关于载荷及工况对国六重型柴油车排放的影响探讨

高忠明 许丹丹 徐军辉 李博

摘  要：本文基于一辆国六排放水平的N2重型柴油车，分析探讨了载荷及工况对车辆NOx和颗粒物数量（PN）排放的影响。结果表明：相比于空载，半载NOx比排放降低了2.22%，PN比排放升高了1.73%;满载NOx比排放降低了12.36%，PN比排放升高了12.97%。相比于城市工况，市郊工况NOx比排放降低了72.1%-79.8%，PN比排放增加了35.2-142.5倍;高速工况NOx比排放降低了95.9%-97.6%，PN比排放增加了36.1-154.5倍。基于发动机后处理的工作原理，对上述结果进行了简单分析并提出了解决方法，以减小载荷及工况对国六重型柴油车排放的影响。

关键词：柴油车;载荷;工况;NOx;PN

中圖分类号：U461           文献标识码：A     文章编号：1005-2550（2021）02-0016-06

Abstract： Based on an N2 CHINA Six-stage heavy-duty diesel vehicle，this paper analyzes and explores the effect of load and operating conditions on NOx and particle number（PN） emission. The result shows that compared to no-load， half-load NOx specific emission is reduced by 2.22%， and PN specific emission is increased by 1.73%; Full-load NOx specific emission is reduced by 12.36%， and PN specific emission is increased by 12.97%. Compared with urban conditions， NOx specific emission in suburban conditions is reduced by 72.1% -79.8%， PN specific emission is increased by 35.2-142.5 times; NOx emission in high-speed conditions is reduced by 95.9% -97.6%， and PN specific emission is increased by 36.1-154.5 times. Based on the working principle of engine post-processing， the above results are briefly analyzed and solutions are proposed to reduce the effect of load and working conditions on the emission of CHINA Six-stage Heavy-duty diesel vehicle.

Key Words： Diesel Vehicle; Load; Operating Condition; NOx; PN

柴油机以热效率高、燃油经济性好、可靠性高和动力性强的优点受到人们青睐[1]。但柴油机排出的大量有害物质也给环境带来严重污染，危害人类的健康[2]。氮氧化物进入人体会导致肺部和支气管疾病[3]。柴油机排出的颗粒中核模态粒子占有较大数量百分比[4]，这种细小的颗粒对人体的危害更加严重[5]。随着排放法规的日益加严，各种污染物限值进一步降低，相对于国五标准[6-7]，国六重型车排放标准[8]加严了NOx排放限值，并针对柴油车增加了PN的检测。

车辆在实际使用过程中会出现空载、满载极端的运行工况，部分车辆因用途单一存在实际运行速度偏低的情况，这些情况均会影响车辆的正常排放。比如郭佳栋等[9]研究表明，某些装有选择性催化还原（SCR）系统的国Ⅳ公交车因运行速度偏低导致实际NOx排放比国Ⅲ公交车高，Velders等[10]研究表明，欧Ⅴ的卡车在实际使用中排放并没有达到法规加严所达到的预期，并且这种情况在城市工况更为明显。作为国六重型柴油车净化NOx主要技术的SCR系统，其转化效率依然受限于排气温度的影响。

由于PN在国六重型车标准b阶段实施后才作为重型柴油车监管污染物，因此相关重型柴油车PN排放的研究较少，尤其是实际道路中车辆NOx与PN的共同研究，载荷与工况对二者的影响更是罕有涉及。本文基于一辆国六重型柴油载货汽车，使用HORIBA公司生产的OBS-ONE车载排放设备对样车进行不同载荷状态，相同载荷不同工况下的排气污染物分析研究。

1    材料与方法

1.1   试验车辆

试验车辆为一台最大设计总质量为11吨的载货汽车，具体参数见表1所示：

1.2   测试仪器

测试仪器使用的是HORIBA公司生产的OBS-ONE车载排放测试设备。测试仪器连接及布局见示意图1。该仪器主要由主控单元、气体分析单元、PN计数单元、流量测量单元、GPS及温湿度传感器等部件构成。CO2与CO采用非分散红外法（NDIR）的分析原理，NOx采用化学发光法（CLD）的分析原理，PN采用凝聚颗粒计数法（CPC）的计数原理。该仪器可实时测量排气中CO2、CO、NOx和PN的浓度，并根据排气流量、排气压力、排气温度、排气组分密度和排气密度比（ugas）等参数自动计算排气中各气体污染物的质量流量以及颗粒物的数量流量。通过OBD诊断接口读取车辆发动机及后处理的实时运行参数，根据发动机实际扭矩百分比、摩擦扭矩百分比、参考扭矩、转速计算发动机瞬时功率。

1.3   试验方法

试验依据国六重型车排放标准对样车分别进行空载、半载、满载状态下的三次实际道路排放试验，每次试验由市区工况（车速0-50km/h，平均车速15-30 km/h）、市郊工况（第一个车速超过55 km/h的短行程记为市郊的开始，50-75km/h，平均车速45-70 km/h）、高速工况（第一个车速超过75 km/h的短行程记为高速的开始，平均车速大于70 km/h）组成，并按此顺序完成试验。试验中各工况的时间比例为市区工况45%、市郊工况25%、高速工况30%，允许±5%的比例偏差。

本次研究取用的数据为试验的“有效数据（剔除70℃以下的冷启动数据）”。一段时间内某种污染物累积排放质量（PN为累积总数量）与该时间段内发动机累积输出功的比值为该污染物在这段时间的比排放，单位为g/kWh或#/kWh。通过对比空载、半载、满载试验NOx与PN的比排放结果来分析载荷带来的影响。对比每次试验的市区、市郊、高速三种工况NOx与PN的比排放结果来分析工况带来的影响。

2   结果与分析

2.1   基本结果

试验基本结果如表2所示：

2.2   氮氧化物

图2给出了载荷与工况对NOx排放的影响及各工况SCR载体平均温度。

相比于空载，半载与满载状态下NOx比排放分别降低了2.22%和12.36%。相比于市区工况，市郊工况的NOx比排放降低了72.1%-79.8%，高速工况NOx比排放降低了95.9%-97.6%。由图2可见，载荷的增加、工况车速的增加均使NOx比排放呈现下降的趋势，但载荷增加引起的变化相对较小，车辆工况变化带来的影响较为明显。这是由于该样车主要依靠SCR净化发动机产生的NOx，而排气温度是影响SCR工作的主要因素。当SCR载体温度低于180℃时，为了防止结晶后处理系统不会喷射尿素。载荷的增加以及工况车速的提高均会增加发动机的负荷，进而使得排气温度升高，增加尿素喷射时间占比的同时也提高了SCR的转化效率，使得NOx排放降低。从图2（a）可以看出，与空载状态相比，半载和满载状态时车辆SCR载体平均温度只提高了3.50℃和12.29℃，对尿素喷射时间占比的提高以及SCR转化效率的提高不明显，因而导致载荷的增加对该样车NOx排放的降低影响较小。从图2（b）可以看出，三次试验的市区工况SCR载体平均温度均低于180℃，排温在大部分时间未能达到尿素的启喷温度，因此市区工况的NOx排放近似等于发动机原始排放，相比于市区工况，市郊和高速工况由于车速的提高、发动机负荷的增加，使得市郊工况SCR载体平均温度升高了55.64-62.74℃，高速工况SCR载体平均温度升高了79.43-83.75℃。SCR载体温度的大幅度升高使得尿素喷射时间占比以及SCR转化效率得到有效提高，進而使得该样车在市郊工况下NOx比排放相对市区工况均下降了70%以上，高速工况下降了95%以上。

2.3   颗粒物数量

2.3.1 颗粒物排放结果

图3给出了各载荷试验PN平均比排放与各工况PN累计排放占比情况。图4 给出了各工况PN平均比排放。

从图3可见，PN的比排放随着载荷的增加呈现逐渐增高的趋势。相比于空载，半载与满载状态下PN比排放增长了1.73%和12.97%;市区工况的PN累积排放占比在0.2%-0.7%之间，市郊工况的PN累积排放占比在33.5%-41.8%之间，高速工况的PN累积排放占比在57.5%-66.3%之间。从图4可以看出，PN的比排放随着工况车速的增加呈现逐渐升高的趋势。相比于市区工况，市郊工况PN比排放增加了35.2-142.5倍，高速工况PN比排放增加了36.1-154.5倍。车速由城市工况提高至市郊工况时，PN增长较为剧烈，在市郊工况转变为高速工况的过程中，PN增长相对缓慢。

2.3.2 结果分析

图5给出了各载荷试验及各工况对应的发动机平均喷油正时。图6给出了各载荷试验及各工况对应的发动机平均喷油压力。

从图5可以看出随着载荷的增加、车速的提高，发动机的平均喷油正时随之增大。喷油正时的增大，发动机每个循环的喷油时刻提前，导致发动机滞燃期增加，使得燃料与氧气的混合更加均匀，粒子在缸内的氧化时间增加，进而降低了颗粒物数量，同时喷油正时的增加还会导致颗粒物各浓度曲线向小直径粒子方向偏移，核态粒子比例增加，积聚态粒子比例减少[11]。从图6可以看出随着载荷的增加、工况车速的提高，发动机的平均喷油压力随之增大。喷油压力的增加，增大了燃油喷雾锥角和喷射贯穿距，使得油气混合更加均匀，燃油喷射液滴会随喷油压力的提高而更加细小，增加了燃油的比表面积，同时喷射压力的提高，为柴油机缸内工质提供较高的喷射能量，从而使得气缸内的气流运动加剧，改善了油气的混合条件，使得粒子得到充分的氧化，进而降低了颗粒物数量。

从发动机喷油正时与喷油压力可以分析出，随着载荷的增加以及车速的增加发动机的PN原始排放呈降低趋势，并且核态粒子比例增加，积聚态粒子比例减少。

图7给出了各载荷试验及各工况对应的DPF平均压差。为了便于分析，本文采用DPF进出口温度平均值近似模拟DPF内部温度。图8给出了各载荷试验及各工况的DPF内部温度。

从图7可以看出随着载荷的增加，工况车速的增加，DPF内部温度随之升高。排气温的提高间接导致了PN排放的增加，其原因为排气中的NO在DOC的作用下与O2反应生成NO2，进入DPF后，NO2与DPF中被捕捉的碳颗粒发生反应，破坏了DPF中具有吸附作用的碳膜，并且这种反应速率与温度呈明显的指数关系[12]。相比于小负荷，发动机在负荷较大的情况下，因喷油压力及喷油正时的增大导致质量较大的积聚模态粒子比例减少，使得DPF积碳得不到有效补充，进一步加快了碳载量的降低速度，碳载量的减少使得DPF的过滤效率降低，增加了车辆的PN排放。

从图8可以看出随着载荷的增加、工况车速的增加，DPF压差会因此增大。DPF压差的增加，导致DPF过滤微孔两端的压差增加，使得DPF碳膜在此时可吸附的颗粒减少，同时部分附着在微孔周围的细小颗粒因压差的增加而穿过微孔逃离DPF。由于NO2与碳烟的反应，使得碳烟与DPF壁面接触松散，部分颗粒甚至直接悬浮在气流中，进而被排气气流吹扫出DPF，增加了车辆的PN排放。

由图5、图6、图7、图8可以看出，整车工况变化引起的发动机喷油正时、喷油压力、DPF内部温度、DPF压差的变化程度均大于载荷增加引起的变化。因此载荷变化对PN排放的影响相对较小，车辆运行工况对PN排放的影响相对较大。

3    结论与建议

3.1   结论

1、随着载荷的增加、工况车速的增加，车辆NOx平均比排放呈下降趋势。

2、随着载荷的增加、工况车速的增加，车辆PN平均比排放呈上升趋势。

3、载荷的增加以及车速的提高会降低DPF过滤效率导致最终PN排放增加。

4、DOC+DPF+SCR车辆在市区工况下NOx排放特性较差，PN排放特性较好，高速工况下NOx排放特性较好，PN排放特性较差。NOx排放主要来源于市区及市郊工况，PN排放主要来源于市郊和高速工况。

5、车辆载荷的变化对NOx与PN排放的影响相对较小，车辆运行工况对NOx与PN排放的影响相对较大。

3.2   建议

1、缩短发动机排气出口至SCR系统入口的管道长度、加装后处理系统保温装置、适当的减小低负荷工况下发动机的喷油提前角可有效的提高排气温度，进而降低车辆小负荷、低车速工况下的NOx排放。

2、适当增大DPF容积，降低DPF两端的压差，增加DPF目数，拓宽DPF捕捉粒径范围，进而降低PN排放。

参考文献：

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