重型商用车排放试验对比分析

刘刚,王继磊,李建东,栾振,王福龙

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061;2.潍柴动力股份有限公司 发动机研究院，山东 潍坊 261061

0 引言

近几年，随着国家排放法规的日益严格，车辆排放已经和燃油经济性一样,成为评价汽车性能优劣的重要因素[1-6]。

汽车污染物排放的检测方法有多种：根据试验方式的不同，分为道路排放试验和转毂排放试验检测[7-10]；根据排放物的不同，有气体排放污染物和颗粒排放污染物检测[11-13]；根据排气样本的取样方法不同，有直接取样检测和稀释取样检测[14-16]。

本文采用排气直接取样的方法，通过便携式车载排放设备对重型商用车进行转毂排放试验和道路排放试验检测，分析对比两种排放检测方法及检测结果的差异。

1 试验方法分析

1.1 标准介绍

针对重型商用车的排放，目前工信部和环保部都有相应的标准规范，环保部要求检测污染物排放，工信部要求油耗和污染物排放联测[17-19]。文献[17]明确规定了整车道路排放试验法(以下简称道路法)的检测方法，该文献中条款6.12.5和9.2.2均指出：当车辆按照文献[18]进行整车油耗测量时，应同时进行排放污染物测量，而文献[18]中对排放污染物的检测方法采用的正是转毂排放试验法(以下简称转毂法)，即严格按照文献[19]中规定的C-WTVC(adapted world transient vehicle cycle)循环工况进行，该循环是以世界重型商用车辆瞬态循环(world transient vehicle cycle, WTVC)为基础，调整加速度和减速度形成的驾驶循环。

1.2 两种试验方法对比

转毂法严格按照国家法规制定的循环工况C-WTVC在试验台上进行，C-WTVC循环由市区、市郊和高速循环工况组成，运行时间固定，共1800 s。道路法是在实际道路上进行，根据车型的不同，其工况组成不同，运行时间也不同，按文献[17]要求，运行时间最短应保证累计功达到发动机瞬态循环功的4～7倍，根据以往经验，约在5000 s以上。

因此，同一车型两种检测方法的试验结果可能存在较大差异。根据文献[17,19]的要求，两种试验方法不同车型各试验工况的里程分配如表1所示，表1中m为车辆最大设计总质量(半挂牵引车为牵引车与挂车的质量和)。

各工况要求如表2所示。

表1 两种试验方法不同车型各工况的里程分配

表2 两种试验方法各工况的平均速度与最高速度 km·h-1

从表1、2可以看出：

两种方法各工况的里程分配与平均速度、最高速度均不相同，所有车型没有完全相同的工况。相比于道路法，转毂法中的车型规定更细，工况更严格：半挂牵引车、自卸汽车和城市客车等在转毂试验中工况仅有一种或两种，而道路试验包括的工况多；货车和客车在转毂试验中工况划分的更细，而道路法相对笼统一些。

1.3 试验结果的处理

转毂法和道路法对试验结果的处理采用了两种完全不同的方法。

转毂法对试验结果的处理是先分别计算市区、市郊、高速各工况的排放污染物，再按表1的要求根据不同类别车型进行加权计算，得到最终的排放污染物，所有运行过程的排放污染物都参与计算。由于大部分车型市区的排放都较高，因此部分市区工况里程占比大的车型排放污染物可能会超标[20-23]。

道路试验法采用功基窗口法处理试验结果，功基窗口的定义为从试验起始点到截止点之间的一个连续区间，当区间的累计做功等于瞬态循环的发动机做功量时，该连续区间为一个功基窗口。计算功基窗口内所有采样点的NOx比排放(即窗口内所有采样点的NOx排放总质量与窗口做功的比值)，以1 s步长依次向后移动功基窗口至试验结束，由此得到一系列功基窗口的NOx平均比排放。根据文献[17]规定，去除平均功率小于10%的发动机最大净功率的无效窗口。采用功基窗口法计算时，有些负荷低的工况(如市区工况)不参与计算，而这部分工况由于受排气温度低、瞬态工况多等因素影响，使NOx排放普遍较高，最终的排放结果可能比实际排放偏低[24-25]。

2 影响因素分析

在转毂上进行排放试验受外部环境影响小，试验过程可控性高，但试验结果受车型、预热时间、行驶阻力等因素的影响。

2.1 运行工况

从表1可以看出：道路法和转毂法中规定的所有车型没有完全相同的运行工况，其中自卸汽车和城市客车的差别尤为突出。自卸汽车在道路法中按照N3类车型运行，包括市区、市郊、高速3种工况；转毂法采用的是单一车型工况，仅有市郊，没有市区和高速工况。这种现象同样体现在城市客车中。因此，同一个车型的排放结果要同时满足道路法和转毂法，就需要该发动机及整车的性能具备很好的适应性。

图1为自卸汽车道路试验工况分布，图2为自卸汽车转毂试验工况分布，图1、2中粗实线为发动机外特性曲线。从图1、2可以看出：道路试验运行工况点密集，市区、市郊、高速3部分工况分布较明显，且大都在扭矩600 N·m以下的中低负荷区域，分布在外特性上的工况占比极少；而转毂试验由于运行时间短，工况点稀疏，外特性上的工况占比较多，大扭矩工况占比比道路试验多，故转毂试验的运行工况更恶劣。

道路法与转毂法的运行工况形成了一种互补，由此可以考虑集成实际路谱工况和转毂工况形成复合路谱。对自卸汽车的开发要求发动机性能、后处理性能、动力总成匹配等方面能够适应不同运行工况的要求。

图1 自卸车道路排放试验工况分布 图2 自卸车转毂排放试验工况分布

2.2 预热时间影响

预热包括转毂设备预热和整车预热，仅分析整车的预热。

文献[19]规定转毂正式试验前，可以进行1～2个C-WTVC循环预热，非强制性，而且没有明确规定预热后立即进行试验还是可以有间隔时间，存在一定的操作空间。

图3为没有预热的转毂排放试验曲线，开始的一段时间内排气温度很低，NOx排放很高，约230 s后NOx排放正常，这是由柴油机尾气后处理(selective catalytic reduction，SCR)自身的特性决定的(温度与转化效率成正比)。

图4为预热后的转毂排放试验曲线，全程的NOx排放趋势一致，完全满足法规限值要求。

a)温度随时间的变化曲线 b)NOx排放随时间的变化曲线 c)车速随时间的变化曲线图3 无预热转毂试验结果

a)温度随时间的变化曲线 b)NOx排放随时间的变化曲线 c)车速随时间的变化曲线图4 预热后转毂试验结果

有、无预热的转毂排放试验NOx的测试结果分别为1.92、0.09 g/(kW·h)。因此，进行转毂排放试验时，应经过充分的预热，且预热后应立即开始试验，NOx排放结果才有可能满足法规要求。

2.3 行驶阻力影响

在转毂上进行试验，文献[19]规定车辆的行驶阻力可以使用推荐值，也可以通过到试验场进行滑行试验得到，由于推荐值的涵盖面很广，覆盖车型很多，可能存在某些车型试验时实际车速跟随不上设定车速的问题。

起步加速和超车加速的车速跟随情况如图5所示。由图5可知：起步加速和超车加速都存在实际车速跟随不上设定车速的现象，由此直接导致运行工况点偏移、瞬态响应差等问题，从而影响排放及其他性能。

a)起步加速 b) 超车加速图5 实际车速跟随设定车速曲线对比

因此，转毂试验时需采用合适的行驶阻力，如果车型特殊，建议到试验场进行实际滑行试验得到行驶阻力。

3 排放试验结果对比分析

为了更直观的体现转毂法和道路法排放结果的差异，对主要车型进行了2种方法的试验对比分析。

3.1 试验条件

1)测试设备

道路法和转毂法均采用便携式车载排放测试设备M.O.V.E。

2)测试车型

具体测试车型分别为牵引车、自卸车、载货车、城市客车与客车，最大设计总质量分别为49 000、25 000、16 000、12 500、18 000 kg。道路法和转毂法试验时车辆载荷均为满载。

3)转毂试验

在正式试验前均预热2个完整C-WTVC循环，以保证充分预热，环境温度为20～30 ℃，环境相对湿度为30%～55%。数据处理方法按照文献[17]要求加权计算。行驶阻力按照文献[19]中的规定测量得到。

4)道路试验

试验路线、有效性评价等条件按照文献[17]要求进行，试验时环境温度、湿度条件均与转毂试验一致，最大限度保证试验的一致性。数据处理方法按照功基窗口法计算。

3.2 试验结果分析

表3为各车型的转毂法和道路法NOx的排放结果对比。转毂结果按照文献[19]规定，根据不同车型按照加权法计算所得；道路结果按照文献[17]的规定，取第90%位有效功基窗口的NOx排放。

表3 不同车型两种试验方法NOx的比排放g·(kW·h)-1

从表3中可以看出：仅有牵引车的两种试验方法结果一致，其他车型转毂法NOx的比排放均大于道路法，且相差约为42%～85%，自卸车和客车转毂试验的NOx比排放接近排放限值。

目前，道路法检测排放是各厂家试验及各检测中心环保认证的必须项，而转毂法只是在工信部进行燃油经济性认证检测时附带测量排放，因当前很多整车或发动机厂家没有该转毂设备，转毂法排放进行试验的较少。建议开发自卸车、客车等新车型时，排放性能试验不应只限于道路排放试验，还应结合转毂排放试验的结果进一步分析。

4 结语

转毂法与道路法都是针对车辆排放的测量方法。道路法仅检测排放。转毂法同时测量排放和油耗，检测时间短、影响因素少，但与道路法的检测结果存在一定的差异。是否可以考虑转毂法运行复合路谱，即集成实际路谱和C-WTVC的一种工况，这将在后面的工作中继续详细研究。