“未来的重型车标准” | (六) 低负载工况和怠速排放限值

2021-01-19

未来的重型车标准



“未来的重型车标准”系列文章中,我们将以美国和欧盟目前的重型车管理法规为基础,从污染物限值、认证测试规程、排放测量、评估方法以及在用车监管等角度入手,分析如何改善目前管理中存在的问题以及在未来如何实现国际协同化的重型车排放标准体系。今天为大家带来本系列的第六篇,来探讨一下重型车发动机底盘测功机实验中添加低负载工况和针对重型车设定怠速排放限值的必要性。



发动机底盘测功机实验中的低负载工况


      如图1所示,重型车在低速低负载状态下的排放是很高的,这表明SCR系统在尾气温度较低时的转化效率是比较低的。根据加州清洁空气委员会(CARB)的评估,到2030年,重型车在低速低负载状态下的行驶里程约占总行程的10%,但其氮氧化物(NOx)排放量将占到重型车NOx排放总量的一半1




图1 不同车速下的NOx排放量。误差线代表95%置信区间(来源于Badshah等人2019年相关研究著作)


       因此,CARB提议在现有的发动机底盘测功机测试中新增一套低负载工况(LLC),从而更准确地反应重型车的实际行驶状况。图2展示了由美国西南研究院(SwRI)开发的一套低负载工况备选方案2。这套测试工况侧重于体现车辆在发动机负载较低、车速较慢时的实际行驶状况,整个测试工况共持续1.5小时,会在高负载和低负载运行工况之间进行数次切换。在现有测试中增加低负载工况可以促进发动机和排放控制系统主动式热管理技术的发展应用。




图2 加州未来低NOx排放标准中的低负载工况备选方案


      在上图所显示的备选工况中,发动机平均负载为15%(不含怠速阶段)并有40%的运行时间处于怠速状态。在该工况循环下,车辆平均速度约为27公里/小时(不包括停车状态)。低负载工况主要是为了体现城区行驶工况下的三种运行状态:即持续低负载运行、高至低负载切换运行和低至高负载切换运行。图3中列举了备选工况方案中所包含的三种运行状态,接下来我们将对这三种运行状态进行更进一步的介绍。


  • 持续低负载运行:这是市区行驶中一种很典型的运行状态,行驶过程被怠速状态划分为一段一段的短时瞬态运行。在这种运行工况下,需要实施充分的热管理,从而维持后处理系统的运行温度。

  • 高至低负载切换运行: 这种运行状态通常发生在车辆到达目的地之前,车辆会从高速行驶转换为低速行驶,从而进入市区中心或是临时停车进行休息或加油。测试的主要目的是评估后处理系统在切换至低负载工况后运行温度能够维持多久,另外则是要评估后处理系统在逐渐降温期间的性能情况。

  • 低至高负载切换运行: 这种运行状态通常发生在车辆从长时间怠速或低负载市区运行状态切换至高速行驶状态,或是高速长期下坡行驶后切换至正常行驶的过程中。测试的主要目的是评估后处理系统是否能够有效处理由于加速而突然激增的发动机污染物排放。



图3 备选低负载工况方案所针对的三种运行状态


建议


     在发动机认证或型式核准中增加低负载工况可以从管理层面推动排放控制系统主动热管理技术的应用,改善重型车排放性能并减少重型车在城市中心区域行驶时所带来的空气质量影响。针对重型车低负载工况排放管控,我们提出以下建议:


» 在发动机认证中增加低负载工况:未来的重型车排放标准应在目前瞬态和稳态工况的基础上增加针对低负载和低速运行的发动机底盘测功机实验。由于美国和欧盟的在用车测试规程中都未包含发动机低功率运行工况,低负载底盘测功机实验甚至能够比在用车测试更好地反映出车辆在低负载下的排放状况。


» 在低负载工况下设定严格的限值,从而促进低负载和低速工况排放控制技术的应用:低负载工况排放标准应与加州空气资源委员会(CARB)提出的2024-2026年排放标准相一致,即将排放限值设定为0.2g/bhp-hr(~0.27g/kWh),2027年以后可进一步加严至FTP工况限值的1-3倍,即0.06-0.12g/bhp-hr(~0.08-0.16g/kWh)。低负载工况排放值与实际行驶NOx排放值之间的差异可以通过改善在用车符合性评估程序来予以控制:在用车符合性测试应取消对有效窗口的功率要求并规定所有(100%)的窗口都必须低于在用车排放限值。


怠速排放限值


      怠速在车辆运行中所占的比例相当大并且怠速期间也会产生大量的NOx排放。根据国际清洁交通委员会(ICCT)对美国环保局重型在用车测试(HDIUT)数据进行的分析3,重型车的怠速占比可高达总运行时间的30%-40%4。这一怠速比例与城区货运卡车的实际行驶状况基本上是一致的,但该比例高于长途货运卡车15%的怠速运行时间占比5。导致这一差异的原因在于,在用车测试的行驶模式与长途货车实际行驶模式有所不同,所有进行在用车测试的卡车必须在测试当天返回测试场地。


如图4所示,怠速NOx排放约占NOx排放总量的20%。数据分析表明,长途货运卡车的怠速NOx排放速率最高可达23.6g/h,而快递货车的怠速NOx排放速率为9.1g/h,不及长途货运卡车的一半。




图4 不同车型在不同速度区间下的NOx排放占比


      目前,加州已提出了非强制性的怠速NOx标准,排放速率限值为30g/h。加州空气资源委员会(CARB)的怠速排放限值是非强制性的,其基本设定理念为车辆需要安装发动机自动关闭控制系统,在连续怠速超过300秒后自动关闭发动机,从而满足怠速排放限值的要求。根据CARB对未来排放标准所进行的评估,2024-2026年期间怠速NOx限值将加严至10g/h。2027年以后,将根据西南研究院开展的技术评估,来进一步加严怠速NOx限值。


建议


      为了管控重型车怠速状态下的NOx排放,未来应在排放管理法规中设置严格的怠速标准。针对怠速NOx排放控制,我们提出以下建议:


»  出台严格的怠速NOx排放标准:如果将怠速NOx排放限值降低至10g/h以下,则会促使车辆应用减少或替代发动机怠速运行的相关技术,例如自动关停和自动启停技术、电池辅助动力以及车辆外置电源等。

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