基于发动机在环不同载荷对重型车排放影响研究

郑春芳，李腾腾，高涛

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

前言

传统的重型车排放认证只是发动机的认证，但台架认证的发动机工况与重型车实际道路发动机工况有较大差异，发动机法规认证的排放结果不能完全反映整车实际道路真实排放水平，自《重型柴油车污染物排放限值及测量方法》（中国第六阶段）[1]要求国六重型车要求整车在实际道路中测试排放。在实际道路测试中影响排放的因素众多，比如：天气、交通、路面状况、驾驶习惯、载荷等，经分析研究载荷影响排放权重较大，王刚[2]、周华[3]、郭勇[4]等人基于转毂平台已经分析载荷对重型车常规污染物及非常规污染物影响，但转毂平台由于驾驶员因素影响，每次试验并不能保证驾驶操作一致，从而会导致排放差异。本文基于发动机在环在同一驾驶条件试验一致性较好情况下研究不同载荷的对重型车排放的影响。本文通过VSM（Vehicle Simulation Model，VSM）软件建立整车模型、驾驶员模型、工况模型，在发动机在环（Engine-in-Loop）平台设定10%、50%、100%、150%载荷，分析不同载荷主要排放物NOx、CO、PN差异。

1 试验简介

1.1 试验设备

本文的试验研究是基于发动机在环仿真平台的软、硬件设备，该平台具体测试设备名称如表 1，整车及发动机关键参数如表2。

表1 EIL试验设备名称

1.2 试验循环

本试验所采用的循环为 GB/T 27840-2011《商用车燃料消耗量测量方法》推荐的重型柴油车整车综合油耗测量所使用的工况（C-WTVC 循环）[5]，C-WTVC是以世界重型商用车辆瞬态循环WTVC（World Transient Vehicle Cycle）为基础，调整加速度和减速度形成的驾驶循环，测试曲线如图1所示。

图1 C-WTVC循环速度曲线

1.3 样车参数

该样车为 N2类重型车，该车发动机及整车关键参数值如表2。

表2 发动机及整车关键参数

1.4 试验方案

为保证试验数据有效，不同载荷在C-WTVC循环试验时每次试验边界及进入条件一致，具体参数值如表3。

表3 试验边界及进入条件

2 试验结果和分析

2.1 车速跟随性分析

在模拟实车循环试验中，模拟车速对C-WTVC循环车速的跟随性决定了试验结果的精度，如果复现的车速误差较大，测试结果就不具备说服力[6]，图2是4次不同载荷下车速与C-WTVC目标车速跟随性对比结果，由图中结果可以看出，模拟车速与目标车速具有很强跟随性，分别对比不同载荷测试车速与目标车速偏差的平均值及最大偏差，具体数值如表4，发现随着载荷增加偏差平均值及最大偏差值呈增加趋势，但整体偏差平均值不足0.5km/h，最大偏差值未超出3.5km/h，表明4种载荷下模拟车速复现目标车速。

表4 不同载荷下偏差值

图2 不同载荷车速对比

2.2 NOx排放分析

NOx转化效率与SCR前的排温有直接联系，总体而言，SCR前排温高于某温度后，转化效率随温度升高而升高，当SCR前温度达到一定温度后，转化效率基本达到99%以上，转化效率基本不变。针对本车研究中图3为不同载荷下NOx排放量，10%载荷下NOx排放值为2.99g，排放量是其他载荷近2倍。通过图4不同载荷SCR前温度对比图发现在（300～600）秒之间10%载荷SCR前温度都在240℃以下，此时间段内由于SCR前温度偏低，NOx转化效率偏低，导致NOx大幅增加。50%、100%、150%载荷 NOx排放量较接近在（1～1.5）g之间，150%载荷在超载下产生的NOx量较多，但 SCR前排温明显高于其他载荷，NOx转化效率偏高，导致最终NOx排放量处在较低水平。说明该车在超载情况NOx超标风险较低。

图3 不同载荷NOx排放对比

图4 不同载荷SCR前温度对比

通过图 5不同载荷不同路况 NOx对比发现，4种载荷NOx的排放量主要集中在市区工况，分别占总量的76.4%、77.4%、81.1%、89.3%，因为市区平均车速在23km/h，停车起步较多导致后处理SCR前温度较长时间处在NOx低转化效率区；随着载荷的增加，在市区内NOx排放占比逐渐增大趋势，因为随着载荷增加尤其是超载平均排温相对于低载荷平均排温高20℃，使得超载时市区工况NOx转化效率也较高。通过图5不难看出，在市郊工况下，4种载荷NOx占比较小，高速工况占比几乎为零，说明该车控制NOx排放应加强市区工况的热管理保护策略，提升后处理排温。

图5 不同载荷不同路况NOx对比

2.3 PN排放分析

本小节主要分析C-WTVC循环不同载荷PN的排放量对比。不同载荷PN循环累计量如图6所示，10%、50%、100%正常载荷下PN的累计量分别为：5.2e11、5.8e11、7.88e11，随着载荷增加PN累计量逐渐增加，这与CO2排放趋势一致，如图8所示，随着载荷的增加CO2排放量逐渐增加。150%载荷下PN循环累计个数陡然增加，CO2的循环排放量高于其他载荷，这说明PN个数增加与超载情况喷油量增加，缸内燃烧温度高，雾化不均匀氧气不充足有关系。

图6 不同载荷PN累计个数对比

图7 不同路况不同载荷PN数量对比

通过图6、图7分析发现：10%、50%、100%载荷，高速工况PN排放最高，市区排放量剧中，市郊路况排放最低；150%载荷不同路况PN排放量均高于其他载荷，尤其在市区路况150%载荷PN排放数量远高于其他载荷，原因是在市区行驶中启停次数增加，急加速、急减速增多油门变化剧烈使缸内混合物在高温缺氧情况下燃烧，从而导致颗粒数大幅增加。

图8 不同载荷CO2量对比

2.4 CO排放分析

CO循环排放量主要受混合气浓度的影响，由于柴油机在扩散燃烧过程局部区域燃料与空气混合不均匀导致出现过浓的混合气，这些混合气因为缺氧而不能完全燃烧生成CO[4]。由图9可见，CO的循环排放量随着载荷的增加而逐渐增多，因为载荷量增大导致燃油消耗增加使混合物过浓燃烧过程增加，从而CO循环排放量10%载荷与50%载荷相差不大，100%载荷CO循环排放随着载荷而增加。10%载荷CO循环排放量相比50%载荷CO循环排放量增加1倍，150%载荷CO循环排放量相比50%载荷增加2倍。

图9 不同载荷CO量对比

由图10分析发现：不同载荷在市区路况CO排放均远高于其他路况，高速路况没有CO排放产生。主要原因是在市区路况复杂导致过浓混合物燃烧次数较多，导致的CO量累计大。通过分析发现：市区路况是CO产生的主要原因，在发动机燃烧开发过程集中优化低速低负荷区域燃烧过程，会减少CO循环排放量。

图10 不同载荷CO对比

3 试验结论

以一辆重型柴油车为研究对象，通过发动机在环平台测试设备得到排放数据，结合不同载荷C-WTVC循环工况进行分析，得到如下结论：

（1）随着载荷的增加NOx循环排放量增加，超载情况NOx排放超标风险较低。在所有载荷下，市区工况的 NOx占比较大，高达80%左右，低速低负荷区后处理排温提升空间较大，有待进一步优化。市郊工况NOx排放水平居中，高速工况几乎无NOx排放。

（2）随着载荷的增加 PN循环排放量增加，超载情况PN排放急剧增加，排放超标风险很高。10%、50%、100%三种载荷下，高速工况相对其他工况排放略高，市区、市郊工况排放水平基本相当。150%超载下，市区工况PN排放较恶劣，远高于法规限值。

（3）随着载荷增加CO循环排放量逐渐增加，超载情况CO排放值超标风险较低。在所有载荷下，CO排放量几乎来源市区工况，市郊工况CO有少许，高速工况几乎为零。低速低负荷区域混合物均匀程度决定CO循环排放量。