車輛載荷和空調對重型車實際道路排放的影響

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津 300300）

引言

2018 年6 月22 日，國家生態環境部與國家市場監督管理總局聯合下發《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[1]。與國五階段相比，國六標準增加了整車車載法（PEMS）試驗。PEMS 測試是指實際道路下整車排放測試。在國六法規中對PEMS 的測試規范有諸多的要求。其中對車輛載荷的要求在國六a 階段為該車輛最大載荷的50%～100%，在國六b 階段為該車輛最大載荷的10%～100%。對環境溫度要求為-7 ℃至38 ℃。

周華等人[2]在重型底盤測功機上研究了不同車輛載荷對重型柴油整車排放影響，發現載荷對顆粒物數量（PN）的排放沒有規律性的影響，但增加車輛載荷會降低重型車NOx的排放。Zhang 等人[3]研究了不同車輛載荷對重型柴油卡車的排放影響，發現車輛載荷對排放影響最大的是NOx，其次為CO 和PN。當處于高溫和低溫環境時，空調是否開啟會對排放產生影響。趙偉等人[4]研究了空調對輕型車污染物和油耗的影響，發現開啟空調會導致車輛污染物排放及油耗不同程度的增加。Brodrick 等人[5]研究了空調開啟對重型柴油卡車怠速污染物排放的影響，研究表明開啟空調會增加怠速時NOx的排放。

目前關于空調和車輛載荷對PEMS 測試的研究較少。基于此，本文選取了一輛國六排放的重型城市公交車，研究了高溫條件下空調開啟和車輛載荷對PEMS 測試排放的影響，從而方便企業更好地去應對法規要求的PEMS 測試。

1 試驗介紹

1.1 測試車輛和測試設備

試驗選取了一輛國六排放標準的城市公交車進行PEMS 測試。排放控制技術路線為廢氣再循環（EGR）+氧化催化器（DOC）+顆粒捕集器（DPF）+選擇性催化還原器（SCR）[6]。選擇公交車的原因是公交車車廂面積大，空調開啟的影響會顯著。測試車輛的主要技術參數如表1 所示。

表1 測試車輛的主要技術參數

測試設備為試驗采用奧地利AVL 公司生產的AVL M.O.V.E 便攜式車載排放測試系統。該系統包括尾氣氣態污染物分析系統（GAS PEMs）、尾氣顆粒物數量分析系統（PN PEMs）、尾氣流量計（EFM）、全球定位系統（GPS）、溫濕度儀、OBD 記錄儀等設備。

1.2 試驗設置

為了評估空調和車輛載荷對重型車實際道路排放的影響，以正交型式設計了4 組試驗，空調溫度設定為25 ℃。其中空載不開空調為試驗A，半載不開空調為試驗C，空載開空調為試驗B，半載開空調為試驗D，如表2 所示。

表2 PEMS 測試矩陣

按照國六標準要求，對于城市車輛，車輛測試時的運行道路組成依次為：70%的市區路和30%的市郊路，允許實際構成比例有±5%的誤差。測試地點在湖北武漢，測試時間為8 月份，正是溫濕度很高的季節。

2 試驗結果

2.1 測試特征

4 次PEMS 測試的特征如表3 所示。按照法規要求，冷卻水溫70 ℃以下的數據被剔除。4 次行駛的平均溫度都在35 ℃以上，平均濕度在50%左右。B 測試行駛的里程和平均車速最高，其次是C 和D，A 測試行駛的里程和平均車速最低。A 測試的市區占比最高，為72.5%，B、C、D 的市區占比均在68.5%左右。A測試的加減速比例和怠速比例最高，其次為D、C、B。

表3 PEMS 測試參數

4 次實際行駛的速度曲線如圖1 所示。

圖1 4 次PEMS 測試的車速曲線

2.2 排放對比

4 次PEMS 測試的NOx比排放如圖2 所示。在空載情況下，開啟空調后PEMS 測試的NOx比排放為0.62 g/（kW·h），比不開空調PEMS 測試的NOx比排放降低了24.4%。在半載的情況下，開啟空調后PEMS 測試的NOx比排放為0.62 g/（kW·h），比不開空調PEMS 測試的NOx比排放降低了39.2%。在同樣不開空調的情況下，空載PEMS 測試的NOx比排放比半載低了19.6%。而在同樣開啟空調的情況下，半載PEMS 測試的NOx比排放和空載的基本一致。國六法規要求的NOx的排放限值為0.69 g/（kW·h）。從圖中可以看到，在不開空調的情況下，不管是空載還是半載，NOx的比排放均超過了限值的要求。

圖2 4 次PEMS 測試NOx比排放對比

NOx的最終排放是生成和去除兩者綜合作用的結果[7]。不管是開啟空調還是增加車輛載荷，都是增加了發動機的負荷，從而使發動機的運行工況點發生了改變，因此缸內生成的NOx會有所不同。同時，增加負荷后，會改變發動機的排氣溫度，從而影響SCR的催化效率，造成NOx催化凈化的差異[6-7]。圖3 是4次PEMS 測試SCR 前溫度的變化情況。表4 是4 次PEMS 測試SCR 前的平均溫度以及累積功率。半載且開啟空調的情況下累積功最高，為154.5（kW·h），且SCR 前的平均溫度最高，為292.1 ℃。更高的排溫使SCR 的催化效率更高，從而NOx排放最低。空載且開啟空調的情況下累積功為148.6（kW·h），SCR前的平均溫度為278.2 ℃。半載且不開空調的情況下累積功為124.9（kW·h），但SCR 前的平均溫度最低，為236.3 ℃。由此可見，是否開啟空調對NOx排放的影響要高于從空載到半載的變化對NOx排放的影響。這是由于測試車型是一輛客車，其車廂面積較大，而載重量并不高。因此開啟空調所需要的能量較大，從而大幅提升了發動機的負荷，增加了后處理的排溫，降低了NOx的最終排放。

圖3 4 次PEMS 測試SCR 前溫度對比

值得注意的是，在不開啟空調的情況下，雖然從空載到半載增加了發動機的負荷，體現為空載不開空調的累積功要低于半載不開空調的累積功，但是空載不開空調PEMS 測試SCR 前的平均溫度反而要高于半載不開空調的平均溫度[8]。分析原因可能是空載不開空調的PEMS 測試A 有較多的加減速工況[9]，且當天進行試驗的環境溫度（37.5 ℃）要高于半載不開空調的PEMS 測試B（35.9 ℃）。

表4 PEMS 測試參數

4次PEMS 測試的PN 比排放如圖4 所示。從圖中可以看到，相較于國六法規要求的PN 的排放限值8×1012個/（kW·h），4 次PEMS 測試的PN 結果均滿足限值要求。PN 排放最高的是半載且開啟空調的測試，為1.06×1012個/（kW·h）。其次為空載開啟空調，半載不開空調，PN 排放分別為8.25×1011個/（kW·h），6.74×1011個/（kW·h）。PN 排放最低的是空載且不開空調的測試，為4.49×1011個/（kW·h）。PN 排放與PEMS 循環的累積功具有很好的對應關系。這是因為顆粒物排放跟發動機的負荷存在較強的正相關關系，負荷越大，顆粒物排放越高[10-11]。

圖4 4 次PEMS 的PN 比排放對比

3 結論

通過對一輛國六排放水平的城市公交車在高溫條件下不同車輛載荷以及空調開啟的PEMS 試驗，發現：

1）在空載和半載兩種情況下，開啟空調會提高發動機的排溫，從而降低了NOx的排放。在不開空調的情況下，半載的NOx排放要高于空載的NOx排放。在開啟空調的情況下，半載和空載的NOx排放相差不大。

2）增加載荷或者開啟空調都會造成PN 排放的增加。

3）由于PEMS 測試的邊界范圍很廣，影響因素眾多，需要企業在開發過程中進行多場景的驗證。