分类：电子论文 时间：2022-01-19 热度：548
摘要 《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(GB17691—2018)对整车实际道路行驶排放提出了测试要求，但只以冷却液温度≥70 ℃，发动机进入热态后的数据评价整车排放水平，而从实际测试结果来看，冷启动排放 明 显 偏 高。为 分析冷、热状态的污染物排放，选取满足 GB17691—2018中6b阶段技术要求的重型柴油车(N1、N2、N3类各一辆)进行实际行驶排放测试。建议下一阶段标准将冷启动排放引入到整车排放水平评价中，分别以冷却液温度达到30、70 ℃界定发动机冷、热状态，取消有效功基窗口，以功基窗口法直接计算得到两种不同状态的污染物比排放。参照发动机瞬态循环测试的计算原则，分别赋予冷、热排放0.14、0.86的权重，加权判定整车排放达标与否。
关键词 重型柴油车 实际行驶排放 冷启动
为满足当前严格的排放标 准，重 型 柴 油 车 需 组合废气再 循 环(EGR)、柴 油 氧 化 型 催 化 器(DOC)、柴油机颗粒捕集器(DPF)、选择性催化还原(SCR)、氨催化转化器(ASC)作为减排路线[1-2]，由此发动机可在热机稳定状态下实现污染 物 近 零 排 放，冷 启 动排放也就成为整车实际行驶污染物排放的主要来源[3-4]。我国及欧 美 排 放 标 准 均 对 整 车 实 际 行 驶 排放测量提出要求[5]，但只考虑发动机冷却液温度≥ 70 ℃的排放 数 据。目前有多种在温度较低时提升减排效果的技术可使用[6-7]，但由于标准中缺乏实际行驶时的冷启动排放要求，无法促进这些技术的推广应用，因此，如何将冷启动排放引入到整车排放水平的评价中是下一阶段重型柴油车排放标准的重点研究问题[8]。
与汽油发动机相比，柴油发动机采用稀燃方式，氧气过量，NOx与颗粒物是其主要污染物[9]，因 此，本研究以满足《重型柴油车污染物排放 限 值 及 测 量方法(中国第六阶段)》(GB17691—2018)中6b阶段技术要求的重型柴油车为研究对象，研究评价 NOx与颗粒物数量(PN)排放水平的方法，为完善我国重型柴油车排放标准体系提供支撑。
1 实际行驶排放测试
发动机型式检验的污染物排放测试循环是由一系列固定的、在测功机上运行的工况构成，难以代表发动机在整车实际行驶时的运行工况，型式检验结果不能 完 全 反 映 整 车 实 际 行 驶 时 的 污 染 物 排 放 水平[10-11]，因而整车实际行驶排放测试也就愈发受到重视。除此之外，润滑油、冷却液及其他部件的温度在发动机冷启动时与环境温度近似[12]，发动机此时的实际污染物排放更是远高于其型式检验结果[13-14]。
与发动机型式检验不同，实际行驶排放测试 将便携式排放测试 系 统(PEMS)安 装 在 车 辆 上，通 过车载诊断系统(OBD)、分 析 仪、温 湿 度 计 以 及 全 球定位系统(GPS)(见 图 1)实 时 记 录 整 车 在 道 路 上行驶时的速度、发 动 机 运 行 参 数、污染物排放及环境温湿度等相关数据，以功基窗口法评价整车排 放水平[15]。
功 基 窗 口 法 以 发 动 机 进 行 台 架 瞬 态 循 环(WHTC)测 试 时 的 循 环 功 为 确 定 一 个 功 基 窗 口 大小的基准(见图2)。
2 测试信息及数据
测试 使 用 的 PEMS 设 备 型 号 为 SEMTECH-LDV，其性能参数见表1。
本研究选取3辆符合 GB17691—2018中6b阶段要求的不同类型柴油车进行 PEMS测试，发动机减排技术路线均为 EGR、DOC、DPF、SCR、ASC，测试车辆信息见表2。
车辆加注市售燃料，反应剂符合《柴油发动机氮氧化物还原剂 尿素水溶液(AUS32)》(GB29518— 2013)的要求，初始发动机冷却液温度不超过30 ℃，测试设备采用蓄电池供电，测试前先吹扫流量计，在发动 机 启 动 前 开 始 采 样 ，数据记录频率为1次/s。测试时，车辆按照市区—市郊—高速的 行 程 连 续 行驶，每隔2h检查分析仪状态，以确认分析仪工作正常，测试信息见表3。
测试结束后，首先进行分析仪漂移检查，而后依据车速、CO2浓度、排气流量 和 油 耗 对 OBD 读 取 数据、分析仪记录数据及排气流量进行对齐。以冷却液温度大于30℃的数据作为有效数据参与计算，利用功 基 窗 口 法 对 测 试 数 据 进 行 分 析，结 果 见 图 3。车辆1第1个功基窗口持续时间为3130s，车 辆2第1个 功 基 窗 口 持 续 时 间 为5244s，车 辆3第1个功基窗口持续时间为2012s。
3 排放计算方法
PEMS测试过程复杂、成 本 较 高，且 路 况、驾 驶习惯等诸多因素导致测试结果重复性较差，因此无法参照 WHTC 分 别 进 行 冷、热 循 环 测 试 的 方 式 进行实际行驶排放测试，参照当前轻型汽车进行实际行驶污染物排放试验(Ⅱ型试验)的测试规程(《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(GB18352.6—2016))，仅进行1次 PEMS测试，对数据进行分段处理。
对于热态数据，GB17691—2018要求以冷却液温度≥70 ℃的数据评价整车排放水平，因此以该温度界定热态数据;对于冷启动数据，则要求测试开始时的发动机冷却液温度不得超过30℃，因此以冷却液温度达到30 ℃界定冷启动数据。
3.1 以有效功基窗口计算
在计算排放结果时，将功基窗口平均功率比例阈值调整至 GB17691—2018 中 允 许 的 最 低 值(即10%)，以覆盖更多城市工况，更加贴近车辆实际使用情况。冷启动有效功基窗口的最大比排放记为冷启动排放;热态数据计算方法不变，90%有效功基窗口满足 GB17691—2018整车排放限值的比排放记为热态排放;最终排放结果参照 WHTC 赋予冷、热排放不同权重(冷：0.14，热：0.86)后加权计算，结果见图4。
可以看出，依据有效功基窗口计算的冷启动排放要高于热态，但车辆2(即 N2类车辆)的差异并不明显，这是因为 N2类车辆测试的市区路线占比高达45%，由于市区路况更为复杂，启停频繁，怠速比例高，平均车速 低[18]，此时形成一个功基窗口的时间较长，分别是其他两类车辆的1.6、2.6倍，虽已将有效功基窗口平均功率比例的阈值降低至10%，但首次达到的时间已占到市区道路行驶时间的58%，发动机冷却液温度早已超过70℃，多数冷启动数据作为无效功基窗口被剔除。
因发动机冷启动时的工作温度较低，燃油雾化不完全，混合 气 不 均 匀，燃 烧 不 完 全[19]，且 SCR 受温度限制，对 NOx的转化率明显降低[20]，相关研究表明此时的 NOx排放甚至可以达到发动机台架测试结果的2～4倍[21]，在评价冷启动排放时应予以重视，因此基于有效功基窗口的计算原则不再适用。
3.2 取消有效功基窗口平均功率比例限制
如图5所示，N2类车辆在功基窗口平均功率比例低于10%时的 NOx比排放明显偏高。
仅取消有效功基窗口平均功率比例的限制，将初期高排放功基 窗 口 涵 盖 在 内，采 用 与3.1节 相 同的计算原则得到的排放结果见图6。
3.3 以第1个功基窗口计算
由 图3可 以 看 出 ，3类车辆在形成第1个 功 基窗口时的发动机冷却液温度均已达到70℃，进入热机状态，因此研究将冷启动的第1个功基窗口比排放记为冷启 动 排 放，随后的数据作为热态数据，其90%功基窗口满足 GB17691—2018整车排放限值的比排放记为热态排放，最终排放结果计算方法与
3.1节相同，结果见图7。
3.4 结果对比
在 NOx排放计 算 上，3.2、3.3节两种计算方法对3种 类 型 车 辆 的 计 算 结 果 基 本 一 致，相 比 于3.1节，两种方法将 N2类车辆初期冷启动排放涵盖在整车排放的评价中，其排放情况得到了很好体现。但对于 PN，3.3节 计 算 结 果 明 显 偏 小，分 析 认 为 主 要是由于温度对 PN 排 放 的 影 响 趋 势 无 确 定 性[22-24]，硫化物也多是在高温条件下形成，发动机在热态时更易出现较高 PN 排放[25]，因此不建议现阶段仅依靠单一功基窗口计算排放结果，不断将功基窗口后移可以使更多功基窗口参 与 到 计 算 中，对 PN 排 放的评价更加客观。
对于 CO，文献[18]、[26]研究发现冷启动下的发动机缸内燃烧温度低，燃油短时间内不能完全氧化，导致排放出大量 CO，而随着温度上升，CO 排放量不断降低。由此可见，温度对 CO 的影响与 NOx相近，本研究方法对 CO 具有适用性。
4 结论与建议
(1)在引入冷启动排放评价整车排放水平时，取消功基窗口平均功率比例阈值限制可以覆盖更多市区工况，这一点对 N2类车辆尤为重要。
(2)分别以冷却液温度 达 到30、70 ℃界 定 冷、热有效 数 据，这 与 当 前 GB17691—2018要 求 的 测试条件相符。
(3)在污染 物 排 放 结 果 的 计 算 上，热 态 排 放 计算继续 按 照 GB17691—2018的 要 求 进 行，冷 启 动排放取 最 大 值，参 照 WHTC 计 算 原 则，对 冷、热 排放分别 赋 予0.14、0.86的 权 重，加 权 计 算 最 终 比 排放结果，评价整车排放水平。——论文作者：崔焕星1 李 刚2 蒲雨新1 任素慧1 刘顺利1 纪 亮2#
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