重型車國六標準邊界條件對排放的影響＊

于全順，田霖，郭勇，王雪峰，徐軍輝

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

1 前言

2016年底，生態環境部（原環境保護部）和國家質檢總局聯合發布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[1]，隨著輕型車國六標準的發布，重型車國六也進入人們關注的視野，2018年 GB/T17691-2018《重型柴油車污染物排放限制及測量方法》（中國第六階段）[2]正式發布。對于重型整車國標中首次引入了整車實際道路實驗（Portable Emission Measurement System，PEMS），其中重型車國六標準中相對于之前的地方標準環境邊界條件更為嚴苛[3-5]，監測污染物的種類也有所增加：其中其 a階段環境邊界條件為-7℃，海拔 1700米，對于污染物的顆粒物數量（PN）無要求；六b階段環境邊界條件為-7℃，2400米，同時要求監測顆粒物數量。為了研究各種極限條件下重型車輛的排放變化，本文選用國六階段重型車，在環境海拔倉內進行轉股 PEMS實驗，模擬標準中的極限邊界條件，對樣車的排放特性和油耗特性進行系統分析，為重型車六階段標準的實施提供理論支持，為重型車企業的標定提供數據支持。

2 試驗設備方案

2.1 試驗車輛

本研究選用國 VI階段重型柴油車，車輛及發動機參數見表1。

表1 實驗樣車參數

2.2 實驗方案

試驗在海拔&環境倉內進行，倉內海拔設定范圍是 0～5000米；溫度設定范圍是-40～60℃。試驗是在帶有 CVS的底盤測功機上進行的。試驗所用到的測試設備包括轉速、負荷可調節的底盤測功機，Sensors公司生產的 SEMTECHECOSTAR PLUS便攜式排放測試設備，通過控制變量條件確定不同工況進行實驗，每個工況采用的循環為 GB/T27840-2011《商用車燃料消耗量測量方法》推薦的重型柴油車整車綜合油耗測量所使用的工況（C-WTVC循環）[6]，循環曲線如圖1所示，設備安裝圖如圖2所示，C-WTVC循環工況特征參數如表2所示，工況分布如表3所示。

圖1 C-WTVC測試循環速度曲線

圖2 設備安裝示意圖

表2 C-WTVC循環工況特征參數

表3 工況分布

2.3 實驗設備

本研究排放測試用的是便攜式排放測試系統，選用的是美國Sensors公司生產的SEMTECH-ECOSTAR PLUS，對于排氣污染物中的各個污染物，分別采用非分散紅外分析法（Non-Dispersive Infra-red dector，NDIR）測量一氧化碳和二氧化碳，非分散紫外分析法（Non-Dispersive Ultraviolet dector，NDUV）測量氮氧化物，激光凝縮顆粒物計數（CPC）測量顆粒物數量。此外，SEMTECH-ECOSTAR PLUS通過自帶全球定位系統（GPS）記錄地理位置信息，ICM模塊讀取車輛ECU信息，Weather Probe模塊記錄環境溫濕度信息，EFM模塊實時記錄排氣流量。

3 計算方法

基于里程的排放因子是評價整車污染物的重要指標之一

[7]，其公式如3-1所示：

其中 Ekm是某種污染物基于里程的排放因子，單位是g/km或#/km，ei是逐秒污染物濃度，單位是g/s，L是行駛里程，C-WTVC循環為20.51km。

基于功基的比排放是判定國六整車合格與否的依據[8]，也是標準限值的單位。最終結果由公示（2）計算得出：

式中：Li是某種污染物排放結果，單位是g/kwh或#/kwh，Mi是某種污染物的總排放量，單位是g/#，W是發動機循環功（kwh）。最終結果根據表4根據不同車型進行加權。

表4 特征歷程分配比例

各工況污染物排放變化率根據公示（3）計算得出：

式中：ψ為各污染物變化率，Eb為其他污染物排，單位為（g/km）/（#/km）或（g/kwh）/（#/kwh），Ea為常溫長下污染物排放，單位為（g/km）/（#/km）或（g/kwh）/（#/kwh）。

4 數據分析

對不同工況下的數據按照公式（1）和公式（2）進行計算，基于功的計算根據表4進行加權平均，可知市區比例為10%，公路比例為60%，高速比例為30%。逐個分析污染物隨工況的變化情況，計算各個污染物的基于里程排放因子和比排放，并以常溫常壓工況為基礎，按照公式（3）計算其他工況各污染物的變化情況。

4.1 CO2排放分析

由圖3可以看出相對于常溫常壓下的CO2排放，溫度和海拔邊界條件下，均呈現不同程度地增加。其中常溫常壓下CO2的排放因子和比排放為623403.22mg/km和708396.68mg/kwh，-7℃邊界條件下CO2的排放因子和比排放為655907.69 mg/km和754469.02mg/kwh，1700米國六a邊界條件下CO2的排放因子和比排放為 660952.38mg/km和 828226.22mg/kwh，2400米國六b邊界條件下CO2的排放因子和比排放為677773.77mg/km和845462.34mg/kwh。基于排放因子進行分析：相對于常溫常壓下的CO2排放因子，-7℃邊界條件下增加5.2%，1700米邊界條件下增加6.0%，2400米邊界條件下增加8.7%；基于比排放進行分析：相對于常溫常壓下的CO2比排放，-7℃邊界條件下增加6.5%，1700米邊界條件下增加16.9%，2400米邊界條件下增加19.3%。

圖3 CO2排放變化圖

綜合排放因子和比排放可以看出，溫度和海拔邊界條件都對CO2都是有惡化影響，海拔邊界條件相對于溫度邊界條件，影響更大，海拔達到國六b的邊界條件時，漲幅較大，同時因為CO2表征的是樣車的油耗量，可知低溫和高海拔都會使樣車油耗增加。

4.2 CO排放分析

由圖4可以看出相對于常溫常壓下的CO排放，溫度和海拔邊界條件下，均呈現不同程度的增加，其中高海拔增幅程度更加明顯。其中常溫常壓下CO的排放因子和比排放為62.16mg/km和88.42mg/kwh，-7℃邊界條件下CO的排放因子和比排放為 73.04mg/km和91.76mg/kwh，1700米國六a邊界條件下 CO的排放因子和比排放為 131.56mg/km和186.48mg/kwh，2400米國六b邊界條件下CO的排放因子和比排放為185.84mg/km和263.42mg/kwh。基于排放因子進行分析：相對于常溫常壓下的 CO排放因子，-7℃邊界條件下增加17.5%，1700米邊界條件下增加111.6%，2400米邊界條件下增加199.0%；基于比排放進行分析：相對于常溫常壓下的CO比排放，-7℃邊界條件下增加3.8%，1700米邊界條件下增加110.9%，2400米邊界條件下增加197.9%。

圖4 CO排放變化圖

綜合排放因子和比排放可以看出，溫度和海拔邊界條件都對CO都是有惡化影響，海拔邊界條件相對于溫度邊界條件，影響更大。柴油機的CO的生成主要是由于不完全燃燒造成的，當海拔上升時，柴油機缸內氧含量下降，不利于CO的氧化進而導致排放上升。

4.3 NOX排放分析

由圖5可以看出相對于常溫常壓下的NOX排放，溫度和海拔邊界條件下，均呈現不同程度的增加，其中低溫條件下增幅明顯。其中常溫常壓下 NOX的排放因子和比排放為349.25mg/km和495.03mg/kwh，-7℃邊界條件下NOX的排放因子和比排放為442.12mg/km和605.71mg/kwh，1700米國六a邊界條件下NOX的排放因子和比排放為412.81mg/km和565.12mg/kwh，2400米國六b邊界條件下NOX的排放因子和比排放為433.23mg/km和585.76mg/kwh。基于排放因子進行分析：相對于常溫常壓下的NOX排放因子，-7℃邊界條件下增加26.6%，1700米邊界條件下增加18.2%，2400米邊界條件下增加 24.0%；基于比排放進行分析：相對于常溫常壓下的NOX比排放，-7℃邊界條件下增加22.4%，1700米邊界條件下增加14.2%，2400米邊界條件下增加18.3%。

圖5 NOX排放變化圖

綜合排放因子和比排放可以看出，溫度和海拔邊界條件都對NOX都是有惡化影響，溫度邊界條件相對于海拔邊界條件，影響更大，原因是氮氧化物的形成主要是取決于反應溫度、氧氣濃度和反應時間。在高海拔環境下，隨著海拔高度的增加，燃料的滯燃期延長，預混合燃燒階段增長，導致速燃氣燃料增多，缸內燃燒溫度提升，利于氮氧化物的生成，而高海拔地區氧含量較低，導致缸內燃燒所需氧氣降低，阻礙氮氧化物生成。而低溫環境下，SCR的噴射溫度既定，相對于常溫常壓下的噴射環境，更難達到噴射溫度，導致后處理對氮氧化物的處理效果明顯降低，氮氧化物排放大幅度增長[9-11]。

4.4 PN排放分析

由圖6可以看出相對于常溫常壓下的PN排放，溫度和海拔邊界條件下，均呈現不同程度地增加。其中常溫常壓下PN的排放因子和比排放為4.91×1011mg/km和6.96×1011mg/kwh，-7℃邊界條件下 PN的排放因子和比排放為 9.83×1011mg/km和 1.39×1012mg/kwh，1700米國六 a邊界條件下 PN的排放因子和比排放為1.25×1012mg/km和1.59×1012mg/kwh，2400米國六 b邊界條件下 PN的排放因子和比排放為3.87×1012mg/km 和 5.32×1012mg/kwh。基于排放因子進行分析：相對于常溫常壓下的 PN排放因子，-7℃邊界條件下增加100.3 %，1700米邊界條件下增加154.0%，2400米邊界條件下增加688.1%；基于比排放進行分析：相對于常溫常壓下的PN比排放，-7℃邊界條件下增加70.1%，1700米邊界條件下增加128.1%，2400米邊界條件下增加665.1%。

圖6 PN排放變化圖

綜合排放因子和比排放可以看出，溫度和海拔邊界條件都對PN都是有惡化影響，海拔邊界條件相對于溫度邊界條件，影響更大，海拔達到國六b的邊界條件時，漲幅較大，最高漲幅達688.1%，海拔的增加導致燃燒溫度升高，提高了燃油裂解的反應速率，從而促進顆粒物的生成，另一方面，高海拔環境下壓力較低，使得柴油進氣量降低，缸內氧含量變低，阻礙了燃燒過程中產生的顆粒物氧化。導致顆粒物相對于常溫常壓增幅較大[12]。

5 結論

（1）對于CO2、CO和PN分析，海拔的增加和溫度的降低都造成排放惡劣，但海拔的影響更大，對于CO2，2400米邊界條件下相對于常溫常壓排放因子增加8.7%，比排放增加19.3%，對于CO，2400米邊界條件下相對于常溫常壓排放因子增加199.0%，比排放增加197.9%，遠超-7℃環境下的排放增長量，對于PN，2400米邊界條件下相對于常溫常壓排放因子增加688.1%，比排放增加665.1%。

（2）對于NOX，溫度和海拔邊界條件都對NOX都是有惡化影響，溫度邊界條件相對于海拔邊界條件，影響更大，-7℃環境下，相對于常溫常壓，排放因子增加 26.6%，比排放增加22.4%，超過國六a和國六b的海拔邊境條件下的增長量。

（3）根據標準中所規定的限值，常溫常壓下，各類污染物明顯可以達標，比排放均低于限值要求，在邊界條件下，NOX和PN污染物有不同程度的超過限值，因此發動機和整車廠應對邊界條件下的標定重視。