重型车LLC循环N2O，PN10排放研究

刘志伟，李腾腾，钟祥麟，任烁今，黄鹏程，孟庆梁

摘要： 面向未来法规需求，基于低负荷循环（low-load cycle，LLC），对重型车不同负载条件下的氧化亚氮（N2O）、10 nm以上颗粒物数量（PN10）以及23 nm以上颗粒物数量（PN23）的排放特征进行了试验研究，并使用v-VSP分块聚类模型进行了区域排放分析。结果表明：LLC工况下， N2O排放量随载荷的增大而增加，与排温直接相关；低速区或负VSP区内，N2O排放与载荷呈正相关关系，但在正VSP &中高速区域，过高的载荷反而降低了N2O的排放； PN10和PN23排放均随载荷的增大而增加，且载荷越大，10～23 nm粒径粒子占比越高；中高速&VSP绝对值大的区域内， PN10和PN23有较高的浓度，但PN10和PN23的绝对排放量主要存在于VSP为正的区域；随着载荷的增大，低速&高VSP区域有更多比例10～23 nm粒径粒子。

关键词： 重型汽车；低负荷循环；氧化亚氮；颗粒；排放测量

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.005

中图分类号：TK421.5文献标志码： B文章编号： 1001-2222（2024）03-0030-06

汽车是移动源大气污染的主要贡献者，其中保有量较少的重型车排放却更加严重，仅柴油货车的NOx和颗粒物排放就分别占据了汽车排放总量的78.3%和90.0%［1］。为满足日益严格的法律法规，柴油发动机的排气后处理系统更加复杂，产生了更多的副产物，如N2O和NH3等。其中N2O是一种典型的温室气体，其温室效应是CO2的300多倍，对臭氧层有着更加严重的破坏性［2］。同时，随着重型柴油车高压共轨压力的提升，柴油喷雾更细，会生成粒径更小的颗粒物。因此国内外在下阶段排放法规制订思路中，考虑进一步降低限值的同时，也在计划引入新污染物的监控，这其中就包括N2O及PN10。如在欧洲第七阶段排放法规提案中［3］，将N2O排放纳入测试，PN检测要求也计划将粒径范围从此前的大于23 nm修改为大于10 nm；美国环境保护署（environmental protection agency，EPA）对车辆的N2O排放做出了明确规定；我国轻型车国六排放标准已引入了N2O的测试和限值要求［4］，但对重型车还未做明确规定，且关于重型车N2O排放研究较少。范振阳等［5］对重型国六柴油发动机N2O的影响因素进行了研究，发现尿素喷射是影响N2O排放的关键因素。王磊等［6］通过柴油机试验发现柴油机氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）、氨逃逸催化器（ammonia slip catalyst，ASC）以及选择性催化还原器（selected catalyst reduction，SCR）对N2O的生成均有影响。对于颗粒物，汪晓伟等［7-8］对国六发动机细颗粒物数量排放特性进行了分析，发现重型车PEMS中高速&高负荷区间内的PN10和PN23的差异不明显，但在中速区间，PN10显著高于PN23。

现行标准中，重型车整车排放主要使用实际道路PEMS测试方法。该方法尽管可有效反映整车实际道路的排放情况，但其采用的功基窗口法未能对平均功率较小的低负荷工况进行评估。国内排放法规也未对低负荷测试方面提出相应要求。相关研究表明，重型车低负荷工况是比较典型的高排工况［9-12］。因此，美国西南研究院针对重型车的排放测试提出了低负荷循环这一关键测试部分并制定了重型车发动机和整车的补充测试程序——低负荷测试循环（low-load cycle，LLC）［10］。该测试循环也是未来法规所关注的重点。

目前的研究缺乏LLC工况条件下对未来法规所关注的N2O和PN10排放研究，考虑到负载是影响车辆排放的关键因素，本研究基于LLC工况，针对未来排放法规关注的排放污染物（N2O和PN10）进行了不同载荷下排放特性的研究。

1试验车辆和方法

1.1试验车辆

本研究采用一辆满足国六要求的N3类牵引车，整车最大总质量为49 000 kg，发动机排量为13 L，配备有DOC、SCR、柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）和ASC的后处理系统，详细技术参数见表1。

1.2试验设备和方法

试验在重型底盘测功机上进行，车辆模拟载荷设置了空载、半载以及满载3种载荷情况，阻力系数来自于实际滑行阻力测试。采用便携式排放测试系统PEMS测试车辆N2O排放并记录车辆发动机的OBD瞬时数据（包括车速、转速、扭矩等），测试原理为量子级联激光-红外光谱分析（quantum cascade-laser infrared spectroscopy，QCL-IR）；为了更好地分析PN10数量排放特征，采用AVL 489 Particle Counter（APC）设备同时对PN10和PN23进行采样分析，测试原理为冷凝粒子计数（condensation particle counter，CPC），设备规格和精度见表2。

按照图1固定车辆，并将上述两台设备的采样探头固定在车辆尾气管的延伸管上。驾驶员按照LLC循环的车速路谱进行低负荷工况的运行，同时测试车辆的排放情况，设备采样频率为1 Hz。

1.3 试验工况

LLC工况是美国加州环保局提出的测试循环，总时长为5 505 s，主要包括一个整车循环和一个发动机循环。LLC循环是在采集751辆车原始数据的基础上，通过低负荷窗口定义、聚类分析等得到了代表性的工况片段，考虑了实际车辆行驶过程中出现的低负荷、高负荷到低负荷、低负荷到高负荷及中速巡航等情况，通过拼接、验证方式获得了整车LLC工况。LLC工况所采用的整车负载均未采用满载，这也正是研究负载因素影响以及设置空载、半载和满载3种负载条件的主要原因。本研究进行了整车层面的热态测试，LLC工况整车速度-时间曲线见图2。

为了分析不同负载条件下车辆的负荷特征，对3种负载下完成LLC工况的车辆瞬时功率进行了归一化处理作为功率比（瞬时功率/标定功率×100%），对瞬时功率比进行分布统计。图3示出3种负载工况下车辆功率的箱线图分布。

由图3可以看出，空载和半载的功率中位线几乎相同，在1%标定功率附近，而满载工况下车辆功率中位线稍高；随着车辆载荷的增加，功率比的平均值和上四分位线均增高，总的来看3种载荷条件下，车辆进行LLC循环测试时的瞬时功率比均低于20%。故在车辆满载条件下，LLC整车工况曲线也满足低负荷循环的工况特征。

1.4 分析方法

本研究通过上述PEMS以及APC设备测试得到车辆在整个LLC工况中的排放数据和OBD瞬时数据，利用式（1）计算排放物在整个LLC循环下的总排放。

mgas=ugas×∑i=ni=1cgas，i×qmew，i×1f。（1）

式中：mgas为整个循环的气态污染物质量；ugas为排气组分密度和排气密度比；cgas，i为排气组分的瞬时浓度；qmew，i为瞬时排气质量流量；f为采样频率；n为测量次数。

利用式（2）计算LLC工况的循环功率：

W=∑ni=1ni×Ti9 550×13 600。（2）

式中：W为发动机的循环功；ni为发动机第i秒的转速；Ti为发动机第i秒的扭矩。

另外本研究引入了比功率（vehicle specific power，VSP）的概念，通过式（3）计算VSP，采用区间划分的方法对污染物排放情况按照车速和VSP两个参数进行分块聚类处理以分析其排放特性。

VSP=v［gf+gsinα+a（1+ε）］+

0.5ρτAm（v+vm）2v。（3）

式中：VSP为瞬时比功率；v为车速；g为重力加速度，取值9.8 m/s2；f为滚动阻力系数；α为坡路角度；ε为质量因子，取值0.1；a为车辆行驶加速度；ρ为试验环境下的空气密度；τ为空气阻力系数；A为车辆迎风面积；vm为试验环境下的风速。

2结果与讨论

2.1N2O排放特性

图4示出3种负载下N2O的排放对比。N2O的总排放量随着负载的增大而增大，但其比排放规律略有不同：满载相比于半载的N2O比排放略有下降。虽然N2O总排放量随负载状态逐渐升高，但满载循环功更高，导致了满载下的N2O比排放略低于半载。3种载荷下N2O排放平均值分别为5.66×10－6，7.41×10－6以及9.91×10－6，N2O排放与负载存在正相关趋势。相比于空载，在排放总量上，半载时的N2O增加了57.6%，满载时增加了118.6%；在比排放上，相比于空载，半载时增加了21.2%，满载时增加了19.3%。

为了更清晰地分析3种负载条件下N2O的排放差距，利用滚动平均法以100 s为间隔计算N2O瞬时浓度排放的滚动平均值，如图5所示。由图5可以看出，3种负载下的N2O排放趋势较为一致，且在2 500 s之前，N2O排放与负载呈较强的正相关性，在2 500～4 000 s的过程中，满载工况下的N2O排放低于空载和半载工况，之后又表现出与负载较强的正相关性。

另外，本研究使用v-VSP分块聚类模型对N2O的体积排放做了对比分析，如图6所示（图中斜线格为缺省值）。从图6可以看出，3种负载下的N2O排放均集中在正VSP区域，且随VSP的增大，排放增加，而在负VSP区域无明显规律，且排放较低。也就是说N2O在车辆加速强度大、或者比功率较高的区域将有较多排放。速度方面，过高或过低的车速均会降低N2O排放。对于负载而言，可以看到在整个负VSP区域内，N2O排放随着负载的增加而增加，对于正VSP区域，其排放在低速区仍然保持着与负载的正相关关系，但随着速度的增加，满载下的N2O排放反而逐渐低于空载和半载工况。由此可知，LLC工况下，随着VSP的增加，N2O排放逐渐增加；但随着车速增加，N2O排放先增加再减少；负载对N2O排放影响较大，在整个低速区以及整个负VSP区域内N2O排放与负载呈正相关关系，但在正VSP、中高速区域，过高的负载反而降低了N2O的排放。

N2O多形成于后处理系统之中，其中与SCR关系较大，其产生机理主要有两个：一是硝酸铵的形成和其随后分解的系列反应，SCR表面容易形成硝酸盐，其易与NH3形成硝酸铵（150 ℃左右即可生成），硝酸铵随后分解为N2O，据文献［15］，在硝酸铵生成和分解速度的平衡下，随温度的升高，该系列反应产生的N2O先增加后减少，在300 ℃左右达到峰值；二是NH3在铜沸石的作用下与氧气发生氧化反应，该反应一般发生在400 ℃以上。

图7示出3种载荷下的SCR前排气温度对比。由图7可以看出，本研究的LLC工况的温度范围为150～400 ℃，故N2O的生成主要与上述第一种反应途径有关。结合图5和图7来看，在前1 000 s内，空载和半载工况的排温相差不多，且均处于较低水平，故两者的N2O排放水平均较低，但满载工况排温较高，其N2O排放水平相对较高；1 000～2 500 s内3种工况的排温差距较大，但均在300 ℃以下，导致了3种工况的N2O排放有较大差距，且与排温呈现正相关关系；在2 500～4 300 s的时间段内，满载工况的排温逐渐超过了300 ℃（半载工况排温也在3 000 s附近超过了300 ℃），故其N2O排放低于半载和空载工况。随后温度低于300 ℃，N2O排放与排温又表现出正相关趋势。

2.2PN10排放特性

图8示出3种负载工况下PN10和PN23颗粒物的对比。从图8可以看出，无论是颗粒物总数还是比排放，均呈现出随着负载的增大而增大的现象，且PN10增大的趋势更明显，导致两种颗粒物的数量差距随着负载的增大也增大，也就是说，10～23 nm的粒子数量排放占比随着负载的增大而有所增加。另外，从图8还可看出，喷油量与颗粒物排放表现出正相关关系，随着负载的增加，喷油量增加，颗粒物排放数量也增加。

另外，本研究从v-VSP的分块聚类方面对PN排放进行了分析，图9和图10分别为PN10和PN23的浓度排放分区结果。

从车速来看，粒子数量排放多集中于车速高于30 km/h的区域；从VSP来看，VSP绝对值越大，即车辆制动或加速强度越大时，粒子数量排放越高，这种现象在PN10和PN23排放上均有体现。随着VSP增大、车速增加，PN10排放均表现出增高趋势，在高速&高VSP区域，PN10排放最高，并且表现出随负载增加的正相关性；而PN23也表现出与PN10类似的规律，但其随VSP的变化趋势并不明显，由此可推断，相比于PN23，PN10对车辆负载变化更为敏感，高负载和急加速工况会大幅增加PN10排放。

此外，本研究对比了PN的排放速率与分区关系，如图11及图12所示。与体积排放不同，VSP为负时，车辆处于制动状态，流量较小，颗粒物排放速率同样较小，而在VSP为正且越来越大的区域，即车辆的加速阶段，两种粒径范围的粒子均增长较快，与上述瞬时数据的分析结论趋于一致。在车辆加速工况，由于喷油量突然增加，会导致更多颗粒物排放。在高速&高VSP条件下，颗粒物排放随负载的增加正相关趋势更为明显。

同时，本研究也利用v-VSP分块聚类模型对PN10和PN23的占比进行了分析，结果如图13所示。3种负载下，几乎在所有区域内，10～23 nm的颗粒物均占据了60%以上，甚至多数的区域下占据了80%左右，故低负荷工况下排放粒子多为10～23 nm粒子。从VSP分区来看，VSP小于0时，10～23 nm的粒子数量和负载的关系不大，但在怠速和低于30 km/h的区间，10～23 nm颗粒占比表现出随负载增加而增大的趋势，空载、半载及满载占比分别为51.19%，59.26%以及79.23%。随着速度的增加，负载对其影响逐渐减小，甚至在60 km/h的区域内，三种负载的10～23 nm排放占比相同。在VSP＞0时，大部分区域的10～23 nm粒子数量比例均随着负载的增大而增大；因此随着负载增大，低速、大VSP区域会产生了更多比例的10～23 nm粒径粒子。

3结论

a） LLC工况下，N2O排放总量随着负载的增大而增加，但其比排放在满载时稍有降低；LLC工况下N2O主要通过硝酸铵的形成和分解系列反应生成，强烈依赖于排温；

b） LLC工况下，负载对N2O排放影响较大，在整个低速区及整个负VSP区域内，N2O排放与负载呈正相关关系，但在正VSP &中高速区域，过高的负载反而降低了N2O的排放；

c） 无论是PN10还是PN23，均随着负载的增加而增加，10～23 nm粒径粒子占PN10总量的比例随着负载的增加而增加，并且在低速&大VSP区域产生了相对更高比例的10～23 nm粒径粒子；

d） 在中高速& VSP绝对值大的区域内，PN10和PN23有较高的数量浓度排放；但考虑到不同运行工况排气流量差异， VSP为正的区域，PN10和PN23排放率相对较高。

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N2O and PN10 Emissions of Heavy-Duty Vehicle under Low Load Cycle

LIU Zhiwei1，LI Tengteng1，2，ZHONG Xianglin1，REN Shuojin1，HUANG Pengcheng1，MENG Qingliang1

（1.CATARC Automotive Test Center（Tianjin） Co.，Ltd.，Tianjin300300，China;2.Tianjin University，Tianjin300072，China）

Abstract： For the future legislation requirements， the emission characteristics of nitrous oxide（N2O）， particulate matter quantities above 10 nm（PN10） and above 23 nm（PN23） of heavy-duty vehicle were studied at different loads according to low load cycle（LLC）， and regional analysis was conducted using the v-VSP binning-reconstruction model. The results show that the total N2O emissions under LLC increase with the increase of load and are directly related to exhaust temperature. N2O emissions are positively correlated with load in the area of low speed or negative VSP， but N2O emissions reduce under the full load in the area of positive VSP and medium-high speed. Both PN10 and PN23 increase with the load increase， and the particles with the size of 10-23 nm take a higher proportion with the larger load. PN10 and PN23 have relatively high concentrations of emission in the area of medium-high speed and high absolute VSP values， but the absolute emissions of PN10 and PN23 mainly concentrate in the area of positive VSP values. With the increase of load， the particles with the size of 10-23 nm take higher proportion in the area of low-speed and high VSP.

Key words： heavy-duty vehicle;LLC;N2O;particle;emission measurement

［编辑： 袁晓燕］