车辆载荷和空调对重型车实际道路排放的影响

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司 天津 300300）

引言

2018 年6 月22 日，国家生态环境部与国家市场监督管理总局联合下发《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[1]。与国五阶段相比，国六标准增加了整车车载法（PEMS）试验。PEMS 测试是指实际道路下整车排放测试。在国六法规中对PEMS 的测试规范有诸多的要求。其中对车辆载荷的要求在国六a 阶段为该车辆最大载荷的50%～100%，在国六b 阶段为该车辆最大载荷的10%～100%。对环境温度要求为-7 ℃至38 ℃。

周华等人[2]在重型底盘测功机上研究了不同车辆载荷对重型柴油整车排放影响，发现载荷对颗粒物数量（PN）的排放没有规律性的影响，但增加车辆载荷会降低重型车NOx的排放。Zhang 等人[3]研究了不同车辆载荷对重型柴油卡车的排放影响，发现车辆载荷对排放影响最大的是NOx，其次为CO 和PN。当处于高温和低温环境时，空调是否开启会对排放产生影响。赵伟等人[4]研究了空调对轻型车污染物和油耗的影响，发现开启空调会导致车辆污染物排放及油耗不同程度的增加。Brodrick 等人[5]研究了空调开启对重型柴油卡车怠速污染物排放的影响，研究表明开启空调会增加怠速时NOx的排放。

目前关于空调和车辆载荷对PEMS 测试的研究较少。基于此，本文选取了一辆国六排放的重型城市公交车，研究了高温条件下空调开启和车辆载荷对PEMS 测试排放的影响，从而方便企业更好地去应对法规要求的PEMS 测试。

1 试验介绍

1.1 测试车辆和测试设备

试验选取了一辆国六排放标准的城市公交车进行PEMS 测试。排放控制技术路线为废气再循环（EGR）+氧化催化器（DOC）+颗粒捕集器（DPF）+选择性催化还原器（SCR）[6]。选择公交车的原因是公交车车厢面积大，空调开启的影响会显著。测试车辆的主要技术参数如表1 所示。

表1 测试车辆的主要技术参数

测试设备为试验采用奥地利AVL 公司生产的AVL M.O.V.E 便携式车载排放测试系统。该系统包括尾气气态污染物分析系统（GAS PEMs）、尾气颗粒物数量分析系统（PN PEMs）、尾气流量计（EFM）、全球定位系统（GPS）、温湿度仪、OBD 记录仪等设备。

1.2 试验设置

为了评估空调和车辆载荷对重型车实际道路排放的影响，以正交型式设计了4 组试验，空调温度设定为25 ℃。其中空载不开空调为试验A，半载不开空调为试验C，空载开空调为试验B，半载开空调为试验D，如表2 所示。

表2 PEMS 测试矩阵

按照国六标准要求，对于城市车辆，车辆测试时的运行道路组成依次为：70%的市区路和30%的市郊路，允许实际构成比例有±5%的误差。测试地点在湖北武汉，测试时间为8 月份，正是温湿度很高的季节。

2 试验结果

2.1 测试特征

4 次PEMS 测试的特征如表3 所示。按照法规要求，冷却水温70 ℃以下的数据被剔除。4 次行驶的平均温度都在35 ℃以上，平均湿度在50%左右。B 测试行驶的里程和平均车速最高，其次是C 和D，A 测试行驶的里程和平均车速最低。A 测试的市区占比最高，为72.5%，B、C、D 的市区占比均在68.5%左右。A测试的加减速比例和怠速比例最高，其次为D、C、B。

表3 PEMS 测试参数

4 次实际行驶的速度曲线如图1 所示。

图1 4 次PEMS 测试的车速曲线

2.2 排放对比

4 次PEMS 测试的NOx比排放如图2 所示。在空载情况下，开启空调后PEMS 测试的NOx比排放为0.62 g/（kW·h），比不开空调PEMS 测试的NOx比排放降低了24.4%。在半载的情况下，开启空调后PEMS 测试的NOx比排放为0.62 g/（kW·h），比不开空调PEMS 测试的NOx比排放降低了39.2%。在同样不开空调的情况下，空载PEMS 测试的NOx比排放比半载低了19.6%。而在同样开启空调的情况下，半载PEMS 测试的NOx比排放和空载的基本一致。国六法规要求的NOx的排放限值为0.69 g/（kW·h）。从图中可以看到，在不开空调的情况下，不管是空载还是半载，NOx的比排放均超过了限值的要求。

图2 4 次PEMS 测试NOx比排放对比

NOx的最终排放是生成和去除两者综合作用的结果[7]。不管是开启空调还是增加车辆载荷，都是增加了发动机的负荷，从而使发动机的运行工况点发生了改变，因此缸内生成的NOx会有所不同。同时，增加负荷后，会改变发动机的排气温度，从而影响SCR的催化效率，造成NOx催化净化的差异[6-7]。图3 是4次PEMS 测试SCR 前温度的变化情况。表4 是4 次PEMS 测试SCR 前的平均温度以及累积功率。半载且开启空调的情况下累积功最高，为154.5（kW·h），且SCR 前的平均温度最高，为292.1 ℃。更高的排温使SCR 的催化效率更高，从而NOx排放最低。空载且开启空调的情况下累积功为148.6（kW·h），SCR前的平均温度为278.2 ℃。半载且不开空调的情况下累积功为124.9（kW·h），但SCR 前的平均温度最低，为236.3 ℃。由此可见，是否开启空调对NOx排放的影响要高于从空载到半载的变化对NOx排放的影响。这是由于测试车型是一辆客车，其车厢面积较大，而载重量并不高。因此开启空调所需要的能量较大，从而大幅提升了发动机的负荷，增加了后处理的排温，降低了NOx的最终排放。

图3 4 次PEMS 测试SCR 前温度对比

值得注意的是，在不开启空调的情况下，虽然从空载到半载增加了发动机的负荷，体现为空载不开空调的累积功要低于半载不开空调的累积功，但是空载不开空调PEMS 测试SCR 前的平均温度反而要高于半载不开空调的平均温度[8]。分析原因可能是空载不开空调的PEMS 测试A 有较多的加减速工况[9]，且当天进行试验的环境温度（37.5 ℃）要高于半载不开空调的PEMS 测试B（35.9 ℃）。

表4 PEMS 测试参数

4次PEMS 测试的PN 比排放如图4 所示。从图中可以看到，相较于国六法规要求的PN 的排放限值8×1012个/（kW·h），4 次PEMS 测试的PN 结果均满足限值要求。PN 排放最高的是半载且开启空调的测试，为1.06×1012个/（kW·h）。其次为空载开启空调，半载不开空调，PN 排放分别为8.25×1011个/（kW·h），6.74×1011个/（kW·h）。PN 排放最低的是空载且不开空调的测试，为4.49×1011个/（kW·h）。PN 排放与PEMS 循环的累积功具有很好的对应关系。这是因为颗粒物排放跟发动机的负荷存在较强的正相关关系，负荷越大，颗粒物排放越高[10-11]。

图4 4 次PEMS 的PN 比排放对比

3 结论

通过对一辆国六排放水平的城市公交车在高温条件下不同车辆载荷以及空调开启的PEMS 试验，发现：

1）在空载和半载两种情况下，开启空调会提高发动机的排温，从而降低了NOx的排放。在不开空调的情况下，半载的NOx排放要高于空载的NOx排放。在开启空调的情况下，半载和空载的NOx排放相差不大。

2）增加载荷或者开启空调都会造成PN 排放的增加。

3）由于PEMS 测试的边界范围很广，影响因素众多，需要企业在开发过程中进行多场景的验证。