基于PEMS试验的重型柴油车冷启动 排放特征研究

张靳杰，杨 聪，徐 达，李 鑫

（中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司，湖北 武汉 430056）

前言

重型柴油车一直以来都是移动源污染物排放的主要贡献者，根据2020年中国移动源环境管理年报的数据[1]，2019年我国柴油车 NOx 排放量超过汽车排放总量的 80%，PM 排放量超过90%。为了控制柴油车污染物的排放，《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》标准中对排放限值做了更严格的要求。但现行国标Ⅵ仅对发动机冷启动排放做了相关要求，对于重型柴油车整车污染物排放的限制则主要针对充分热车后的状态[2]。相关研究表明[3]：低温环境下柴油机气态污染物的排放更加恶化，柴油机冷启动试验的污染物排放量要显著高于热启动。鉴于此，有必要开展对于重型柴油车整车冷启动阶段污染物排放特征的研究，为下一个阶段排放限值的制定打下基础。

本文选取了五辆重型柴油车作为研究对象，研究重型柴油整车常温冷启动状态下实际道路的污染物排放情况，对比分析冷启动阶段与整个车载试验阶段的污染物排放特征。

1 试验方案

1.1 试验车辆

试验选取了5辆国Ⅵ的重型柴油车作为研究对象，5辆车的基本信息见表1。

表1 试验车辆基本参数

1.2 试验设备

试验采用日本HORIBA公司生产的OBS-ONE型便携式排放测试系统（PEMS）进行车载测试。该设备采用不分光红外光谱吸收分析仪（NDIR）对CO和CO2进行测量，采用化学发光分析仪（CLD）对NOX进行测量，采用颗粒物计数系统（CPC）对PN进行测量。仪器具体参数见表2。

表2 OBS-ONE型便携式排放测试系统技术参数

选择合适的流量计与车辆尾气管连接，GAS模块和PN模块分别通过采样管线采集样气，对排气污染物进行测量分析，CC模块实时记录污染物测量结果，并且通过连接的传感器记录下实时的环境温湿度、大气压力以及车辆的位置和速度信息；整车的发动机水温、转速、扭矩等信息通过OBD接口与CC模块通讯。设备的连接示意图如图1所示。

图1 设备连接示意图

1.3 测试过程及路线

试验测试过程参考GB 17691―2018附录K的要求[4]，在发动机冷却液低于30 ℃（或冷却液温度不高于环境温度2 ℃）的条件下开始试验，在水温达到70 ℃之前的行驶阶段均记为冷启动阶段。之后开始按照市区、市郊、高速的顺序开展试验，市区阶段平均速度15～30 km/h，市郊平均速度45～70 km/h，高速阶段平均速度大于70 km/h。N2车辆市区、市郊、高速阶段的时间占比分别为45%、25%和30%，N3车辆市区、市郊、高速阶段的时间占比分别为20%、25%和50%。测试路线图如图2所示。

图2 试验线路图

2 试验结果与分析

2.1 污染物累计排放特征

分别将冷启动、市区、市郊和高速试验阶段内污染物的瞬时排放量进行累加，得到各个试验阶段内各污染物的累计排放量。

2.1.1 NOX累计排放特征

图3为5辆试验车辆的NOX累计排放量结果。5辆车在冷启动阶段NOX累计排放量分别为7.41 g、13.55 g、4.13 g、10.87 g和20.29 g，由图3可以看出，除了车辆3#，NOX在冷启动阶段的累计排放量都是在整个试验阶段中最多的。尤其是车辆4#和车辆5#，它们在冷启动阶段的NOX累计排放量占整个试验阶段的80.40%和92.84%，远超市区、市郊和高速阶段NOX累计排放量的总和。在车辆的冷启动阶段，尾气排温较低，未达到尿素的喷射温度，后处理SCR此时处于休眠状态，这个阶段的排放出的尾气NOX含量比较高。待到进入市区、市郊和高速阶段，排温上升，尿素开始喷射同时达到SCR进行反应的适宜温度，尾气中的NOX被大量去除。车辆3#冷启动时温度较高，且很快进入到市区阶段，处于冷启动阶段的时间最短，这可能是导致其在冷启动阶段NOX累计排放量较低的原因。

图3 NOX累计排放量

2.1.2 CO累计排放特征

图4为5辆试验车辆的CO累计排放量结果。5辆车在冷启动阶段CO累积排放量分别为9.30 g、10.13 g、1.61 g、4.88 g和15.16 g，由图4可以看出，冷启动阶段CO累积排放量占比波动较大，车辆3#的占比最小为3.30%，因为冷启动持续时间短，且冷启动开始的温度最高；车辆2#的占比最大为65.27%，该车的冷启动持续时间长，并且该车冷启动的温度是所有车辆中最低的。

图4 CO累计排放量

2.1.3 PN累计排放特征

图5为5辆试验车辆的PN累计排放量。5辆车在冷启动阶段PN量分别为4.37E+10个、6.82E+12个、3.06E+12个、8.35E+12个和2.74E+9个，由图5可以看出，除车辆4#外，其他4辆车在冷启动阶段的PN累积排放量占比都很低，尤其车辆1#和车辆2#，占比仅为0.05%和0.01%。相关研究表明[5]，颗粒物容易在发动机内高温浓混合起区域大量产生，冷启动阶段，车辆多处于怠速和低速工况，发动机缸内温度较低，而市区、市郊和高速阶段，发动机缸内温度较高，燃油喷射量也较多[6]，所以PN在中高速阶段的排放量要远大于冷启动阶段。

图5 PN累计排放量

2.2 污染物比排放特征

将冷启动、市区、市郊、高速试验阶段的累计排放量比上各试验阶段的累计功，得到各个试验阶段的污染物比排放，比排放反映车辆在单位做功下污染物的排放水平。

2.2.1 NOX比排放特征

图5为5辆试验车辆在各试验阶段的NOX比排放，5辆车在冷启动阶段的比排放分别为11.83 g/kWh、7.19 g/kWh、4.36 g/kWh、7.55 g/kWh和5.76 g/kWh，由图5可以看出，车辆在冷启动阶段的NOX比排放远高于市区、市郊和高速阶段的NOX比排放。冷启动阶段后处理SCR系统转化效率受限[7]，并且冷启动阶段的怠速和低速工况使得此阶段的累计功较低，造成此阶段比排放远高于其他三个阶段的比排放。

图6 NOX比排放

2.2.2 CO比排放特征

图7为5辆试验车辆在各试验阶段的CO比排放，5辆车在冷启动阶段的比排放分别为6.32 g/kWh、5.38 g/kWh、1.70 g/kWh、3.39 g/kWh和4.31 g/kWh，除车辆3#冷启动阶段的比排放略低于市区阶段外，其余四辆车在冷启动阶段的比排放都远高于其他三个阶段的比排放。并且，车辆1#、2#和5#的各阶段比排放数据都表现为冷启动>市区>市郊>高速，说明平均速度越高，CO的比排放就越低。而冷启动阶段的比排放显著高于其他阶段，是因为在冷启动阶段，发动机缸内燃烧温度低，燃油短时间内不能完全氧化[5]，导致CO的排放较多。

图7 CO比排放

2.2.3 PN比排放特征

图8为5辆试验车辆各试验阶段的PN比排放，5辆车在冷启动阶段的比排放分别为2.97E+10#/kWh、3.62E+12#/ kWh、3.23 E+10#/kWh、5.80 E+10#/kWh和7.78 E+8#/kWh。车辆3#和4#在冷启动阶段的PN比排放最高，而车辆1#、2#和5#在冷启动阶段的比排放较其他阶段低。

图8 PN比排放

2.3 冷启动前后污染物浓度变化

以水温达到70 ℃为分界点，截取70 ℃前200秒和后200秒时间内的各污染物的瞬时排放浓度，分析各污染物浓度随时间的变化关系。

2.3.1 NOX冷启动前后排放浓度变化特征

图9显示了水温达到70 ℃前后400 s时间内NOX的排放浓度变化情况。由图9可以看出，5辆试验车辆的NOX排放浓度在水温70 ℃前的排放浓度要远大于水温70 ℃后的排放浓度，NOX的浓度从200～1 000 ppm快速下降到100 ppm以下并保持稳定。由此可见，温度对于NOX的去除起着重要的作用。后处理SCR系统中使用的尿素水溶液只有在温度达到133 ℃以上才会大量热解，产生用于去除NOX的NH3[8]，在冷启动阶段，尾气排温很低，达不到SCR系统的正常工作温度，NOX不进行反应，当NOX排放浓度开始快速下降的阶段，正是后处理SCR系统开始起作用的阶段。

图9 NOX冷启动前后排放浓度

2.3.2 CO冷启动前后排放浓度变化特征

图10显示了水温达到70 ℃前后400 s时间内CO的排放浓度变化情况。由图可以看出，车辆1#、4#、5#在水温达到70 ℃前的CO排放浓度要高于水温达到70 ℃后的浓度；这是由于，冷启动阶段水温较低，发动机缸内燃烧温度也较低，从而形成大量的CO随尾气排出[5]。而车辆2#和3#在水温达到70 ℃后，CO的排放浓度大于70 ℃前的排放温度，这可能与不同厂家催化氧化反应器的起燃特性不同有关。

图10 CO冷启动前后排放浓度

2.3.3 PN冷启动前后排放浓度变化特征

图11显示了水温达到70 ℃前后400 s时间内PN的排放浓度变化情况。由图可以看出，车辆1#、2#、5#在水温达到70 ℃前的PN排放浓度一直很低，70 ℃后PN的排放浓度明显增大；而车辆3#和4#在这400s的时间内，PN的排放浓度是一个不断减小的趋势。这两种相反的趋势说明了排温对于PN的排放浓度的影响不大，影响PN排放浓度的主要是车辆的后处理路线和标定策略[9]。

图11 PN冷启动前后排放浓度

3 结束语

NOX在冷启动阶段的排放浓度、比排放和累计排放量都 远大于其他阶段；CO的比排放在冷启动阶段大于其他阶段，而排放浓度和累计排放量随不同的车有不同的趋势；PN在冷启动阶段的排放浓度、比排放和累计排放量都没有相同的变化趋势。

重型柴油车在冷启动阶段的NOX和CO排放是不能忽略的问题，应加强对重型柴油车在冷启动阶段NOX和CO的排放控制。