用不同算法时载荷条件对重型车比排放影响的对比试验

张 凡，李 梁，于津涛

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300，中国）

生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报（2020）》[1]指出，机动车是污染物排放总量的主要贡献者，其排放的一氧化碳（CO）、碳氢化合物（hydrocarbon,HC）、 氮 氧 化 物（nitrogen oxides, NOx）和 颗 粒 物（particulate mass, PM）等4 项主要污染物均超过90%。占全国汽车保有量9%的柴油车NOx排放量超过汽车排放总量的80%，PM 排放量超过90%。因此，降低重型柴油车的污染物排放水平是改善环境空气质量的重要手段之一。生态环境部在2018 年6 月发布的重型柴油车第六阶段标准[2]中，引入了更加复杂的测试过程和更加严格的排放限值，国Ⅵ的NOx和PM 排放限值和国Ⅴ相比分别降低了77%和67%。

由于发动机台架测试无法真实反映重型车实际道路行驶的排放状况，国Ⅵ标准使用整车车载法（portable emission measurement system, PEMS）试验来评价车辆在使用中的实际排放状况。6a 阶段规定的PEMS 测试载荷范围是50%～100%，而6b 阶段则是10%～100%，说明重型车的载荷比例会影响实际道路的污染物排放水平。文献研究表明，瑞典国家道路与交通研究所、印度理工学院、加拿大麦吉尔大学、美国北卡罗来纳州立大学、清华大学环境学院、东南大学交通学院、江苏大学汽车与交通工程学院、广东工业大学机电工程学院、中国汽车技术研究中心有限公司、天津大学机械工程学院等[3-14]主要通过整车实际道路试验的研究方法，分别针对货车和客车在不同海拔、环境温度、道路坡度等条件下不同载荷比例对1～2 辆样品车辆二氧化碳（CO2）、NOx、颗粒物数量（particulate number,PN）及非常规污染物排放的影响程度开展了试验研究。

本研究在实际道路上进行了重型车污染物排放的测试，重点调查CO、CO2、NOx和PN 这4 项污染物的变化情况。试验使用车载排放分析系统，分别测量8 辆重型车在实际道路工况下上述4 种污染物的排放，对满足不同排放标准要求的重型车排放测试结果进行定量分析，查明载荷比例对单位行驶里程排放、单位行驶里程·车辆质量排放、单位发动机做功排放以及载荷修正系数的影响程度。

1 试验装置及方法

研究中采用进行生产一致性和在用车符合性检查的重型柴油车作为试验车辆，包括国Ⅵ标准车辆6 辆和国Ⅴ2 辆。试验车装配的发动机排量2.8～11.6 L，试验车的最大总质量为4.5～49.0 t。国Ⅵ、国Ⅴ柴油车的后处理装置分别为 DOC+DPF+SCR+ASC 和SCR。其中：DOC 为柴油车氧化催化器(diesel oxidation catalyst)；DPF 为柴油机微粒捕集器(diesel particulate filter)；SCR 为选择性催化还原催化器(selective catalytic reduction)；ASC 为氨逃逸催化器(ammonia slip catalyst)。试验车的关键参数如表1 所示。试验车所用燃料为燕山石化公司提供的满足GB 19147-2016 中油品参数要求的市售国Ⅵ柴油。

表1 试验车辆关键参数

试验中所采用的主要测试仪器为HORIBA 公司的OBS-ONE-G12 型车载排放分析系统，该系统集成了车载自动诊断（on board diagnostics，OBD）读取设备、全球定位系统（global position system, GPS）测量设备与排放测量设备，分别使用化学发光分析仪测量NOx，不分光红外线吸收型分析仪测量CO、CO2以及凝缩离子法测量颗粒物PN。

同一车辆分别加载不同的载荷质量，依据标准GB 17691-2018 附录K 的测试规范进行整车道路排放试验，试验数据采集频率为1 Hz。整车排放试验运行工况满足GB 17691-2018 附录K 中不同车辆类型的工况比例构成要求，同一车辆的试验路线和车辆速度在不同载荷比例条件下尽量保持一致。

2 试验结果及分析

2.1 载荷比例对CO 排放的影响

图1给出了单位行驶里程的CO 排放结果。从图1a 中可以看出，载荷比例（η）从0%增加到100%时,重型货车国V-1#单位行驶里程CO 排放先降低后增加, 而中型货车国V-2#则先增加，直至载荷比例增到125%，此后CO 排放呈降低趋势，两辆车的规律不一致。这2 辆国Ⅴ柴油车的后处理系统均为SCR，对CO 排放影响小，因此CO 排放主要取决于发动机的原机排放。当整车载荷比例改变时，发动机的输出扭矩发生变化，结果显示国Ⅴ柴油车单位行驶里程CO 排放受载荷比例的影响较小。

图1b 显示，随着载荷比例的增大，国Ⅵ-1#、4#、5#的单位行驶里程CO 排放明显下降，国Ⅵ-2#和国Ⅵ-6#基本不变，国Ⅵ-3#有上升的趋势。6 辆国Ⅵ柴油车的后处理系统均为DOC+DPF+SCR+ASC，对CO排放有转换作用，因此CO 排放取决于原机排放和后处理效率。结果显示，国Ⅵ柴油车单位行驶里程CO排放略小于国Ⅴ柴油车，载荷比例对国Ⅵ柴油车CO 排放的影响更大。

图1 不同排放标准重型车单位行驶里程的CO 排放

为了进一步定量分析规律，以50%载荷比例时的单位行驶里程排放数值作为基准值，分别计算其他载荷比例时排放数值与基准值之间的比值，得到载荷修正系数(k)。图2 分别给出了单位行驶里程CO 排放载荷修正系数的散点图和线性拟合曲线。可以看出，根据线性拟合曲线，国Ⅴ车辆单位行驶里程CO 排放载荷修正系数随着载荷比例的增大而增加，斜率为0.005 5，而国Ⅵ车辆呈现相反的结果，CO 排放载荷修正系数略有下降，斜率为- 0.000 6。表明：随着载荷比例的增大，发动机负荷增大，相同行驶里程的发动机原排CO 增加，国Ⅴ车辆单位行驶里程CO 排放有增加的趋势，而国Ⅵ车辆后处理能有效降低CO，单位行驶里程CO 排放不随载荷比例的增大而增加。

图2 不同排放标准重型车单位行驶里程CO 排放的载荷修正系数

为了更好体现载荷比例对发动机的影响，依据GB 17691-2018 附录K 的PEMS 测试规范和计算方法，分别测试了国Ⅴ和国Ⅵ重型车单位发动机做功的CO 排放并对数据做了与单位行驶里程CO 排放数据相同的处理，结果显示：国Ⅴ和国Ⅵ重型车单位发动机做功CO排放随载荷比例变化的规律分别与相同车辆单位行程里程CO 排放随载荷比例变化规律相同。

图3给出了单位发动机做功CO 排放的载荷修正系数随载荷系数变化的规律。可见，国Ⅴ车辆单位发动机做功CO 排放的载荷修正系数的线性拟合曲线斜率为0.005 7，与单位行驶里程时的斜率基本一致，而国Ⅵ车辆单位发动机做功排放的线性拟合，斜率为- 0.002 4，高于单位行驶里程时的斜率- 0.000 6，载荷修正系数随载荷比例增加而下降的趋势更明显。结果显示，发动机工作在更高的负荷区时，国Ⅴ车辆单位发动机做功的CO 原排有增加的趋势，但经过后处理转换后, 国Ⅵ车辆CO 排放随着载荷比例的增大而降低，后处理系统具有更高的转换效率。

图3 不同排放标准重型车单位发动机做功CO 排放的载荷修正系数

为了评价单位质量重型车的排放水平，进行了单位行驶里程·车辆质量的CO 排放的计算。图4 给出了单位行驶里程·车辆质量CO 排放的载荷修正系数的线性拟合曲线。可以看出，国Ⅴ车辆的单位行驶里程·车辆质量CO 排放的载荷修正系数基本不随载荷比例的增大而变化(线性拟合曲线斜率 - 0.000 6），而国Ⅵ车辆的载荷修正系数明显下降(斜率为 - 0.004 6)。结果表明行驶相同的里程时，载荷比例越大的国Ⅵ重型车，单位质量整车的CO 排放水平越低。

图4 不同排放标准重型车单位行驶里程`·车辆质量CO 排放的载荷修正系数

2.2 载荷比例对CO2 排放的影响

图5给出了单位行驶里程的CO2排放结果。从图5 中可以看出，2 辆国Ⅴ和6 辆国Ⅵ柴油车CO2排放随载荷比例变化的规律基本一致。柴油车单位行驶里程CO2排放受载荷比例的影响明显，随着载荷比例的增大，单位行驶里程CO2排放也逐渐增加，但是每辆车增加的幅度不相等。

图5 不同排放标准重型车单位行驶里程的CO2 排放

图6分别给出了单位行驶里程CO2排放载荷修正系数的散点图和线性拟合曲线。从图6a 中可以看出，单位行驶里程CO2排放载荷修正系数随着载荷比例的增大而增加，斜率为0.002 3，而国Ⅵ车辆的结果也基本相似，斜率为0.002 0, 表明随着载荷比例的增大，发动机负荷增大，相同行驶里程的发动机油耗增加，因此车辆单位行驶里程CO2排放有增加的趋势。

图6 不同排放标准重型车单位行驶里程CO2 排放的载荷修正系数

图7给出了单位发动机做功CO2排放的载荷修正系数随载荷系数变化的规律，可以看出，无论是国Ⅴ还是国Ⅵ车辆，单位发动机做功的CO2排放基本上不随载荷比例的增大而变化，保持在相同的排放水平。国Ⅴ车辆单位发动机做功CO2排放的载荷修正系数的线性拟合曲线斜率为 - 0.000 2，而国Ⅵ车辆单位发动机做功排放的线性拟合斜率为 - 0.000 4，近似为水平直线,表明当载荷比例变化时，发动机的工作负荷发生变化，但是发动机的有效热效率基本不变，单位发动机做功的CO2排放维持在相同的水平。

图7 不同排放标准重型车单位发动机做功CO2 排放的载荷修正系数

图8给出了单位行驶里程·车辆质量的CO2排放载荷修正系数的线性拟合曲线。国Ⅴ和国Ⅵ车辆单位行驶里程·车辆质量CO2排放的载荷修正系数都随着载荷比例的增大而下降，线性拟合曲线斜率相似，分别为-0.004 0、- 0.003 5，表明行驶相同的里程时，载荷比例越大的国Ⅵ重型车，单位质量整车的CO2排放水平越低。

图8 不同排放标准重型车单位行驶里程·车辆质量CO2 排放的载荷修正系数

2.3 载荷比例对NOx 排放的影响

2 辆国Ⅴ柴油车的后处理系统均为SCR，对NOx排放有降低的作用，因此，NOx排放取决于原机排放和后处理效率。图9 给出了单位行驶里程的NOx排放结果。从图9a 中可以看出，载荷比例(η)从0%增加到100%，重型货车国V-1#的单位行驶里程NOx排放先降低后增加； 而中型货车国V-2#，随着载荷比例从0%增加到75%，单位行驶里程NOx排放逐渐增加，但载荷比例再继续增加，NOx排放却呈降低趋势。但这2 种国Ⅴ柴油车单位行驶里程NOx排放受载荷比例的影响较小。6 辆国Ⅵ柴油车的后处理系统均为DOC+ DPF + SCR + ASC，对NOx排放有很强的转换作用，NOx排放主要取决于后处理转换效率。从图9b 可见，随着载荷比例的增大，国VI-1#和国VI-3#车的单位行驶里程NOx排放先下降后上升，国VI-6#车先上升后下降，国VI-2#、国VI-4#和国VI-5#车逐渐上升。结果显示，载荷比例对国Ⅵ柴油车单位行驶里程NOx排放的影响更大, 但国Ⅵ柴油车单位行驶里程NOx排放远低于国Ⅴ柴油车。

图9 不同排放标准重型车单位行驶里程的NOx 排放

图10给出了单位行驶里程NOx排放载荷修正系数的散点图和线性拟合曲线。从图中可以看出，国Ⅴ车辆的线性拟合曲线斜率仅为0.000 1，表明单位行驶里程NOx排放载荷修正系数基本不随载荷比例的增大而变化，而国Ⅵ车辆呈现不同的结果，NOx排放载荷修正系数逐渐增加，斜率为0.003 2。表明随着载荷比例的增大，发动机负荷增大，国Ⅴ车辆的后处理能有效降低NOx，单位行驶里程NOx排放不随载荷比例的增大而增加；而国Ⅵ车辆的NOx排放水平很低，高负荷时后处理的转换效率可能难以满足排放转换的要求，因此, 国Ⅵ车辆单位行驶里程NOx排放有增加的趋势。

图10 不同排放标准重型车单位行驶里程NOx 排放的载荷修正系数

图11给出了单位发动机做功的NOx排放载荷修正系数随载荷系数变化的规律。从图11 中可见，国Ⅴ车辆单位发动机做功NOx排放的载荷修正系数的线性拟合曲线斜率为 - 0.001 8，随载荷比例增加有下降的趋势，而国Ⅵ车辆单位发动机做功排放的线性拟合斜率为0.001 8，低于单位行驶里程时的斜率(0.0032），载荷修正系数随载荷比例增加而上升的趋势有所减缓。结果显示，发动机工作在更高的负荷区时，国Ⅴ车辆单位发动机做功的NOx排放略有降低，而国Ⅵ车辆的排放有增加的趋势，但是离散度较大，每个车辆的结果规律差异较大。

图11 不同排放标准重型车单位发动机做功NOx 排放的载荷修正系数

图12给出了单位行驶里程·车辆质量的NOx排放结果和NOx排放载荷修正系数的线性拟合曲线。从图17 中可以看出，2 条线性拟合曲线斜率分别为 - 0.0024和 - 0.005 4，表明国Ⅵ车辆的单位行驶里程·车辆质量NOx排放的载荷修正系数随着载荷比例的增大而下降，而国Ⅴ车辆的载荷修正系数下降明显，说明行驶相同的里程时，载荷比例越大的重型车，单位质量整车的NOx排放水平越低。

图12 不同排放标准重型车单位行驶里程·车辆质量NOx 排放的载荷修正系数

2.4 载荷比例对PN 排放的影响

2 辆国Ⅴ柴油车均没有柴油机微粒捕集器(DPF)，对PN 排放影响小，因此PN 排放主要取决于发动机的原机排放。6 辆国Ⅵ柴油车的后处理系统均为DOC+DPF+SCR+ASC，对PN 排放有转换作用，因此，PN 排放取决于原机排放和后处理效率。图13 给出了重型车单位行驶里程的PN 排放结果。可以看出，2 辆国Ⅴ柴油车的规律基本一致，随着载荷比例的增大，单位行驶里程PN 排放逐渐增加，但增加的幅度不大； 6 辆国Ⅵ柴油车随着载荷比例的增大，单位行驶里程PN 排放也逐渐增加，且增加的幅度高于国Ⅴ车辆。结果显示: 国Ⅵ柴油车单位行驶里程PN 排放远低于国Ⅴ柴油车，载荷比例对国Ⅵ柴油车单位行驶里程PN 排放的影响更大。

图13 不同排放标准重型车单位行驶里程的PN 排放

图14分别给出了单位行驶里程PN 排放载荷修正系数的散点图和线性拟合曲线。可以看出，国Ⅵ车辆单位行驶里程PN 排放载荷修正系数随着载荷比例的增大而显著增加，线性拟合曲线斜率为0.011 9；国Ⅴ车辆的结果规律相似，线性拟合曲线斜率为0.001 2，远低于国Ⅵ车辆。结果表明：随着载荷比例的增大，发动机工作在更高的负荷工况，相同行驶里程的车辆产生了更多的颗粒物数量排放；国Ⅵ车辆因高负荷时DPF 后处理的转换效率难以满足排放转换的要求，所以国Ⅵ车辆单位行驶里程PN 排放有显著增加的趋势。

图14 不同排放标准重型车单位行驶里程PN 排放的载荷修正系数

图15给出了单位发动机做功的PN 排放载荷修正系数随载荷系数变化的规律。可以看出，国Ⅴ车辆单位发动机做功PN 排放的载荷修正系数的线性拟合曲线斜率为 - 0.000 6，基本不随载荷比例的增大而变化，而国Ⅵ车辆单位发动机做功PN 排放的线性拟合斜率为0.0063（低于单位行驶里程时的斜率0.011 9），载荷修正系数随载荷比例增加而上升的趋势有所减缓。表明发动机工作在更高的负荷区时，国Ⅴ车辆单位发动机做功的PN 排放略有降低，而国Ⅵ车辆经过后处理转换后的PN 排放逐渐增加。

图15 不同排放标准重型车单位发动机做功PN 排放的载荷修正系数

图16给出了单位行驶里程·车辆质量的PN 排放载荷修正系数的线性拟合曲线。可以看出，国Ⅵ车辆的单位行驶里程·车辆质量NOx排放的载荷修正系数随着载荷比例的增大而增加（线性拟合曲线斜率0.0051 ），而国Ⅴ车辆呈现相反的趋势，载荷修正系数明显下降(斜率为 - 0.005 0)。表明行驶相同的里程时，国Ⅵ重型车载荷比例越大，单位质量整车的PN 排放水平越高，而国Ⅴ重型车规律相反。

图16 不同排放标准重型车单位行驶里程·车辆质量PN 排放的载荷修正系数

2.5 不同载荷比例条件下车辆状态和排放瞬态曲线的对比

本研究进一步分析了车速、累计实际扭矩百分比、排气温度、PN、CO2和NOx排放的瞬态结果，图17和图18 分别给出了1 辆国Ⅴ和1 辆国Ⅵ车辆在PEMS试验中的PN 和NOx排放瞬态曲线。累计实际扭矩百分比为通过OBD 读取的实际扭矩百分比值随着时间（1 Hz）累计的结果。排气温度为PEMS 设备使用的排气流量计上排温传感器记录的温度结果，排气流量计与车辆排气出口相连。

图17 国Ⅴ重型车不同载荷比例条件下的瞬态排放对比

图18 国Ⅵ重型车不同载荷比例条件下的瞬态排放对比

瞬态结果表明，在6 种载荷比例条件下国Ⅴ车辆进行PEMS 试验时，车辆的车速曲线基本相似，而随着载荷比例的增大，发动机的累计实际扭矩百分比也逐渐增加，说明发动机工作在更高的负荷工况，而发动机的排气温度也有增加的趋势。图17 给出的PN 和NOx瞬态排放显示，2 种污染物在不同的载荷条件下瞬态排放曲线基本相似，只是在排放峰值水平上有所差异，特别是高载荷比例时最后的高速阶段出现很高的PN 峰值（见图17a），以及低载荷比例时最初的市区阶段出现较高的NOx峰值（见图17b）。

与国Ⅴ车辆结果相比，国Ⅵ车辆的车速、累计实际扭矩百分比、排气温度和CO2瞬态排放结果得到相同的结论。从图18a 中可以看出，由于有DPF 后处理的转换作用，国Ⅵ车辆的PN 瞬态排放远低于国Ⅴ车辆，大部分试验时间都维持在很低的水平，只有在高载荷比例条件时，在最初的市区阶段和最后的高速阶段出现了很高的PN 峰值，这就造成了高载荷比例时国Ⅵ车辆单位行驶里程PN 排放的增加。在高载荷比例高速阶段，由于排气温度升高和排气流量增加，在柴油机微粒捕集器（DPF）上发生的被动再生过程明显加剧，PN 排放量形成峰值。图18b 显示，催化还原催化器（SCR）后处理有很高的转换效率，国Ⅵ车辆的NOx瞬态排放在大部分的PEMS 试验过程中维持在很低的排放水平，只是在最初的市区阶段有较大的NOx排放峰值，而高载荷比例时NOx排放峰值高于低载荷比例，与高载荷比例时国Ⅵ车辆单位行驶里程NOx排放增加的趋势相符。

3 结 论

不同排放标准要求的重型车实际道路工况排放测试结果表明，载荷比例对不同污染物排放的影响程度随着计算处理方法（单位行驶里程排放、单位行驶里程·车辆质量排放、单位发动机做功排放）的不同，结果差异较大。

在不同载荷比例条件下各污染物的单位行驶里程排放规律不明显。行驶相同的里程时，载荷比例越大的国Ⅵ重型车，单位质量整车的PN 排放水平越高，CO、CO2和NOx排放水平越低。随着载荷比例的增大，国Ⅵ重型车单位发动机做功的PN 和NOx排放增加，CO2排放不变，CO 排放降低。

在高载荷比例条件时，国Ⅵ车辆单位行驶里程PN排放增加，原因是国Ⅵ车辆在最初的市区阶段和最后的高速阶段由于排气温度升高和排气流量增加，在柴油机微粒捕集器(DPF)上发生的被动再生过程明显加剧，出现了很高的PN 峰值。