不同载荷对重型整车非常规污染物瞬态排放影响研究

郭 勇 高东志

（1-天津大学机械工程学院 天津 300072 2-中国汽车技术研究中心有限公司）

引言

重型发动机排放试验由于测试循环与车辆实际运行时的工况差异大，不能真实反映整车实际道路运行的排放水平，因此需要从整车入手研究重型车辆排放[1]。相比于发动机台架测试，底盘测功机测试技术考虑了整车属性和真实的道路运行条件，模拟准确性和一致性较好；另一方面，相比于车载测量系统，底盘测功机测试技术可提供更高精度的气体测试仪器，可控的实验室条件，提高了试验的准确性、重复性和可比性[2]。

重型车以载货货车为主，载荷的设定是试验的一个重要条件，因此探究载荷对重型车排放的影响具有重要意义。另一方面，重型车由于本身惯量大，其排放受到实际路况加减速的影响较大，瞬态排放差异较大。基于此，本文针对C-WTVC（1 800 s）循环工况研究不同载荷对重型车在市区、公路和高速路况下排放的影响。重型整车排放研究方面集中在重型整车与发动机台架排放测试差异方面，付松青[2]、艾毅[3]及高翔[4]等进行了整车与台架排放测试差异性的研究；非常规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-柴油掺混燃料[6]，甲醇-汽油掺混燃料[7-8]等。以上研究虽然涉及到非常规排放，但多数集中在累积排放量和平均比排放量，瞬态排放量的分析相对较少。对于车用柴油机，目前各国的排放法规主要限制NOx，HC，CO和PM等常规排放物。但近年来，柴油机的非常规排放污染物也日益引起重视，主要包括柴油机废气中的醛酮类及硫化物等，它们对生态环境和人体健康都有不同程度的危害。基于此，本试验在不同载荷条件下采用FTIR直接采样检测 NO2、SO2、NH3、HCHO、N2O 非常规排放污染物；采用HORIBA全流稀释采样系统检测THC、NOx和PN排放。

1 试验设备及方案

1.1 试验设备

本试验是在底盘测功机上进行的。本试验所用到的测试设备包括转速、负荷可调节的底盘测功机，HORIBA全流稀释CVS排放测试设备，FTIR气体分析仪等。试验装置如图1所示，将车辆放置在底盘测功机上并采取适当的方法对车辆进行固定，确保试验安全。控制实验室温度和湿度分别稳定在20℃和30%。机动车排气管首先连接FTIR气体分析仪，再经过保温管道连接HORIBA全流稀释CVS排放测试设备。底盘测功机和HORIBA全流稀释CVS排放测试设备均由控制系统进行控制。常规排放与非常规排放数据同时采集，采样频率为1 Hz。

图1 试验装置示意图

1.1.1 测试循环

本实验所采用的循环为GB/T 27840-2011《商用车燃料消耗量测量方法》推荐的重型柴油车整车综合油耗测量所使用的工况（C-WTVC循环），测试曲线如图2所示。本循环总共1 800 s，包括市区路况、公路路况和高速路况，试验中车辆的行驶速度与测试曲线的偏差不超过±3 km/h。C-WTVC循环3种路况的特征参数如表1所示。

1.1.2 试验车辆参数

本研究的试验车辆为满足欧Ⅵ排放标准的柴油重型整车，该车辆及发动机参数如表2所示。

图2 C-WTVC测试循环速度曲线

表1 C-WTVC循环工况特征参数

表2 试验样车参数

1.2 试验方案

按照图1对实验设备进行连接，将车辆放置在底盘测功机上并采取适当的方法对车辆进行固定，确保试验安全。设置底盘测功机的当量惯量，用合适的方法使车辆和底盘测功机达到运转温度。对机动车进行预热，使发动机冷却液温度在70℃以上，或者当冷却液的温度在5 min之内的变化小于2℃；对底盘测功机、HORIBA全流稀释CVS排放测试设备以及FTIR直接取样系统预热，使之准备就绪。对设备进行气体泄露检查，按照设备操作要求，执行气体的标定（零标定和量程标定）。通过沙袋数量调节重型整车载荷为0、50%和100%，分别进行C-WTVC循环工况模拟实验，并记录实验数据。

2 试验结果和分析

通过FTIR气体分析仪和HORIBA全流稀释排放测试设备分别得到非常规和常规排放数据，并结合不同载荷下C-WTVC循环工况进行分析。

2.1 非常规污染物排放

图3表示不同载荷条件下NH3非常规污染物排放。

图3 不同载荷条件下NH3排放

随着重型车SCR后处理技术的广泛应用，NH3排放量越来越受到人们的关注。比较3种载荷下的NH3排放曲线可得，载荷为0时，NH3排放量最低，在市区路况下，排放值接近零。随着载荷增加，NH3排放量逐渐增加，在3种路况条件下表现出的规律是近似的。比较各路况可以看出，市区、公路及高速路条件下NH3排放量逐渐增加，尤其是满载荷高速路条件下，NH3排放平均值为120×10-6左右。在1 480 s左右，不同载荷下NH3排放量均表现为上升趋势，对应图2，此阶段为高速路况下的急加速，表明重型车加速条件下，NH3排放量增加。

图4表示不同载荷条件下甲醛排放量随时间的变化曲线，可以看出，不同路况条件下，HCHO的排放量差别不大；随着载荷的增加，HCHO排放量是增加的。这是因为随着载荷增加，缸内温度上升，而醛类是烃类燃料燃烧过程的中间产物，形成于低温氧化阶段，其寿命较短，随后会在高温阶段被氧化。

图4 不同载荷条件下HCHO排放

图5 表示不同载荷条件下N2O随时间的变化曲线，可以看出随着载荷的增加，N2O排放量增加；在市区、公路及高速路况条件下，N2O排放量依次增加，这与NH3排放表现出的趋势一致。

图5 不同载荷条件下N2O排放

图6 表示不同载荷条件下SO2排放量随时间的变化曲线，可以看出，不同路况条件下，SO2的排放量差别不大；随着载荷的增加，SO2排放量是增加的。这是由于其中的S主要来自于燃油，其排放量与喷油量有高度正相关性，负荷增加，则喷油量增加，从而使SO2排放增加。

图6不同载荷条件下SO2排放

图7 表示不同载荷条件下，NO2排放量随时间的变化曲线，可以看出在载荷0和50%时，NO2排放差别不大，其值接近2×10-6。100%载荷时，NO2排放较低载荷时下降。这是由于大载荷时，向燃烧室内喷入的柴油增加，使得燃烧变为缺氧状态，此时NO2的产生受到抑制。

2.2 油耗及PN排放量

本部分介绍了重型车C-WTVC循环工况下不同路况的油耗及PN排放量，其值如表3所示。结合图8，图9分析如下。

图7 不同载荷条件下NO2排放

图8 不同载荷条件下3种路况油耗对比

图9 不同载荷条件下3种路况PN对比

图8 表示不同载荷条件下，3种路况的油耗对比。可以看出各种路况下的油耗均随着载荷的增加而增加。公路和高速路况时，0载荷和50%载荷油耗差别不大。相同载荷条件下比较不同路段可知，市区工况的油耗消耗量最大，这主要是因为相较于其他2个工况，市区工况存在更大的加速度和减速度，而加速和减速阶段需要能量克服惯量，因此油耗增加。

图9表示不同载荷条件下，3种路况的PN排放量对比。可以看出各路况下，随着载荷的增加，PN排放量增加；相同载荷条件下，高速路况PN排放最高，市区路况中等，公路路况最低。这是因为市区路况下加减速频繁，存在燃烧不充分过程，PN排放增多。而高速路况PN排放增多是由于其所占总里程比例最大，为44.33%，如表1所示。

表3 C-WTVC循环不同路况的油耗及PN排放量

3 结论

以一辆柴油燃料重型整车为研究对象，通过FTIR气体分析仪和HORIBA全流稀释排放测试设备分别得到非常规和常规排放数据，并结合不同载荷下C-WTVC循环工况进行分析。得出如下结论：

1）随着载荷的增加，NH3和N2O排放量增加；在市区、公路及高速路况条件下，NH3和N2O排放量依次增加，且重型车加速条件时，二者排放量增加。

2）随着载荷的增加，HCHO和SO2排放量是增加的。前者是因为随着载荷增加，缸内温度上升，而醛类是烃类燃料燃烧过程的中间产物，形成于低温氧化阶段，其寿命较短，随后会在高温阶段被氧化；后者是因为SO2排放量与喷入燃油的质量呈正比。

3）随着载荷的增加，油耗和PN排放量均增加；相同载荷条件下，市区工况的油耗最大；载荷相同时，高速路况PN排放最高，市区路况中等，公路路况最低。