低负荷工况下城市类重型柴油车的实际道路排放特性研究

王志红，庞 博，张远军，杜红云，董梦龙，胡 杰

（1.武汉理工大学汽车工程学院，武汉 430070；2.武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉 430070；3.襄阳达安汽车检测中心有限公司，襄阳 441004）

0 概述

重型车的污染物排放已经成为大气污染的重要来源，其中其氮氧化物排放占汽车排放总量的80% 以上，颗粒物排放占90% 以上［1］。加州空气资源委员会（CARB）等机构和组织为了进一步降低柴油车的排放特别是NOx的排放，将出台更加严格的标准。从2024年开始CARB 的NOx的排放限值将降至0.067 g/（kW·h），到2027年将继续降低至0.027 g/（kW·h）［2］，并将低负荷循环（low load cycle，LLC）测试工况加入重型车的发动机台架测试中，对低负荷排放考核进一步加严［3］。

部分城市类重型车如邮政运输车、垃圾自卸车、公交车等绝大部分时间在低负荷工况运行。但是，在对实际道路排放测试的试验数据进行处理时，欧洲功基窗口法规定测试窗口的功率阈值至少要大于10%，美国NTE 法（not-to-exceed，NTE）的测试窗口仅覆盖30% 以上的功率和转矩区间［4］，不能完全涵盖重型车的实际运行工况。

国内外学者针对相关排放标准下的重型车实际道路排放特性展开了广泛而深入的研究。文献［5］中对城市类公交车和出租车开展了实际道路排放测试，研究表明城市类轻型车和重型车在市区工况下的平均行驶速度较低，提高行驶速度有利于降低车辆污染物的排放总量。文献［6］中利用便携式排放测试系统（portable emission measurement system，PEMS）对6 辆重型柴油车进行实际道路排放测试，研究结果表明重型车国六排放标准中采用的功基窗口法所规定的功率阈值会导致大量发动机低功率、NOx比排放高的窗口被剔除，低估了重型车在实际道路测试中的NOx排放水平。文献［7–8］中研究指出重型柴油车的NOx实际道路排放至少被低估了50%，排放限值的不断加严并没有达到预期的NOx减排效果。文献［9］中研究结果表明功基窗口法中规定将所有窗口的90% 分位的排放因子作为此分析方法的最终结果，第90 个累积百分位窗口可能是“高排放”或“低排放”窗口，会引起测试的误差。

GB17691—2018《重型柴油车污染物排放限值与测试方法（中国第六阶段）》［10］（以下简称“国六”）新增了整车实际道路污染物排放测试，要求使用压燃式发动机的重型车需要进行实际道路排放测试。目前重型车的国六排放标准采用功基窗口法对实际道路排放试验数据进行处理，功基窗口法虽然能提高逐秒排放数据在计算结果中的利用率，但存在市区行驶阶段计算权重显著偏低的问题，大量低负荷工况下的数据会被忽略，进而可能导致低估污染物实际道路排放量［11–12］。研究和监督重型车低负荷工况下的排放特性对有效降低车辆污染物排放具有十分重要的意义。本研究致力于探究城市类重型柴油车的低负荷工况排放特性，为后续的法规完善提供数据参考。

1 测试装置与测试方法

1.1 试验车辆

城市车辆主要包括在城市运行的公交车、邮政车和环卫车。试验车辆为3 辆典型国六城市类柴油车，后处理系统配置有柴油机氧化催化器（diesel oxidation catalyst，DOC）、选择性催化还原（selected catalyst reduction，SCR）、柴油机颗粒捕集器（diesel particulate filter，DPF）和氨逃逸催化器（ammonia slip catalyst，ASC），详细技术参数见表1。N2 类车指最大设计总质量大于3 500 kg 而小于12 000 kg 的载货车辆；M3 类车指最大设计总质量大于5 000 kg的载客车辆，Ⅲ级指可载乘员数（不包括驾驶员）多于22 人且不允许乘员站立的车辆。在测试过程中，试验车辆的载荷均设定为对应车辆最大载荷的50%，试验使用的燃油均采用0 号柴油。

表1 试验车辆技术参数

1.2 测试设备

试验使用的测试设备是日本HORIBA 公司的OBS-ONE，安装及布置如图1 所示。该设备主要由中央控制单元（central control unit）、电源供电单元（power supply unit）、电力转换单元（power exchange unit）、气体分析模块（gas analyzer module）、颗粒物测量模块（particle number measurement module）组成。其中，气体分析模块用来测量CO2、CO、NOx的浓度，颗粒物测量模块用来测量颗粒物浓度。

图1 PEMS 设备安装示意图

1.3 试验路线

试验地点选在襄阳市襄州区，试验路线如图2所示，实线箭头代表市区路段的行驶路线，虚线箭头代表市郊路段的行驶路线。路线选取尽量形成环路，这样起始点和终点距离较近，能够满足试验始点和结束点之间海拔高度差不超过100 m 的要求，节省时间而且提高效率。

图2 试验路线图

1.4 试验方案与试验环境

城市类车辆的PEMS 试验路段比例为70% 的市区工况和30% 市郊工况，允许实际构成比例有5%的偏差。为降低试验环境、路况、驾驶习惯、海拔高度等因素对试验结果的影响，试验选在天气状况相近的3 天，每天相同时间段选用同一名驾驶员按照相同试验路线完成试验。详细试验工况比例见表2。

表2 试验工况相关参数

2 数据处理

依据国六排放法规标准，首先对试验过程中记录的污染物浓度、排气流量等数据进行时间对正。时间对正后，再对无效数据进行剔除，得到试验的有效数据。本研究采用比排放值的计算和功基窗口法两种数据处理方法，分别对有效数据进行处理。

2.1 比排放值的计算

根据重型车国六排放法规标准，污染物的比排放值可以通过如下方法计算得到。首先，用式（1）确定污染物的质量排放率。

式中，mgas为污染物的质量排放率，g/s；ugas为排气组分密度与稀释排气密度比；Cgas为排气组分平均体积分数；med为整个循环的总稀释排气质量，kg。

总的污染物排放质量可由式（2）确定。

式中，Mgas为试验过程中污染物的排放总质量，g；τ为试验的单位时间；n为试验总时长，s。

污染物的比排放值可由式（3）确定。

式中，egas为污染物的比排放值，g/（kW·h）；W为测试全程的总功，kW·h。

2.2 功基窗口法

功基窗口法是以发动机台架试验对应的世界统一瞬态循环（world harmonised transient cycle，WHTC）循环功作为划分窗口的依据，将数据划分成窗口来进行计算。功基窗口法的限制条件：剔除冷起动阶段的数据，窗口的平均功率要大于发动机最大功率的20%，有效窗口第90 分位的污染物比排放值大于排放限值。

2.2.1 窗口划分

图3 表示在划分第i个平均窗口时，发动机做的循环功对应的污染物质量的变化。第i个平均窗口周期（t2，i-t1，i）由式（4）确定，终止时刻t2，i由式（5）确 定。t为 窗口的采 样时刻，s；t1，i和t2，i分别为 第i个平均窗口的采样起始时刻和终止时刻，s。

图3 功基窗口法

式 中，W(tj，i) 为从开始到时间tj，i内的发动机循环功，kW·h；j为第i个窗口内的采样周期总数；Wref为WHTC 的循环功，kW·h；Δt为数据采样周期，1 s。Δm为第i个窗口内的污染物排放变化量，g。

2.2.2 窗口比排放

每个窗口内污染物的平均比排放由式（6）和式（7）确定。

式中，mgas/PN，j为每次数据采样得到的气体污染物或PN 的总质量，g；mp为每个窗口内污染物的排放量，mg；W(t2，i)-W(t1，i)为第i个平均窗口的发动机循环功，kW·h；ep为每个窗口内污染物的比排放值，mg/（kW·h）。

3 结果分析

通常情况下，把发动机负荷率低于25% 的工况定义为低负荷工况［13］。车辆运行时，PEMS 设备通过连接车载自动诊断系统（on-board diagnostic，OBD）装置读取一系列发动机参数，如发动机负荷率和发动机转速等。将排放测试数据进行整理，对发动机负荷率按照每隔5 个百分点的分段方式进行分类，通过计算比排放分析车辆在低负荷工况下不同负荷段的CO、NOx、PN 的排放，再结合功基窗口法分析低负荷工况下的窗口情况。

3.1 污染物的排放占比

试验车辆的发动机负荷率处于不同区间段时CO、NOx、PN 的排放质量占比如图4所示。0～20% 负荷率区间内，1 号车、2 号车、3 号车CO 排放质量占比分别为86.6%、72.0% 和83.1%，NOx排放质量占比分别为87.0%、73.4% 和60.7%，PN排放质量占比分别为52.9%、88.3% 和85.6%。由此可见，部分城市类重型车的低负荷工况占比高，当发动机处于低负荷工况运行时各类污染物的排放占比均很高。

图4 不同负荷工况下各测试车辆的污染物排放占比对比图

3.2 污染物的比排放值

图5 为试验车辆的发动机负荷率处于不同区间段时，对应的CO 比排放值。1 号车辆在负荷率处于0～5% 和5%～10% 的区间时，CO 的比排放分别为10.49 g/（kW·h）和8.41 g/（kW·h），高于国六CO 排放限值（6g/（kW·h））。2 号车辆在负荷率处于0～5%区间时的CO 比排放为5.85 g/（kW·h），接近国六CO 排放限值。3 辆车的最高比排放区间均为负荷率0～5% 区间段，且高排放区间基本均位于低负荷区间。出现上述现象的原因是：当车辆启动时，发动机处于低速低负荷状态，柴油与空气混合不均匀，部分产生的火焰会出现淬熄的现象，局部燃烧不够充分，会增加CO 的产生；另外，城市类重型车在低负荷工况运行时会伴随着频繁的制动，DOC 系统无法发挥出完整的效能，CO 无法及时地被氧化成CO2。

图5 不同负荷工况下各试验车辆的CO 的比排放

虽然1 号车辆在负荷率为0～10% 的区间内的比排放结果高于国六排放限值，但是综合3 辆车的情况来看，各个负荷段里CO 的排放数值基本符合国六排放标准。

图6 为试验车辆的发动机处于不同负荷率区间段时的NOx比排放值。1 号车辆在负荷率处于0～5%、5%～10%、10%～15%、15%～20% 区间内时，NOx的比排放分别为2.14 g/（kW·h）、1.26 g/（kW·h）、1.14 g/（kW·h）、0.98 g/（kW·h），均高于国六NOx排放限值（0.69 g/（kW·h））。2 号车辆在负荷率低于30% 时的NOx比排放均高于国六NOx排放限值，最高的比排放区间为负荷率0～5% 区间，比排放为3.55 g/（kW·h）。3 号车辆在负荷率为0～5% 时的比排放最高，比排放的值为0.93 g/（kW·h），高于国六NOx排放限值。

图6 不同负荷工况下各试验车辆的NOx的比排放

城市类重型车大多数时间在市区工况运行，市区工况的怠速比例高，发动机低负荷的工况占比高。当发动机处于低负荷工况时，缸内的喷油量较少，空气的占比较高，柴油机的过量空气系数大，氧气含量高，高温富氧时有利于NOx的生成。当发动机处于低负荷工况时，排气温度较低，在很长时间内车辆的排气温度低于尿素的热解和水解温度。由于SCR系统中尿素的起喷温度在200 ℃～210 ℃范围内，过低的排气温度造成尿素无法充分水解，SCR 系统的效能大幅降低，导致市区工况下NOx的排放量增多。而在市郊工况时，即使发动机负荷高，缸内燃烧温度高。NOx原排浓度大，但是SCR 系统中的尿素达到了水解温度，可以实现90% 以上的转换效率，大幅降低了NOx排放量。

图7 为试验车辆的发动机处于不同负荷率区间时对应的PN 比排放值。测试车辆在负荷率较低时，PN 比排放远低于国六限值，但是仍然有低负荷工况的排放占比高的现象出现。2 号车辆和3 号车辆在负荷率处于0～5% 区间时PN 比排放最高，分别为3.71×1011个/（kW·h）和6.42×1011个/（kW·h），均低于国六PN 排放限值1.2×1012个/（kW·h）。

图7 不同负荷工况下各试验车辆的PN 的比排放

由以上数据可以看出，PN 排放主要也是产生于低负荷工况。主要原因是：当发动机处于低负荷工况时，气门的重叠角偏大使得进气压力偏低，进气量少，造成进气涡流弱，导致缸内柴油与空气的混合不均匀，局部燃烧不够充分，产生大量细小颗粒物，导致车辆PN 排放升高。

综上可知，在低负荷阶段PN 排放远低于国六排放限值。在实际检测过程中，可以把PN 检测作为次要关注对象，而着重关注NOx排放。

3.3 平均比排放

试验车辆的平均比排放结果如表3 所示。国六法规中污染物CO、NOx、PN 的排放限值分别为6.00 g/（kW·h）、0.69 g/（kW·h）和1.2×1012个/（kW·h）。各类污染物的平均比排放均低于国六排放限值。由前面的分析可知，虽然试验车辆的平均比排放都低于国六排放限值，但是当发动机在不同的负荷下运行时产生的排放量差别明显，低负荷阶段的排放量占比很大。

表3 污染物的平均比排放

3.4 NOx 的排放分布特征

在分析不同负荷率下污染物的比排放值时，发现在低负荷工况下NOx排放多次出现超出限值的情况。为了更加明显地观察NOx排放分布特征，图8中列出了测试车辆的NOx比排放散点分布。如图8所示，1 号车辆比排放较高的点基本分布于0～20%负荷段，2 号车辆和3 号车辆比排放较高的点较为集中地分布于0～40% 的负荷段，这说明了NOx的高比排放点集中分布在低负荷工况。因此，在重型车的实际道路排放检测中，NOx排放要作为车企和检测机构关注的重点。

图8 各试验车辆在不同负荷率下NOx 比排放分布

3.5 功率阈值对NOx 排放的影响

本节着重讨论功率阈值对NOx窗口比排放的影响。法规中有效窗口的选择原则为：窗口平均功率大于发动机最大功率的20% 的窗口为有效窗口，要求有效窗口的比例大于等于50%。若有效窗口的比例低于50%，则按照1% 的步长降低功率阈值的要求，若功率阈值降低至10%而有效窗口比例仍未超过50%，则判定PEMS 试验无效。功基窗口的数据见表4。

表4 功基窗口相关数据

图9 汇总了3 辆试验车辆NOx窗口比排放的分布规律，图中竖直方向的实线对应功率阈值，实线左侧为无效窗口，右侧为有效窗口，即参与排放计算判定的窗口；图中水平方向的虚线对应有效窗口的第90% 分位的NOx比排放值，虚线上方的窗口比排放不受排放限值的约束。所以，实际上受到功基窗口法约束的NOx的窗口为图中右下方的方形。

图9 实际道路NOx 窗口比排放分布特性

在判定窗口有效性的过程中，1 号、2 号和3 号车辆分别剔除了20.13%、38.69% 和25.35% 的窗口，而且1 号车辆和3 号车辆的绝大部分被剔除的窗口都是NOx高比排放窗口，被剔除窗口的比排放值大多高于有效窗口的90% 分位NOx比排放值。这些NOx高比排放窗口的剔除导致大量发动机处于低负荷工况下的数值点被忽略掉，造成由此方法计算得到的结果出现较大的偏差。这些忽略掉的窗口数值正是城市车辆的常规工况点所在，导致相较于所有窗口，有效窗口NOx比排放大幅减少且分布特性巨变，有效窗口无法表征车辆实际尤其市区工况下的NOx排放水平，功基窗口法计算得到的NOx实际道路排放结果较实际情况被严重低估。

4 结论

（1）试验车辆在发动机处于0～20% 负荷率区间时，CO、NOx、PN 排放量占比分别达到72%～86%、60%～87%、52%～88%。由此可见，部分城市类重型柴油车的低负荷工况占比高，且低负荷工况下各类污染物的排放占比均很高。

（2）在低负荷工况下区间段内，测试车辆的CO和NOx的比排放值均出现超出法规限值的情况，且NOx的排放超标情况较为严重。

（3）运用功基窗口法处理数据时，过高的功率阈值会使得使用此方法在进行计算和评价时忽略大量发动机处于低负荷工况下的窗口，造成结果出现较大偏差。