重型车国六标准边界条件对排放的影响＊

于全顺，田霖，郭勇，王雪峰，徐军辉

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

1 前言

2016年底，生态环境部（原环境保护部）和国家质检总局联合发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[1]，随着轻型车国六标准的发布，重型车国六也进入人们关注的视野，2018年 GB/T17691-2018《重型柴油车污染物排放限制及测量方法》（中国第六阶段）[2]正式发布。对于重型整车国标中首次引入了整车实际道路实验（Portable Emission Measurement System，PEMS），其中重型车国六标准中相对于之前的地方标准环境边界条件更为严苛[3-5]，监测污染物的种类也有所增加：其中其 a阶段环境边界条件为-7℃，海拔 1700米，对于污染物的颗粒物数量（PN）无要求；六b阶段环境边界条件为-7℃，2400米，同时要求监测颗粒物数量。为了研究各种极限条件下重型车辆的排放变化，本文选用国六阶段重型车，在环境海拔仓内进行转股 PEMS实验，模拟标准中的极限边界条件，对样车的排放特性和油耗特性进行系统分析，为重型车六阶段标准的实施提供理论支持，为重型车企业的标定提供数据支持。

2 试验设备方案

2.1 试验车辆

本研究选用国 VI阶段重型柴油车，车辆及发动机参数见表1。

表1 实验样车参数

2.2 实验方案

试验在海拔&环境仓内进行，仓内海拔设定范围是 0～5000米；温度设定范围是-40～60℃。试验是在带有 CVS的底盘测功机上进行的。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，Sensors公司生产的 SEMTECHECOSTAR PLUS便携式排放测试设备，通过控制变量条件确定不同工况进行实验，每个工况采用的循环为 GB/T27840-2011《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）[6]，循环曲线如图1所示，设备安装图如图2所示，C-WTVC循环工况特征参数如表2所示，工况分布如表3所示。

图1 C-WTVC测试循环速度曲线

图2 设备安装示意图

表2 C-WTVC循环工况特征参数

表3 工况分布

2.3 实验设备

本研究排放测试用的是便携式排放测试系统，选用的是美国Sensors公司生产的SEMTECH-ECOSTAR PLUS，对于排气污染物中的各个污染物，分别采用非分散红外分析法（Non-Dispersive Infra-red dector，NDIR）测量一氧化碳和二氧化碳，非分散紫外分析法（Non-Dispersive Ultraviolet dector，NDUV）测量氮氧化物，激光凝缩颗粒物计数（CPC）测量颗粒物数量。此外，SEMTECH-ECOSTAR PLUS通过自带全球定位系统（GPS）记录地理位置信息，ICM模块读取车辆ECU信息，Weather Probe模块记录环境温湿度信息，EFM模块实时记录排气流量。

3 计算方法

基于里程的排放因子是评价整车污染物的重要指标之一

[7]，其公式如3-1所示：

其中 Ekm是某种污染物基于里程的排放因子，单位是g/km或#/km，ei是逐秒污染物浓度，单位是g/s，L是行驶里程，C-WTVC循环为20.51km。

基于功基的比排放是判定国六整车合格与否的依据[8]，也是标准限值的单位。最终结果由公示（2）计算得出：

式中：Li是某种污染物排放结果，单位是g/kwh或#/kwh，Mi是某种污染物的总排放量，单位是g/#，W是发动机循环功（kwh）。最终结果根据表4根据不同车型进行加权。

表4 特征历程分配比例

各工况污染物排放变化率根据公示（3）计算得出：

式中：ψ为各污染物变化率，Eb为其他污染物排，单位为（g/km）/（#/km）或（g/kwh）/（#/kwh），Ea为常温长下污染物排放，单位为（g/km）/（#/km）或（g/kwh）/（#/kwh）。

4 数据分析

对不同工况下的数据按照公式（1）和公式（2）进行计算，基于功的计算根据表4进行加权平均，可知市区比例为10%，公路比例为60%，高速比例为30%。逐个分析污染物随工况的变化情况，计算各个污染物的基于里程排放因子和比排放，并以常温常压工况为基础，按照公式（3）计算其他工况各污染物的变化情况。

4.1 CO2排放分析

由图3可以看出相对于常温常压下的CO2排放，温度和海拔边界条件下，均呈现不同程度地增加。其中常温常压下CO2的排放因子和比排放为623403.22mg/km和708396.68mg/kwh，-7℃边界条件下CO2的排放因子和比排放为655907.69 mg/km和754469.02mg/kwh，1700米国六a边界条件下CO2的排放因子和比排放为 660952.38mg/km和 828226.22mg/kwh，2400米国六b边界条件下CO2的排放因子和比排放为677773.77mg/km和845462.34mg/kwh。基于排放因子进行分析：相对于常温常压下的CO2排放因子，-7℃边界条件下增加5.2%，1700米边界条件下增加6.0%，2400米边界条件下增加8.7%；基于比排放进行分析：相对于常温常压下的CO2比排放，-7℃边界条件下增加6.5%，1700米边界条件下增加16.9%，2400米边界条件下增加19.3%。

图3 CO2排放变化图

综合排放因子和比排放可以看出，温度和海拔边界条件都对CO2都是有恶化影响，海拔边界条件相对于温度边界条件，影响更大，海拔达到国六b的边界条件时，涨幅较大，同时因为CO2表征的是样车的油耗量，可知低温和高海拔都会使样车油耗增加。

4.2 CO排放分析

由图4可以看出相对于常温常压下的CO排放，温度和海拔边界条件下，均呈现不同程度的增加，其中高海拔增幅程度更加明显。其中常温常压下CO的排放因子和比排放为62.16mg/km和88.42mg/kwh，-7℃边界条件下CO的排放因子和比排放为 73.04mg/km和91.76mg/kwh，1700米国六a边界条件下 CO的排放因子和比排放为 131.56mg/km和186.48mg/kwh，2400米国六b边界条件下CO的排放因子和比排放为185.84mg/km和263.42mg/kwh。基于排放因子进行分析：相对于常温常压下的 CO排放因子，-7℃边界条件下增加17.5%，1700米边界条件下增加111.6%，2400米边界条件下增加199.0%；基于比排放进行分析：相对于常温常压下的CO比排放，-7℃边界条件下增加3.8%，1700米边界条件下增加110.9%，2400米边界条件下增加197.9%。

图4 CO排放变化图

综合排放因子和比排放可以看出，温度和海拔边界条件都对CO都是有恶化影响，海拔边界条件相对于温度边界条件，影响更大。柴油机的CO的生成主要是由于不完全燃烧造成的，当海拔上升时，柴油机缸内氧含量下降，不利于CO的氧化进而导致排放上升。

4.3 NOX排放分析

由图5可以看出相对于常温常压下的NOX排放，温度和海拔边界条件下，均呈现不同程度的增加，其中低温条件下增幅明显。其中常温常压下 NOX的排放因子和比排放为349.25mg/km和495.03mg/kwh，-7℃边界条件下NOX的排放因子和比排放为442.12mg/km和605.71mg/kwh，1700米国六a边界条件下NOX的排放因子和比排放为412.81mg/km和565.12mg/kwh，2400米国六b边界条件下NOX的排放因子和比排放为433.23mg/km和585.76mg/kwh。基于排放因子进行分析：相对于常温常压下的NOX排放因子，-7℃边界条件下增加26.6%，1700米边界条件下增加18.2%，2400米边界条件下增加 24.0%；基于比排放进行分析：相对于常温常压下的NOX比排放，-7℃边界条件下增加22.4%，1700米边界条件下增加14.2%，2400米边界条件下增加18.3%。

图5 NOX排放变化图

综合排放因子和比排放可以看出，温度和海拔边界条件都对NOX都是有恶化影响，温度边界条件相对于海拔边界条件，影响更大，原因是氮氧化物的形成主要是取决于反应温度、氧气浓度和反应时间。在高海拔环境下，随着海拔高度的增加，燃料的滞燃期延长，预混合燃烧阶段增长，导致速燃气燃料增多，缸内燃烧温度提升，利于氮氧化物的生成，而高海拔地区氧含量较低，导致缸内燃烧所需氧气降低，阻碍氮氧化物生成。而低温环境下，SCR的喷射温度既定，相对于常温常压下的喷射环境，更难达到喷射温度，导致后处理对氮氧化物的处理效果明显降低，氮氧化物排放大幅度增长[9-11]。

4.4 PN排放分析

由图6可以看出相对于常温常压下的PN排放，温度和海拔边界条件下，均呈现不同程度地增加。其中常温常压下PN的排放因子和比排放为4.91×1011mg/km和6.96×1011mg/kwh，-7℃边界条件下 PN的排放因子和比排放为 9.83×1011mg/km和 1.39×1012mg/kwh，1700米国六 a边界条件下 PN的排放因子和比排放为1.25×1012mg/km和1.59×1012mg/kwh，2400米国六 b边界条件下 PN的排放因子和比排放为3.87×1012mg/km 和 5.32×1012mg/kwh。基于排放因子进行分析：相对于常温常压下的 PN排放因子，-7℃边界条件下增加100.3 %，1700米边界条件下增加154.0%，2400米边界条件下增加688.1%；基于比排放进行分析：相对于常温常压下的PN比排放，-7℃边界条件下增加70.1%，1700米边界条件下增加128.1%，2400米边界条件下增加665.1%。

图6 PN排放变化图

综合排放因子和比排放可以看出，温度和海拔边界条件都对PN都是有恶化影响，海拔边界条件相对于温度边界条件，影响更大，海拔达到国六b的边界条件时，涨幅较大，最高涨幅达688.1%，海拔的增加导致燃烧温度升高，提高了燃油裂解的反应速率，从而促进颗粒物的生成，另一方面，高海拔环境下压力较低，使得柴油进气量降低，缸内氧含量变低，阻碍了燃烧过程中产生的颗粒物氧化。导致颗粒物相对于常温常压增幅较大[12]。

5 结论

（1）对于CO2、CO和PN分析，海拔的增加和温度的降低都造成排放恶劣，但海拔的影响更大，对于CO2，2400米边界条件下相对于常温常压排放因子增加8.7%，比排放增加19.3%，对于CO，2400米边界条件下相对于常温常压排放因子增加199.0%，比排放增加197.9%，远超-7℃环境下的排放增长量，对于PN，2400米边界条件下相对于常温常压排放因子增加688.1%，比排放增加665.1%。

（2）对于NOX，温度和海拔边界条件都对NOX都是有恶化影响，温度边界条件相对于海拔边界条件，影响更大，-7℃环境下，相对于常温常压，排放因子增加 26.6%，比排放增加22.4%，超过国六a和国六b的海拔边境条件下的增长量。

（3）根据标准中所规定的限值，常温常压下，各类污染物明显可以达标，比排放均低于限值要求，在边界条件下，NOX和PN污染物有不同程度的超过限值，因此发动机和整车厂应对边界条件下的标定重视。