重型柴油城市车辆实际道路冷启动排放特性研究

吴春玲，李 旭，白晓鑫，景晓军，刘卫林，裴毅强

（1.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300；2.天津大学 机械工程学院，天津 300072）

根据《中国移动源环境管理年报（2022）》显示[1]，2021年，全国机动车氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）排放量分别为582.1万吨、6.9万吨，其中，来自柴油车排放的氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）分别占汽车排放总量的80%和90%以上，成为汽车NOx和PM排放的主要来源。为了强化重型车排放源头控制，2018年6月，生态环境部与市场监管总局发布了国家标准《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（GB 17691—2018），自2023年7月1日起，全国范围内正式实施重型柴油车国六b阶段排放标准。

当前实施的重型车排放型式认证试验，包括发动机世界协调瞬态循环（World Harmonized Transient Cycle, WHTC）及中国重型商用车辆瞬态循环（China-World Transient Vehicle Cycle, CWTVC）、便携式排放测试系统（Portable Emissions Measurement System, PEMS）的排放测试。发动机WHTC测试排放是通过冷、热态排放加权计算（冷态权重为0.14，热态为0.86），考虑了冷启动阶段的排放。而在重型柴油车的C-WTVC和PEMS整车排放测试时，均未考虑冷启动排放，在进行C-WTVC循环排放测试时[2]，需提前运行1～2个热车循环来对车辆和底盘测功机进行充分预热再进行正式测试，测试不包括冷启动；在进行重型整车实际道路 PEMS测试时[3]，法规要求测试开始时发动机冷却液温度不得超过30 ℃，如果环境温度超过30 ℃，冷却液起始温度不得高于环境温度 2 ℃，但在发动机启动后，直到冷却液温度达到70 ℃或者在5分钟之内其温度变化小于2 ℃，测试才正式开始。

对于满足国六排放的重型柴油车，普遍采用的排放后处理技术路线是氧化型催化转化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）+柴油微粒过滤器（Diesel Particulate Filter, DPF）＋选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction, SCR）+氨逃逸催化器（Ammonia Slip Catalyst, ASC）[4-6]，车辆热机情况下，SCR催化器对NOx的转化效率大于90%[7-8]；但在车辆冷启动阶段排气温度较低，未达到尿素起喷温度或 SCR催化器温度较低，NOx转化效率低，使得冷启动阶段的 NOx排放要远大于热机[9-10]。2019年欧盟委员会发布的欧六E阶段中新增关于冷启动的排放测试规范[11]，将发动机冷却液温度从 30 ℃上升到 70 ℃时排放单独计算，记作冷启动阶段排放，且由于城市车辆行驶工况的特殊性，其市区工况时间占比较高，而车辆在市区路段行驶时，平均速度较低，怠速占比较高，且车辆频繁起停，使得发动机转速和负荷往往较低，排气温度较低，SCR效能低，不利于排放控制。

因此，需要进一步开展重型柴油城市车辆PEMS测试在冷启动阶段污染物排放特征研究，引入新的能体现冷启动阶段排放计算和评价方法。

1 试验设计

1.1 试验车辆

研究选取1辆符合国六b阶段排放要求的城市重型车辆进行 PEMS测试，其排放后处理为氧化型催化转化器（DOC）、废气再循环（Exhaust Gas Recirculation, EGR）、选择性催化还原技术（SCR）和柴油微粒过滤器（DPF），车辆的基本信息如表1所示。

表1 测试车辆基本信息

1.2 试验设备

试验采用奥地利AVL公司生产的M.O.V.E移动式排放测试系统（PEMS）进行实际道路行驶排放测试。设备的量程和精度如表2所示。

表2 测试设备信息

1.3 试验要求及基本情况

为确认重型车辆国六 b排放评估方法的通用性，研究设计对试验车辆进行 3次不同排放水平的测试。依照GB 17691—2018附录K的要求，PEMS设备应在车辆点火启动前开始采样，测量排气的温度、流量并记录发动机和环境参数，数据采集频率为1 Hz；在测试开始时发动机冷却液温度不超过30 ℃；试验按照市区—市郊顺序连续行驶，市区平均车速 15～30 km/h，市郊平均车速45～70 km/h；试验持续时间应保证测试车辆的累计功达到发动机WHTC循环功的4～7倍[3,9,10]。

对试验车辆进行 3次不同的实际道路 PEMS测试，测试基本信息如表3所示。以发动机冷却液温度达 30℃为起始点的试验数据作为有效数据进行分析，测试功倍数和路线分配比例均满足法规要求，冷却液温度30～70 ℃时长在561～706 s之间，占整体 PEMS时长 7%以下，最小占比为5.11%。

表3 PEMS测试基本信息

表4 车辆冷启动阶段运行特征

2 国六功基窗口法

国六功基窗口法并非将车辆所有实际道路排放数据纳入计算，而是待冷却液温度到达70 ℃后（或在5分钟内变化小于2 ℃），以1 s为步长逐秒往后移动，根据到达发动机台架WHTC测试循环功为基准获得不同时长的窗口，分别计算各窗口的平均功率与发动机最大功率的比值，即窗口平均功率比，以此来确认该窗口是否满足有效窗口，进而再对NOx排放进行判定[2]。

如图1所示，第i个窗口的周期(t2,i-t1,i)由式（1）判断，终止时刻t2,i由式（1）、（2）共同判断：

图1 功基窗口法示意图

式中，W(tj,i)为从开始到时间tj,i内的发动机循环功，kWh；Wref为车辆的发动机 WHTC试验的循环功，kWh；Δt为测试数据的采样周期，1 s。

采用式（3）计算各窗口各污染物质量或数量的比排放ep（g/kWh或#/kWh）：

式中，mp为窗口内各污染物的排放总质量或排放总数量，g/窗口或#/窗口；W(t2,i)-W(t1,i)为第i个平均窗口的发动机循环功，kWh。

计算各窗口的平均功率比，设定平均功率比大于 20%（即功率阈值为 20%）的窗口为有效窗口，有效窗口占比大于或等于50%则PEMS试验有效，再通过有效窗口的 NOx通过率来判定排放是否超标；如果有效窗口占比低于 50%，则按照1%的步长降低进一步功率阈值，直到有效窗口比例达到50%为止；但功率阈值最小不能低于10%，否则试验无效。国六标准要求 90%的有效窗口污染物比排放应小于690 mg/kWh，本研究为直观体现车辆实际排放情况，采用将有效窗口污染物比排放从小到大排序后，处于 90%分位值的结果代表该污染物的排放，若NOx比排放的90%分位值低于690 mg/kWh，则排放合格[3]。

本文为研究车辆冷启动排放评估方法，以发动机冷却液温度超过30 ℃的数据作为有效数据，利用移动功基窗口法对试验数据进行分析。

3 试验结果及分析

3.1 累计排放量特征

以冷却液到达 30 ℃作为有效数据起始点，30～70 ℃为冷启动，70 ℃后为热态，分别计算车辆在冷启动、市区、市郊段的污染物 NOx和颗粒数量（Particle Number, PN）的累计排放量如图2所示（数据标签为冷启动阶段排放所占比例）。

图2 NOx与PN累计排放量

3次测试在冷启动阶段的 NOx累计排放量分别为8.91 g、10.33 g和12.35 g，冷启动NOx累计排放量占整体排放的23.72%以上，由表3可知，怠速时长占比最大仅为 6.82%，但 NOx排放量明显比市区和市郊阶段高。由于车辆尾排 NOx主要受到SCR效能的影响，在涂敷铜基催化剂的SCR中，当喷入理论需求的尿素喷射量时，在一定温度范围内，NOx的转化效率与SCR的温度呈正相关，且基本在SCR前温度大于200 ℃时NOx转化效率可达 90%以上，也就是车辆运行过程中的SCR温度和尿素喷射量主要影响 NOx的转化效率，进而影响尾排 NOx，而车辆在冷启动时车速较低且变化频繁，发动机负荷低，使得SCR整体温度较低，未喷或者少喷尿素，且低温导致 NOx转化效率受限，进而导致 NOx浓度较高[12-13]，在进入市区工况后，排温逐渐上升，尿素开始喷射同时 SCR的 NOx转化效率大大增加，使得 NOx排放相比于冷启动阶段大幅降低。

3次测试在冷启动阶段 PN累计量分别为1.77×1010个、2.45×1012个和 2.78×1011个，除测试2冷启动阶段PN累计排放量占比为21.04%，其它2组测试在冷启动阶段的PN累积排放量占比均低于6.05%。相关研究表明，颗粒物容易在发动机内高温浓混合气区域大量产生，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，所以 PN排放较少[12]；而市区和市郊阶段发动机缸内混合气较浓且温度较高，造成了裂解和脱氢的有利条件，使得细颗粒物生成量剧增[14-15]；同时，国六柴油机均配置了DPF后处理装置，其对排放的颗粒物的过滤效率受温度的影响比较小，所以PN在中高速阶段的排放量要远大于冷启动阶段。

3.2 移动平均窗口法分析

针对 PEMS测试瞬态数据，以冷却液温度高于30 ℃后作为有效数据，基于功基窗口法对车辆的基本运行数据、功基窗口平均功率比和功基窗口持续时间进行分析，结果如图3所示。由市区过度到市郊，随着车速的增加，3次测试功基窗口持续时间均逐渐降低，即达到相同的WHTC循环功所用时长减少；而功基窗口平均功率比随车速增加逐渐增大，车辆做功增加，由图可知，低功率阈值主要集中在冷启动和市区阶段。

图3 PEMS测试结果

按照国六标准设置功率阈值来计算车辆排放时，测试1有效窗口功率阈值为10%，其它2次测试均为 11%，即只针对图3中的功基窗口平均功率比大于该功率阈值的区域判定车辆的排放，而该区域主要集中在市区后三分之一和市郊工况，3次测试无效窗口数分别占全窗口的52.28%、34.53%和21.59%；冷启动占无效窗口的15.02%、16.69%和29.96%，基本在15%以上，所以冷启动排放需要引起重视。但目前重型车国六排放标准只考虑冷却液温度大于70 ℃区域的排放，忽略了车辆冷启动，且设置有效窗口功率阈值剔除了部分市区高排工况，使得实际排放被低估。

3.3 冷启动排放特征

由图2(a)和图3分析可知，车辆在冷却液温度在30～70 ℃的冷启动阶段NOx排放占比大。本研究运用移动窗口法计算冷启动阶段的功基窗口比排放，并结合移动窗口时长、NOx尾排瞬时浓度和SCR前温度进行重点分析，结果如图4所示。

图4 PEMS冷启动排放

车辆启动时 NOx尾排较高，随着冷却液温度和SCR温度升高，NOx尾排浓度逐渐降低，3次测试第一个窗口的 NOx比排放最大，并随时序窗口的后移逐渐降低。第1个窗口截止到第3 464 s、3 072 s和3 104 s，最后一个窗口截止到第3 911 s、3 616 s和3 720 s，结合图3的瞬态数据，3次测试的最后一个窗口均在市区工况的中部靠后，此时虽然发动机负荷大，缸内燃烧温度较高，NOx原排浓度大[16]，但由于此时SCR后处理已经达到高效区间，NOx转化效率可达90%以上[8]，使得车辆 NOx尾排大幅降低。所以随着功基窗口后移使得SCR高温工况占比增多，NOx的窗口比排放逐渐减小；而整个冷启动过程中，PN排放则基本趋于稳定，变化不明显。

3次测试冷却液温度从30 ℃上升至70 ℃约10 min，和SCR后处理温度到达200 ℃时间接近，此温度基本也是尿素的起喷温度，在之后 NOx瞬态排放会有明显改善，所以冷启动阶段的排放不可忽视。

4 含冷启动的排放评估方法

由以上分析可知，虽然试验车辆在冷启动阶段持续时间短，但是 NOx排放量大，不能忽视，为更真实反映车辆实际道路排放，有必要在进行整车排放水平评估时，引入冷启动排放。本研究针对PEMS测试，以冷却液温度在30～70 ℃数据来评价冷态排放，冷却液温度到达70 ℃之后评价热态排放，参照发动机瞬态WHTC循环，冷启动加权系数取 0.14，热态加权系数取 0.86，加权求和获得包含冷启动的车辆实际道路PEMS排放[3,14]，对比几种含冷启动的重型车辆排放评估方法供参考。

4.1 以功基窗口法计算

以冷启动阶段功基窗口中比排放最大值作为冷启动排放；计算热态结果时，为覆盖更多市区工况，更加贴近车辆实际使用排放，将功基窗口功率阈值调整至国六标准中允许的最低值 10%（若全窗口功率阈值＞10%，则按全窗口比排放值计算），以其窗口比排放的 90%分位值为热态排放。以上冷热态加权求和作为加权结果，与国六排放标准方法计算的有效窗口的 90%分位值对比（图中：国六标准法），结果如图5所示。

图5 以功基窗口法计算的NOx和PN的比排放

由图5可知，#2和#3车包含冷启动排放的NOx加权排放结果明显超过国六标准排放限值。3辆车包含冷启动的PEMS排放结果分别为177.0 mg/ kWh、833.2 mg/kWh和719.3 mg/kWh，按国六标准计算的法规结果分别为 49.8 mg/kWh、662.6 mg/kWh和388.2 mg/kWh，前者比后者排放分别大241.3%、25.75%和85.31%，排放通过难度增大。需要注意的是，3次测试依据功基窗口计算的冷启动比排放明显高于热态排放，且冷启动排放分别高于法规限值（690 mg/kWh）31.68%、141.85%和186.93%，基本达到法规限值的1.3～2.8倍，也有研究表明[15]冷启动阶段的 NOx排放可以达到发动机台架测试结果的2～4倍，而冷启动是车辆启动必经过程，所以在评估车辆实际道路 NOx排放时，此时巨大的排放不容忽视。

而包含冷启动的3次测试PN加权排放和法规排放无明显差别，两者分别为法规排放限值1.2×1012#/kWh的 3.86%和 4.49%、16.05%和18.84%、5.33%和9.10%，明显低于法规限值，法规计算相比于加权结果稍高。热态PN计算结果大于冷启动，是因为法规计算中市区和市郊比例更高，而市区和市郊是PN形成的有利条件。

4.2 全工况计算

分别计算冷启动、热态的 NOx和 PN累计排放质量，再除以该时间段内发动机累计输出功，分别得到两阶段的质量比排放。加权求和的排放与法规功基窗口法的有效窗口 90%分位值对比（图中：法规排放），结果如图6所示。

图6 以全工况计算的NOx和PN比排放

就 NOx比排放来看，冷、热态加权获得的加权值明显高于法规计算的结果，3次测试加权结果分别为 743.4 mg/kWh、 1 224.0 mg/kWh和1 222.0 mg/kWh，为国六标准法结果的14.92、1.85和3.15倍，明显加大了排放的通过难度；而冷启动NOx比排放甚至达到国六标准法排放的9倍以上，达国六标准限值690 mg/kWh的7.3～8.7倍，所以想要控制车辆排放，冷启动排放及其相关控制策略也需要引起重视。

4.3 结果对比

功基窗口法、全工况法和国六标准方法计算PEMS得到的NOx比排放和PN比排放如图7所示。两种建议方法的 NOx比排放比国六标准法排放升高25%以上，因为均将PEMS测试的冷启动考虑在内，而冷启动排放由于未达到SCR系统尿素起喷温度，SCR效能受限，均增加了NOx排放通过的难度；而PN排放结果无明显规律，且均在国六标准限值的 20%以内，可能需要进一步探索其他的PN排放评估方法并加严PN限值。

图7 不同方法的NOx和PN比排放

5 结论和建议

1）以冷却液温度达到30 ℃和70 ℃界定冷启动、热态排放，试验车辆在 3次实际道路 PEMS测试中，冷启动时长占比最大仅为 6.82%，但是NOx排放在冷启动阶段达23.7%～82.4%，排放明显高于市区和市郊，所以评估车辆排放时冷启动不容忽视。

2）下一阶段（国七）标准修订中的PEMS排放计算时，建议引入冷启动部分，分别以冷却液温度达到30 ℃和70 ℃界定冷、热态的有效数据，参照发动机瞬态WHTC循环，冷启动加权系数取0.14，热态取0.86，加权求和获得包含冷启动的车辆实际道路PEMS排放。

3）相比现行重型国六排放标准采用的设置功率阈值的功基窗口法，文中建议的两种含冷启动的排放计算方法NOx比排放升高25%以上，所以将冷启动纳入计算的新排放评价方法会加大排放测试通过的难度。