基于发动机在环的交通场景对重型车排放和油耗影响.pdf

ISSN 1674-8484CN 11-5904/U汽车安全与节能学报,第14 卷 第 4 期,2023 年J Automotive Safety and Energy,Vol.14 No.4,2023基于发动机在环的交通场景对重型车排放和油耗影响霍永占1，高 涛1，汪晓伟1，劳海亮1，陈 熊1，张佑源2，景晓军*1（1.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300300，中国；2.东风柳州汽车有限公司，柳州 545500，中国）摘 要：研究了交通场景对重型柴油车排放和油耗的影响。选取一辆最大设计总质量 24.5 t的自卸车，采用发动机在环(EIL)的方法，建立了车辆、道路和驾驶员模型。分析了 长时间怠速后车辆再起动时选择性催化还原器(SCR)温度、拥堵状态停车时长和载荷对油耗和排放的影响。结果表明：当SCR 温度在起喷温度附近时，车辆再次起动或加速行驶时，NOx排放较高。拥堵状态停车后，SCR 温度显著降低，停车时间越长，NOx排放越高。满载和空载情况下，停车时间对颗粒物数量(PN)排放影响不大，但满载时PN 排放显著增加。车辆载荷增加会降低制动比油耗（BSFC）和 CO2比排放，同时增加PN和NOx排放，但 NOx排放在一定程度上会先增加后减小。关键词：重型柴油车；污染物排放；交通流场景；发动机在环(EIL)；选择性催化还原器(SCR)；制动比油耗(BSFC)中图分类号：TK 46+4;U 467.1+1 文献标识码：A DOI:10.3969/j.issn.1674-8484.2023.04.013Effects of traffic scenarios on emission and fuel consumption characteristics for a heavy-duty-vehicle based on engine-in-the-loop methodologyHUO Yongzhan1,GAO Tao1,WANG Xiaowei1,LAO Hailiang1,CHEN Xiong1,ZHANG Youyuan2,JING Xiaojun*1(1.CATARC Automotive Test Center(Tianjin)Co.,Ltd.,Tianjin 300300,China;2.Dongfeng Liuzhou Motor Co.,Ltd.,Liuzhou 545000,China)Abstract:To investigate the effects of traffic scenarios on emissions and fuel consumption of heavy-duty diesel vehicles.A dump truck with a maximum design total mass of 24.5 t was selected,and the engine-in-the-loop(EIL)method was used to construct vehicle,road,and driver models.Examined the fuel consumption and emission characteristics under three typical scenarios:the re-starting after a long idle with selective catalytic reduction(SCR)temperature,the congestion-related stop duration,and the vehicle load.The results show that when the SCR temperature is near the injection temperature,the SCR catalytic conversion efficiency is low during re-starting or acceleration,especially when the urea is not in the injection state,leading to high 收稿日期/Received：2022-11-30。修回日期/Revised：2023-05-09。基金项目/Supported by：国家重点研究计划(2019YFC0214800)。第一作者/First author：霍永占(1989)，男(汉)，河北，工程师。E-mail：。*通讯作者/Corresponding author：景晓军，高级工程师。E-mail：。13/14505 512汽车安全与节能学报506第 14 卷 第 4 期 2023 年NOx emissions.After a congestion-related stop,the SCR temperature significantly decreases,and the longer the stop duration cause higher NOx emissions.Under the same stop duration,the full load scenario has significantly higher cumulative particulate matter(PN)emissions and the specific emissions compared to the no-load scenario,while stop duration has little impact on it.As the vehicle load increases,the brake-specific fuel consumption(BSFC)and the CO2-specific emissions decrease to some extent,while the cumulative PN emissions and the NOx emissions increase.The cumulative NOx emissions and the specific emissions show an initial increase followed by a decrease with the increase in vehicle load.Key words:heavy duty diesel vehicles;pollutant emissions;traffic flow scenarios;engine-in-the-loop(EIL);selective catalytic reducer(SCR);brake specific fuel consumption(BSFC)重型柴油车在汽车保有量中虽然占比不高，但氮氧化物(NOx)和颗粒物数量(particle number,PN)排放量巨大，分别占汽车排放总量的 83.5%和 90.1%1，控制重型柴油车的污染物排放和温室气体排放更为急迫和重要。2018 年发布的 重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)将各项排放限值大幅加严来控制污染物排放2，正在研究制订的 重型商用车四阶段油耗标准限值 也将对油耗限值进行大幅加严来控制温室气体排放3。交通流状况对汽车污染物排放和碳排放的影响显著。机动车的快速增长导致城市交通拥堵，N.Abdull 4、WANG Qi 5、M.A.Lima 6等学者的研究证实交通拥堵致使车辆行驶速度降低、行程时间延长、行驶油耗增加、尾气排放增多，造成能源浪费、环境污染及严重的经济损失。尤其针对城市用配置选择性催化还原器(selective catalytic reducer,SCR)后处理系统的重型柴油车对排气温度较为敏感，长时间怠速、停车等工况会降低排温导致其催化转化 NOx效率急剧下降7。重型柴油车国中在 a 阶段规定的便携式排放 测试系统(portable emissions measurement system,PEMS)测 试 载 荷 范 围 是 50%100%，而 在 b 阶 段 则 是10%100%，说明重型柴油车的载荷比例会影响实际道路的污染物排放水平。张凡等11研究表明行驶相同的里程时，载荷比例越大的国重型车,单位质量整车的PN 排放水平越高，CO、CO2、NOx排放水平越低。随着载荷比例的增大，国重型车单位发动机做功的 PN和 NOx排放增加，CO2排放不变，CO 排放降低。许家毅等9采用便携式排放设备对试验样车进行10%、50%、100%3 个载荷下实际道路行驶排放测试，结果表明10%载荷市区行驶工况下，NOx比排放最高；100%载荷高速行驶工况下，PN 比排放最高。但基于实际道路的测试受交通条件、环境条件和驾驶行为等因素影响较大，很难保证试验的重复性和一致性，并不适合开展对交通流场景中单一变量如蠕动怠速、长下坡持续运行后再加速场景的选择性催化还原器(SCR)温度、拥堵状态停车时长、车辆载荷等对油耗排放的影响研究。因此，针对重型柴油车面向城市道路典型交通流场景对油耗排放的影响，还需要进一步开展研究。发动机在环(engine-in-the-loop,EIL)是一种能够开展单参数对油耗排放影响研究的方法10-12。EIL方法是一种将发动机作为实际物理硬件，将整车及驾驶员作为虚拟子系统的一种特殊的硬件在环方法，其目的是在发动机台架上开展对整车性能的开发工作。由于实验室环境控制精度好，行驶道路和驾驶行为均为模型设置，可以保证一致性，从而排除来自于驾驶、交通状况、环境条件的干扰，达到研究单一变量变化对同一实际道路油耗排放影响的目的。因此，本文作者选取一辆最大设计总质量 24.5 t 的自卸车，采用发动机在环的方式，对同一条道路，研究了长怠速后再起动状态下，选择性催化还原器(SCR)温度、拥堵状态停车时长、车辆载荷这 3 个典型场景条件下的油耗排放差异，并分析相关因素的影响。1 试验设置1.1 测试方法和设备搭建的发动机在环测试系统，其中测试设备和软件的详细信息见表 1。通过AVL VSM 实时系统构建了整车及驾驶员模型，通过输入实时系统驾驶工况，计算出发动机所需的转速和扭矩，发送给台架控制系统。台架控制系统控制测功机转速和发动机油门开度。同时发动机台架的传感器采集发动机参数，传回实时系统，作为整507霍永占，等：基于发动机在环的交通场景对重型车排放和油耗影响车模型的输入参数，参与下一个计算步长的整车动力学模型计算从而构成了发动机转速和扭矩的闭环控制。使用进气空调、全室空调等边界控制条件，确保每次测试的环境一致。每次测试的污染物排放和碳排放均通过排放分析仪实际测试获取。1.2 试验车辆及发动机选择的试验样机为一台 6 缸、6.234 L、在 2 300 r/min下的额定功率为 180 kW、在 1 1001 800 r/min下的最大扭矩为 970 Nm、满足重型车国 VI b 排放标准的柴油机，排放控制系统技术路线为废气再循环(exhaust gas recirculation,EGR)、柴油氧化催化器(diesel oxidation catalysts，DOC)、颗粒捕集器(diesel particulate filter，DPF)、选择性催化还原器(SCR)和氨催化器(ammonia slip catalyst，ASC)。对应的整车模型为一辆整备质量为 9 t，最大总质量为 24.5 t，变速箱包括10 个前进挡位的手动 N3 非城市自卸车。发动机和整车建模的其他详细参数见表 2。选用的不同车辆载荷状态的滑行系数均按照国标GB27840-2011的要求在试车场道路实际滑行得到3。在 EIL 测试系统使用滑行系数进行模拟滑行后通过AVL的Coastdown Manager 软件评估调整优化后使用。表 2 发动机及整车建模其他参数压缩比17.2怠速转速650 r/min轮胎规格11.00R22.5轮胎数量8主减速比5.2861.3 测试路线所选取的路谱为对应的 N3 类非城市车辆的一条PEMS 测试路线的某个片段，位于天津市郊，选取的该路谱片段总路程约 20 km。利用 AVL SMS商用软件，建立车辆动力系统模型、驾驶员模型，输入选取路线的地理位置信息及各路段限速、停车、停车时长等交通流信息，可以模拟产生拟研究特定场景的路谱速度曲线，以此作为发动机在环测试系统的输入。选取 3 类测试场景，分别为起动场景不同选择性催化还原器(SCR)温度影响、拥堵场景不同停车时长、不同车辆载荷等影响。污染物排放和 CO2排放的计算方法参见国标 GB17691-2018 2。2 结果及分析2.1 长怠速后再起动场景 SCR 温度影响分析本台柴油机 SCR 尿素起喷标定温度为190，柴油车经常面临在城市道路上长怠速或缓速蠕行、市郊道路长下坡等运行场景，在这些场景状态下SCR 温度易缓降到尿素起喷温度范围如表 3 所示。当 SCR 温度在起喷温度范围附近，车辆再次起动或加速行驶时，由于尿素可能未进入喷射状态且催化转化效率低，导致 NOx排放会很高。表 3 不同场景 SCR 上游温度场景编号SCR上游温度/Case1220Case2190Case3170本研究模拟此场景，探究起动状态 SCR 温度(SCR)对排放 NOx浓度 em(NOx)、排放 NOx累积质量mcu(NOx)的影响，SCR上游温度分别为 3 种不同的状态下采用相同的路谱车速 v 以发动机在环方式在发动机台架上开展试验。将 0180 s片段作为起动状态开展SCR 温度影响分析，见图1。如图1 所示：3 个试验的车速保持 60 km/h 以下的限速行驶，在 015 s 期间完成 020 km/h 的加速行驶、1560 s 期间保持 20 km/h 匀速行驶、60100 s 期间完成 2060 km/h 的加速行驶、100180 s 期间保持在 4060 km/h 之间行驶，实际车速保持了基本一致。case1、case2、case3 的 SCR上游温度初始值分别为 3种不同的 SCR 温度在 060 s 由于车速低、发动机负荷小，基本稳定在初始值，6090 s 的加速过程中持续上表 1 主要的测试设备、软件及精度设备名称/型号精度电力测功机/AVL INDY P44扭矩：0.3%转速：1 r/min发动机进气系统/AVL ACS2400FH压力：100 Pa温度：0.5 湿度：3%气体分析仪/AVL AMA i602%颗粒计数器/AVL 48910%油耗仪/AVL 753C/735S0.12%颗粒物采样设备/AVL SPC 472响应时间：0.3 s采样流量：5%整车及驾驶员模型/AVL VSMTM实时系统/AVL testbed connect(RT)滑行评估软件/AVL coastdown manager汽车安全与节能学报508第 14 卷 第 4 期 2023 年升且基本趋同，90 s 之后基本保持一致。从 SCR下游尾排 NOx浓度来看，典型峰值基本出现在前 120 s(SCR温度低于 240 )的车辆加速行驶阶段，并且 SCR 温度初始值为 220 的 NOx值明显低于其值为190 和170 的 NOx值，case1、case2、case3 的 NOx峰值分别为 2.6410-4、9.3310-4、10.610-4，NOx平均值分别为 2810-6、1010-6、13810-6，NOx累积排放值在几处峰值处完成了快速增长，片段 NOx累积总值分别为1.223、4.475、5.639 g。因此，在 180 s 后的 3 个试验的 v、(SCR)、em(NOx)、mcu(NOx)基本趋同或稳定。对于 3 个试验片段，利用 SCR上游、下游的 NOx浓度和排气流量计算了片段的原排、尾排的 NOx累积质量排放 m(NOx)及 NOx转化效率(NOx)、NOx质量能量比排放 e(NOx)见图 2。01020case1case2case3m(NOx)/gNOxNOx01234case1case2case3e(NOx)/(gkWh-1)050100case1case2case3(NOx)/%图 2 3 个场景片段 NOx排放情况分析图 2 显 示：case1、case2、case3 的 原 排 NOx累积值基本一致，而尾排 NOx累积值中的 case1 相较case2、case3 较低随 SCR 温度初始值的降低，起动状态片段的 NOx排放强度显著增大、NOx转化效率明显降低。SCR 温度初始值为 220 时，SCR 系统尿素可正常喷射，使得其 NOx转化效率保持在相对较高的水平(case1)，当温度继续降低于尿素喷射阈值时使得不进行尿素喷射，SCR 只能利用有限的氨存储与 NOx进行化学反应，导致其转化率明显下降(case2、case3)。2.2 拥堵场景停车时长影响分析城市道路交通状态下，交通路口红绿灯、不同饱和度交通流、特定交通道路点位造成的拥堵停车时长02468050100150200mcu(NOx)/g051015050100150200em(NOx)/10-4150200250300050100150200020406080050100150200v/(kmh-1)t/scase1case2case3图 1 3 个场景片段的车速、SCR 温度及 NOx排放509霍永占，等：基于发动机在环的交通场景对重型车排放和油耗影响不同，本研究以天津约 20 km 长的路段、整体限速 60 km/h、停车次数 5 次为相同设定参量的路谱，设计了停车时长分别为 30、90、150 s 的短、中、长停车时长场景，基于发动机在环方法分别开展了空载、满载试验研究分析。发动机输出功 P 和体积油耗 Vf，如图 3 所示。停车时长对发动机输出功 P 影响不大，短停车时长的输出功有微弱增加。较空载相比，满载输出功明显增加，满载与空载的输出功比值在 2.012.12 之间；空载试验行程的油耗量，呈现随停车时长的增加而微弱增大，而满载的油耗量较为稳定，满载与空载油耗量的比值随停车时长增大而降低。而制动比油耗(brake specific fuel consumption,BSFC)基本呈现随停车时长增加而增大，满载的 BSFC较空载明显降低，这是由于随着停车时长增加，发动机怠速工况增加导致 BSFC 增加，且满载试验行程的发动机负荷显著增大使得更多工况分布在燃油经济性更加优异的区域。从 3 个停车时长来看，满载与空载的 BSFC 比值降低显著，说明长时间的停车工况导致满载与空载试验工况在燃油经济性优异区域分布的差异进一步扩大。0102030P/kWh02468Vf/L0100200300400BSFC/(gkWh-1)图 3 停车时长对输出功和油耗影响分析停车时长对排放的影响，如图 4 所示。停车时长对 CO2排放累积质量 m(CO2)影响不大，随着停车时长增加，空载 CO2排放累积质量有微弱增加、满载 CO201020m(CO2)/kg0.00.51.0e(CO2)/(gkWh-1)051015m(NOx)/g0.00.51.0e(NOx)/(gkWh-1)012PN/10120510e(PN)/1010(kWh)-1图 4 停车时长对排放影响分析汽车安全与节能学报510第 14 卷 第 4 期 2023 年排放累积质量基本稳定；短、中、长停车时长的 CO2比排放 e(CO2)呈现增长趋势；停车时长相同时，相较空载，满载的 CO2累积排放量明显增加，而 CO2比排放显著降低，这主要是由于满载的输出功增加程度大于 CO2排放累积值的增加程度。停车时长对于 PN 排放累积数量和比排放e(PN)影响不大，空载或满载场景，停车时长变化时，其值基本保持稳定。相同停车时长条件下，满载较空载场景，PN 排放和比排放显著增大，满载场景是空载场景 PN 排放累积数量的 3.14.5 倍、PN 比排放的 1.52.1 倍，说明车辆满载条件下随着发动机大负荷工况占比的增加使得 PN 排放强度增大。试验结果表明，拥堵场景停车后造成 SCR 温度显著降低且随停车时长增加降幅增大，随着 SCR 温度的降低使得 NOx排放显著升高。截取不同停车时长含空载、满载试验的一组典型300 s 片段的车速、SCR上游温度、NOx累积排放(质量比质量)em(NOx)行分析，见图 5。如图 5 所示：短、中、长停车时长分别为 30、90、150 s，发现停车后再次起动片段会造成 NOx浓度的峰值，且随停车时长的增加，NOx浓度峰值显著增大，这是由于 SCR 温度随停车时长加大而降幅增大导致催化转化效率降低导致的。相同停车时长状态下，满载较空载相比，发动机负荷增大导致其 SCR 温度更高。满载较空载的 NOx排放值均有升高，且随停车时长的增大，增幅愈加显著。2.3 车辆载荷影响分析以天津 20 km 路程的道路，如图6所示，最高速度限制为60 km/h，停车5 次，运行时长约为 2 228 s 等相同的设定参量形成的速度曲线，基于发动机在环方法开展了载荷分别为 0、20%、40%、60%、80%、100%的试验研究，探究分析载荷单一变量因素对排放、油耗的影响。由图7可知：随着车辆载荷的增大，发动机输出功、油耗量呈现趋势相同的线性增加。从增加影响程度来看，输出功的增加程度较油耗量增加程度明显，因此随着载荷的增加，有效燃油消耗率 BSFC 有一定程度降低，从空载到满载，其值从 0.295 kg/kWh 降低到 0.238 kg/kWh，而从100 km 油耗来看，其值从16.79 L 增加至 26.94 L。由图 8可知：随着车辆载荷的增大，CO2排放累积值从空载的 8.94 kg 增大至满载的 14.29 kg，而 CO2比排放从空载的 0.881 kg/kWh 逐渐减小至满载的 0.700 kg/kWh，说明随着载荷的增加，发动机输出功增加程度影响大于 CO2排放累积值。PN 排放累积数量和比排放均随车辆载荷的增加而增大，说明发动机负荷的增大会导致 PN 排放的增加。随着车辆载荷的增加，NOx排放累积值和比排放均呈现先增加后减小的趋势。这是由于发动机负荷会随着载荷的增加而增加，SCR温度增加使得 NOx催化转化效率有一定程度提升，负荷的增加同样导致排气质量流量的增大，在 0 和 20%载荷时排气温度导致的 SCR 效率低起到了主导作用，而 40%至100%载荷时排温升高使得 SCR 效率提升至一定水平，此时排气质量流量起到主导作用，综合导致呈现先增加后减小的趋势。02040608005101520v/(kmh-1)t/s图 6 车速-时间曲线图02004006008002345em(NOx)/10-60204060802345v/(kmh-1)1002003004002345t/(100 s)图 5 停车时长对短行程片段排放影响分析511霍永占，等：基于发动机在环的交通场景对重型车排放和油耗影响102030200250300350050100Vf(100 km)/LBSFC/(gkWh-1)246801020050100Vf/LP/kWh102030200250300350050100Vf(100 km)/LBSFC/(gkWh-1)246801020050100Vf/LP/kWh图 7 相对载荷对发动机输出功和体积油耗影响分析2460.00.10.20.30.40.5050100m(NOx)/ge(NOx)/(gkWh-1)8101214160.60.70.80.91.0050100m(CO2)/kge(CO2)/(gkWh-1)0120510050100PN/1012e(PN)/1010(kWh)-1图 8 载荷对排放影响分析3 结 论基于发动机在环方法研究了城市道路 3 类典型场景单一因素对重型柴油车实际道路污染物排放和 CO2排放的影响，结果表明：1)在城市道路上柴油车长怠速或缓速蠕行、市郊道路上的长下坡等运行场景下SCR 温度易缓降到尿素起喷温度附近范围(170220 )。当 SCR 温度在起喷温度范围附近，车辆再次起动或加速行驶时，SCR 催化转化效率低，尤其当尿素未进入喷射状态时，会导致 NOx排放很高。2)拥堵场景停车后造成 SCR 温度显著降低且随停车时长增加降幅增大，随着 SCR 温度的降低使得 NOx排放显著升高。随停车时长的增大，满载较空载的NOx排放值增幅愈加显著；制动比油耗 BSFC 和 CO2比排放基本呈现随停车时长增加而增大，满载的 BSFC和 CO2比排放较空载明显降低；相同停车时长条件下，满载较空载场景，PN 排放累积数量和比排放显著增大，而停车时长对其影响不大。3)随着车辆载荷的增大，发动机输出功、油耗量呈现趋势相同的线性增加，而有效燃油消耗率 BSFC和 CO2比排放有一定程度降低；PN 排放累积数量和比排放均随车辆载荷的增加而增大；NOx排放累积值和比排放均呈现先增加后减小的趋势，这是由于受到载荷对 SCR 温度和催化转化效率以及排气质量流量影响的综合结果。参考文献(References)1 吕立群,尹航,王军方,等.基于功基窗口法的国六重型柴油车实际道路排放研究 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