基于便攜式排放測試系統的重型柴油車冷啟動排放評價方法研究*

崔煥星 李 剛 蒲雨新 任素慧 劉順利 紀 亮#

(1.濟南汽車檢測中心有限公司，山東 濟南 250102；2.中國環境科學研究院，北京 100012)

為滿足當前嚴格的排放標準，重型柴油車需組合廢氣再循環(EGR)、柴油氧化型催化器(DOC)、柴油機顆粒捕集器(DPF)、選擇性催化還原(SCR)、氨催化轉化器(ASC)作為減排路線[1-2]，由此發動機可在熱機穩定狀態下實現污染物近零排放，冷啟動排放也就成為整車實際行駛污染物排放的主要來源[3-4]。我國及歐美排放標準均對整車實際行駛排放測量提出要求[5]，但只考慮發動機冷卻液溫度≥70 ℃的排放數據。目前有多種在溫度較低時提升減排效果的技術可使用[6-7]，但由于標準中缺乏實際行駛時的冷啟動排放要求，無法促進這些技術的推廣應用，因此，如何將冷啟動排放引入到整車排放水平的評價中是下一階段重型柴油車排放標準的重點研究問題[8]。

與汽油發動機相比，柴油發動機采用稀燃方式，氧氣過量，NOx與顆粒物是其主要污染物[9]，因此，本研究以滿足《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB 17691—2018)中6b階段技術要求的重型柴油車為研究對象，研究評價NOx與顆粒物數量(PN)排放水平的方法，為完善我國重型柴油車排放標準體系提供支撐。

1 實際行駛排放測試

發動機型式檢驗的污染物排放測試循環是由一系列固定的、在測功機上運行的工況構成，難以代表發動機在整車實際行駛時的運行工況，型式檢驗結果不能完全反映整車實際行駛時的污染物排放水平[10-11]，因而整車實際行駛排放測試也就愈發受到重視。除此之外，潤滑油、冷卻液及其他部件的溫度在發動機冷啟動時與環境溫度近似[12]，發動機此時的實際污染物排放更是遠高于其型式檢驗結果[13-14]。

與發動機型式檢驗不同，實際行駛排放測試將便攜式排放測試系統(PEMS)安裝在車輛上，通過車載診斷系統(OBD)、分析儀、溫濕度計以及全球定位系統(GPS)(見圖1)實時記錄整車在道路上行駛時的速度、發動機運行參數、污染物排放及環境溫濕度等相關數據，以功基窗口法評價整車排放水平[15]。

圖1 PEMS安裝示意圖Fig.1 Installation schematic of PEMS

功基窗口法以發動機進行臺架瞬態循環(WHTC)測試時的循環功為確定一個功基窗口大小的基準(見圖2)。

注：t1為功基窗口初期時間，s；Δt為功基窗口持續時間，s；W(t1)、W(t1+Δt)分別為對應時間的發動機累積做功，kW·h。

其中，Δt由式(1)決定：

W(t1+Δt)-W(t1)≥Wref

(1)

式中：Wref為發動機進行WHTC測試的循環功，kW·h。

獲得功基窗口后，將功基窗口平均功率(功基窗口內的發動機做功與功基窗口持續時間之比)比例(占發動機最大功率的比例)大于20%的記為有效功基窗口，有效功基窗口需至少達到所有功基窗口的50%(若低于50%，允許將功基窗口平均功率比例閾值以1%降低，直至有效功基窗口比例達到50%，但功基窗口平均功率比例閾值不能低于10%)。發動機做功及污染物排放在一個移動的功基窗口中累積，移動頻率與采樣頻率相同，計算每個功基窗口的污染物比排放[16]。其中，90%有效功基窗口的污染物比排放應滿足GB 17691—2018和文獻[17]的要求。每個功基窗口的氣態污染物比排放(egas，g/(kW·h))與PN比排放(ePN，個/(kW·h))應分別采用式(2)、式(3)計算：

(2)

式中：m為功基窗口內的氣態污染物排放質量，g。

(3)

式中：P為功基窗口內的PN，個。

2 測試信息及數據

測試使用的PEMS設備型號為SEMTECH-LDV，其性能參數見表1。

表1 測試設備信息

本研究選取3輛符合GB 17691—2018中6b階段要求的不同類型柴油車進行PEMS測試，發動機減排技術路線均為EGR、DOC、DPF、SCR、ASC，測試車輛信息見表2。

車輛加注市售燃料，反應劑符合《柴油發動機氮氧化物還原劑 尿素水溶液(AUS 32)》(GB 29518—2013)的要求，初始發動機冷卻液溫度不超過30 ℃，測試設備采用蓄電池供電，測試前先吹掃流量計，在發動機啟動前開始采樣，數據記錄頻率為1次/s。

表2 測試車輛信息

表3 測試信息

測試時，車輛按照市區—市郊—高速的行程連續行駛，每隔2 h檢查分析儀狀態，以確認分析儀工作正常，測試信息見表3。

測試結束后，首先進行分析儀漂移檢查，而后依據車速、CO2濃度、排氣流量和油耗對OBD讀取數據、分析儀記錄數據及排氣流量進行對齊。以冷卻液溫度大于30 ℃的數據作為有效數據參與計算，利用功基窗口法對測試數據進行分析，結果見圖3。車輛1第1個功基窗口持續時間為3 130 s，車輛2第1個功基窗口持續時間為5 244 s，車輛3第1個功基窗口持續時間為2 012 s。

圖3 PEMS測試結果Fig.3 Results of the PEMS test

圖4 以有效功基窗口計算的NOx與PN比排放Fig.4 Specific emissions of NOx and PN calculated by valid work-based window

3 排放計算方法

PEMS測試過程復雜、成本較高，且路況、駕駛習慣等諸多因素導致測試結果重復性較差，因此無法參照WHTC分別進行冷、熱循環測試的方式進行實際行駛排放測試，參照當前輕型汽車進行實際行駛污染物排放試驗(Ⅱ型試驗)的測試規程(《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB 18352.6—2016))，僅進行1次PEMS測試，對數據進行分段處理。

對于熱態數據，GB 17691—2018要求以冷卻液溫度≥70 ℃的數據評價整車排放水平，因此以該溫度界定熱態數據；對于冷啟動數據，則要求測試開始時的發動機冷卻液溫度不得超過30 ℃，因此以冷卻液溫度達到30 ℃界定冷啟動數據。

3.1 以有效功基窗口計算

在計算排放結果時，將功基窗口平均功率比例閾值調整至GB 17691—2018中允許的最低值(即10%)，以覆蓋更多城市工況，更加貼近車輛實際使用情況。冷啟動有效功基窗口的最大比排放記為冷啟動排放；熱態數據計算方法不變，90%有效功基窗口滿足GB 17691—2018整車排放限值的比排放記為熱態排放；最終排放結果參照WHTC賦予冷、熱排放不同權重(冷：0.14，熱：0.86)后加權計算，結果見圖4。

可以看出，依據有效功基窗口計算的冷啟動排放要高于熱態，但車輛2(即N2類車輛)的差異并不明顯，這是因為N2類車輛測試的市區路線占比高達45%，由于市區路況更為復雜，啟停頻繁，怠速比例高，平均車速低[18]，此時形成一個功基窗口的時間較長，分別是其他兩類車輛的1.6、2.6倍，雖已將有效功基窗口平均功率比例的閾值降低至10%，但首次達到的時間已占到市區道路行駛時間的58%，發動機冷卻液溫度早已超過70 ℃，多數冷啟動數據作為無效功基窗口被剔除。

因發動機冷啟動時的工作溫度較低，燃油霧化不完全，混合氣不均勻，燃燒不完全[19]，且SCR受溫度限制，對NOx的轉化率明顯降低[20]，相關研究表明此時的NOx排放甚至可以達到發動機臺架測試結果的2～4倍[21]， 在評價冷啟動排放時應予以重視，因此基于有效功基窗口的計算原則不再適用。

3.2 取消有效功基窗口平均功率比例限制

如圖5所示，N2類車輛在功基窗口平均功率比例低于10%時的NOx比排放明顯偏高。

圖5 功基窗口平均功率比例低于10%的NOx比排放Fig.5 Specific emissions of NOx with work-based window’s average power percentage below 10%

僅取消有效功基窗口平均功率比例的限制，將初期高排放功基窗口涵蓋在內，采用與3.1節相同的計算原則得到的排放結果見圖6。

3.3 以第1個功基窗口計算

由圖3可以看出，3類車輛在形成第1個功基窗口時的發動機冷卻液溫度均已達到70 ℃，進入熱機狀態，因此研究將冷啟動的第1個功基窗口比排放記為冷啟動排放，隨后的數據作為熱態數據，其90%功基窗口滿足GB 17691—2018整車排放限值的比排放記為熱態排放，最終排放結果計算方法與3.1節相同，結果見圖7。

圖6 以功基窗口計算的NOx與PN比排放Fig.6 Specific emissions of NOx and PN calculated by work-based window

圖7 以第1個功基窗口為冷啟動排放計算的NOx與PN比排放Fig.7 Specific emissions of NOx and PN calculated by the first work-based window as the cold start emissions

3.4 結果對比

在NOx排放計算上，3.2、3.3節兩種計算方法對3種類型車輛的計算結果基本一致，相比于3.1節，兩種方法將N2類車輛初期冷啟動排放涵蓋在整車排放的評價中，其排放情況得到了很好體現。但對于PN，3.3節計算結果明顯偏小，分析認為主要是由于溫度對PN排放的影響趨勢無確定性[22-24]，硫化物也多是在高溫條件下形成，發動機在熱態時更易出現較高PN排放[25]，因此不建議現階段僅依靠單一功基窗口計算排放結果，不斷將功基窗口后移可以使更多功基窗口參與到計算中，對PN排放的評價更加客觀。

對于CO，文獻[18]、[26]研究發現冷啟動下的發動機缸內燃燒溫度低，燃油短時間內不能完全氧化，導致排放出大量CO，而隨著溫度上升，CO排放量不斷降低。由此可見，溫度對CO的影響與NOx相近，本研究方法對CO具有適用性。

4 結論與建議

(1) 在引入冷啟動排放評價整車排放水平時，取消功基窗口平均功率比例閾值限制可以覆蓋更多市區工況，這一點對N2類車輛尤為重要。

(2) 分別以冷卻液溫度達到30、70 ℃界定冷、熱有效數據，這與當前GB 17691—2018要求的測試條件相符。

(3) 在污染物排放結果的計算上，熱態排放計算繼續按照GB 17691—2018的要求進行，冷啟動排放取最大值，參照WHTC計算原則，對冷、熱排放分別賦予0.14、0.86的權重，加權計算最終比排放結果，評價整車排放水平。