满足国五车载测量法排放要求的重型商用车控制策略研究

郭 威

（东风柳州汽车有限公司，广西 柳州545005）

2017年9月19 日，《HJ857-2017重型柴油车、气体燃料车排气污染物车载测量方法及技术要求》正式发布[1]，今后柴油车排放的主体责任单位由以前的发动机企业转变为整车企业，这样更加有利于获取整车真实排放特性的转变，是大势所趋，但整车企业也面临的较大的挑战。由于整车配置（变速箱、后桥、轮胎等）的差异，导致了不同车辆运行时的发动机运行工况的差异，不再和以前有准确发动机转速扭矩运行输入点的WHTC和ETC瞬态循环工况一样可以在发动机台架测试时就标定好排放，整车的配置和布置对整车排放的影响也至关重要。而且部分整车企业也缺乏相应的排放控制的能力和经验，故而需要结合整车运行特点和发动机排放控制策略，进行对应的调整，使整车排放顺利满足法规的要求。

此外，由于HJ857-2017发布后，相关地方标准已经一律作废或无效，而作为制定严格地方标准的排头兵，北京地区很可能会在DB11/965-2013的基础上，针对国五车辆制定和实施比HJ857-2017标准严格而低于国六排放要求的北京地方标准，涉及的变化较多，暂不区分讨论。

1 引言

工欲善其事必先利其器，想要全面满足PEMS排放测试法规的要求，就需要对它有全面而细致的了解，充分认识其测试特点和影响因素，进而能从容的应对。

发动机作为整车排放控制的核心部件，在应对PEMS排放测试时，怎样的排放标定策略才最合适，在应对载货、牵引、自卸车等不同用途车辆时应该有怎样的调整，这些是发动机厂必须研究的课题。

催化器作为发动机排放控制的核心部件之一，其体积相对较大，一般布置于车架上，其布置特点和管路的散热情况也会较大的影响催化器的工作状态。

由于有了整车这个载体，发动机的运行工况不再固定，整车的配置选型会对于发动机的排放结果产生直接的影响。故而整车配置的选型，也会对PEMS排放测试产生直接的影响。

最后是驾驶行为的影响，个人驾驶行为的差异肯定会在一定程度上影响排放结果，而如何尽量减少个人的驾驶行为的影响，尽量统一形成良好的驾驶方式，也是需要规范的内容。

2 法规解读

根据HJ857-2017的排放要求：2017年10月1日后新申报公告的车型需要达标排放要求并按要求提交测试报告，已销售的车型也要进行在用符合性检查，这样就要求整车企业提前做好足够的应对准备。

PEMS测试依旧采用功基窗口法，有效性判定：有效功基窗口应占所有功基窗口的50%以上，否则试验无效；车辆排放达标判定：满足排放限值要求的功基窗口占有效功基窗口的比例达到90%及以上，且NOx排放浓度不高于900 ppm的数据点需要占有效数据点的比例达到95%及以上，否则判定排放超标[1]。排放限值如表1.

表1 排放限值（g/k W h）

根据之前试验结果的经验，有效功基窗口占所有功基窗口的比例要求都能达标，主要是满足排放限制要求的有效功基窗口比例的问题最大，而900 ppm的NOx浓度限制对于发动机排查标定策略比较偏激的机型也是潜在的风险项。

整车的行驶路线需要按照市区-市郊-高速的顺序遵循规定的车速范围来行驶，且正式开始测试之前整车的预热条件也要严格遵守法规的要求，要求在发动机启动的20 min之内，水温超过70℃或者5 min内的水温变化小于2℃即需要开展试验。故而整车的运行将是由低速逐渐到高速的过程，发动机的运行转速和负荷，也必定是由小变大的过程。在市区和市郊路段，由于车速低，发动机输出功率低，催化器温度相对低，此阶段的排放控制将会是整个PEMS测试的最重要路段。

另外，M1、M2、M3、N2类车辆（城市车辆除外）的市区和市郊路段时间占比由N3类的10%与10%提高到更长的20%与25%，城市车辆则没有高速路段，市区和市郊占比分别为70%与30%，再加上不同装载质量的区别，城市车辆通过排放的难度最大，N3类车辆相对最容易通过排放。

另外需要注意边界条件的要求，测试的环境温度范围为2℃ ～38℃，海拔不超1 000 m，起始点和结束点海拔高度差不超100m，试验累计正海拔增量不超1 200 m/100 kM（该要求借鉴了轻型汽车的排放法规要求[2]）。结合车速和预热的要求，进行重型商用车PEMS测试试验时需要尽可能找低温、非山区的极限路段来进行测试。图1所示。

图1 某重型柴油车P E M S设备安装图

3 影响因素

3.1 发动机的排放控制策略

众多周知，以前的柴油车排放控制控制点全在于发动机企业，主要有国五标准GB17691-2005规定的稳态循环ESC和瞬态循环ETC，有城市用柴油机标准HJ689-2014的瞬态WHTC循环。如图2所示。

图2 某发动机E T C和WH T C工况点分布图

而进行PEMS测试试验时，在市区和市郊路段，司机根据发动机转速的变化和经验选取合适档位运行，在高速路段则大多采用最高档，一般的牵引车和载货车，都会使这一段的发动机转速位于中低转速区域以提高经济性，自卸车等专用车则因为其特殊性而行驶工况有较大的差异。

根据图3和图4的对比，可知不同车型运行时的发动机运行工况很可能存在较大的差异。故而所以为了满足排放要求，发动机的标定应该更侧重于整车的常用工况转速区域，特别是在PEMS测试试验的市区开始阶段，此时由于温度低，尿素未喷射，需要通过标定降低发动机本体对应工作区域的排放，以保证有效数据点的NOx浓度值不至于过高。

图3 某重型载货车P E M S测试工况区域图

图4 某自卸车P E M S测试工况区域图

3.2 保温措施

催化器作为控制发动机控制排放的核心部件之一，随着排放要求越来越严格，催化器的转化效率也要求越来越高，目前的国五柴油商用车型，后处理系统普遍采用SCR（选择性催化还原）的路线，少数地区的城市用车也会采用DOC+PDF+SCR的路线，都是依赖于SCR催化器中喷射尿素来降低NOx排放。

实际试验时，有效功基窗口的排放比NOx值大多是如图5的变化趋势，发动机厂家为了防止尿素结晶，只有在催化器温度达到一定值之前才会喷射尿素，因为市区市郊路段的排气温度低，尿素迟迟未开始喷射，故而导致NOx排放高，而尿素喷射后，能有效抑制NOx的排放，比NOx值则能有效控制。所以为了保证催化器能尽早进入工作状态，尽快提高催化器温度是控制排放的重要方法。

图5 某车型P E M S测试的窗口比N O x图

3.2.1 排气管催化器保温

综合考虑成本和功能需求，国五阶段的SCR催化器基本采用钒基催化器，而钒基催化器除了有高温（大约530℃以上）出现钒逃逸的失效风险，还有低温时对NOx的转化效率和转化速率都明显降低的特点。

图6所示为某一国五催化器在40000空速下的的温度—转化效率关系图，从图中可以看出：催化器转化效率一般在275～250℃以下迅速降低；在温度低时，不但催化器的转化效率降低，而且催化器的转化速率也会迅速下降。

图6 某催化器的温度-转化效率关系图

图7所示为某一机型发动机增压器出气口到催化器的排气管路包裹保温材料与不包裹保温材料的温差对比图，1.5 m长的排气管路，温度差异就已经非常明显，中低负荷区域一般有10～20℃的温度提升，所以包裹保温材料，对于提高催化器温度会有较大的作用。而催化器包裹保温材料的效果也会根据催化器本身结构的差异而有不同程度的效果。根据目前的经验，特别是在低温环境或者排气管路较长时，排气管和催化器包裹保温材料是非常必要的。

图7 排气管包裹与不包裹温差图

3.2.2 节气门的影响

除了直接对排气管路和催化器包裹保温材料外，发动机装配节气门也是有效地提高中低负荷运行时排温的措施，通过电控标定，节气门能合理地限制进入气缸的进气量，特别是在发动机倒拖时能有效降低进气量以减少催化器的散热损失。如图8所示的，在典型的市区和市郊路段的发动机运行区域，通过使用和标定节气门，使该区域的排温提高了约30℃，能极大的帮助催化器尽早进入工作状态。

图8 某发动机带节气门与不带节气门的全工况温度图

另外，EGR也是能提高排温的发动机性能件，但是采用EGR会牺牲油耗，提高PM（颗粒物）的排放，且其会增加冷却系统的负担，布置影响大，不是最佳的方案。

3.3 整车配置的调整

目前国内的发动机企业，普遍采用“一机多配”的方式，即同一型号发动机，匹配多个厂家不同用途的车型；最理想的情况当然是“一机一配”，即同一型号发动机，与一车型相对应，做到车型的经济性和排放的最优化搭配，但现实中这样会让发动机状态过多，增加庞大的电控标定和设计开发工作，目前难以实行。

由于整车配置的不同和驾驶行为的差异，发动机的运行工况往往有较大的差异，但是由于发动机是同一型号，其排放标定策略不变，排放控制区域也一致。这样就导致了同一型号发动机难以兼顾经济性和排放的方式来满足如此多车型的排放控制要求。适当的调整整车配置来适应发动机排放控制策略，在满足整车排放的基础上，也折中兼顾整车经济性的要求，这已是目前整车排放控制的重要研究课题。

变速箱速比、轮胎规格和后桥速比的选择，对于发动机的运行工况有决定性作用。车辆运行时的发动机转速Ne计算公式如下[3]：×V（车速）

采用合适的变速箱速比、后桥主减速比和轮胎，结合发动机的排放控制特性，使整车运行时的发动机工况点尽量处于低排放区域，从而达标整车排放要求。

以图9的某重型柴油车PEMS测试的发动机工况运行图为例，在了解发动机的排放控制重点区域后，可以通过调整整车速比，即加大或者减小速比，使高速路段的运行区域向高转速或者低转速偏移，从而运行在排放重点控制区域，降低实际NOx排放量。

图9 某重型柴油车的P E M S测试发动机工况运行图

3.4 驾驶行为

驾驶行为对于测试结果的影响主要在于：驾驶员的档位选择是否合适，是否存在高档低速或者低档高速现象，是否存在过多的急加速急刹车等等，会对排放测试的结果有大约10%的影响。作为工程技术人员，不该为了通过排放测试而特意约束驾驶员的驾驶行为，而是应该努力使整车排放只要在驾驶员正常的驾驶行为之内，都能顺利的达标排放要求，这才是实行实际道路排放测试的初衷。

培养驾驶员形成良好的驾驶习惯，在合适的发动机转速下升挡和降档，合理使用油门和刹车，不仅能有效地降低整车油耗，更能避免不良的驾驶行为导致的结果偏差，这应是我们前进的方向。

4 结论

对于重型柴油车通过PEMS排放测试法规的相关策略，具体结论如下：

（1）发动机针对实际的运行工况区域进行对应性的电控标定，特别是在市区、市郊路段，需要降低发动机本体原排的NOx排放水平。

（2）整车上针对排气管路和催化器，做好良好的保温措施，以保证催化器尽快提高到合适工作温度。另外，发动机采用节气门也是有效地提高排气温度的手段。

（3）可以调整整车配置：变速箱、后桥速比、轮胎直径，来改变整车运行时的发动机运行区域，使发动机运行于排放重点控制区域，以降低NOx排放。

（4）培养驾驶员良好的驾驶习惯，降低测试过程中的不良驾驶行为导致的数据及结果的影响。

5 结束语

本文针对2017年9月19日环保部发布的《HJ85 7-2017重型柴油车、气体燃料车排气污染物车载测量方法及技术要求》[1]，结合个人试验的心得和理论分析，对满足车载测量法排放要求的重型商用车控制策略进行研究，对于相关行业人员提供一定的指导性或者参考作用。

[1]HJ857-2017.重型柴油车、气体燃料车排气污染物车载测量方法及技术要求[S].

[2]GB 18352.6-2016.轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].

[3]GBT27840-2011.商用车燃料消耗量测量方法》[S].