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摘要：选取一辆满足国六排放标准的重型柴油车，参照GB 17691-2018附录K的要求在底盘测功机上进行污染物排放试验，运行一个热启动循环和一个冷启动循环。试验结果表明，NOX在冷启动阶段的排放浓度、比排放和累计排放量都远高于其他阶段，NOX在冷启动循环中的市区的比排放远高于热启动循环市区的比排放；CO在冷启动循环中冷启动阶段的比排放远高于其他阶段；PN在冷启动循环中市区及整个C-WTVC循环阶段的累计排放量及比排放远高于热启动循环对应阶段的累计排放量及比排放。

关键词：重型柴油车 冷启动 热启动 污染物 C-WTVC

1前言

重型柴油车一直以来都是移动源污染物排放的主要贡献者，根据2023年中国移动源环境管理年报的数据[1]，2022年全国机动车一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）排放量分别为743.0万吨、191.2万吨、526.7万吨、5.3万吨。汽车是污染物排放总量的主要贡献者，其排放的CO、HC、NOx和PM超过90%。其中柴油车NOx排放量超过汽车排放总量的80%，PM排放量超过90%。为了有效地控制柴油车的污染物排放，GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》已于2021年7月1日全面实施。标准中对于发动机冷启动排放做了相关的规定[2]，对于整车排放的要求，按照GB 17691-2018附录K进行的实际道路行驶测量方法（PEMS）进行试验时，只针对发动机冷却液温度≥70℃的排放数据进行排放结果的评估；按照GB 17691-2018附录K进行的整车底盘测功机污染物排放测量方法进行试验时，完全参照GB/T 27840《重型商用车辆燃料消耗量测量方法》中对重型商用车辆进行充分预热后进行试验[3]。相关研究表明[4-7]：低温环境下柴油机气态污染物的排放更加恶化，柴油机冷启动试验的污染物排放量要显著高于热启动；在PEMS试验工况下重型柴油车在冷启动阶段的NOX和CO排放是不能忽略的问题。为此，选择某重型柴油车在底盘测功机排放测试过程中冷、热启动循环排放特征进行研究。

2试验设计

2.1试验车辆

试验选择一辆满足GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》排放要求的国六b阶段要求的重型柴油车，基本信息见表1。

2.2试验设备

试验使用的底盘测功机是由AVL公司生产的72英寸四驱底盘测功机，具有速度测量系统以及时间测量系统，并配有环境仓，能够进行温湿度控制。通过底盘测功机模拟道路阻力，并基于底盘测功机进行C-WTVC循环（China-World Transient Vehicle Cycle）试验。选用HORIBA公司生产的OBS-ONE型便携式排放分析仪进行污染物排放测量。该系统主要由控制单元，便携式电源，GAS气态污染物测量单元和PN颗粒数测量单元以及用以确定排气质量流量的流量计EFM组成。

2.3试验方案

试验过程参考GB 17691―2018 附录L及GB/T 27840-2011进行试验，试验室环境温度设置为25℃，对试验车辆经过充分的磨合，里程为3300km，轮胎花纹、充气压力符合相关规定，燃油满足标准要求。将车辆固定在底盘测功机上，确保试验时，车辆不会出现打滑现象，并连接排气流量计及排放分析仪等设备，确认排气系统无泄漏等。让驾驶员对车辆状态进行熟悉及充分预热，按照标准要求在底盘测功机上进行道路阻力的模拟滑行。在充分预热的状态下运行一个完整的C-WTVC循环，定义为循环1（hot）；将车辆静置在转股上一晚上，让车辆发动机冷却液自然冷却，第二天进行冷启动试验运行一个完整的C-WTVC循环，定义为循环2（cold）。将两次的试验数据按照标准要求的1HZ频率记录，本文主要是研究重型商用车在底盘测功机排放测试过程中冷、热启动阶段的污染物排放特征，故不对油耗数据进行分析。测试循环曲线详见表2。

3试验结果与分析

3.1污染物累计排放

分别将两次试验冷启动、市区、公路、高速各阶段的污染物进行累加，对污染物累计排放量进行分析。

3.1.1 CO累计排放特征

如图1所示，循环1（hot）市区、公路、高速及C-WTVC的CO累计排放量结果分别为12766.0mg、5199.1mg、842.2mg、18807.4mg；循环2（cold）冷启动、市区、公路、高速及C-WTVC的CO累计排放量结果分别为9245.0mg、12930.0mg、5047.2mg、478.5mg、18455.8mg。循环2（cold）的冷启动阶段的CO累计排放量在整个C-WTVC试验循环中占比为50.1%，循环2（cold）的冷启动阶段的CO累计排放量在市区阶段占比为71.5%。在循环1（hot）试验工况下，选取同循环2（cold）冷启动阶段相同时间前468s的数据对CO排放量进行累加，结果为8572.5mg，在循环1（hot）的整个C-WTVC试验循环中占比为45.6%，在循环1（hot）的市区阶段占比为67.2%。由可以看出，两次试验的CO累积排放量在市区、公路、高速及整个C-WTVC试验工况曲线下相差不大。

3.1.2 NOX累计排放特征

如图2所示，循环1（hot）市区、公路、高速及C-WTVC分别为786.0mg、46.5mg、38.0mg、870.5mg；循环2（cold）冷启动、市区、公路、高速及C-WTVC分别为4332.2mg、5028.5mg、71.6mg、15.3mg、5115.4mg。循环2（cold）减去循环1（hot）NOX累计排放量的差值为4244.9mg，与循环2（cold）循环中冷启动的NOX累计排放量相当；循环2（cold）冷启动阶段的NOX累计排放量占整个试验循环的86.2%，远超市区、市郊和高速阶段NOX累计排放量的总和。车辆在冷启动阶段，排温较低，未达到车辆规定的尿素喷射温度，SCR 此时段未工作，该阶段的NOX排放量较高。待车辆运行一定的时间，车辆冷却液温度上升，排温也开始达到车辆规定的尿素起喷温度， SCR 开始正常工作，排气中的 NOX被大量转化，测得的NOX大幅下降，达到降低NOX排放的效果。

3.1.3 PN累计排放特征

如图3所示，循环1（hot）市区、公路、高速及C-WTVC分别为1.66E+11#、1.39E+10#、4.85E+10#、2.24E+11#，循环1（hot）市区、公路、高速阶段的PN累计排放量分别占整个C-WTVC试验循环的72.1%、6.2%、21.7%；循环2（cold）冷启动、市区、公路、高速及C-WTVC分别为2.38E+12#、2.39E+12#、4.19E+10#、1.57E+11#、2.59E+12#，循环2（cold）冷启动、市区、公路、高速阶段的PN累计排放量分别占整个C-WTVC试验循环91.7%、92.3%、1.6%、6.1%，其中冷启动阶段的PN累计排放量占市区阶段的累计排放量的99.3%。可以看出，该车辆在进行底盘测功机试验中，PN的累计排放量主要集中在市区阶段，循环2（cold）中市区阶段的PN累计排放量集中在冷启动阶段，循环2（cold）市区和整个C-WTVC循环阶段的PN累计排放量远高于循环1（hot）对应阶段的累计排放量。

3.2污染物比排放

分别将两次试验冷启动、市区、公路、高速各阶段的污染物进累计排放量比上各试验阶段的累计功，能够得到各试验阶段的污染物比排放，污染物比排放是指发动机单位功内污染物的排放质量，通常用于评价发动机或车辆在某工况下的污染物排放水平。

3.2.1 CO比排放特征

如表3所示，循环 1（hot）市区、公路、高速及整个C-WTVC循环CO比排放结果分别为6891.8 mg/kWh、2709.1 mg/kWh、231.8mg/kWh、2539.8mg/kWh，将市区、公路、高速按照特征里程分配系数加权后结果为3886.7 mg/kWh；如表4所示，循环2（cold）冷启动、市区、公路、高速及整个C-WTVC循环CO比排放分别为12071.9 mg/kWh、6914.9 mg/kWh、2595.6 mg/kWh、128.1 mg/kWh、2444.8 mg/kWh，将市区、公路、高速按照特征里程分配系数加权后结果为3829.8 mg/kWh。两次试验在整个C-WTVC试验循环下的结果以及将市区、公路、高速按照特征里程分配系数加权后结果相差不大。各阶段比排放数据都表现为冷启动>市区>公路>高速，说明平均速度越高，CO的比排放就越低。而冷启动阶段的比排放明显高于其他阶段。

3.2.2 NOX比排放特征

如表3所示，循环1（hot）市区、公路、高速及整个C-WTVC循环NOX比排放分别为424.3mg/kWh、24.2mg/kWh、10.5mg/kWh、117.6mg/kWh，将市区、公路、高速按照特征里程分配系数加权后结果为181.5 mg/kWh，循环1（hot）在各个阶段的比排放及加权后的比排放结果都满足标准要求；如表4所示，循环2（cold）冷启动、市区、公路、高速及整个C-WTVC循环NOX比排放分别为5656.9mg/kWh、2689.2 mg/kWh、36.8mg/kWh、4.1 mg/kWh、677.6mg/kWh，将市区、公路、高速按照特征里程分配系数加权后结果为1091.2mg/kWh，远高于循环1（hot）加权之后的结果，超过标准的限值。循环2（cold）因为市区阶段的比排放2689.2 mg/kWh远高于限值，达到限值的3.9倍，车辆在冷启动阶段的NOX比排放5656.9mg/kWh，达到限值的8.2倍，远高于市区、公路和高速阶段的NOX比排放。冷启动阶段后处理SCR系统转化效率受限，尿素喷射量不足，造成此阶段比排放远高于公路、高速阶段的比排放。

3.2.3 PN比排放特征

如表3所示，循环1（hot）市区、公路、高速及整个C-WTVC循环PN比排放分别为8.73E+10#/kWh、7.25E+09#/kWh、1.34E+10#/kWh、3.03E+10#/kWh，将市区、公路、高速按照特征里程分配系数加权后结果为4.05E+10#/kWh，各阶段的比排放结果远低于标准限值要求；如表4所示，循环2（cold）冷启动、市区、公路、高速及整个C-WTVC循环PN比排放分别为3.10E+12#/kWh、1.28E+12#/kWh、2.15E+10#/kWh、4.21E+10#/kWh、3.43E+11#/kWh，将市区、公路、高速按照特征里程分配系数加权后结果为5.29E+11#/kWh，可以看到，循环2（cold）冷启动阶段及市区阶段的比排放高于标准限值，同时因为冷启动阶段的排放较高，导致循环2（cold）市区阶段的比排放达到循环1（hot）市区阶段的14.7倍，不加权的循环2（cold）比排放结果达到循环1（hot）不加权的比排放结果的11.4倍，加权后的循环2（cold）比排放结果达到循环1（hot）加权后的比排放结果的13.1倍。

3.3冷启动前后污染物浓度变化

针对循环2（cold）试验循环，以水温达到70℃为分界点，截取70℃前200秒和后200秒时间内的各污染物的瞬时排放浓度，分析各污染物浓度随时间的变化关系。

3.3.1 CO冷启动前后排放浓度变化特征

如图4所示，显示了水温达到70℃前后400 s时间内 CO的排放浓度变化情况。可以看出，在水温到达70℃前后，CO的排放浓度没有明显变化。

3.3.2 NOX冷启动前后排放浓度变化特征

如图5所示，显示了水温达到70℃前后400 s时间内NOX的排放浓度变化情况。可以看出，在水温70℃前的排放浓度要远大于水温70℃后的排放浓度，NOX的浓度在冷启动阶段最大达到1039ppm，在此阶段平均浓度达到200ppm，在水温达到70℃后，NOX的浓度呈下降趋势，大部分时间保持在200ppm以下并保持稳定，在此阶段平均浓度为55ppm。由此可见，温度对于NOX的降低有着至关重要的作用。在冷启动阶段，尾气排温很低，达不到SCR 系统的正常工作温度，NOX不进行反应，当NOX排放浓度开始快速下降的阶段，正是后处理 SCR系统开始起作用的阶段。

3.3.3 PN冷启动前后排放浓度变化特征

如图6所示，显示了水温达到70℃前后400 s时间内PN的排放浓度变化情况。可以看出，在水温到达70℃前100秒开始，PN浓度已经开始大幅度下降。整个过程，随着温度的升高，PN的排放浓度是一个不断减小的趋势。

总结

1.NOX在冷启动阶段的排放浓度、比排放和累计排放量都远高于其他阶段，NOX在冷启动循环中的市区比排放远高于热启动循环的市区比排放，导致冷启动循环加权结果超过标准限值。

2.CO在冷启动循环中冷启动阶段的比排放远高于其他阶段，通过累计排放量及排放浓度的规律不明显。

3.PN在冷启动循环中市区及整个C-WTVC循环阶段的累计排放量及比排放远高于热启动循环对应阶段的累计排放量及比排放，通过PN浓度在水温到达70℃前100秒开始，PN浓度已经开始大幅度下降。整个过程，随着温度的升高，PN的排放浓度是一个不断减小的趋势。

参考文献

[1]中国移动源环境管理年报2023[R].北京：中华人民共和国生态环境部.2023.

[2]生态环境部.重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六段）：GB17691—2018[S].北京：中国标准出版社，2018.

[3]国家质量监督检验检疫总局.中国国家标准化管理委员会.GB/T 27840-2011 重型商用车辆燃料消耗量测量方法[S].北京：中国标准出版社， 2011.

[4]张立雄，张琳，景晓军，等.基于SCR柴油机的WHTC冷、热启动循环排放差异研究[J].小型内燃机与车辆技术，2016，45（3）：37-40.

[5]姜磊，葛蕴珊，李璞，等.柴油机尿素 SCR 后处理系统排放特性试验研究[J].内燃机工程，2010，31（05）：30-35.

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[7]张靳杰，杨聪，徐达，等.基于PEMS试验的重型柴油车冷启动排放特征研究[J].汽车实用技术，2021，46（17）：54-58.