基于功基窗口法的國六重型柴油車實際道路排放研究

呂立群,尹 航,王軍方,于全順,葛蘊珊*,王 欣 (.北京理工大學機械與車輛學院,北京 0008；.中國環境科學研究院,北京 000；.中國汽車技術研究中心有限公司,天津 0000)

重型車在汽車保有量中雖然占比不高,但氮氧化物和顆粒物排放量巨大,分別占汽車排放總量的83.5%和 90.1%[1].為了減少重型車污染物排放對大氣環境的危害,世界各國相繼出臺了各種機動車排放法規,經過幾十年的努力,目前已形成了以歐盟、美國和日本為代表的三大排放標準體系[2-3].標準所依托的試驗測試方法主要由特定測試循環實現,而部分研究表明重型車實驗室測試循環與實際道路排放結果之間存在明顯差異,重型車實際道路污染物排放量被嚴重低估.

為縮小實際道路排放與實驗室測試循環排放結果差異,將 PEMS運用于汽車尾氣排放評估的技術得到迅速發展.高繼東等[4-5]對輕型車、柴油車和混合動力公交車開展系列實際道路排放測試,結果表明PEMS設備在污染物測量方面具有良好的精度和可信度,同時發現測試車輛實際道路排放因子明顯高于實驗室測試循環結果.Thompson等[6]的研究揭示了相同結果:通過對比實驗室測試循環、隨機駕駛循環和實際道路排放測試的差異,使用 PEMS設備開展實際道路排放可以覆蓋更大范圍的車輛行駛工況,更能反映車輛尾氣污染物實際排放量.同時,國內外學者也對重型車實際道路排放特性開展了相關研究,本課題組葛蘊珊等[7-8]利用PEMS設備測試了城市車輛和半掛車輛的實際道路排放,結果表明被測車輛實際道路排放因子遠超實驗室循環測試結果,空調負載變化對公交車排放因子影響巨大,半掛車 NOx和 PN實際道路排放量被嚴重低估,Durbin等[9]的研究揭示了相同的研究結果.另外,Velders[10]和 Ligterink等[11]的相關研究指出重型車的 NOx實際道路排放量至少被低估了 50%,排放法規的升級并沒有達到預期的NOx減排效果.

雖然型式認證測試循環不斷優化,但固定且單一的特性使其仍無法有效覆蓋車輛實際工況,最終導致重型車污染物實際排放量被低估.因此,研究重型車實際道路排放測試規程和數據處理方法對重型車尾氣污染物實際排放量的控制有十分重要的意義.2018年6月22日,生態環境部正式頒布重型國六排放標準[12],將實際道路行駛測量方法(PEMS試驗)納入到對重型車排放的監管中,并且采用功基窗口法評估重型車實際道路排放.重型國六排放標準所采用的功窗口法優缺點明顯.一方面,功基窗口法的移動平均特性可以將PEMS試驗的有限數據擴展出大量的“瞬態循環(WHTC)”,可大幅提高排放數據的利用率;另一方面,移動平均特性又會導致瞬態排放數據的計算權重發生變化,存在市區和高速行駛階段計算權重顯著偏低的問題[13-14],可能導致功基窗口法對污染物實際道路排放量的低估.此外,重型國六排放標準對功率閾值的限制也增加了功基窗口法對實際道路排放評估結果的不確定性.

目前,鮮有文獻揭示功基窗口法的移動平均特性和參數變化對重型車排放評估結果的影響.基于此,本研究按照重型國六排放標準中規定的實際道路排放測試規程,利用PEMS設備對6輛典型國六重型柴油車開展實際道路排放測試,采用功基窗口法計算并分析重型車污染物實際道路比排放,并對功基窗口法對重型柴油車實際道路排放評價的適用性開展研究.

1 車輛與方法

1.1 試驗車輛

試驗車輛為 6輛典型國六重型柴油車,技術參數見表 1.測試車輛采用主流后處理技術路線,配備有氧化型催化器(DOC)、選擇性催化還原(SCR)和顆粒捕集器(DPF),城市車輛#5配備了氨逃逸催化器(ASC).為了減小因載荷條件和燃油品質變化帶來的排放差異,所有測試車輛的載荷條件均設置為相應車輛最大載荷的 50%,試驗燃油均采用同一批次滿足國六標準的市售#0柴油.

表1 測試車輛技術參數Table 1 Information of test vehicles

1.2 試驗設備

PEMS設備采用日本 HORIBA公司生產的OBS-ONE車載尾氣分析裝置,該系統主要由污染物排放測量模塊、排氣流量計、數據通訊模塊和環境監控模塊構成,具有實時獲取車輛尾氣中二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和顆粒物數量(PN)濃度、排氣流量、車輛狀態、外界環境參數和車輛位置信息等功能.PEMS設備安裝及載荷布置如圖1所示.

圖1 PEMS設備安裝示意Fig.1 Installation of PEMS apparatus

1.3 試驗要求

PEMS試驗道路工況包括:市區、市郊和高速工況,不同類型車輛的道路工況構成要求不同,道路工況占比由行駛時間確定,詳細規定如表2所示.PEMS試驗除滿足工況構成和速度要求外,還需要符合海拔高度要求,試驗開始點和結束點的海拔高度差應低于 100m,車輛累計正海拔高度增加量應低于1200m/100km.

表2 PEMS試驗工況構成Table 2 Composition of road conditions for PEMS test

1.4 數據預處理

按照重型國六排放標準要求,首先對試驗過程中記錄的污染物濃度、排氣流量、車輛定位信息、環境參數和其他瞬態數據進行時間對正.時間對正后需要對無效數據進行剔除,包括:設備檢查及零點漂移核查期間的數據,未滿足環境條件的數據和冷啟動期間的數據.未滿足環境條件的數據指海拔高度超過 2400m 或溫度低于-7℃的數據;冷啟動期間的數據指發動機點火后直至冷卻液溫度達到 70℃或冷卻液溫度 5min內變化不超過2℃期間的數據,以先到者為準.

1.5 功基窗口法

功基窗口法不對所有的排放數據進行平均計算,該方法按照發動機臺架測試循環功將實際道路排放測試數據劃分為不同子集,分別對子集進行排放質量計算.這些子集稱為窗口,重型國六標準規定以車輛發動機對應的 WHTC循環功作為劃分窗口的依據,并以 1Hz的頻率對測試數據進行移動平均計算.

1.5.1 窗口劃分 如圖 2所示,第 i個窗口的周期(t2,j-t1,i)由式(1)判斷,終止時刻 t2,i由式(2)判斷:

圖2 功基窗口法示意Fig.2 Work-based window method diagram

式中:W(tj,i)為從開始到 tj,i時間內的發動機累計功,kWh;Wref為 WHTC 循環功,kW·h;Δt為數據采樣周期,1s.

1.5.2 窗口比排放 窗口比排放指一個窗口內所有工況點的污染物質量或數量與窗口內發動機累計功的比值 ep[g/(kW·h)]或[個/(kW·h)],按照式(3)和式(4)計算:

式中:mp為窗口內污染物的排放總質量或數量,g或個;W(t2,i)-W(t1,i)為第i個平均窗口的發動機循環功,kW·h.

1.5.3 試驗通過判定 功率閾值用于判定污染物窗口的有效性,平均功率百分比超過功率閾值的窗口為有效窗口.功率閾值的初始值為 20%,有效窗口的占比超過50%,判定PEMS試驗有效.若有效窗口比例低于 50%,按照 1%的步長降低功率閾值限制,若功率閾值降低至 10%而有效窗口比例仍未超過50%,則判定PEMS試驗失敗.

1.5.4 排放合規判定 重型國六排放標準只對有效窗口進行排放合規判定,要求 90%以上的有效窗口污染物比排放低于排放限值要求.將各有效窗口的污染物比排放按照升序排列,若 90%分位的污染物窗口比排放低于排放限值要求,則說明車輛實際道路排放合格.

2 結果與分析

2.1 污染物排放因子

測試車輛不同工況下NOx、CO和PN的平均比排放和功基窗口法計算得到的窗口比排放結果分別如圖3、圖4和圖5所示.

重型國六排放標準規定柴油車 NOx排放限值為0.69g/(kW·h),如圖3所示,測試車輛實際道路NOx排放因子隨車速提高明顯降低,市區工況下,試驗車輛的 NOx排放因子顯著高于市郊和高速工況,最高為2.02g/(kW·h),超過國六排放限值1.93倍,而市郊、高速和完整行程的 NOx排放因子則遠低于排放限值要求.造成排放因子差異的主要原因是重型柴油車在市區工況的怠速比例高、發動機負荷低,導致SCR入口溫度低于或接近尿素水解溫度,大幅降低SCR裝置效能,導致市區工況下 NOx瞬時排放量較大[8,15].而市郊和高速工況下,雖然發動機負荷提高,缸內燃燒溫度升高致使 NOx原排濃度較大,但排氣溫度的升高使 SCR裝置處于正常工作狀態,可實現90%以上的轉化效率,使柴油車尾氣 NOx排放量大幅降低[16].

圖3 NOx排放因子對比Fig.3 Comparison of NOx emission factors

值得注意的是,功基窗口法獲得的所有窗口和有效窗口的 90%分位 NOx比排放差異巨大,所有窗口的 90%分位 NOx比排放最高可達 1.45g/(kW·h),而有效窗口的 90%分位 NOx比排放最高僅為0.44g/(kW·h).這一差異表明,現行功基窗口法規定的功率閾值在判定窗口有效性的過程中剔除了大量實際道路工況中 NOx瞬時高排放工況點,導致重型柴油車實際道路NOx排放評估結果被低估.

重型國六排放標準規定柴油車CO和PN排放限值分別為6.0g/(kW·h)和1.2×1012個/(kW·h),由圖4和圖5可知,CO和PN排放因子最高分別為1.46g/(kW·h)和 7.67×1010個/(kW·h),遠低于相應排放限值要求.一方面,這表明目前的排放后處理技術路線能夠在實際道路工況下有效控制重型柴油車 CO和PN排放;另一方面,這表明未來重型柴油車排放標準仍有較大的收緊空間.

圖4 CO排放因子對比Fig.4 Comparison of CO emission factors

圖5 PN排放因子對比Fig.5 Comparison of PN emission factors

高速工況的 CO排放因子低于市區和市郊工況結果,而PN排放則與CO排放結果正相反.一方面,高速工況下柴油機缸內混合氣相對較濃,細顆粒物生成量急劇增加;另一方面,排氣流速的提高導致顆粒物在DPF裝置內滯留時間縮短,導致車輛實際 PN排放升高[15,17].雖然高速工況相較市區和市郊工況發動機負荷增加,缸內局部缺氧致使不完全燃燒加劇、CO排放量增加,但高速工況下發動機功率大幅提高,最終導致基于功的 CO排放因子反而降低[8].

需要注意的是,功率閾值的限制對CO和PN窗口比排放結果影響十分有限.主要原因是重型柴油車市區和市郊工況下的CO和PN比排放雖然高于高速工況,但差異有限.功率閾值的限制導致實際道路CO和PN排放評估時大量低功率窗口被剔除,但各CO和PN窗口比排放之間差異并不明顯,有效窗口和所有窗口的CO和PN比排放的均值和離散程度并沒有發生明顯改變,最終導致 90%分位比排放差異有限.

排放結果表明,6輛重型柴油車的NOx、CO和PN實際道路排放雖然差異明顯,但均符合重型國六排放法規要求.目前主流柴油機后處理系統對CO和PN實際道路排放控制有效,而NOx實際道路排放雖然滿足法規要求,但存在超越法規限制的風險.功基窗口法規定的功率閾值限制,對重型柴油車實際道路CO和PN排放評估影響有限,但很可能導致實際道路NOx排放量的嚴重低估.

2.2 功率閾值影響

各污染物窗口比排放表明,功率閾值的限制對功基窗口法評估實際道路CO和PN排放評估影響有限,但對實際道路 NOx排放能否達標有顯著影響,因此本節僅討論功率閾值對 NOx窗口比排放結果的影響.

圖6展示了測試車輛NOx窗口比排放的分布特性,圖中豎線為對應的功率閾值,右側為參與排放合規判定的有效窗口;圖中橫線對應有效窗口 90%分位 NOx比排放值,橫線上方的 NOx窗口比排放不受法規限值約束;橫線和豎線圍成的右下方灰色區域為功基窗口法實際約束到的 NOx窗口比排放,圖 6中百分比表示各區域內窗口數量的占比.

圖6 實際道路NOx窗口比排放分布特性Fig.6 Distribution characteristics of real-world NOx emission factors of windows

分析圖 6可知,功率閾值限制導致被剔除的窗口占比存在不確定性.如圖6(a)、圖6(b)和圖6(e)所示,#1車、#2車和#4車的有效窗口占比分別為90.33%、91.02%和100%,表明絕大多數窗口參與了NOx排放判定,但同時#1車和#2車分別有18.71%和18.17%的NOx窗口比排放是不受法規限值約束,且其中大部分 NOx窗口比排放超標,這也證明了圖 3中#1車和#2車所有窗口和有效窗口90%分位NOx比排放的明顯差異,是功率閾值在判定有效窗口過程中剔除高NOx比排放窗口造成的.

由圖6(c)、圖6(d)、圖6(f)可知,功率閾值的限制導致#3車、#5車和#6車分別有46.68%、35.33%和 37.70%的窗口在實際道路 NOx排放評估中被剔除,且絕大多數為NOx高比排放窗口.不難發現,#3車和#6車在實際道路 NOx排放評估中被剔除窗口的NOx比排放均高于對應有效窗口90%分位NOx比排放,這些窗口的缺失直接導致#3車和#6車在排放合格判定中 90%分位 NOx窗口比排放分別降低了44.83%和 93.10%,降幅巨大.以上結果說明,功率閾值的限制給功基窗口法評估實際道路 NOx排放帶來了不確定性,很可能大幅低估重型柴油車實際道路NOx排放因子.

圖 7對應測試車輛的 NOx瞬時排放速率特性,虛線框中包含的工況點在功基窗口法評估實際道路 NOx排放時隨無效窗口被剔除,并未參與排放評估.不難發現,在功率閾值的限制下,大量發動機低功率、NOx瞬時高排放的工況點被剔除.而這些工況點是重型車典型的城市運行工況,剔除這些工況點導致功基窗口法無法評估重型車城市工況運行的NOx排放量,導致重型國六排放法規對城市區域 NOx排放控制的缺失.一方面將難以有效削減大氣二次顆粒物和近地臭氧污染;另一方面也將大幅增加高人口密度區域的健康暴露風險.

圖 7 NOx瞬時排放速率Fig 7 NOx instantaneous emission rate

功率閾值的限制最高可致 46.68% NOx高比排放的窗口被剔除在實際道路 NOx排放評估之外,而這些窗口包含的工況點主要是發動機低功率、NOx瞬時高排放的工況點,導致有效窗口相較所有窗口,NOx比排放驟減且分布特性發生明顯變化.顯然,這些有效窗口無法代表重型柴油車實際道路尤其城市運行工況下的 NOx真實排放水平,功基窗口法獲得的實際道路 NOx排放結果較實際情況被嚴重低估.

3 建議

6輛國六重型柴油車的PEMS試驗表明,目前主流的排放后處理技術路線能夠有效控制重型柴油車實際道路工況下的CO和PN排放,但NOx排放控制存在很大不確定性.重型國六排放法規采用的功基窗口法評價方式存在嚴重低估重型柴油車實際道路 NOx排放的風險,尤其在國六法規從a階段過渡到b階段后,車輛載荷下限由50%降低至10%,PEMS試驗中發動機平均輸出功率降低的可能性進一步增加,這將增加功基窗口法剔除低功率、高 NOx比排放窗口的風險,導致重型柴油車實際道路NOx排放量被低估.

一方面,建議在后續法規的修訂中進一步加嚴實際道路CO和PN排放限值;另一方面,建議在后續標準的修訂過程中重點考慮柴油車排放對市區的污染,采用更加科學合理且有利于促進柴油機排放控制技術進步的數據處理方法,使法規能夠更加準確反映重型車 NOx排放水平,尤其是發動機功率較低而NOx排放較為惡劣的情況.

4 結論

4.1 重型柴油車后處理裝置能有效減小實際行駛過程中的CO和PN排放,但對于NOx排放控制仍存在較大不確定性.應加強對重型柴油車市區道路行駛和柴油機低負荷條件下 NOx排放量的監管,提高SCR裝置低溫轉換效率,降低重型柴油車城市區域NOx實際排放量.

4.2 重型國六排放標準采用功基窗口法計算實際道路排放,但功基窗口法規定的功率閾值導致大量發動機低功率、NOx高比排放數據被剔除,嚴重低估重型車實際道路尤其城市工況下 NOx排放水平.在后續標準的修訂中應進一步修改完善,以便更有利于促進柴油車排放控制技術進步.