MAW 方法提出适合中国的远程监控和PEMS 数据分析方法.

除3B-MAW 方法以外,本文还研究了行程平均法的应用,行程平均法就是将实际柴油车从启动、行驶到行程结束的一个实际驾驶循环中的总NOx排放量分别除以车辆行驶里程、或者发动机的累积功,分别计算得到车辆在该驾驶循环中的基于里程和基于功的NOx比排放,具体计算公式见公式(4)和(5):

式中:eNOxMileage为基于里程的NOx比排放,g/km;eNOxWork为基于功的NOx比排放,g/kWh;mNOx为车辆在驾驶循环的NOx排放量,g;s为远程监控数据路段中获得的车辆行驶的总里程,km;W为远程监控数据路段中发动机输出的总有效功,kWh.

采用平均法计算CO2排放,将车辆在驾驶循环的总CO2排放分别除以车辆总行驶里程、以及循环总功,分别计算得到车辆基于里程和功的CO2排放率,具体公式如下式(6)和式(7):

式中:eCO2Mileage为基于里程的 CO2比排放,g/km;eCO2Work为基于功的CO2比排放,g/kWh;mCO2为试验车辆在完整驾驶循环的CO2排放量, g;根据远程监控数据中获得的柴油消耗量计算获得,s为驾驶循环历程长度,km;W为试验车辆驾驶循环功,kWh.

对远程监控获得的排放数据按WHTC 功基窗口法计算各窗口NOx排放量,计算方法参考国六标准中PEMS 试验的相关规定,不同的是远程监控数据计算从记录的有效数据起始点开始,终点结束,不同于PEMS 实验方法规定的从市区、市郊、高速的顺序进行.

将试验结果中各窗口内的NOx比排放由低到高进行排列,选取NOx排放第90%窗口比排放结果作为功基窗口法的NOx实验结果,即该车辆的NOx排放因子[22],除此之外, 还将各窗口的NOx排放进行算数平均计算得到窗口平均NOx比排放,计算公式如式(8):

式中:nwindow为窗口总数.

2 结果与分析

2.1 柴油车实际道路行驶特征

图1显示了同一辆国六重型货车(总质量18t)在不同时间的车速分布.2021年6月21日,该车主要在天津市内市区及武清区、滨海新区等郊区行驶,行驶时间接近6h,由于大部分时间在市区及郊区行驶,平均车速较低.2021年6月25日,该车从江苏省南通市开往上海市,主要在高速公路上行驶,行驶时间略多于2h,主要在市郊和高速公路行驶,大部分时间的行驶时速在80km/h左右.很明显,由于该车在不同时间的行驶路线特征完全不同.其速度特征差异亦相当大.

图1 远程监控获得的车辆瞬态速度信息Fig.1 Vehicle transient speed information obtained by remote monitoring

根据GB17691-2018标准规定,重型车按标准要求进行PEMS 试验时,实验行驶路线应从市区开始,然后按照市区、市郊、高速公路的顺序依次进行,行驶距离应满足4～7 个WHTC(全球统一重型车协调循环)功,并按功基窗口法进行排放数据处理,标准还规定,满足国六(A)的柴油车在实验过程中的道路载荷应该在50%～90%之间,国六(B)的实验载荷规定在10%～90%之间.

但是现实生活中,重型车在道路上行驶的路线、载荷根据工作需要而定,显然不能符合PEMS 标准规定的实验要求,并且从监控平台上获得的数据信息只有车辆的实际行驶路线、行驶速度和发动机相关参数信息,并不包括车辆载荷信息,实际道路行驶更不会按PEMS 标准所要求的市区、市郊、高速路顺序和路段里程分布行驶,因此不能直接应用PEMS 标准规定的数据分析和处理方法.如果人为将远程监控数据按PEMS的规定要求进行人工拼接,显然不符合真实反映实际道路排放特征的宗旨, 并且PEMS标准中也明确规定不允许将不同时间段的数据进行人工拼接,为了充分利用排放远程监控获取的信息进行重型柴油车的排放状态分析,需要另外开发一种行之有效的分析方法.

2.2 柴油车实际道路NOx 排放特征

图2 是根据远程数据获得的重型柴油车SCR 催化剂上、下游的NOx排放、SCR 入口温度、SCR 催化剂转换效率和柴油机输出功率之间的关系.随着发动机输出功率增加,SCR 入口温度增加,NOx转换效率提高,NOx比排放明显下降,但排放随功率增加下降到一定程度之后基本保持不变,这也是国六柴油车排放控制的共同特点,因此根据柴油机的实际输出功率大小分段进行排放评价是一种科学合理的数据分析方法.

图2 国六重型柴油车NOx 排放、SCR 入口温度及效率随功率的变化趋势Fig.2 Changing trend of NOx emission, SCR inlet temperature and SCR efficiency versus engine power

选择两辆国六柴油车的远程监控数据,进一步分析计算NOx比排放随功率变化的趋势,根据发动机实际输出功率与额定功率的比值,按不同比例范围进行分类,得到图3 不同功率比区间的NOx排放.可以看到,不同功率比区间范围的排放特性完全不同,功率比大于15%以上时的比排放相对稳定,而功率比小于5%～6%时,由于排气温度相对较低,SCR 催化剂基本不起作用,这时主要依靠机内净化措施控制NOx排放,NOx比排放明显高于中/高负荷工况.根据这个特点,采用按功率区间对远程监控排放结果进行分析的方法,更能够反映出重型柴油车的实际排放特征.

图3 两辆国六重型柴油车分功率区间的NOx 排放Fig.3 NOx emissions in power bins of two China-6 heavy-duty vehicles

图4 表示的是7 辆国五柴油车和13 辆国六柴油车参照3B-MAW 方法计算得到的NOx排放特性.根据实验结果:无论是怠速、低负荷还是中/高负荷工况,国五重型柴油车的排放均远高于国六重型柴油车,国六重型柴油车在小负荷和中/高负荷工况下的NOx排放水平比国五重型柴油车明显降低,部分国六柴油车的NOx排放甚至比国五车低1 个数量级左右.

图4 重型柴油车NOx 排放特性(3B-MAW 法)Fig.4 NOx emission characteristics of heavy-duty vehicles(3B-MAW method)

无论对于国五,还是国六柴油车,中/高负荷工况的NOx排放均低于低负荷工况的NOx排放.低负荷NOx排放较高的主要原因是低负荷工况下,排气温度普遍低于200℃,达不到SCR 催化剂工作所要求的高效温度区间,因此未来排放控制技术的重点应致力提高SCR 催化剂的低温活性,或者通过有效的热管理措施提高小负荷工况下SCR 催化剂的入口温度.

图5 为7 辆国五柴油车辆和13 辆国六柴油车按照行程平均法计算得到的 NOx比排放,无论基于功率、还是基于里程的比排放,国六柴油车的 NOx排放均明显低于国五柴油车,部分国六柴油车的平均NOx比排放甚至比国五柴油车低一个数量级左右,说明国六柴油车对 NOx的排放控制切实有效,而国五柴油车的 NOx排放则高于标准规定的限值,没有达到标准要求的控制水平.

图5 重型柴油车NOx 排放特性(行程平均法)Fig.5 NOx emission characteristics of heavy-duty vehicles(average method)

与3B-MAW 方法相比,行程平均法简单易行,所反映的是重型柴油车在实际道路上行驶的平均排放,有一定的代表性,但是这种方法的缺陷是不能反映出重型车实际运行工况,以及发动机负载的差异,并不能真实反映出柴油车的实际排放控制效果.

图6 为上述7 辆国五柴油车和13 辆国六柴油车按功基窗口法计算出的NOx排放特性,根据计算结果,除个别车辆以外,大部分按功基窗口法计算得到的国六柴油车平均NOx排放因子比国五柴油车低一个数量级左右,对国五车,按功基窗口法计算得到的NOx排放结果与总窗口平均法相差不大,由于国六车辆的排放水平大幅度下降,采用上述两种方法计算得到的排放量绝对值虽然总体差距不大,但个别车辆的相对偏差接近一倍.

图6 重型柴油车NOx 排放特性(功基窗口法)Fig.6 NOx emission characteristics of heavy-duty vehicles(work-based window method)

2.3 柴油车实际道路CO2 排放特征

如图7,与国五柴油车相比,国六柴油车的CO2平均排放水平高10%左右,这是由于国六柴油车为了更有效控制NOx的排放,采取了更多的热管理措施,以提高SCR 催化剂对NOx的转换效率,但这些措施却导致发动机油耗增加.因此面对碳排放和污染物控制的双重压力,应对排放控制技术升级不能仅考虑污染物的控制,还应采取更有效的技术措施,进一步提高柴油机的热效率,降低油耗,在降低NOx排放的同时降低CO2排放.