环境温度对重型柴油车整车排放影响研究

郭 勇 李 博 颜 燕 高忠明

（1-天津大学 天津 300072 2-中国汽车技术研究中心有限公司）

引言

随着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》[1]和DB11/965-2017《重型汽车排气污染物排放限值及测量方法（车载法第IV、V阶段）》标准开始实施，重型车整车实际道路排放测试方法和排放限值有了法律依据和强制性标准。同时重型车国六车载排放标准也处于送审阶段，国六阶段法规不仅加严了排放限值，NOx比排放整体为0.69 g/（kW·h），而且对于试验环境温度的要求更加严苛，其规定试验环境温度不低于-7℃[2]。对于后处理系统采用SCR技术路线国六重型柴油车，低温环境使其满足极低的排放限值面临较大的压力，因为低速工况SCR系统本就处于尿素未喷射或NOx转化效率较低阶段，再加上低温条件对排温和尿素箱的影响，尿素喷射就更加困难[3]，因此有必要对环境温度对国六重型柴油车的整车排放影响进行试验研究，从而提出相应的解决策略。

1 重型车PEMS试验介绍

试验采用AVL MOVE便携式车载排放设备对2辆重型国六柴油车进行实际道路排放测试，依据《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值与测量方法（中国第六阶段）》二次征求意见稿，分别在两地对2辆车进行了低温和高温环境条件下的多次测试，试验前采用Span气和零气对试验设备进行标定，试验中实时采集各排气污染物浓度和发动机ECU数据，最终通过计算得到整个试验工况的NOx和PN平均比排放。因本文以温度条件对排气污染物的影响做重点研究，试验结果分析不对各污染物的窗口通过率予以评价。图1为重型车AVL MOVE设备装车后的示意图。

图1 AVL MOVE便携式车载排放测试设备

2 试验方法和条件

试验以M3类城市客车和N2类货车各一辆作为测试样本，按照市区、市郊和高速的连续工况行驶，按时间比例，M3类车为70%市区工况和30%市郊工况，N2类车市区、市郊和高速工况比例分别为45%、25%和30%，图2、3所示为2辆车的实际道路工况分布，满足法规要求的±5%偏差要求。发动机冷却液温度在70℃以上或在5 min之内变化小于2℃，测试数据用于排放达标与否的判定，试验车辆的累积功达到4～7倍的WHTC循环功后，试验结束[1-2]。

图2 M3类车辆工况分布

图3 N2类车辆工况分布

2辆车在低温和高温环境分别进行了3次试验，文中所有数据均为各载荷状态下的试验结果平均值。试验所处低温环境温度范围为-4.1～1.7℃，高温环境温度范围为29.9～41.6℃。

3 环境温度对NOx比排放的影响

M3和N2类车在低温和高温环境下分别进行了半载和空载状态试验，试验结果如下。

3.1 M3类国六车NOx总比排放对比

图4为M3类车各试验载荷状态下的环境温度对比，低温和高温的平均温度最大相差38.22℃。如图5所示，低温环境下，半载和空载条件下的NOx总比排放分别为1.44 g/（kW·h）和1.34 g/（kW·h），而高温环境下，2种载荷条件下的NOx总比排放分别为0.82 g/（kW·h）和0.73 g/（kW·h）。那么与高温环境相比，低温环境下该车半载和空载状态的NOx总比排放分别增加43.0%和45.5%。

图4 M3类车试验环境温度

图5 M3类车NOx总比排放

3.2 N2类国五车NOx总比排放对比

N2类车仅做了空载状态试验，如图6所示，高温和低温环境温度差值为37℃。如图7所示，低温环境下，NOx总比排放为1.21 g/（kW·h），高温环境其总比排放仅为0.21 g/（kW·h），因此低温环境下NOx总比排放整体增加了82.6%，

图6 N2类车试验环境温度

图7 N2类车NOx总比排放

4 环境温度对PN比排放的影响

4.1 M3类国六车PN总比排放对比

如图8所示，M3类车低温条件下半载和空载状态PN总比排放分别为2.92×1011#/（kW·h）和4.50×1011#/（kW·h），高温环境下2种载荷条件下的PN总比排放分别为8.66×1011#/（kW·h）和6.62×1011#/（kW·h）。因此，PN比排放在高温条件下分别增加196.6%和47.1%。

图8 M3类车PN总比排放

4.2 N2类国五车PN总比排放对比

如图9所示，N2类车低温和高温环境下的PN总比排放分别为4.24×1010#/（kW·h）和2.85×1010#/（kW·h），从结果对比来看，高温环境下的PN总比排放降低了32.7%，该结果与M3类国六车的趋势相反。

图9 N2类车PN总比排放

5 试验过程分析

如图10所示，M3类车在2种环境温度下的运行速度比例控制基本一致。从图11低速工况500 s时间的局部放大图可以看出，NOx瞬时排放在低温环境下整体高于高温环境，低温环境的NOx整体瞬时排放平均值为80×10-6，而高温环境的排放均值为59×10-6，因此低温环境下的NOx比排放增加。从图12 SCR入口温度曲线对比图可以看出，低温环境的SCR入口平均温度为267℃，而高温条件下其平均温度为291℃，低温环境整体平均温度损失24℃。从对比图中可以看出，市郊工况的温度差值拉大，主要是随着车速增加对流传热损失增大，从增压器出口到SCR入口的排气管散热损失增加，SCR入口温度整体降低更多。因而SCR系统需要较长时间达到起喷温度，在高速工况尽管SCR入口温度有所提升，但较高温状况仍然偏低，SCR转化效率整体偏低，这两点足以导致低温环境NOx排放偏高。

图10 M3类车车速分布

图11 M3类车市区工况500 s NOx瞬时排放

图12 M3类车SCR入口温度

如图13～15所示，N2类车较M3类城市车辆的运行工况增加了高速工况，2种环境温度下均按照法规要求比例运行，车速分布如图13所示。从图14 NOx瞬时排放曲线可以看出，高温状态下，NOx整体的瞬时排放均低于低温环境，高温环境下的整体NOx平均瞬时排放为1.8×10-6，而低温环境下的平均值为90×10-6，两者相差巨大。同样也是由于低温环境的排气管热损失增加，导致SCR入口平均温度降低所致，这点从图14 SCR出口排温分布曲线可以看出。在低速段两者差异较小，但在高速工况，排温差值明显增加，最大处的排温相差约45℃。

图13 N2类车车速分布

图14 N2类车NOx瞬态排放

图15 N2类车SCR出口排温

6 结论

1）环境温度对重型柴油车的NOx排放影响较大，无论是国五还是国六重型柴油车，低温使整车NOx排放呈现恶化趋势，文中所选N2类车，低温环境下NOx最大增加82.6%。

2）环境温度对重型柴油车的整车PN比排放影响趋势不确定，M3类车低温条件下PN比排放恶化较严重，但N2类车高温环境下的PN比排放增加，这点应该与车辆的后处理技术路线和标定策略相关性较大。

3）低温环境对于采用SCR后处理系统的重型柴油车影响较大，尤其是对低速工况占比较大的城市车辆影响严重。