吳春玲,李 旭,白曉鑫,景曉軍,劉衛(wèi)林,裴毅強(qiáng)
(1.中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司,天津 300300;2.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,天津 300072)
根據(jù)《中國(guó)移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)(2022)》顯示[1],2021年,全國(guó)機(jī)動(dòng)車氮氧化物(NOx)、顆粒物(PM)排放量分別為582.1萬噸、6.9萬噸,其中,來自柴油車排放的氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)分別占汽車排放總量的80%和90%以上,成為汽車NOx和PM排放的主要來源。為了強(qiáng)化重型車排放源頭控制,2018年6月,生態(tài)環(huán)境部與市場(chǎng)監(jiān)管總局發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》(GB 17691—2018),自2023年7月1日起,全國(guó)范圍內(nèi)正式實(shí)施重型柴油車國(guó)六b階段排放標(biāo)準(zhǔn)。
當(dāng)前實(shí)施的重型車排放型式認(rèn)證試驗(yàn),包括發(fā)動(dòng)機(jī)世界協(xié)調(diào)瞬態(tài)循環(huán)(World Harmonized Transient Cycle, WHTC)及中國(guó)重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)(China-World Transient Vehicle Cycle, CWTVC)、便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(Portable Emissions Measurement System, PEMS)的排放測(cè)試。發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC測(cè)試排放是通過冷、熱態(tài)排放加權(quán)計(jì)算(冷態(tài)權(quán)重為0.14,熱態(tài)為0.86),考慮了冷啟動(dòng)階段的排放。而在重型柴油車的C-WTVC和PEMS整車排放測(cè)試時(shí),均未考慮冷啟動(dòng)排放,在進(jìn)行C-WTVC循環(huán)排放測(cè)試時(shí)[2],需提前運(yùn)行1~2個(gè)熱車循環(huán)來對(duì)車輛和底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行充分預(yù)熱再進(jìn)行正式測(cè)試,測(cè)試不包括冷啟動(dòng);在進(jìn)行重型整車實(shí)際道路 PEMS測(cè)試時(shí)[3],法規(guī)要求測(cè)試開始時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度不得超過30 ℃,如果環(huán)境溫度超過30 ℃,冷卻液起始溫度不得高于環(huán)境溫度 2 ℃,但在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后,直到冷卻液溫度達(dá)到70 ℃或者在5分鐘之內(nèi)其溫度變化小于2 ℃,測(cè)試才正式開始。
對(duì)于滿足國(guó)六排放的重型柴油車,普遍采用的排放后處理技術(shù)路線是氧化型催化轉(zhuǎn)化器(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)+柴油微粒過濾器(Diesel Particulate Filter, DPF)+選擇性催化還原技術(shù)(Selective Catalytic Reduction, SCR)+氨逃逸催化器(Ammonia Slip Catalyst, ASC)[4-6],車輛熱機(jī)情況下,SCR催化器對(duì)NOx的轉(zhuǎn)化效率大于90%[7-8];但在車輛冷啟動(dòng)階段排氣溫度較低,未達(dá)到尿素起噴溫度或 SCR催化器溫度較低,NOx轉(zhuǎn)化效率低,使得冷啟動(dòng)階段的 NOx排放要遠(yuǎn)大于熱機(jī)[9-10]。2019年歐盟委員會(huì)發(fā)布的歐六E階段中新增關(guān)于冷啟動(dòng)的排放測(cè)試規(guī)范[11],將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度從 30 ℃上升到 70 ℃時(shí)排放單獨(dú)計(jì)算,記作冷啟動(dòng)階段排放,且由于城市車輛行駛工況的特殊性,其市區(qū)工況時(shí)間占比較高,而車輛在市區(qū)路段行駛時(shí),平均速度較低,怠速占比較高,且車輛頻繁起停,使得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷往往較低,排氣溫度較低,SCR效能低,不利于排放控制。
因此,需要進(jìn)一步開展重型柴油城市車輛PEMS測(cè)試在冷啟動(dòng)階段污染物排放特征研究,引入新的能體現(xiàn)冷啟動(dòng)階段排放計(jì)算和評(píng)價(jià)方法。
研究選取1輛符合國(guó)六b階段排放要求的城市重型車輛進(jìn)行 PEMS測(cè)試,其排放后處理為氧化型催化轉(zhuǎn)化器(DOC)、廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation, EGR)、選擇性催化還原技術(shù)(SCR)和柴油微粒過濾器(DPF),車輛的基本信息如表1所示。
表1 測(cè)試車輛基本信息
試驗(yàn)采用奧地利AVL公司生產(chǎn)的M.O.V.E移動(dòng)式排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)進(jìn)行實(shí)際道路行駛排放測(cè)試。設(shè)備的量程和精度如表2所示。
表2 測(cè)試設(shè)備信息
為確認(rèn)重型車輛國(guó)六 b排放評(píng)估方法的通用性,研究設(shè)計(jì)對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行 3次不同排放水平的測(cè)試。依照GB 17691—2018附錄K的要求,PEMS設(shè)備應(yīng)在車輛點(diǎn)火啟動(dòng)前開始采樣,測(cè)量排氣的溫度、流量并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)和環(huán)境參數(shù),數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz;在測(cè)試開始時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度不超過30 ℃;試驗(yàn)按照市區(qū)—市郊順序連續(xù)行駛,市區(qū)平均車速 15~30 km/h,市郊平均車速45~70 km/h;試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間應(yīng)保證測(cè)試車輛的累計(jì)功達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)功的4~7倍[3,9,10]。
對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行 3次不同的實(shí)際道路 PEMS測(cè)試,測(cè)試基本信息如表3所示。以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度達(dá) 30℃為起始點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,測(cè)試功倍數(shù)和路線分配比例均滿足法規(guī)要求,冷卻液溫度30~70 ℃時(shí)長(zhǎng)在561~706 s之間,占整體 PEMS時(shí)長(zhǎng) 7%以下,最小占比為5.11%。
表3 PEMS測(cè)試基本信息
表4 車輛冷啟動(dòng)階段運(yùn)行特征
國(guó)六功基窗口法并非將車輛所有實(shí)際道路排放數(shù)據(jù)納入計(jì)算,而是待冷卻液溫度到達(dá)70 ℃后(或在5分鐘內(nèi)變化小于2 ℃),以1 s為步長(zhǎng)逐秒往后移動(dòng),根據(jù)到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架WHTC測(cè)試循環(huán)功為基準(zhǔn)獲得不同時(shí)長(zhǎng)的窗口,分別計(jì)算各窗口的平均功率與發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的比值,即窗口平均功率比,以此來確認(rèn)該窗口是否滿足有效窗口,進(jìn)而再對(duì)NOx排放進(jìn)行判定[2]。
如圖1所示,第i個(gè)窗口的周期(t2,i-t1,i)由式(1)判斷,終止時(shí)刻t2,i由式(1)、(2)共同判斷:
圖1 功基窗口法示意圖
式中,W(tj,i)為從開始到時(shí)間tj,i內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功,kWh;Wref為車輛的發(fā)動(dòng)機(jī) WHTC試驗(yàn)的循環(huán)功,kWh;Δt為測(cè)試數(shù)據(jù)的采樣周期,1 s。
采用式(3)計(jì)算各窗口各污染物質(zhì)量或數(shù)量的比排放ep(g/kWh或#/kWh):
式中,mp為窗口內(nèi)各污染物的排放總質(zhì)量或排放總數(shù)量,g/窗口或#/窗口;W(t2,i)-W(t1,i)為第i個(gè)平均窗口的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功,kWh。
計(jì)算各窗口的平均功率比,設(shè)定平均功率比大于 20%(即功率閾值為 20%)的窗口為有效窗口,有效窗口占比大于或等于50%則PEMS試驗(yàn)有效,再通過有效窗口的 NOx通過率來判定排放是否超標(biāo);如果有效窗口占比低于 50%,則按照1%的步長(zhǎng)降低進(jìn)一步功率閾值,直到有效窗口比例達(dá)到50%為止;但功率閾值最小不能低于10%,否則試驗(yàn)無效。國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)要求 90%的有效窗口污染物比排放應(yīng)小于690 mg/kWh,本研究為直觀體現(xiàn)車輛實(shí)際排放情況,采用將有效窗口污染物比排放從小到大排序后,處于 90%分位值的結(jié)果代表該污染物的排放,若NOx比排放的90%分位值低于690 mg/kWh,則排放合格[3]。
本文為研究車輛冷啟動(dòng)排放評(píng)估方法,以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度超過30 ℃的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù),利用移動(dòng)功基窗口法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
以冷卻液到達(dá) 30 ℃作為有效數(shù)據(jù)起始點(diǎn),30~70 ℃為冷啟動(dòng),70 ℃后為熱態(tài),分別計(jì)算車輛在冷啟動(dòng)、市區(qū)、市郊段的污染物 NOx和顆粒數(shù)量(Particle Number, PN)的累計(jì)排放量如圖2所示(數(shù)據(jù)標(biāo)簽為冷啟動(dòng)階段排放所占比例)。
圖2 NOx與PN累計(jì)排放量
3次測(cè)試在冷啟動(dòng)階段的 NOx累計(jì)排放量分別為8.91 g、10.33 g和12.35 g,冷啟動(dòng)NOx累計(jì)排放量占整體排放的23.72%以上,由表3可知,怠速時(shí)長(zhǎng)占比最大僅為 6.82%,但 NOx排放量明顯比市區(qū)和市郊階段高。由于車輛尾排 NOx主要受到SCR效能的影響,在涂敷銅基催化劑的SCR中,當(dāng)噴入理論需求的尿素噴射量時(shí),在一定溫度范圍內(nèi),NOx的轉(zhuǎn)化效率與SCR的溫度呈正相關(guān),且基本在SCR前溫度大于200 ℃時(shí)NOx轉(zhuǎn)化效率可達(dá) 90%以上,也就是車輛運(yùn)行過程中的SCR溫度和尿素噴射量主要影響 NOx的轉(zhuǎn)化效率,進(jìn)而影響尾排 NOx,而車輛在冷啟動(dòng)時(shí)車速較低且變化頻繁,發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷低,使得SCR整體溫度較低,未噴或者少噴尿素,且低溫導(dǎo)致 NOx轉(zhuǎn)化效率受限,進(jìn)而導(dǎo)致 NOx濃度較高[12-13],在進(jìn)入市區(qū)工況后,排溫逐漸上升,尿素開始噴射同時(shí) SCR的 NOx轉(zhuǎn)化效率大大增加,使得 NOx排放相比于冷啟動(dòng)階段大幅降低。
3次測(cè)試在冷啟動(dòng)階段 PN累計(jì)量分別為1.77×1010個(gè)、2.45×1012個(gè)和 2.78×1011個(gè),除測(cè)試2冷啟動(dòng)階段PN累計(jì)排放量占比為21.04%,其它2組測(cè)試在冷啟動(dòng)階段的PN累積排放量占比均低于6.05%。相關(guān)研究表明,顆粒物容易在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)高溫濃混合氣區(qū)域大量產(chǎn)生,冷啟動(dòng)階段車輛多處于怠速和低速工況,發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度較低,所以 PN排放較少[12];而市區(qū)和市郊階段發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣較濃且溫度較高,造成了裂解和脫氫的有利條件,使得細(xì)顆粒物生成量劇增[14-15];同時(shí),國(guó)六柴油機(jī)均配置了DPF后處理裝置,其對(duì)排放的顆粒物的過濾效率受溫度的影響比較小,所以PN在中高速階段的排放量要遠(yuǎn)大于冷啟動(dòng)階段。
針對(duì) PEMS測(cè)試瞬態(tài)數(shù)據(jù),以冷卻液溫度高于30 ℃后作為有效數(shù)據(jù),基于功基窗口法對(duì)車輛的基本運(yùn)行數(shù)據(jù)、功基窗口平均功率比和功基窗口持續(xù)時(shí)間進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示。由市區(qū)過度到市郊,隨著車速的增加,3次測(cè)試功基窗口持續(xù)時(shí)間均逐漸降低,即達(dá)到相同的WHTC循環(huán)功所用時(shí)長(zhǎng)減少;而功基窗口平均功率比隨車速增加逐漸增大,車輛做功增加,由圖可知,低功率閾值主要集中在冷啟動(dòng)和市區(qū)階段。
圖3 PEMS測(cè)試結(jié)果
按照國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置功率閾值來計(jì)算車輛排放時(shí),測(cè)試1有效窗口功率閾值為10%,其它2次測(cè)試均為 11%,即只針對(duì)圖3中的功基窗口平均功率比大于該功率閾值的區(qū)域判定車輛的排放,而該區(qū)域主要集中在市區(qū)后三分之一和市郊工況,3次測(cè)試無效窗口數(shù)分別占全窗口的52.28%、34.53%和21.59%;冷啟動(dòng)占無效窗口的15.02%、16.69%和29.96%,基本在15%以上,所以冷啟動(dòng)排放需要引起重視。但目前重型車國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)只考慮冷卻液溫度大于70 ℃區(qū)域的排放,忽略了車輛冷啟動(dòng),且設(shè)置有效窗口功率閾值剔除了部分市區(qū)高排工況,使得實(shí)際排放被低估。
由圖2(a)和圖3分析可知,車輛在冷卻液溫度在30~70 ℃的冷啟動(dòng)階段NOx排放占比大。本研究運(yùn)用移動(dòng)窗口法計(jì)算冷啟動(dòng)階段的功基窗口比排放,并結(jié)合移動(dòng)窗口時(shí)長(zhǎng)、NOx尾排瞬時(shí)濃度和SCR前溫度進(jìn)行重點(diǎn)分析,結(jié)果如圖4所示。
圖4 PEMS冷啟動(dòng)排放
車輛啟動(dòng)時(shí) NOx尾排較高,隨著冷卻液溫度和SCR溫度升高,NOx尾排濃度逐漸降低,3次測(cè)試第一個(gè)窗口的 NOx比排放最大,并隨時(shí)序窗口的后移逐漸降低。第1個(gè)窗口截止到第3 464 s、3 072 s和3 104 s,最后一個(gè)窗口截止到第3 911 s、3 616 s和3 720 s,結(jié)合圖3的瞬態(tài)數(shù)據(jù),3次測(cè)試的最后一個(gè)窗口均在市區(qū)工況的中部靠后,此時(shí)雖然發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大,缸內(nèi)燃燒溫度較高,NOx原排濃度大[16],但由于此時(shí)SCR后處理已經(jīng)達(dá)到高效區(qū)間,NOx轉(zhuǎn)化效率可達(dá)90%以上[8],使得車輛 NOx尾排大幅降低。所以隨著功基窗口后移使得SCR高溫工況占比增多,NOx的窗口比排放逐漸減??;而整個(gè)冷啟動(dòng)過程中,PN排放則基本趨于穩(wěn)定,變化不明顯。
3次測(cè)試?yán)鋮s液溫度從30 ℃上升至70 ℃約10 min,和SCR后處理溫度到達(dá)200 ℃時(shí)間接近,此溫度基本也是尿素的起噴溫度,在之后 NOx瞬態(tài)排放會(huì)有明顯改善,所以冷啟動(dòng)階段的排放不可忽視。
由以上分析可知,雖然試驗(yàn)車輛在冷啟動(dòng)階段持續(xù)時(shí)間短,但是 NOx排放量大,不能忽視,為更真實(shí)反映車輛實(shí)際道路排放,有必要在進(jìn)行整車排放水平評(píng)估時(shí),引入冷啟動(dòng)排放。本研究針對(duì)PEMS測(cè)試,以冷卻液溫度在30~70 ℃數(shù)據(jù)來評(píng)價(jià)冷態(tài)排放,冷卻液溫度到達(dá)70 ℃之后評(píng)價(jià)熱態(tài)排放,參照發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)WHTC循環(huán),冷啟動(dòng)加權(quán)系數(shù)取 0.14,熱態(tài)加權(quán)系數(shù)取 0.86,加權(quán)求和獲得包含冷啟動(dòng)的車輛實(shí)際道路PEMS排放[3,14],對(duì)比幾種含冷啟動(dòng)的重型車輛排放評(píng)估方法供參考。
以冷啟動(dòng)階段功基窗口中比排放最大值作為冷啟動(dòng)排放;計(jì)算熱態(tài)結(jié)果時(shí),為覆蓋更多市區(qū)工況,更加貼近車輛實(shí)際使用排放,將功基窗口功率閾值調(diào)整至國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)中允許的最低值 10%(若全窗口功率閾值>10%,則按全窗口比排放值計(jì)算),以其窗口比排放的 90%分位值為熱態(tài)排放。以上冷熱態(tài)加權(quán)求和作為加權(quán)結(jié)果,與國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算的有效窗口的 90%分位值對(duì)比(圖中:國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)法),結(jié)果如圖5所示。
圖5 以功基窗口法計(jì)算的NOx和PN的比排放
由圖5可知,#2和#3車包含冷啟動(dòng)排放的NOx加權(quán)排放結(jié)果明顯超過國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)排放限值。3輛車包含冷啟動(dòng)的PEMS排放結(jié)果分別為177.0 mg/ kWh、833.2 mg/kWh和719.3 mg/kWh,按國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的法規(guī)結(jié)果分別為 49.8 mg/kWh、662.6 mg/kWh和388.2 mg/kWh,前者比后者排放分別大241.3%、25.75%和85.31%,排放通過難度增大。需要注意的是,3次測(cè)試依據(jù)功基窗口計(jì)算的冷啟動(dòng)比排放明顯高于熱態(tài)排放,且冷啟動(dòng)排放分別高于法規(guī)限值(690 mg/kWh)31.68%、141.85%和186.93%,基本達(dá)到法規(guī)限值的1.3~2.8倍,也有研究表明[15]冷啟動(dòng)階段的 NOx排放可以達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試結(jié)果的2~4倍,而冷啟動(dòng)是車輛啟動(dòng)必經(jīng)過程,所以在評(píng)估車輛實(shí)際道路 NOx排放時(shí),此時(shí)巨大的排放不容忽視。
而包含冷啟動(dòng)的3次測(cè)試PN加權(quán)排放和法規(guī)排放無明顯差別,兩者分別為法規(guī)排放限值1.2×1012#/kWh的 3.86%和 4.49%、16.05%和18.84%、5.33%和9.10%,明顯低于法規(guī)限值,法規(guī)計(jì)算相比于加權(quán)結(jié)果稍高。熱態(tài)PN計(jì)算結(jié)果大于冷啟動(dòng),是因?yàn)榉ㄒ?guī)計(jì)算中市區(qū)和市郊比例更高,而市區(qū)和市郊是PN形成的有利條件。
分別計(jì)算冷啟動(dòng)、熱態(tài)的 NOx和 PN累計(jì)排放質(zhì)量,再除以該時(shí)間段內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)輸出功,分別得到兩階段的質(zhì)量比排放。加權(quán)求和的排放與法規(guī)功基窗口法的有效窗口 90%分位值對(duì)比(圖中:法規(guī)排放),結(jié)果如圖6所示。
圖6 以全工況計(jì)算的NOx和PN比排放
就 NOx比排放來看,冷、熱態(tài)加權(quán)獲得的加權(quán)值明顯高于法規(guī)計(jì)算的結(jié)果,3次測(cè)試加權(quán)結(jié)果分別為 743.4 mg/kWh、 1 224.0 mg/kWh和1 222.0 mg/kWh,為國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)法結(jié)果的14.92、1.85和3.15倍,明顯加大了排放的通過難度;而冷啟動(dòng)NOx比排放甚至達(dá)到國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)法排放的9倍以上,達(dá)國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)限值690 mg/kWh的7.3~8.7倍,所以想要控制車輛排放,冷啟動(dòng)排放及其相關(guān)控制策略也需要引起重視。
功基窗口法、全工況法和國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算PEMS得到的NOx比排放和PN比排放如圖7所示。兩種建議方法的 NOx比排放比國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)法排放升高25%以上,因?yàn)榫鶎EMS測(cè)試的冷啟動(dòng)考慮在內(nèi),而冷啟動(dòng)排放由于未達(dá)到SCR系統(tǒng)尿素起噴溫度,SCR效能受限,均增加了NOx排放通過的難度;而PN排放結(jié)果無明顯規(guī)律,且均在國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)限值的 20%以內(nèi),可能需要進(jìn)一步探索其他的PN排放評(píng)估方法并加嚴(yán)PN限值。
圖7 不同方法的NOx和PN比排放
1)以冷卻液溫度達(dá)到30 ℃和70 ℃界定冷啟動(dòng)、熱態(tài)排放,試驗(yàn)車輛在 3次實(shí)際道路 PEMS測(cè)試中,冷啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)占比最大僅為 6.82%,但是NOx排放在冷啟動(dòng)階段達(dá)23.7%~82.4%,排放明顯高于市區(qū)和市郊,所以評(píng)估車輛排放時(shí)冷啟動(dòng)不容忽視。
2)下一階段(國(guó)七)標(biāo)準(zhǔn)修訂中的PEMS排放計(jì)算時(shí),建議引入冷啟動(dòng)部分,分別以冷卻液溫度達(dá)到30 ℃和70 ℃界定冷、熱態(tài)的有效數(shù)據(jù),參照發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)WHTC循環(huán),冷啟動(dòng)加權(quán)系數(shù)取0.14,熱態(tài)取0.86,加權(quán)求和獲得包含冷啟動(dòng)的車輛實(shí)際道路PEMS排放。
3)相比現(xiàn)行重型國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)采用的設(shè)置功率閾值的功基窗口法,文中建議的兩種含冷啟動(dòng)的排放計(jì)算方法NOx比排放升高25%以上,所以將冷啟動(dòng)納入計(jì)算的新排放評(píng)價(jià)方法會(huì)加大排放測(cè)試通過的難度。