不同載荷對重型整車非常規(guī)污染物瞬態(tài)排放影響研究

郭 勇 高東志

（1-天津大學機械工程學院 天津 300072 2-中國汽車技術研究中心有限公司）

引言

重型發(fā)動機排放試驗由于測試循環(huán)與車輛實際運行時的工況差異大，不能真實反映整車實際道路運行的排放水平，因此需要從整車入手研究重型車輛排放[1]。相比于發(fā)動機臺架測試，底盤測功機測試技術考慮了整車屬性和真實的道路運行條件，模擬準確性和一致性較好；另一方面，相比于車載測量系統(tǒng)，底盤測功機測試技術可提供更高精度的氣體測試儀器，可控的實驗室條件，提高了試驗的準確性、重復性和可比性[2]。

重型車以載貨貨車為主，載荷的設定是試驗的一個重要條件，因此探究載荷對重型車排放的影響具有重要意義。另一方面，重型車由于本身慣量大，其排放受到實際路況加減速的影響較大，瞬態(tài)排放差異較大?；诖?，本文針對C-WTVC（1 800 s）循環(huán)工況研究不同載荷對重型車在市區(qū)、公路和高速路況下排放的影響。重型整車排放研究方面集中在重型整車與發(fā)動機臺架排放測試差異方面，付松青[2]、艾毅[3]及高翔[4]等進行了整車與臺架排放測試差異性的研究；非常規(guī)排放物的研究主要集中在代用燃料方面，包括生物柴油[5]，丁醇-柴油摻混燃料[6]，甲醇-汽油摻混燃料[7-8]等。以上研究雖然涉及到非常規(guī)排放，但多數(shù)集中在累積排放量和平均比排放量，瞬態(tài)排放量的分析相對較少。對于車用柴油機，目前各國的排放法規(guī)主要限制NOx，HC，CO和PM等常規(guī)排放物。但近年來，柴油機的非常規(guī)排放污染物也日益引起重視，主要包括柴油機廢氣中的醛酮類及硫化物等，它們對生態(tài)環(huán)境和人體健康都有不同程度的危害。基于此，本試驗在不同載荷條件下采用FTIR直接采樣檢測 NO2、SO2、NH3、HCHO、N2O 非常規(guī)排放污染物；采用HORIBA全流稀釋采樣系統(tǒng)檢測THC、NOx和PN排放。

1 試驗設備及方案

1.1 試驗設備

本試驗是在底盤測功機上進行的。本試驗所用到的測試設備包括轉速、負荷可調節(jié)的底盤測功機，HORIBA全流稀釋CVS排放測試設備，F(xiàn)TIR氣體分析儀等。試驗裝置如圖1所示，將車輛放置在底盤測功機上并采取適當?shù)姆椒▽囕v進行固定，確保試驗安全?？刂茖嶒炇覝囟群蜐穸确謩e穩(wěn)定在20℃和30%。機動車排氣管首先連接FTIR氣體分析儀，再經過保溫管道連接HORIBA全流稀釋CVS排放測試設備。底盤測功機和HORIBA全流稀釋CVS排放測試設備均由控制系統(tǒng)進行控制。常規(guī)排放與非常規(guī)排放數(shù)據(jù)同時采集，采樣頻率為1 Hz。

圖1 試驗裝置示意圖

1.1.1 測試循環(huán)

本實驗所采用的循環(huán)為GB/T 27840-2011《商用車燃料消耗量測量方法》推薦的重型柴油車整車綜合油耗測量所使用的工況（C-WTVC循環(huán)），測試曲線如圖2所示。本循環(huán)總共1 800 s，包括市區(qū)路況、公路路況和高速路況，試驗中車輛的行駛速度與測試曲線的偏差不超過±3 km/h。C-WTVC循環(huán)3種路況的特征參數(shù)如表1所示。

1.1.2 試驗車輛參數(shù)

本研究的試驗車輛為滿足歐Ⅵ排放標準的柴油重型整車，該車輛及發(fā)動機參數(shù)如表2所示。

圖2 C-WTVC測試循環(huán)速度曲線

表1 C-WTVC循環(huán)工況特征參數(shù)

表2 試驗樣車參數(shù)

1.2 試驗方案

按照圖1對實驗設備進行連接，將車輛放置在底盤測功機上并采取適當?shù)姆椒▽囕v進行固定，確保試驗安全。設置底盤測功機的當量慣量，用合適的方法使車輛和底盤測功機達到運轉溫度。對機動車進行預熱，使發(fā)動機冷卻液溫度在70℃以上，或者當冷卻液的溫度在5 min之內的變化小于2℃；對底盤測功機、HORIBA全流稀釋CVS排放測試設備以及FTIR直接取樣系統(tǒng)預熱，使之準備就緒。對設備進行氣體泄露檢查，按照設備操作要求，執(zhí)行氣體的標定（零標定和量程標定）。通過沙袋數(shù)量調節(jié)重型整車載荷為0、50%和100%，分別進行C-WTVC循環(huán)工況模擬實驗，并記錄實驗數(shù)據(jù)。

2 試驗結果和分析

通過FTIR氣體分析儀和HORIBA全流稀釋排放測試設備分別得到非常規(guī)和常規(guī)排放數(shù)據(jù)，并結合不同載荷下C-WTVC循環(huán)工況進行分析。

2.1 非常規(guī)污染物排放

圖3表示不同載荷條件下NH3非常規(guī)污染物排放。

圖3 不同載荷條件下NH3排放

隨著重型車SCR后處理技術的廣泛應用，NH3排放量越來越受到人們的關注。比較3種載荷下的NH3排放曲線可得，載荷為0時，NH3排放量最低，在市區(qū)路況下，排放值接近零。隨著載荷增加，NH3排放量逐漸增加，在3種路況條件下表現(xiàn)出的規(guī)律是近似的。比較各路況可以看出，市區(qū)、公路及高速路條件下NH3排放量逐漸增加，尤其是滿載荷高速路條件下，NH3排放平均值為120×10-6左右。在1 480 s左右，不同載荷下NH3排放量均表現(xiàn)為上升趨勢，對應圖2，此階段為高速路況下的急加速，表明重型車加速條件下，NH3排放量增加。

圖4表示不同載荷條件下甲醛排放量隨時間的變化曲線，可以看出，不同路況條件下，HCHO的排放量差別不大；隨著載荷的增加，HCHO排放量是增加的。這是因為隨著載荷增加，缸內溫度上升，而醛類是烴類燃料燃燒過程的中間產物，形成于低溫氧化階段，其壽命較短，隨后會在高溫階段被氧化。

圖4 不同載荷條件下HCHO排放

圖5 表示不同載荷條件下N2O隨時間的變化曲線，可以看出隨著載荷的增加，N2O排放量增加；在市區(qū)、公路及高速路況條件下，N2O排放量依次增加，這與NH3排放表現(xiàn)出的趨勢一致。

圖5 不同載荷條件下N2O排放

圖6 表示不同載荷條件下SO2排放量隨時間的變化曲線，可以看出，不同路況條件下，SO2的排放量差別不大；隨著載荷的增加，SO2排放量是增加的。這是由于其中的S主要來自于燃油，其排放量與噴油量有高度正相關性，負荷增加，則噴油量增加，從而使SO2排放增加。

圖6不同載荷條件下SO2排放

圖7 表示不同載荷條件下，NO2排放量隨時間的變化曲線，可以看出在載荷0和50%時，NO2排放差別不大，其值接近2×10-6。100%載荷時，NO2排放較低載荷時下降。這是由于大載荷時，向燃燒室內噴入的柴油增加，使得燃燒變?yōu)槿毖鯛顟B(tài)，此時NO2的產生受到抑制。

2.2 油耗及PN排放量

本部分介紹了重型車C-WTVC循環(huán)工況下不同路況的油耗及PN排放量，其值如表3所示。結合圖8，圖9分析如下。

圖7 不同載荷條件下NO2排放

圖8 不同載荷條件下3種路況油耗對比

圖9 不同載荷條件下3種路況PN對比

圖8 表示不同載荷條件下，3種路況的油耗對比?？梢钥闯龈鞣N路況下的油耗均隨著載荷的增加而增加。公路和高速路況時，0載荷和50%載荷油耗差別不大。相同載荷條件下比較不同路段可知，市區(qū)工況的油耗消耗量最大，這主要是因為相較于其他2個工況，市區(qū)工況存在更大的加速度和減速度，而加速和減速階段需要能量克服慣量，因此油耗增加。

圖9表示不同載荷條件下，3種路況的PN排放量對比?？梢钥闯龈髀窙r下，隨著載荷的增加，PN排放量增加；相同載荷條件下，高速路況PN排放最高，市區(qū)路況中等，公路路況最低。這是因為市區(qū)路況下加減速頻繁，存在燃燒不充分過程，PN排放增多。而高速路況PN排放增多是由于其所占總里程比例最大，為44.33%，如表1所示。

表3 C-WTVC循環(huán)不同路況的油耗及PN排放量

3 結論

以一輛柴油燃料重型整車為研究對象，通過FTIR氣體分析儀和HORIBA全流稀釋排放測試設備分別得到非常規(guī)和常規(guī)排放數(shù)據(jù)，并結合不同載荷下C-WTVC循環(huán)工況進行分析。得出如下結論：

1）隨著載荷的增加，NH3和N2O排放量增加；在市區(qū)、公路及高速路況條件下，NH3和N2O排放量依次增加，且重型車加速條件時，二者排放量增加。

2）隨著載荷的增加，HCHO和SO2排放量是增加的。前者是因為隨著載荷增加，缸內溫度上升，而醛類是烴類燃料燃燒過程的中間產物，形成于低溫氧化階段，其壽命較短，隨后會在高溫階段被氧化；后者是因為SO2排放量與噴入燃油的質量呈正比。

3）隨著載荷的增加，油耗和PN排放量均增加；相同載荷條件下，市區(qū)工況的油耗最大；載荷相同時，高速路況PN排放最高，市區(qū)路況中等，公路路況最低。