重型柴油车燃用生物柴油CO2和NOx排放影响因素分析 （1）.pdf

文章基于底盘测功机法以及中国货车行驶工况（CHTC-HT）测试了国六燃用生物柴油车 CO2和 NOx 的瞬态实际排放特征，评估了运行工况、冷热启动、环境温度和载荷下对实际排放的影响。在瞬态运行工况下，测试车辆 CO2的排放速率与加速度呈显著正相关，低速加速段的 NOx 的排放速率急剧增加。环境温度和冷热启动影响样车 CO2和 NOx 的排放，CO2的排放主要受到车辆速度和负荷的影响，冷启动阶段、市区、城郊和高速的 CO2平均排放速率分别是 3.84 g/s、2.69 g/s、4.92 g/s 和 7.52 g/s。冷启动阶段的 NOx 排放占整个测试循环排放的 62.9%，急加速阶段，多次出现排放 NOx 的峰值。载荷对 CO2的比排放的影响并不十分显著，与空载相比，半载的 NOx 的平均比排放降低了 27.1%。测试车辆在市区、城郊和高速的工况下 CO2的平均比排放差异并不显著。市区 NOx 的平均比排放达到 6 582.7 mg/(kWh)（空载）、5 547.2 mg/(kWh)（半载），分别是城郊的 1.55 倍、高速的 6.21 倍（空载），城郊的 1.71 倍、高速的 9.94 倍（半载）。结果表明需重点关注低温冷启动时期，短时间内选择性催化还原器（SCR）的工作效率的提升；同时，注重控制在低速加速阶段、长期荷载较低和经常市区行驶的生物柴油车辆 NOx 的排放。关键词：重型柴油车；生物柴油；废气排放；影响因素 中图分类号：U469.74 文献标志码：A 文章编号：1671-7988(2023)16-75-05 Study on Influencing Factors CO2 and NOx Emissions from Heavy-Duty Diesel Trucks with Biodiesel LIU Pengfei1,WANG Wazi*2,HE Linglan1(1.CATARC Automotive Test Center(Guangzhou)Company Limited,Guangzhou 511340,China;2.Ruian College,Wenzhou Polytechnic,Wenzhou 325207,China)Abstract:This paper investigates transient emission characteristics of CO2 and NOx from diesel vehicles based on chassis dynamometer and China heavy-duty commercial vehicle test cycle for 作者简介：柳鹏飞（1995），男，研究方向为机动车污染，E-mail:。通信作者：王娃子（1992），男，硕士，研究方向为交通环境评价，-mail:。基金项目：2022 年度温州市哲学社会科学规划课题（22wsk270）；中汽研汽车检验中心（广州）有限公司科研项目（GZKY-20223C01007）。76 汽 车 实 用 技 术 2023 年 truck(CHTC-HT).The influence of operating modes,cold and hot start,ambient temperature and load on the real-word emission are estimated.Under transient operating conditions,the CO2 emission rate of the test vehicle is significantly positively correlated with the acceleration,and the NOx emission rate in the low-speed acceleration section increases sharply.The ambient temperature and cold and hot start affect the CO2 and NOx emissions of the sampling vehicle.The CO2 emissions are mainly determined by the vehicle speed and load.The average CO2 emission rates at the cold start,urban area,suburb and freeway are 3.84 g/s、2.69 g/s、4.92 g/s and 7.52 g/s,respectively.The NOx emission in the cold start accounts for 62.9%of the emission in the whole test cycle,and the peak value of NOx emission occurs repeatedly in the rapid acceleration process.The impact of load on the specific emission of CO2 is not very significant.Compared with no-load,the average specific emission of NOx at half load is reduced by 27.1%.The average specific emissions of CO2 of test vehicles under urban area,suburb and freeway modes are not significantly different.The average specific emission of urban area NOx is 6 582.7 mg/(kWh)(No-load)and 5 547.2 mg/(kWh)(Half-load),which are 1.55 times of suburb,6.21 times of freeway(No-load),1.71 times of suburb and 9.94 times of freeway(Half-load),respectively.The results show that it is necessary to focus on the improvement of selective catalytic reduction(SCR)efficiency in a short-term during the cold start period at low temperature;Meanwhile,should pay attention to controlling the NOx emission of biodiesel vehicles under low-speed acceleration,long-term lower load and regular urban driving.Keywords:Heavy-duty diesel trucks;Biodiesel;Exhaust emission;Influence factors 为进一步控制重型柴油车的排放，我国已于2021 年 7 月 1 日在全国实施重型柴油车第六阶段标准，在全球范围内已成为针对重型柴油车排放严格的标准之一。2020 年 9 月，中国 CO2排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和，“双碳”目标的提出，迫使机动车的温室气体排放日益受到关注。目前，交通是我国应对“温室效应”变化的重点领域1，我国交通碳排放量占碳排放总量的 10.4%，公路运输占交通碳排放量的 73.3%2，其中，重型柴油货车是我国重要的 CO2排放来源，CO2排放接近机动车排放的30%3。同时，重型柴油货车也是重要的 NOX排放源，2021 年我国重型柴油货车 NOX排放 400.1 104吨，占汽车排放总量的 70.4%。可见，重型柴油货车排放已成为减排的重点。为实现此减排目的，通过台架试验或车载测试方法探讨在第六阶段排放和燃油标准下重型柴油货车 CO2和 NOX实际排放特征已有部分报道4-5。同时，陈瑜琦等6通过生命周期评价法评估了生物柴油与化石燃料的生产流程，研究表明生物柴油能够显著减少CO2的排放。可见，推广应用生物柴油是实现其减排重点路径之一，但目前相关的研究鲜有涉及。因此，有必要进一步探究重型柴油车生物柴油 CO2和 NOX的排放水平。鉴于此，利用底盘测功机通过中国货车行驶工况（China Heavy-duty commercial vehicle Test Cycle for Truck,CHTC-HT）测试了 CO2和 NOX的瞬态实际排放特征，评估了运行工况、启动方式、环境温度和载荷下对实际排放的影响，进一步探讨国六重型柴油车燃用生物柴油 CO2和 NOX实际排放水平。以期为政府交通减排政策制定提供参考，为完善机动车排放清单计算、使用生物柴油来达成减排目的等提供数据支持。1 材料与方法 1.1 试验样车 本试验样车以及使用的燃油（20%掺混比例）均符合国六排放标准，我国尚未强制要求在柴油中强制添加生物柴油，但部分国家强制混掺比例第 16 期 柳鹏飞，等：重型柴油车燃用生物柴油 CO2和 NOx 排放影响因素分析 77 达 20%。测试车辆为 N3 类载货车，整车技术参数如表1 所示。试验样车搭载的柴油机进气系统采用增压中冷技术，供油系统采用高压共轨技术。为减少原机排放，采用了废气再循环（Exhaust Gas Recir-culation,EGR）等缸内清洁燃烧技术。与柴油机匹配的后处理装置有：氧化催化器（Diesel Oxidation Catalyst,DOC）、颗粒捕捉器（Diesel Particulate Filter,DPF）、选择性催化还原器（Selective Catalytic Reduction,SCR）和氨逃逸催化器（Ammonia Slip Catalyst,ASC）等。表 1 测试车辆基本信息 参数 数值 最大允许总质量/kg 18 000 轮胎数/个 6 最高车速/(km/h)101 发动机排量/mL 6 870 发动机额定功率/kW 188 发动机最大净功率/kW/转速/(r/min)185/2 200 劣化里程/km 200 000 1.2 数据采集分析方法 测试仪器为 Burke 四驱重型底盘测功机（BEP-9250 72HDD-4WD）、HORIBA 重型排放分析系统（MEXA-ONE）。试验采用 CHTC-HT 循环工况，其中，市区循环为 342 s、城郊循环为 988 s和高速循环为 470 s，可基本反映中国货车的实际道路行驶特征。试验全过程在高低温环境仓中进行。CO2和 NOX的瞬时排放速率计算方法为 qt=uctmt （1）式中，qt为 t 时刻污染物质量排放速率，g/s；u 为排气组分密度和稀释排气密度比，对于柴油车，计算CO2时u取0.001 519，计算NOX时u取 0.001 587；ct为背景修正后 t 时刻排气组分的瞬时浓度，10-6；mt为 t 时刻排放质量流量，kg/s。在 t 时刻排放质量流量 mt的计算方法为 mt=mv,t273.15293.15 60=（2）式中，mv,t为 t 时刻标准状态下（0，1 个标准大气压）排气体积流量，m3/min；为排气密度，柴油车取 1.294 3 kg/m3。2 结果与讨论 2.1 不同行驶工况下 CO2和 NOX排放特征 图 1 中为试验样车热启动、50%载荷、20%掺混比例，在不同速度和加速度工况下的 CO2和NOX的排放速率。如图 1(a)所示，CO2的排放速率与加速度具有显著正相关，即加速度愈大，CO2的排放速率愈高，主要原因是高负荷导致高的燃油消耗，进而导致高的 CO2的排放，这与相关研究结果一致5。如图 1(b)所示，NOX的排放峰值主要出现在加速段，尤其在低速急加速段往往空燃比增加，进而导致燃烧温度升高，此时，SCR 尚未达到正常的催化效率，从而致使较高 NOX的排放。然而，减速时，NOX的排放速率普遍较低。因此，需重点关注重型生物柴油车低速急加速段的 NOX排放状况。(a)CO2瞬时排放率（g/s）(b)NOx 瞬时排放率（mg/s）图 1 在不同运行工况下,CO2和 NOx 的排放速率 2.2 冷启动工况下 CO2和 NOX瞬态排放特征 图 2 为冷启动工况下，CO2和 NOX逐秒的排放和环境温度数据。环境温度和冷热启动对重型柴油车 CO2和 NOX的排放有重要的影响。环境温度较低和冷启动期间，较低的润滑油温度会导致较高的机械摩擦、增加发动机热损失，进而导致较高的燃油消耗，CO2的排放也会相应增加。进一步地，结合图 1 和图 2 的数据可知，冷启动阶段、市区、城郊和高速的 CO2平均排放速率分别是 3.84 g/s、2.69 g/s、4.92 g/s 和 7.52 g/s。因此，78 汽 车 实 用 技 术 2023 年 CO2的排放主要受到车辆速度和负荷的影响，其受冷启动的影响较小。图 2 在冷启动工况下，CO2和 NOx 瞬态排放相关数据 冷启动时，SCR 后处理尚未达到正常的工作温度，NOX排放相对较高，冷启动阶段（约占三分之一循环）的 NOX排放占整个测试循环排放的62.9%，尤其在低温环境下，延长了 SCR 等后处理装置进入正常催化效率的时间，催化效率进一步降低，导致 NOX排放的增加。在高速阶段，排气温度稳定在 250300 之间，尽管发动机在高速运转，但阶段 SCR 后处理系统工作效率较高，NOX的排放维持在较低水平；同时，在整个测试循环剧烈加速阶段，多次出现排放 NOX的峰值，同时伴随着排气温度的攀升，这一现象与 NOX的生成机理有关。因此，在低温冷启动时期，短时间内提升 SCR 的工作效率、在剧烈加速等特定工况下进一步减少 NOX的排放需要重点关注。2.3 不同负荷下 CO2 和 NOX 排放因子 图 3 为在不同负载和行驶工况下，CO2和 NOX的排放因子。据图可知，随着载荷的增加，CO2和NOX的比排放在不同工况下均有不同程度的降低，车辆在空载、半载的条件下的 CO2的平均比排放分别（1 114.014.7）g/(kWh)、（1 091.8 2.5）g/(kWh)，降低 2.0%，NOX的平均比排放分别 （2 972.078.6）mg/(kWh)、（2 165.811.8）mg/(kWh)，降低了 27.1%。可见，载荷对 CO2的比排放的影响并不十分显著，但应关注国六重型生物柴油车在低载荷条件下 NOX的排放超标风险7。在不同行驶工况下，市区 CO2的平均比排放最高，依次是城郊、高速，但三者差别并不显著；市区NOX的平均比排放达到 6 582.7 mg/(kWh)（空载）、5 547.2 mg/(kWh)（半载），分别是城郊的 1.55 倍、高速的 6.21 倍（空载），城郊的 1.71倍、高速的 9.94 倍（半载）。原因可能是车辆启动时、空载状态下，排气温度过低导致工作效率偏低或尚未达到 SCR 反应剂的喷射温度所致8。因此，针对长期载荷相对较低、经常市区行驶的六辆生物柴油车辆，应当注重 NOX的排放控制。图 3 在不同负载和行驶工况下，CO2和 NOx 的比排放 3 结论 1）在瞬态运行工况下，测试车辆 CO2的排放速率与加速度呈显著正相关，低速加速段的 NOX的排放速率急剧增加。2）环境温度和冷热启动影响样车 CO2和 NOX的排放，CO2的排放主要受到车辆速度和负荷的影响，冷启动阶段、市区、城郊和高速的 CO2平均排放速率分别是 3.84 g/s、2.69 g/s、4.92 g/s 和7.52 g/s。冷启动阶段的 NOX排放占整个测试循环排放的 62.9%，急加速阶段，多次出现排放 NOX的峰值。因此，需重点关注低温冷启动时期，短时间内 SCR 工作效率的提升、在剧烈加速阶段等特定工况下来进一步减少 NOX的排放。3）载荷对 CO2的比排放的影响并不十分显著，与空载相比，半载的 NOX的平均比排放降低了 27.1%。测试车辆在市区、城郊和高速的工况下CO2的平均比排放差异并不显著。市区 NOX的平均比排放市区 NOX的平均比排放达到 6 582.7 mg/(kWh)（空载）、5 547.2 mg/(kWh)（半载），分第 16 期 柳鹏飞，等：重型柴油车燃用生物柴油 CO2和 NOx 排放影响因素分析 79 别是城郊的 1.55 倍、高速的 6.21 倍（空载），城郊的 1.71 倍、高速的 9.94 倍（半载）。因此，需进一步加强控制长期荷载较低、经常市区行驶的国六生物柴油车辆 NOX的排放。参考文献 1 焦德武.碳达峰碳中和关键领域、面临挑战与实现路径研究综述J.安徽理工大学学报(社会科学版),2021,23(6):12-17.2 王元庆,李若彤.城市群交通碳达峰与碳中和研究综述与展望J.交通运输研究,2021,7(5):2-10.3 JIA T,LI Q,SHI W.Estimation and Analysis of Emissions From On-road Vehicles in Mainland China for the Period 20112015J.Atmospheric Environ-ment,2018,191(3):500-512.4 王谦,曹芳,付明亮,等.在用机动车基于台架试验 CO2排放因子研究J.南京信息工程大学学报(自然科学版),2022,14(2):156-166.5 马帅,黄志辉,纪亮,等.基于车载测试的国 VI 重型柴油车 CO2和 NOx 排放研究J.环境科学学报,2022,42(2):341-350.6 陈瑜琦,王静,蔡玉梅.发展燃料乙醇和生物柴油的碳排放效应综述J.可再生能源,2015,33(2):257-266.7 许家毅,刘宝利,张佑源,等.车辆载荷对国六重型柴油车排放的影响研究J.小型内燃机与车辆技术,2020,49(6):29-34.8 陈仁庆,赵波,肖明知,等.重型柴油车 NOx 排放影响因素研究J.汽车实用技术,2021,46(11):90-92,119.