基于不同优化策略的国六汽车起重机排放特性研究

高 洁 ， 贾佳奇 ， 杨锦天 ， 董庆奇 ， 董 浩 ， 王浩伟 ， 罗天娇

（1.中机科（北京）车辆检测工程研究院有限公司，北京 102100；2.国家工程机械质量检验检测中心，北京 102100；3.中机寰宇（山东）车辆认证检测有限公司，山东 德州 253000）

0 引言

重型柴油车国六排放标准GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[1]对重型柴油车排放的要求非常严格，需要进行实际道路排放PEMS 试验，用PEMS 试验工况下的排放代表重型车的实际道路排放。不同于重型车燃料消耗量转鼓测试方法[2]，国六标准中只对PEMS 试验的工况比例构成作了规定，并没有标准循环。有相关研究人员对实际道路排放测试进行了研究[3-5]。

重型汽车在机动车NOx 和PN 污染物排放分担率上占比很高。2021 年全年，全国货车一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、颗粒物排放量分别为206.2 万t、51.6 万t、480.7 万t、5.8 万t，分别占汽车排放总量的29.7%、28.4%、84.6%、91.1%[6]。国际清洁交通委员会研究发现，重型柴油车是机动车NOx 排放的主要来源，仅在美国加州，重型车NOx 排放就占到了道路移动源NOx 排放总量的70%以上。因此，进一步降低重型车实际道路NOx 排放对改善大气质量具有积极作用。

基于重型柴油车国六排放标准，以一辆N3 类国六汽车起重机为研究对象，在PEMS 试验工况下，采用六种不同的优化策略开展排放试验，研究起重机在不同优化策略下CO、CO2、NOx 和PN 排放特性的变化规律，为汽车起重机污染物排放控制提供技术指导和数据支撑。

1 试验方案

1.1 试验样车

试验车辆为重型国六汽车起重机，该车为N 3 类非城市车辆，车辆及发动机技术参数如表1 所示。测试车辆采用的是市场上主流的EGR+DOC+DPF+SCR+ASC 后处理技术路线。燃油品质和载荷对试验结果有很大影响，为了最大程度降低此影响，每次试验都保持车辆处于满载状态，且采用同一批次的满足国六排放标准的市售零号柴油[7]。记录每次试验温度、湿度、大气压力、碳载量、司机等信息，确保每次试验的司机、设备和环境等试验条件一致。

表1 车辆及发动机技术参数

1.2 试验设备

试验是在7 2 英寸（品牌：美国宝克，型号：M7349）重型商用车底盘测功机上开展，采用PEMS设备进行车辆排气污染物的测量，排放测试设备为奥地利AVL 公司生产的便携式车载排放分析仪，AVL M.O.V.E 系统主要由GAS 模块、PN 模块、排气流量计、控制电脑、配电单元、充电器、GPS、气象站和电池等组成。GAS 模块采用不分光红外线吸收型分析仪测量CO、CO2的排放量，不分光紫外线分析仪测量NOx 的排放量；PN 模块采用扩散荷电法原理测量PN，排气流量计采用皮托管原理测量排气流量，GPS测量车辆速度、经度、纬度和海拔[8]。

1.3 试验工况

试验采集实际道路PEMS 路谱，采集的工况曲线如图1 所示。其中市区路、市郊路和高速路实际占比分别为22%、23%和55%，且平均速度分别为19.15 km/h、56.03 km/h和76.37 km/h，满足标准要求。

根据PEMS 工况，车辆在底盘测功机上进行排气污染物的测量，其中，车辆道路行驶阻力系数是由V-BOX设备采集满载状态下的车辆滑行数据所得，具体为A=1 941.70 N、B=12.750 0 N/（km/h）、C=0.403 00 N/（km/h）2，车辆具体优化策略如表2 所示。

2 结果分析

2.1 NOx排放特性

车辆在不同优化策略下的NOx 比排放如图2 所示。在相同试验工况下，样车采用不同的优化策略时，其排放结果有很大差别。#1 优化策略的NOx 行程平均比排放最低，为0.154 g/（kWh），#2~#6 策略的NOx 行程平均比排放是#1 策略的1.7~2.1 倍。其中，#1 为车辆正常状态，排放结果均低于其他优化策略，说明原车排放最佳，后期采用不同的优化策略，不仅不会降低排放，反而排放有所上升。对于#2 和#3，表明车辆累碳后的碳载量对NOx 排放并无明显影响。对于整体，车辆NOx 比排放随着速度的提高均呈现逐渐降低的趋势，具体表现为市区>市郊>高速，整个行程的比排放处于市区和市郊工况之间，比排放最高的区域出现在市区工况，数值为0.4 g/（kWh），重型柴油车国六排放标准NOx 排放限值为0.69 g/（kWh），表明NOx排放均未超出标准限值。

图2 不同优化策略下车辆的NOx比排放

分析NOx 比排放出现上述差异的原因，主要是因为在市区工况时，起重机怠速比例较高，发动机负荷较低，导致SCR 入口温度比尿素水解温度低，大幅降低SCR 装置的工作效率[9-10]，导致市区工况NOx 排放量高于其他工况。在市区和市郊工况，车辆速度有所提升，发动机负荷升高，其缸内燃烧温度升高使得NOx 原排大幅增加，排气温度上升，SCR 装置开始正常工作，NOx 尾气排放大幅降低[11]。

国六重型汽车起重机SCR 装置的工作效率与排气温度有很大关系。#2 优化策略下车辆的NOx 瞬时排放和排气温度关系如图3 所示。试验前450 s 是发动机的冷启动阶段，在冷启动过程中，由于SCR 入口温度没有达到正常工作温度，NOx 排放处于较高水平且出现瞬时排放峰值。冷启动结束后，发动机得到充分热机，排温达到SCR 正常工作温度，达到了有效控制NOx 排放的效果。因此在后续市郊和高速工况，NOx大幅降低，接近零排放且很少出现排放峰值。

图3 #2 优化策略下车辆的NOx 瞬时排放和排气温度变化图

#2 优化策略下车辆的NOx 瞬时排放和排气流量关系如图4 所示。由图4 可知，在冷启动阶段，车辆急加速时，排气流量迅速增大，而SCR 并未开始工作，使得大量NOx 随尾气气流排出，导致NOx 瞬时排放量明显增高。冷启动过后，NOx 瞬时排放和排气流量的峰值呈现正相关。

图4 #2 优化策略下车辆的NOx 瞬时排放和排气流量变化图

#2 优化策略下车辆的NOx 瞬时排放和车速变化关系如图5 所示。车辆在市区工况，速度变化非常频繁，导致发动机缸内燃烧产生很大波动。车辆在急加速时使得发动机喷油量急剧增加，空燃比下降，缸内燃烧温度升高，在高温、高压条件下，NOx 排放量增加，以#2 优化策略试验过程为例，车辆NOx 瞬时排放和车速变化的峰值呈现正相关。

图5 #2优化策略下车辆的NOx瞬时排放和车速变化图

2.2 CO排放特性

车辆在不同优化策略下的CO 比排放如图6 所示。在#5 和#6 优化策略下，市区工况CO 排放非常严重且行程平均比排放分别是#1 的5.3 倍和6.3 倍。说明优化扭矩响应和尿素喷射策略会导致车辆在市区工况过程中发动机喷油量增加，出现不完全燃烧、CO 排放量急剧增加的现象。对于整体，除#3 工况外，市区工况CO 排放均高于市郊和高速工况，市区工况车辆排温低，DOC 装置氧化尾气中CO 的效率不高，虽然高速工况导致发动机负荷增加，缸内缺氧使得燃烧不充分，CO 排放增加，但是此时发动机功率较高，使得高速工况下的CO 比排放较低。与此同时，市区工况中频繁的加减速会严重影响发动机缸内油气混合，使得燃料不能充分燃烧，且排气流量的变化也会对DOC 装置氧化CO 产生不良影响，导致CO排放大幅增加。

图6 不同优化策略下车辆的CO 比排放

重型柴油车国六排放标准中CO 排放限值为6.0 g/（kWh），而本文设计工况下CO比排放最大为0.077 8 g/（kWh），远远低于排放限值。表明车辆现有的后处理技术路线完全能够有效控制CO 排放，也说明未来重型柴油车排放标准限值仍有很大降低空间。

2.3 CO2排放特性

车辆在不同优化策略下的CO2比排放如图7 所示。#1优化策略CO2排放始终处于最低状态。CO2比排放总体较为稳定，个体间差异不大。CO2比排放在市区工况、市郊工况和高速工况中始终呈现依次降低的趋势。这是因为市区工况车辆频繁加减速，发动机负荷低，导致喷油量迅速增加，油气混合不充分，燃料不完全燃烧，为了达到所需转速和扭矩，柴油消耗量增加，使得CO2排放较高。随着车速和发动机负荷不断提高，发动机燃料逐渐得到充分燃烧，使得CO2排放逐渐下降。经分析CO2瞬时排放与ECU 瞬时油耗关系，表明两者的峰值同步出现且呈现正相关。

2.4 PN排放特性

车辆在不同优化策略下的PN 比排放如图8 所示。PN 排放随着车辆行驶速度和发动机负荷的增加而增加，但总体排放处于较低水平，重型柴油车国六排放标准中压燃式发动机整车PN 的排放限值为1.2×1012#/（kWh），均远低于此排放限值，表明国六重型车DPF 后处理装置起到了有效控制PN排放的效果。

图8 不同优化策略下车辆的PN 比排放

车辆在市区、市郊和高速三个工况下PN 排放之所以逐渐递增，是因为在市区工况，车辆速度和发动机负荷较低，过量空气系数较大，燃料燃烧充分导致颗粒物排放较低。在市郊工况下，发动机转速趋于稳定状态，车速上升导致发动机负荷增加，为了使车辆的动力得到有效保证，混合气的浓度也相应增加，导致PN 排放有所提升，但是由于DPF 装置发挥作用，所以市郊工况的PN 排放也处于较低水平。在高速工况下，车辆速度提升，发动机负荷较高，喷油量迅速增加，空燃比迅速降低，发动机缸内油气混合不充分，混合浓度相对较高，DPF 装置捕捉颗粒物的速度低于其生成的速度，同时排气流量也较高，导致PN排放大幅增加。

3 结论

1）国六重型汽车起重机E G R+D O C+D P F+SCR+ASC 的后处理技术路线可以有效控制NOx、CO、CO2和PN 排放。但相对于正常状态下的车辆，采用不同的优化策略并没有使排放得到有效控制，反而有所上升，尤其是NOx 和PN，上升效果更为明显，平均提高了60%~90%。但是污染物排放均远低于重型车国六排放标准限值，表明下阶段排放标准污染物排放限值仍有较大的下降空间。

2）对于采用#1 策略的车辆，其NOx 排放最低，为0.154 g/（kWh），#2~#6 策略下NOx 行程平均比排放是#1 策略的1.7~2.1 倍。NOx 比排放随着速度的提高而逐渐降低，具体表现为市区>市郊>高速。比排放最高的区域出现在市区工况，主要是因为车辆速度波动大，加减速较多，排气温度低，SCR 效率低。此外，NOx 瞬时排放和排气流量、行驶速度均呈现正相关的趋势。对于#2 和#3 策略，表明车辆累碳后的碳载量对NOx 排放并无明显影响。

3）优化扭矩响应和尿素喷射策略会导致车辆在市区工况过程中发动机喷油量急剧增加，出现发动机不完全燃烧、CO 排放量急剧增加的现象。市区工况中频繁的加减速会严重影响发动机缸内油气混合，且排气温度和排气流量也会对DOC装置氧化CO产生不良影响。虽然高速工况下发动机负荷增加，缸内缺氧使得燃烧不充分，CO瞬时排放增加，但是此时发动机功率较高，使得高速工况下的CO比排放处于较低水平。

4）不同优化策略的起重机CO2比排放总体较为稳定，个体间差异不大。CO2瞬时排放峰值与ECU瞬时油耗峰值同步出现且呈正相关。

5）国六重型车DPF 后处理装置可以起到有效控制PN 排放的效果。PN 排放与车辆行驶速度、发动机负荷存在很大关系。而优化喷嘴喷射和尿素喷射策略会导致PN排放成倍增加。