關于載荷及工況對國六重型柴油車排放的影響探討

高忠明 許丹丹 徐軍輝 李博

摘? 要：本文基于一輛國六排放水平的N2重型柴油車，分析探討了載荷及工況對車輛NOx和顆粒物數量（PN）排放的影響。結果表明：相比于空載，半載NOx比排放降低了2.22%，PN比排放升高了1.73%;滿載NOx比排放降低了12.36%，PN比排放升高了12.97%。相比于城市工況，市郊工況NOx比排放降低了72.1%-79.8%，PN比排放增加了35.2-142.5倍;高速工況NOx比排放降低了95.9%-97.6%，PN比排放增加了36.1-154.5倍。基于發動機后處理的工作原理，對上述結果進行了簡單分析并提出了解決方法，以減小載荷及工況對國六重型柴油車排放的影響。

關鍵詞：柴油車;載荷;工況;NOx;PN

中圖分類號：U461? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1005-2550（2021）02-0016-06

Abstract： Based on an N2 CHINA Six-stage heavy-duty diesel vehicle，this paper analyzes and explores the effect of load and operating conditions on NOx and particle number（PN） emission. The result shows that compared to no-load， half-load NOx specific emission is reduced by 2.22%， and PN specific emission is increased by 1.73%; Full-load NOx specific emission is reduced by 12.36%， and PN specific emission is increased by 12.97%. Compared with urban conditions， NOx specific emission in suburban conditions is reduced by 72.1% -79.8%， PN specific emission is increased by 35.2-142.5 times; NOx emission in high-speed conditions is reduced by 95.9% -97.6%， and PN specific emission is increased by 36.1-154.5 times. Based on the working principle of engine post-processing， the above results are briefly analyzed and solutions are proposed to reduce the effect of load and working conditions on the emission of CHINA Six-stage Heavy-duty diesel vehicle.

Key Words： Diesel Vehicle; Load; Operating Condition; NOx; PN

柴油機以熱效率高、燃油經濟性好、可靠性高和動力性強的優點受到人們青睞[1]。但柴油機排出的大量有害物質也給環境帶來嚴重污染，危害人類的健康[2]。氮氧化物進入人體會導致肺部和支氣管疾病[3]。柴油機排出的顆粒中核模態粒子占有較大數量百分比[4]，這種細小的顆粒對人體的危害更加嚴重[5]。隨著排放法規的日益加嚴，各種污染物限值進一步降低，相對于國五標準[6-7]，國六重型車排放標準[8]加嚴了NOx排放限值，并針對柴油車增加了PN的檢測。

車輛在實際使用過程中會出現空載、滿載極端的運行工況，部分車輛因用途單一存在實際運行速度偏低的情況，這些情況均會影響車輛的正常排放。比如郭佳棟等[9]研究表明，某些裝有選擇性催化還原（SCR）系統的國Ⅳ公交車因運行速度偏低導致實際NOx排放比國Ⅲ公交車高，Velders等[10]研究表明，歐Ⅴ的卡車在實際使用中排放并沒有達到法規加嚴所達到的預期，并且這種情況在城市工況更為明顯。作為國六重型柴油車凈化NOx主要技術的SCR系統，其轉化效率依然受限于排氣溫度的影響。

由于PN在國六重型車標準b階段實施后才作為重型柴油車監管污染物，因此相關重型柴油車PN排放的研究較少，尤其是實際道路中車輛NOx與PN的共同研究，載荷與工況對二者的影響更是罕有涉及。本文基于一輛國六重型柴油載貨汽車，使用HORIBA公司生產的OBS-ONE車載排放設備對樣車進行不同載荷狀態，相同載荷不同工況下的排氣污染物分析研究。

1? ? 材料與方法

1.1? ?試驗車輛

試驗車輛為一臺最大設計總質量為11噸的載貨汽車，具體參數見表1所示：

1.2? ?測試儀器

測試儀器使用的是HORIBA公司生產的OBS-ONE車載排放測試設備。測試儀器連接及布局見示意圖1。該儀器主要由主控單元、氣體分析單元、PN計數單元、流量測量單元、GPS及溫濕度傳感器等部件構成。CO2與CO采用非分散紅外法（NDIR）的分析原理，NOx采用化學發光法（CLD）的分析原理，PN采用凝聚顆粒計數法（CPC）的計數原理。該儀器可實時測量排氣中CO2、CO、NOx和PN的濃度，并根據排氣流量、排氣壓力、排氣溫度、排氣組分密度和排氣密度比（ugas）等參數自動計算排氣中各氣體污染物的質量流量以及顆粒物的數量流量。通過OBD診斷接口讀取車輛發動機及后處理的實時運行參數，根據發動機實際扭矩百分比、摩擦扭矩百分比、參考扭矩、轉速計算發動機瞬時功率。

1.3? ?試驗方法

試驗依據國六重型車排放標準對樣車分別進行空載、半載、滿載狀態下的三次實際道路排放試驗，每次試驗由市區工況（車速0-50km/h，平均車速15-30 km/h）、市郊工況（第一個車速超過55 km/h的短行程記為市郊的開始，50-75km/h，平均車速45-70 km/h）、高速工況（第一個車速超過75 km/h的短行程記為高速的開始，平均車速大于70 km/h）組成，并按此順序完成試驗。試驗中各工況的時間比例為市區工況45%、市郊工況25%、高速工況30%，允許±5%的比例偏差。

本次研究取用的數據為試驗的“有效數據（剔除70℃以下的冷啟動數據）”。一段時間內某種污染物累積排放質量（PN為累積總數量）與該時間段內發動機累積輸出功的比值為該污染物在這段時間的比排放，單位為g/kWh或#/kWh。通過對比空載、半載、滿載試驗NOx與PN的比排放結果來分析載荷帶來的影響。對比每次試驗的市區、市郊、高速三種工況NOx與PN的比排放結果來分析工況帶來的影響。

2? ?結果與分析

2.1? ?基本結果

試驗基本結果如表2所示：

2.2? ?氮氧化物

圖2給出了載荷與工況對NOx排放的影響及各工況SCR載體平均溫度。

相比于空載，半載與滿載狀態下NOx比排放分別降低了2.22%和12.36%。相比于市區工況，市郊工況的NOx比排放降低了72.1%-79.8%，高速工況NOx比排放降低了95.9%-97.6%。由圖2可見，載荷的增加、工況車速的增加均使NOx比排放呈現下降的趨勢，但載荷增加引起的變化相對較小，車輛工況變化帶來的影響較為明顯。這是由于該樣車主要依靠SCR凈化發動機產生的NOx，而排氣溫度是影響SCR工作的主要因素。當SCR載體溫度低于180℃時，為了防止結晶后處理系統不會噴射尿素。載荷的增加以及工況車速的提高均會增加發動機的負荷，進而使得排氣溫度升高，增加尿素噴射時間占比的同時也提高了SCR的轉化效率，使得NOx排放降低。從圖2（a）可以看出，與空載狀態相比，半載和滿載狀態時車輛SCR載體平均溫度只提高了3.50℃和12.29℃，對尿素噴射時間占比的提高以及SCR轉化效率的提高不明顯，因而導致載荷的增加對該樣車NOx排放的降低影響較小。從圖2（b）可以看出，三次試驗的市區工況SCR載體平均溫度均低于180℃，排溫在大部分時間未能達到尿素的啟噴溫度，因此市區工況的NOx排放近似等于發動機原始排放，相比于市區工況，市郊和高速工況由于車速的提高、發動機負荷的增加，使得市郊工況SCR載體平均溫度升高了55.64-62.74℃，高速工況SCR載體平均溫度升高了79.43-83.75℃。SCR載體溫度的大幅度升高使得尿素噴射時間占比以及SCR轉化效率得到有效提高，進而使得該樣車在市郊工況下NOx比排放相對市區工況均下降了70%以上，高速工況下降了95%以上。

2.3? ?顆粒物數量

2.3.1 顆粒物排放結果

圖3給出了各載荷試驗PN平均比排放與各工況PN累計排放占比情況。圖4 給出了各工況PN平均比排放。

從圖3可見，PN的比排放隨著載荷的增加呈現逐漸增高的趨勢。相比于空載，半載與滿載狀態下PN比排放增長了1.73%和12.97%;市區工況的PN累積排放占比在0.2%-0.7%之間，市郊工況的PN累積排放占比在33.5%-41.8%之間，高速工況的PN累積排放占比在57.5%-66.3%之間。從圖4可以看出，PN的比排放隨著工況車速的增加呈現逐漸升高的趨勢。相比于市區工況，市郊工況PN比排放增加了35.2-142.5倍，高速工況PN比排放增加了36.1-154.5倍。車速由城市工況提高至市郊工況時，PN增長較為劇烈，在市郊工況轉變為高速工況的過程中，PN增長相對緩慢。

2.3.2 結果分析

圖5給出了各載荷試驗及各工況對應的發動機平均噴油正時。圖6給出了各載荷試驗及各工況對應的發動機平均噴油壓力。

從圖5可以看出隨著載荷的增加、車速的提高，發動機的平均噴油正時隨之增大。噴油正時的增大，發動機每個循環的噴油時刻提前，導致發動機滯燃期增加，使得燃料與氧氣的混合更加均勻，粒子在缸內的氧化時間增加，進而降低了顆粒物數量，同時噴油正時的增加還會導致顆粒物各濃度曲線向小直徑粒子方向偏移，核態粒子比例增加，積聚態粒子比例減少[11]。從圖6可以看出隨著載荷的增加、工況車速的提高，發動機的平均噴油壓力隨之增大。噴油壓力的增加，增大了燃油噴霧錐角和噴射貫穿距，使得油氣混合更加均勻，燃油噴射液滴會隨噴油壓力的提高而更加細小，增加了燃油的比表面積，同時噴射壓力的提高，為柴油機缸內工質提供較高的噴射能量，從而使得氣缸內的氣流運動加劇，改善了油氣的混合條件，使得粒子得到充分的氧化，進而降低了顆粒物數量。

從發動機噴油正時與噴油壓力可以分析出，隨著載荷的增加以及車速的增加發動機的PN原始排放呈降低趨勢，并且核態粒子比例增加，積聚態粒子比例減少。

圖7給出了各載荷試驗及各工況對應的DPF平均壓差。為了便于分析，本文采用DPF進出口溫度平均值近似模擬DPF內部溫度。圖8給出了各載荷試驗及各工況的DPF內部溫度。

從圖7可以看出隨著載荷的增加，工況車速的增加，DPF內部溫度隨之升高。排氣溫的提高間接導致了PN排放的增加，其原因為排氣中的NO在DOC的作用下與O2反應生成NO2，進入DPF后，NO2與DPF中被捕捉的碳顆粒發生反應，破壞了DPF中具有吸附作用的碳膜，并且這種反應速率與溫度呈明顯的指數關系[12]。相比于小負荷，發動機在負荷較大的情況下，因噴油壓力及噴油正時的增大導致質量較大的積聚模態粒子比例減少，使得DPF積碳得不到有效補充，進一步加快了碳載量的降低速度，碳載量的減少使得DPF的過濾效率降低，增加了車輛的PN排放。

從圖8可以看出隨著載荷的增加、工況車速的增加，DPF壓差會因此增大。DPF壓差的增加，導致DPF過濾微孔兩端的壓差增加，使得DPF碳膜在此時可吸附的顆粒減少，同時部分附著在微孔周圍的細小顆粒因壓差的增加而穿過微孔逃離DPF。由于NO2與碳煙的反應，使得碳煙與DPF壁面接觸松散，部分顆粒甚至直接懸浮在氣流中，進而被排氣氣流吹掃出DPF，增加了車輛的PN排放。

由圖5、圖6、圖7、圖8可以看出，整車工況變化引起的發動機噴油正時、噴油壓力、DPF內部溫度、DPF壓差的變化程度均大于載荷增加引起的變化。因此載荷變化對PN排放的影響相對較小，車輛運行工況對PN排放的影響相對較大。

3? ? 結論與建議

3.1? ?結論

1、隨著載荷的增加、工況車速的增加，車輛NOx平均比排放呈下降趨勢。

2、隨著載荷的增加、工況車速的增加，車輛PN平均比排放呈上升趨勢。

3、載荷的增加以及車速的提高會降低DPF過濾效率導致最終PN排放增加。

4、DOC+DPF+SCR車輛在市區工況下NOx排放特性較差，PN排放特性較好，高速工況下NOx排放特性較好，PN排放特性較差。NOx排放主要來源于市區及市郊工況，PN排放主要來源于市郊和高速工況。

5、車輛載荷的變化對NOx與PN排放的影響相對較小，車輛運行工況對NOx與PN排放的影響相對較大。

3.2? ?建議

1、縮短發動機排氣出口至SCR系統入口的管道長度、加裝后處理系統保溫裝置、適當的減小低負荷工況下發動機的噴油提前角可有效的提高排氣溫度，進而降低車輛小負荷、低車速工況下的NOx排放。

2、適當增大DPF容積，降低DPF兩端的壓差，增加DPF目數，拓寬DPF捕捉粒徑范圍，進而降低PN排放。

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