高原环境下载荷对国六重型整车排放影响研究*

（中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300）

引言

我国疆域辽阔，地形复杂，其中仅高原地区覆盖面积就占据我国陆地总面积的33%左右，随着我国国民经济不断提高，高原地区的经济发展也在持续增长，而重型车作为拉动经济增长的主要源动力，其排放对高原地区的环境污染也颇为显著[1-2]。因此为改善和维护高原生态环境，研究高海拔环境下重型车实际道路排放特性，对高原地区重型车排放标准制定、排放监管以及相应车型的开发标定等都具有重要的指导意义[3-5]。

目前国内外许多学者对高海拔地区的重型车排放均进行了不同程度的学术研究，其中Jia Liu，Ge Yunshan 等人[6]利用PEMS 设备在海拔2 200 米和海拔3 200 米处研究了海拔高度及VSP 参数对柴油车颗粒物数量排放的影响，结果表明高原环境下车辆在低速和高速工况下的PN 排放较高，而在中等车速下，PN 排放随海拔高度的增加逐渐降低；陈剑杰等人[7]研究了高原山地环境下柴油车NOx排放随海拔升高呈现先增高后降低，而随道路坡度的增加不断升高的变化趋势；余思绮等人[8]在平原地区利用重型车研究了测试工况顺序及构成比例对车辆NOx排放影响，研究结果显示，与标准中规定的测试方法相比，测试工况对车辆NOx排放的影响较大；黄成，陈长虹等人[9]在上海市研究了车辆实际道路排放与行驶工况的相关性，结果说明车辆在高速加速行驶状态下易产生高排放，且在市郊工况行驶时其排放最低。但基于高海拔环境下重型车载荷状态及行驶工况对车辆排放的影响研究尚且不足。

因此本文利用国六重型车在高海拔地区下分别进行了10%、50%、100%载荷状态下的排放测试，研究了载荷因素对车辆在高海拔环境下的排放影响并分析了车辆行驶工况与排放窗口通过率的相关性。

1 实验设备和方法

1.1 试验车辆

试验选取2 种不同类型的车辆进行了国六b 阶段的高海拔排放测试。试验环境的平均环境温度为20 ℃左右，平均大气压为77 kPa 左右，平均海拔在2 400 m 左右，试验车辆及发动机基本信息见表1。

表1 样车及发动机信息

1.2 试验设备

便携式车载排放测试设备（PEMS）相比于实验室排放分析仪具有体积小、可操作性强、装卸便捷以及可真实反映车辆实际排放水平等优点，该设备主要由气体测量模块、PN 测量模块、排气流量计（EFM）、GPS 系统、主机、电源等部分组成，可安装在车上对车辆行驶过程中的排气流量、污染物浓度以及环境温湿度、海拔高度等参数进行实时测量，并通过标准协议利用OBD 读码器可获取车辆的ECU数据。

本实验采用的PEMS 设备为日本Horiba 公司生产的OBS-ONE 便携式车载排放测试设备（PEMS），该设备对NOx气体的分析测量原理主要采用化学发光分析仪（CLD），CO、CO2分析采用不分光红外线吸收型分析仪（NDIR），对颗粒物PN 的分析原理采用凝缩离子法进行分析测量。试验中PEMS 设备的安装示意图如图1 所示。

图1 PEMS 设备安装示意图

1.3 试验方案

试验在平均海拔2 350 米左右的道路上进行。试验过程中环境温度、起止点海拔高度差、累计正海拔高度等均满足GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》标准测试要求[10]。依据标准确定出样车1、样车2 的工况构成比例，如表2 所示，其中市区、市郊和高速工况分别以55 km/h 和75 km/h 的短行程工况进行划分，试验依次对2 辆样车在载荷10%、50%、100%条件下进行排放测试。

表2 行驶工况构成比例

2 试验结果与分析

2.1 载荷对车辆排放的影响分析

颗粒物与NOx作为柴油车的主要污染物，本文仅针对车辆在高原试验环境下NOx与PN 的排放结果进行分析。

图2 样车1 不同载荷NOx 排放

图3 样车2 不同载荷NOx 排放

图2、图3 分别为高原环境下样车1 和样车2 的NOx排放与车辆排气温度随载荷的变化趋势。结果显示3 种载荷状态下，车辆的NOx排放随载荷增加逐渐下降，且在100%载荷下排放明显降低。其中10%和50%载荷时车辆的NOx相差较小，且相比于10%载荷状态，样车1 和样车2 在50%载荷下的NOx排放分别下降了1.9%和11.1%，而在100%载荷时，NOx排放较50%载荷分别减少了29.3%和90.4%。

Chang-yuan WANG 等人[11]在底盘测功机上对国六重型车进行不同载荷下的排放研究表明随着载荷增加，车辆的NOx排放逐渐降低，其分析结果与本实验NOx排放变化规律相同，即说明了车辆无论在高原环境还是在实验室法规认证环境条件下，其车辆排放随载荷的增加均显示逐渐下降。

样车1、2 在不同载荷下PN 排放如图4、5 所示。

图4 样车1 不同载荷PN 排放

图5 样车2 不同载荷PN 排放

由图4、图5 可知，样车1 随着载荷的增加，其PN 排放呈先降低后增加趋势，而样车2 则表现随载荷增加其PN 排放逐渐下降。对比排放结果可知，样车2 的PN 排放约为样车1 排放的6～10 倍，这表明随着车辆整备质量增加，发动机的功率需求以及单位时间内的喷油量增加，导致扩散燃烧阶段产生的PN 排放增多。

其中受颗粒物高温缺氧生成条件影响，车辆在高原环境下行驶时，由于空气密度以及大气压力较低，导致发动机空气进气量减少，造成缸内混合气不均匀，燃烧恶化，而样车1 在10%～100%载荷变化范围内，其发动机做功量及PN 排放均不断增加，其中50%载荷时出现PN 比排放略微降低的主要原因是该载荷状态下PN 比排放受发动机做功量的影响较PN 排放影响较大，且样车1 的NOx排放受载荷因素的影响较小。

图5 中样车2 的PN 排放随载荷增加逐渐下降与样车1 的变化趋势不同。由于样车2 的发动机功率较大，发动机做功受载荷因素的影响偏大，导致发动机做功量差别较大，对PN 排放影响较大，同时车辆的排气温度偏高，最高排温约达280 ℃，而PN 在较高的排气温度环境下与空气中的氧气结合被氧化，从而起到消除PN 的作用，因此在2 种因素的影响下，样车2 的PN 比排放随载荷的增加逐渐降低，且受载荷影响较大。

2.2 行驶工况对排放窗口通过率的影响

功基窗口法（AWM）是一种通过比较各功基窗口比排放与发动机型式检验比排放的符合性从而评价车辆排放的分析方法。功基窗口的定义是从试验第一个采样点开始以1 为步长进行推移，直至形成的连续区间的累计功达到一个发动机WHTC 循环功为止，则该连续区间记为一个功基窗口，依据功基窗口的定义，对试验所有采样点进行窗口移动，最终得到一系列功基窗口，其中功基窗口内污染物排放质量与窗口做功量的比值则称为窗口的比排放。

所有功基窗口中，窗口平均功率百分比大于20%阈值的窗口称为有效窗口，标准要求有效窗口百分比大于50%则判定试验有效，否则无效。所有有效窗口中污染物排放满足限值要求的窗口数量达到有效窗口数量90%以上，则判定该车辆排放合格。

本文利用功基窗口排放分析法，分析不同载荷试验条件对车辆在各行驶工况下的窗口通过率影响。样车1、2 窗口通过率分析结果如表3、4 所示。

表3 样车1 窗口通过率分析结果

表4 样车2 窗口通过率分析结果

图6、图7 分别显示了车辆在不同载荷、不同工况下的NOx和PN 的排放结果以及相应的排放窗口通过率的变化情况。

图6 样车1 NOx 比排放

图7 样车1 PN 比排放

同时结合表3 对车辆窗口通过率的分析结果可知，样车1 在3 种载荷下的NOx排放均显示超标，而PN 排放均为合格。其中图6 显示车辆在3 种载荷状态下，市区、市郊工况的NOx排放均超过国六标准对NOx的标准限值0.69g/（kW·h），从而导致NOx排放在市区和市郊工况下的窗口通过率均基本为0，而高速工况NOx排放虽然较低且窗口通过率均为100%，但车辆整体排放水平仍表现超标，主要因为受样车1运行工况比例影响，车辆在市区工况的运行时间较长，NOx排放对车辆整体排放贡献率较大，因此市区工况是影响样车1 全工况下NOx排放水平的主要工况。

图7 显示车辆在3 种载荷下的PN 排放随载荷的增加逐渐增多，且分析结果显示，车辆在市区工况下的PN 排放最低，高速工况下的排放最高。虽然PN的排放在高速工况表现较高，但通过观察可知，车辆在全工况下行驶时PN 排放均满足标准限值1.2×1012，但结合表3 车辆在市区工况下的窗口通过率均为0，其原因主要为市区工况下，发动机做功量偏低，导致该工况下车辆累计功未能形成一个有效的功基窗口，但车辆整体排放结果仍显示PN 排放合格。因此PN 的窗口通过率受市区工况影响较小，而与排放较高的高速工况有较大的相关性。

依据表2 中标准对样车2 在市区、市郊和高速工况下的行驶时间分配比例可知，样车2 在高速工况下的行驶时间占比较大，对于NOx排放来说，虽然市区工况是其主要的生成区域，但由于样车2 在市区工况行驶时间较短，因此该工况下形成的NOx排放对车辆整体排放贡献率相对较小，如图8 所示，车辆在市区工况的NOx排放最高，且10%和50%载荷时的NOx排放均表现超标，而100%载荷时的市区工况虽然满足国六标准限值，但由于车辆在该工况下的行驶时间较短，导致该工况下未能形成一个有效的功基窗口，因此窗口通过率为0，而在市郊和高速工况行驶时，车辆的NOx排放均表现合格，其相应的窗口通过率均为90%以上，样车2 的NOx排放判定合格。因此对于样车2 来说，高速工况是影响其排放的主要工况。

图8 样车2 NOx 比排放

同时表4 的分析结果显示车辆在3 种载荷状态下的PN 排放均表现不合格。通过分析可知，车辆的PN 排放结果主要受高速工况的排放影响较大，图9中所示车辆PN 排放主要集中在高速工况，且随载荷增加，车辆在高速工况下的PN 平均比排放逐渐下降，而PN 总的窗口通过率逐渐上升，因此可以发现高速工况是影响样车2 PN 排放的主要工况。

图9 样车2 PN 比排放

3 结论

通过研究高原环境下不同载荷以及行驶工况对国六整车排放的影响，得出以下结论：

1）高原环境下，车辆的NOx排放随载荷的增加逐渐降低，与实验室法规认证条件下车辆排放受载荷因素的影响结果相似。车辆在100%载荷下的排放降低明显，其中样车1 和样车2 在100%载荷下的NOx排放较50%载荷排放分别降低了29.3%和90.4%。对于PN 排放，样车2 不同载荷下的PN 平均比排放约为样车1 的6～10 倍。其中样车1 的PN 排放受载荷因素影响较小，而样车2 在大负荷状态下，其PN 排放受载荷影响较大。

2）车辆排放的窗口通过率受行驶工况影响较大。其中样车1 受市区工况影响较大，3 种载荷状态下车辆的NOx排放均显示超标，PN 排放均表现合格。而样车2 的整体排放受高速工况影响较大，3 种载荷状态下车辆的NOx排放均表现合格，而PN 排放均显示超标。