重型柴油城市車輛實際道路冷啟動排放特性研究

吳春玲，李 旭，白曉鑫，景曉軍，劉衛林，裴毅強

（1.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300；2.天津大學 機械工程學院，天津 300072）

根據《中國移動源環境管理年報（2022）》顯示[1]，2021年，全國機動車氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）排放量分別為582.1萬噸、6.9萬噸，其中，來自柴油車排放的氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）分別占汽車排放總量的80%和90%以上，成為汽車NOx和PM排放的主要來源。為了強化重型車排放源頭控制，2018年6月，生態環境部與市場監管總局發布了國家標準《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》（GB 17691—2018），自2023年7月1日起，全國范圍內正式實施重型柴油車國六b階段排放標準。

當前實施的重型車排放型式認證試驗，包括發動機世界協調瞬態循環（World Harmonized Transient Cycle, WHTC）及中國重型商用車輛瞬態循環（China-World Transient Vehicle Cycle, CWTVC）、便攜式排放測試系統（Portable Emissions Measurement System, PEMS）的排放測試。發動機WHTC測試排放是通過冷、熱態排放加權計算（冷態權重為0.14，熱態為0.86），考慮了冷啟動階段的排放。而在重型柴油車的C-WTVC和PEMS整車排放測試時，均未考慮冷啟動排放，在進行C-WTVC循環排放測試時[2]，需提前運行1～2個熱車循環來對車輛和底盤測功機進行充分預熱再進行正式測試，測試不包括冷啟動；在進行重型整車實際道路 PEMS測試時[3]，法規要求測試開始時發動機冷卻液溫度不得超過30 ℃，如果環境溫度超過30 ℃，冷卻液起始溫度不得高于環境溫度 2 ℃，但在發動機啟動后，直到冷卻液溫度達到70 ℃或者在5分鐘之內其溫度變化小于2 ℃，測試才正式開始。

對于滿足國六排放的重型柴油車，普遍采用的排放后處理技術路線是氧化型催化轉化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）+柴油微粒過濾器（Diesel Particulate Filter, DPF）＋選擇性催化還原技術（Selective Catalytic Reduction, SCR）+氨逃逸催化器（Ammonia Slip Catalyst, ASC）[4-6]，車輛熱機情況下，SCR催化器對NOx的轉化效率大于90%[7-8]；但在車輛冷啟動階段排氣溫度較低，未達到尿素起噴溫度或 SCR催化器溫度較低，NOx轉化效率低，使得冷啟動階段的 NOx排放要遠大于熱機[9-10]。2019年歐盟委員會發布的歐六E階段中新增關于冷啟動的排放測試規范[11]，將發動機冷卻液溫度從 30 ℃上升到 70 ℃時排放單獨計算，記作冷啟動階段排放，且由于城市車輛行駛工況的特殊性，其市區工況時間占比較高，而車輛在市區路段行駛時，平均速度較低，怠速占比較高，且車輛頻繁起停，使得發動機轉速和負荷往往較低，排氣溫度較低，SCR效能低，不利于排放控制。

因此，需要進一步開展重型柴油城市車輛PEMS測試在冷啟動階段污染物排放特征研究，引入新的能體現冷啟動階段排放計算和評價方法。

1 試驗設計

1.1 試驗車輛

研究選取1輛符合國六b階段排放要求的城市重型車輛進行 PEMS測試，其排放后處理為氧化型催化轉化器（DOC）、廢氣再循環（Exhaust Gas Recirculation, EGR）、選擇性催化還原技術（SCR）和柴油微粒過濾器（DPF），車輛的基本信息如表1所示。

表1 測試車輛基本信息

1.2 試驗設備

試驗采用奧地利AVL公司生產的M.O.V.E移動式排放測試系統（PEMS）進行實際道路行駛排放測試。設備的量程和精度如表2所示。

表2 測試設備信息

1.3 試驗要求及基本情況

為確認重型車輛國六 b排放評估方法的通用性，研究設計對試驗車輛進行 3次不同排放水平的測試。依照GB 17691—2018附錄K的要求，PEMS設備應在車輛點火啟動前開始采樣，測量排氣的溫度、流量并記錄發動機和環境參數，數據采集頻率為1 Hz；在測試開始時發動機冷卻液溫度不超過30 ℃；試驗按照市區—市郊順序連續行駛，市區平均車速 15～30 km/h，市郊平均車速45～70 km/h；試驗持續時間應保證測試車輛的累計功達到發動機WHTC循環功的4～7倍[3,9,10]。

對試驗車輛進行 3次不同的實際道路 PEMS測試，測試基本信息如表3所示。以發動機冷卻液溫度達 30℃為起始點的試驗數據作為有效數據進行分析，測試功倍數和路線分配比例均滿足法規要求，冷卻液溫度30～70 ℃時長在561～706 s之間，占整體 PEMS時長 7%以下，最小占比為5.11%。

表3 PEMS測試基本信息

表4 車輛冷啟動階段運行特征

2 國六功基窗口法

國六功基窗口法并非將車輛所有實際道路排放數據納入計算，而是待冷卻液溫度到達70 ℃后（或在5分鐘內變化小于2 ℃），以1 s為步長逐秒往后移動，根據到達發動機臺架WHTC測試循環功為基準獲得不同時長的窗口，分別計算各窗口的平均功率與發動機最大功率的比值，即窗口平均功率比，以此來確認該窗口是否滿足有效窗口，進而再對NOx排放進行判定[2]。

如圖1所示，第i個窗口的周期(t2,i-t1,i)由式（1）判斷，終止時刻t2,i由式（1）、（2）共同判斷：

圖1 功基窗口法示意圖

式中，W(tj,i)為從開始到時間tj,i內的發動機循環功，kWh；Wref為車輛的發動機 WHTC試驗的循環功，kWh；Δt為測試數據的采樣周期，1 s。

采用式（3）計算各窗口各污染物質量或數量的比排放ep（g/kWh或#/kWh）：

式中，mp為窗口內各污染物的排放總質量或排放總數量，g/窗口或#/窗口；W(t2,i)-W(t1,i)為第i個平均窗口的發動機循環功，kWh。

計算各窗口的平均功率比，設定平均功率比大于 20%（即功率閾值為 20%）的窗口為有效窗口，有效窗口占比大于或等于50%則PEMS試驗有效，再通過有效窗口的 NOx通過率來判定排放是否超標；如果有效窗口占比低于 50%，則按照1%的步長降低進一步功率閾值，直到有效窗口比例達到50%為止；但功率閾值最小不能低于10%，否則試驗無效。國六標準要求 90%的有效窗口污染物比排放應小于690 mg/kWh，本研究為直觀體現車輛實際排放情況，采用將有效窗口污染物比排放從小到大排序后，處于 90%分位值的結果代表該污染物的排放，若NOx比排放的90%分位值低于690 mg/kWh，則排放合格[3]。

本文為研究車輛冷啟動排放評估方法，以發動機冷卻液溫度超過30 ℃的數據作為有效數據，利用移動功基窗口法對試驗數據進行分析。

3 試驗結果及分析

3.1 累計排放量特征

以冷卻液到達 30 ℃作為有效數據起始點，30～70 ℃為冷啟動，70 ℃后為熱態，分別計算車輛在冷啟動、市區、市郊段的污染物 NOx和顆粒數量（Particle Number, PN）的累計排放量如圖2所示（數據標簽為冷啟動階段排放所占比例）。

圖2 NOx與PN累計排放量

3次測試在冷啟動階段的 NOx累計排放量分別為8.91 g、10.33 g和12.35 g，冷啟動NOx累計排放量占整體排放的23.72%以上，由表3可知，怠速時長占比最大僅為 6.82%，但 NOx排放量明顯比市區和市郊階段高。由于車輛尾排 NOx主要受到SCR效能的影響，在涂敷銅基催化劑的SCR中，當噴入理論需求的尿素噴射量時，在一定溫度范圍內，NOx的轉化效率與SCR的溫度呈正相關，且基本在SCR前溫度大于200 ℃時NOx轉化效率可達 90%以上，也就是車輛運行過程中的SCR溫度和尿素噴射量主要影響 NOx的轉化效率，進而影響尾排 NOx，而車輛在冷啟動時車速較低且變化頻繁，發動機負荷低，使得SCR整體溫度較低，未噴或者少噴尿素，且低溫導致 NOx轉化效率受限，進而導致 NOx濃度較高[12-13]，在進入市區工況后，排溫逐漸上升，尿素開始噴射同時 SCR的 NOx轉化效率大大增加，使得 NOx排放相比于冷啟動階段大幅降低。

3次測試在冷啟動階段 PN累計量分別為1.77×1010個、2.45×1012個和 2.78×1011個，除測試2冷啟動階段PN累計排放量占比為21.04%，其它2組測試在冷啟動階段的PN累積排放量占比均低于6.05%。相關研究表明，顆粒物容易在發動機內高溫濃混合氣區域大量產生，冷啟動階段車輛多處于怠速和低速工況，發動機缸內溫度較低，所以 PN排放較少[12]；而市區和市郊階段發動機缸內混合氣較濃且溫度較高，造成了裂解和脫氫的有利條件，使得細顆粒物生成量劇增[14-15]；同時，國六柴油機均配置了DPF后處理裝置，其對排放的顆粒物的過濾效率受溫度的影響比較小，所以PN在中高速階段的排放量要遠大于冷啟動階段。

3.2 移動平均窗口法分析

針對 PEMS測試瞬態數據，以冷卻液溫度高于30 ℃后作為有效數據，基于功基窗口法對車輛的基本運行數據、功基窗口平均功率比和功基窗口持續時間進行分析，結果如圖3所示。由市區過度到市郊，隨著車速的增加，3次測試功基窗口持續時間均逐漸降低，即達到相同的WHTC循環功所用時長減少；而功基窗口平均功率比隨車速增加逐漸增大，車輛做功增加，由圖可知，低功率閾值主要集中在冷啟動和市區階段。

圖3 PEMS測試結果

按照國六標準設置功率閾值來計算車輛排放時，測試1有效窗口功率閾值為10%，其它2次測試均為 11%，即只針對圖3中的功基窗口平均功率比大于該功率閾值的區域判定車輛的排放，而該區域主要集中在市區后三分之一和市郊工況，3次測試無效窗口數分別占全窗口的52.28%、34.53%和21.59%；冷啟動占無效窗口的15.02%、16.69%和29.96%，基本在15%以上，所以冷啟動排放需要引起重視。但目前重型車國六排放標準只考慮冷卻液溫度大于70 ℃區域的排放，忽略了車輛冷啟動，且設置有效窗口功率閾值剔除了部分市區高排工況，使得實際排放被低估。

3.3 冷啟動排放特征

由圖2(a)和圖3分析可知，車輛在冷卻液溫度在30～70 ℃的冷啟動階段NOx排放占比大。本研究運用移動窗口法計算冷啟動階段的功基窗口比排放，并結合移動窗口時長、NOx尾排瞬時濃度和SCR前溫度進行重點分析，結果如圖4所示。

圖4 PEMS冷啟動排放

車輛啟動時 NOx尾排較高，隨著冷卻液溫度和SCR溫度升高，NOx尾排濃度逐漸降低，3次測試第一個窗口的 NOx比排放最大，并隨時序窗口的后移逐漸降低。第1個窗口截止到第3 464 s、3 072 s和3 104 s，最后一個窗口截止到第3 911 s、3 616 s和3 720 s，結合圖3的瞬態數據，3次測試的最后一個窗口均在市區工況的中部靠后，此時雖然發動機負荷大，缸內燃燒溫度較高，NOx原排濃度大[16]，但由于此時SCR后處理已經達到高效區間，NOx轉化效率可達90%以上[8]，使得車輛 NOx尾排大幅降低。所以隨著功基窗口后移使得SCR高溫工況占比增多，NOx的窗口比排放逐漸減小；而整個冷啟動過程中，PN排放則基本趨于穩定，變化不明顯。

3次測試冷卻液溫度從30 ℃上升至70 ℃約10 min，和SCR后處理溫度到達200 ℃時間接近，此溫度基本也是尿素的起噴溫度，在之后 NOx瞬態排放會有明顯改善，所以冷啟動階段的排放不可忽視。

4 含冷啟動的排放評估方法

由以上分析可知，雖然試驗車輛在冷啟動階段持續時間短，但是 NOx排放量大，不能忽視，為更真實反映車輛實際道路排放，有必要在進行整車排放水平評估時，引入冷啟動排放。本研究針對PEMS測試，以冷卻液溫度在30～70 ℃數據來評價冷態排放，冷卻液溫度到達70 ℃之后評價熱態排放，參照發動機瞬態WHTC循環，冷啟動加權系數取 0.14，熱態加權系數取 0.86，加權求和獲得包含冷啟動的車輛實際道路PEMS排放[3,14]，對比幾種含冷啟動的重型車輛排放評估方法供參考。

4.1 以功基窗口法計算

以冷啟動階段功基窗口中比排放最大值作為冷啟動排放；計算熱態結果時，為覆蓋更多市區工況，更加貼近車輛實際使用排放，將功基窗口功率閾值調整至國六標準中允許的最低值 10%（若全窗口功率閾值＞10%，則按全窗口比排放值計算），以其窗口比排放的 90%分位值為熱態排放。以上冷熱態加權求和作為加權結果，與國六排放標準方法計算的有效窗口的 90%分位值對比（圖中：國六標準法），結果如圖5所示。

圖5 以功基窗口法計算的NOx和PN的比排放

由圖5可知，#2和#3車包含冷啟動排放的NOx加權排放結果明顯超過國六標準排放限值。3輛車包含冷啟動的PEMS排放結果分別為177.0 mg/ kWh、833.2 mg/kWh和719.3 mg/kWh，按國六標準計算的法規結果分別為 49.8 mg/kWh、662.6 mg/kWh和388.2 mg/kWh，前者比后者排放分別大241.3%、25.75%和85.31%，排放通過難度增大。需要注意的是，3次測試依據功基窗口計算的冷啟動比排放明顯高于熱態排放，且冷啟動排放分別高于法規限值（690 mg/kWh）31.68%、141.85%和186.93%，基本達到法規限值的1.3～2.8倍，也有研究表明[15]冷啟動階段的 NOx排放可以達到發動機臺架測試結果的2～4倍，而冷啟動是車輛啟動必經過程，所以在評估車輛實際道路 NOx排放時，此時巨大的排放不容忽視。

而包含冷啟動的3次測試PN加權排放和法規排放無明顯差別，兩者分別為法規排放限值1.2×1012#/kWh的 3.86%和 4.49%、16.05%和18.84%、5.33%和9.10%，明顯低于法規限值，法規計算相比于加權結果稍高。熱態PN計算結果大于冷啟動，是因為法規計算中市區和市郊比例更高，而市區和市郊是PN形成的有利條件。

4.2 全工況計算

分別計算冷啟動、熱態的 NOx和 PN累計排放質量，再除以該時間段內發動機累計輸出功，分別得到兩階段的質量比排放。加權求和的排放與法規功基窗口法的有效窗口 90%分位值對比（圖中：法規排放），結果如圖6所示。

圖6 以全工況計算的NOx和PN比排放

就 NOx比排放來看，冷、熱態加權獲得的加權值明顯高于法規計算的結果，3次測試加權結果分別為 743.4 mg/kWh、 1 224.0 mg/kWh和1 222.0 mg/kWh，為國六標準法結果的14.92、1.85和3.15倍，明顯加大了排放的通過難度；而冷啟動NOx比排放甚至達到國六標準法排放的9倍以上，達國六標準限值690 mg/kWh的7.3～8.7倍，所以想要控制車輛排放，冷啟動排放及其相關控制策略也需要引起重視。

4.3 結果對比

功基窗口法、全工況法和國六標準方法計算PEMS得到的NOx比排放和PN比排放如圖7所示。兩種建議方法的 NOx比排放比國六標準法排放升高25%以上，因為均將PEMS測試的冷啟動考慮在內，而冷啟動排放由于未達到SCR系統尿素起噴溫度，SCR效能受限，均增加了NOx排放通過的難度；而PN排放結果無明顯規律，且均在國六標準限值的 20%以內，可能需要進一步探索其他的PN排放評估方法并加嚴PN限值。

圖7 不同方法的NOx和PN比排放

5 結論和建議

1）以冷卻液溫度達到30 ℃和70 ℃界定冷啟動、熱態排放，試驗車輛在 3次實際道路 PEMS測試中，冷啟動時長占比最大僅為 6.82%，但是NOx排放在冷啟動階段達23.7%～82.4%，排放明顯高于市區和市郊，所以評估車輛排放時冷啟動不容忽視。

2）下一階段（國七）標準修訂中的PEMS排放計算時，建議引入冷啟動部分，分別以冷卻液溫度達到30 ℃和70 ℃界定冷、熱態的有效數據，參照發動機瞬態WHTC循環，冷啟動加權系數取0.14，熱態取0.86，加權求和獲得包含冷啟動的車輛實際道路PEMS排放。

3）相比現行重型國六排放標準采用的設置功率閾值的功基窗口法，文中建議的兩種含冷啟動的排放計算方法NOx比排放升高25%以上，所以將冷啟動納入計算的新排放評價方法會加大排放測試通過的難度。