重型柴油車實際道路排放影響因素的試驗研究

宋子鈺，王明達，陶云飛，張暉，曲衛東

（1.長春汽車檢測中心有限責任公司，長春130011；2.中國環境科學研究院，北京100012）

主題詞：重型柴油車 道路排放 影響因素 海拔高度 環境溫度 負載

縮略語

NOx Nitrogen Oxides

PN Particulate Number

PEMS Portable Emission Measurement System

SCR Selective Catalytic Reduction

DPF Diesel Particle Filter

DOC Diesel Oxidation Catalyst

ASC Ammonia Slip Catalyst

CVS Constant Volume Sample

EGR Exhaust Gas Recirculation

EFM Emission Flow Measurement

GAS Gas Analyzer System

ECU Electronic Control Unit

GPS Global Positioning System

ICM Interface Communication Module

PDCM Power Distribution Control Module

1 前言

我國柴油車保有量僅占汽車總保有量的9.1%，但其氮氧化物（NOx）和顆粒物數量（PN）排放分別占汽車排放總量的88.9%和99%，柴油車已成為NOx和PN的主要來源之一[1-2]。為了緩解汽車尾氣給環境帶來的壓力，減少汽車尾氣排放，2018年生態環境部發布了重型柴油車國六法規[3]，增加了整車實際道路排放測試要求和限值。實際道路排放測試時需使用便攜式排放物測量系統（Portable Emission Measurement System，PEMS），此外，法規還規定了車輛載荷與環境等邊界條件，即最大和最小環境溫度及最高海拔。

不同于在底盤測功機進行的排放測試，實際道路排放測試過程受駕駛工況、交通狀況、駕駛風格、載荷、環境溫度、海拔高度和分析儀的不確定性因素影響。Georgios等[4]的研究中對歐Ⅴ重型車進行了試驗，分析車速、排氣溫度、控制策略和道路坡度對NOx排放的影響，指出NOx排放與道路坡度呈正相關。Wang等[5]的研究中分析了交通狀況對公交車排放的影響，指出了在市區工況中延誤時間和速度對公交車排放有明顯影響。宋東、郭勇和汪曉偉等[6-8]分別對不同載荷、不同環境溫度、不同海拔下的重型車實際道路排放進行測試，發現載荷、環境溫度、海拔會對車輛的排放造成影響。Barouch等[9]的研究中對24輛柴油、CNG和LNG重型車輛進行了試驗，分析了在道路上和實驗室中的排放，指出測試設備不確定性對排放結果影響很大，使用便攜式排放測量系統(PEMS)必須驗證設備的一致性。

在現有文獻中對國六法規規定的載荷和環境邊界條件對污染物的影響分析較少，且沒有詳細的分析高瞬時NOx和PN對實際道路排放結果的影響。本文對裝有選擇性催化還原轉化器（SCR）、柴油顆粒捕集器（DPF）、氧化型催化轉化器（DOC）、氨逃逸催化器（ASC）的國六重型柴油車的實時道路排放進行測試，分析包括海拔高度，環境溫度和載荷在內的不同試驗條件對NOx、PN排放的影響。

2 試驗裝置及方案

2.1 測試車輛

測試車輛為滿足國六排放標準的N3類柴油車，如圖1，裝配攜帶DOC+DPF+SCR+ASC后處理裝置的4.8 L渦輪增壓柴油機。測試車輛主要參數見表1。

圖1 后處理技術

表1 測試車輛主要參數

2.2 測試設備：

測試設備采用Sensors公司生產的SEMTECH便攜式車載排放測試系統，測試設備安裝見圖2，測試設備規格參數見表2。在試驗前，對PEMS測試設備和實驗室的CVS定容稀釋采樣系統進行比較，確保PEMS測試設備的EFM排氣流量計、GAS氣體分析儀漂移滿足法規要求，測試設備的準確度可信。

圖2 測試設備安裝示意（ECU:電子控制系統，GPS:全球定位系統，ICM:接口通訊模塊，PDCM:配電和控制模塊）

表2 測試設備規格參數

2.3 測試方案與測試路線：

為了研究海拔高度、環境溫度和載荷對NOx、PN排放的影響，選用國六標準規定的10%載荷、50%載荷和100%載荷3個邊界值對測試車輛進行加載，按照國六標準的要求，在長春、青島、瓊海、昆明和西寧分別開展PEMS試驗，試驗環境條件見表3。為降低測試結果的誤差，測試由同一名駕駛員駕駛同一車輛在天氣狀況相近的3天內進行，同時在各地開始試驗前均進行一次駐車再生，避免因碳載量不同而導致的排放性能差異。

表3 試驗環境條件

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

本次試驗的排放結果見表4。

表4 試驗結果

3.2 海拔高度對NOx的影響

圖3給出了3種載荷下不同海拔高度的NOx排放結果，NOx排放結果隨海拔高度的升高呈現先增加后減少的趨勢。

圖3 不同海拔高度下NOx排放結果

NOx的生成由燃燒溫度、氧氣濃度和燃燒時間共同決定。隨著海拔高度的增加，進氣量減少，導致滯燃期變長，直到活塞接近上止點時，油氣混合物才能點燃，缸內燃燒溫度隨之升高，NOx增加。而在高海拔地區氧濃度下降，2 400 m的空氣密度僅為海平面的79%左右，這時氧氣嚴重短缺，測試車輛的大氣壓力傳感器識別到壓力的降低，啟動高原增壓器保護，減少噴油量，導致缸內燃燒溫度隨之降低，盡管此時燃燒持續期也較長，但燃燒溫度的降低對NOx的生成影響更大，因此在西寧地區NOx生成減少。

3.3 海拔高度對PN的影響

圖4給出了3種載荷下不同海拔高度的PN排放結果，PN排放結果隨海拔高度的升高呈現逐漸減少的趨勢。

圖4 不同海拔高度下PN排放結果

有研究表明，PN與發動機負荷有關，負荷越大，PN越高[8]。以10%載荷下不同海拔高度地區的發動機負荷分布為例，圖5中車輛在高海拔下的發動機負荷區域較低海拔下的負荷區域變窄[10]，且發動機平均扭矩在高海拔下表現為最低，比較西寧地區的平均扭矩（221.67 N·m）較青島地區的平均扭矩（271.71 N·m）減小約為18%。車輛隨海拔增加動力性降低，而增壓器并沒有或不足以對動力性的損失進行補償[8]，且隨海拔的增加空氣密度降低，使測試車輛在較高海拔的風阻減小[11]，共同導致發動機負荷降低，PN排放結果隨海拔的上升呈現下降的趨勢。

圖5 10%載荷不同海拔高度下MAP

3.4 環境溫度對NOx的影響

圖6給出了3種載荷下不同環境溫度的NOx排放結果，NOx排放結果隨環境溫度的升高呈現逐漸減少的趨勢。

圖6 不同環境溫度下的NOx排放結果

溫度對后處理，特別是SCR的效率影響較大[7]，溫度較低時，SCR工作溫度在減速與低速時均下降明顯，轉化效率降低，導致NOx排放升高。圖7給出了10%載荷下排溫曲線。3地區的排溫曲線趨勢具有相似性，在市區切換到市郊工況和市郊切換到高速工況時，排溫下降明顯，而在溫度較低地區排溫處于最低值（132.9℃和155.8℃），

圖7 10%載荷下排溫曲線

低排溫導致了SCR轉化效率下降，進而造成NOx排放升高，NOx排放隨環境溫度的下降呈現逐漸增加的趨勢。

在圖8中顯示，市區階段的NOx較高，SCR在市郊和高速表現出很高的效率，約在75～200℃的排溫時NOx降低，此時SCR達到了200℃的激活閾值溫度，曲線的斜率降低。在200℃以上的NOx升高，是因為SCR合適催化溫度約為300～400℃[12]。

圖8 10%載荷下NOx累計概率密度

3.5 環境溫度對PN的影響

圖9給出了3種載荷下不同環境溫度的PN排放結果，PN排放結果隨環境溫度的升高呈現逐漸增加趨勢。

圖9 不同環境溫度下的PN排放結果

圖10給出了50%載荷下PN瞬時速率與加速度、速度關系，在低速和中低速行駛過程中，PN排放保持在很低的水平。DPF可以將顆粒物排放降低90%以上[13]，在低速和勻速時DPF對顆粒物的捕集效率較好，PN的高峰值主要出現在高速階段。

圖10 50%載荷下PN瞬時速率與加速度、速度關系

PN在高速出現高峰值主要有以下4點原因：

（1）測試車輛持續高速行駛時，發動機負荷較大，使燃燒室溫度升高，燃料分子發生離解的概率遠遠大于其聚合的概率，產生大量的自由基，引起一系列鏈分支反應和鏈終止反應，并形成一些基團[14-15]，最終導致測試車輛的顆粒物隨發動機燃燒室溫度升高而急劇增加，顆粒物瞬時排放速率快速增加。

（2）測試車輛在高速行駛時，發動機負荷較大，發動機轉速高，燃燒室內燃燒混合氣流場波動較大，從而導致測試車輛顆粒物瞬時排放速率出現較大幅度的波動。

（3）在市郊切換到高速工況和高速工況過程中，SCR系統均會增加反應劑的噴射量，過量的反應劑可能會導致顆粒物增加[16-17]。

（4）高速工況顆粒物排放較高，DPF捕集能力受限，導致PN增加，試驗車輛的DPF捕集水平還有提升空間。

環境溫度影響了發動機的進氣溫度，且環境溫度的升高使排氣溫度升高，使DPF中催化劑涂層對SO2向SO3的轉化率有所提高[9]，導致了PN的增加。

3.6 載荷對NOx的影響

圖11給出了3種載荷下NOx排放結果，NOx排放結果隨載荷的升高呈現先減少后增加的趨勢。

圖11 不同載荷下的NOx排放結果

以瓊海地區試驗為例，圖12給出了不同載荷下的NOx排放結果與排溫曲線，NOx排放結果在不同載荷下表現出市區階段均較高的特征，在100%載荷下高速階段NOx較高。

圖12 不同載荷下的NOx排放結果與排溫曲線

市區階段較高是由于此時后處理溫度較低，SCR處理效率低，NOx排放惡化。在10%載荷下的試驗排溫增加更加緩慢，導致其市區階段的NOx最高。100%載荷下高速階段較高是由于載荷較大，排溫增加較快，且負荷較高，排氣溫度過高，超出SCR系統合適催化溫度，此時NOx無法附著催化劑活性中心參與反應[18]，高速階段的NOx排放惡化。

PEMS試驗采用功基窗口法進行排放數據分析,其特征是：不同于市區和市郊階段形成的有效窗口較少，在高速階段發動機做功多，有效窗口也多，這時排溫雖然較高，但由于短行程和在高速公路不能一直保持高速行駛，怠速和減速時排溫都容易降低，導致SCR轉化效率降低，NOx瞬時濃度大幅增加，此時NOx窗口比排放結果較高就直接影響了整個試驗的結果，使其變大，這也是100%載荷下NOx排放較高的原因。

3.7 載荷對PN的影響

圖13給出了3種載荷下PN排放結果，PN排放結果隨載荷的升高基本呈現逐漸增加的趨勢。

圖13 不同載荷下的PN排放結果

載荷較高時由于發動機整體負荷增加，轉速、轉矩升高，噴油量增多，使得燃燒不充分，同時隨著排氣量的增加DPF捕集能力受限，導致PN排放總體上升高。

4 結束語

本文針對國六重型車排放法規中實際道路尾氣排放規定的試驗條件，對一臺國六重型柴油車進行18次有效的實際道路尾氣排放測試，分析了包括海拔高度，環境溫度和載荷在內的不同試驗條件對NOx、PN排放的影響，結果表明：NOx隨海拔高度的升高呈現先增加后減少的趨勢，PN隨海拔高度的升高呈現減少的趨勢。溫度對后處理，特別是SCR的效率影響較大，NOx隨環境溫度的升高呈現減少的趨勢，隨載荷的升高呈現先減少后增加的趨勢。PN隨環境溫度和載荷的升高均呈現增加的趨勢。

針對重型車實際道路排放，未來仍有進一步研究的空間。首先，重型車國六法規沒有要求計算冷啟動階段的排放，后續的研究可以增加冷啟動階段對排放的影響。其次，本文研究了NOx和PN的排放特性，對CO、THC和非常規污染物的排放特性有待進一步研究。此外，在未來的研究中可以將燃油消耗量和實際道路排放測試結合分析。