基于便携式排放测试系统的重型柴油车冷启动排放评价方法研究*

崔焕星 李 刚 蒲雨新 任素慧 刘顺利 纪 亮#

(1.济南汽车检测中心有限公司，山东 济南 250102；2.中国环境科学研究院，北京 100012)

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)》(GB 17691—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]。

图1 PEMS安装示意图Fig.1 Installation schematic of PEMS

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)。

注：t1为功基窗口初期时间，s；Δt为功基窗口持续时间，s；W(t1)、W(t1+Δt)分别为对应时间的发动机累积做功，kW·h。

其中，Δt由式(1)决定：

W(t1+Δt)-W(t1)≥Wref

(1)

式中：Wref为发动机进行WHTC测试的循环功，kW·h。

获得功基窗口后，将功基窗口平均功率(功基窗口内的发动机做功与功基窗口持续时间之比)比例(占发动机最大功率的比例)大于20%的记为有效功基窗口，有效功基窗口需至少达到所有功基窗口的50%(若低于50%，允许将功基窗口平均功率比例阈值以1%降低，直至有效功基窗口比例达到50%，但功基窗口平均功率比例阈值不能低于10%)。发动机做功及污染物排放在一个移动的功基窗口中累积，移动频率与采样频率相同，计算每个功基窗口的污染物比排放[16]。其中，90%有效功基窗口的污染物比排放应满足GB 17691—2018和文献[17]的要求。每个功基窗口的气态污染物比排放(egas，g/(kW·h))与PN比排放(ePN，个/(kW·h))应分别采用式(2)、式(3)计算：

(2)

式中：m为功基窗口内的气态污染物排放质量，g。

(3)

式中：P为功基窗口内的PN，个。

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。

表1 测试设备信息

本研究选取3辆符合GB 17691—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(AUS 32)》(GB 29518—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。

表2 测试车辆信息

表3 测试信息

测试时，车辆按照市区—市郊—高速的行程连续行驶，每隔2 h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3 130 s，车辆2第1个功基窗口持续时间为5 244 s，车辆3第1个功基窗口持续时间为2 012 s。

图3 PEMS测试结果Fig.3 Results of the PEMS test

图4 以有效功基窗口计算的NOx与PN比排放Fig.4 Specific emissions of NOx and PN calculated by valid work-based window

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)》(GB 18352.6—2016))，仅进行1次PEMS测试，对数据进行分段处理。

对于热态数据，GB 17691—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GB 17691—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GB 17691—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。

图5 功基窗口平均功率比例低于10%的NOx比排放Fig.5 Specific emissions of NOx with work-based window’s average power percentage below 10%

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GB 17691—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。

图6 以功基窗口计算的NOx与PN比排放Fig.6 Specific emissions of NOx and PN calculated by work-based window

图7 以第1个功基窗口为冷启动排放计算的NOx与PN比排放Fig.7 Specific emissions of NOx and PN calculated by the first work-based window as the cold start emissions

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GB 17691—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GB 17691—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。