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基于PEMS的重型柴油車尾氣污染物排溫敏感性試驗研究

2020-11-16 20:10:54·  來源：汽車實用技術雜志社  作者：王志紅, 錢超等  
　
摘要：圍繞國Ⅴ重型柴油車排放氣態(tài)污染物排溫敏感特性規(guī)律開展相關研究工作。研究中，基于便攜式車載排放測試系統(tǒng)（PEMS）獲取典型國Ⅴ重型柴油車實際道路工況下
摘要：圍繞國Ⅴ重型柴油車排放氣態(tài)污染物排溫敏感特性規(guī)律開展相關研究工作。研究中，基于便攜式車載排放測試系統(tǒng)（PEMS）獲取典型國Ⅴ重型柴油車實際道路工況下排氣系統(tǒng)尾管溫度及主要氣態(tài)污染排放物的瞬態(tài)特征。進一步，以瞬態(tài)排放因子為關鍵評價指標，采用溫度分段平均法獲得目標車主要氣態(tài)污染物排溫敏感特性，結果顯示：隨排氣溫度升高，NOx排放總體呈下降趨勢，CO和HC排放總體呈先下降后上升趨勢。研究表明，國Ⅴ重型柴油車道路工況下排氣污染物受排氣溫度影響顯著。
 
作者信息：
姓名：王志紅, 錢超, 鄭灝，尹冬冬
單位：武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室；武漢理工大學汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心
簡介：王志紅（1980-），男，博士，講師，就職于 武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，研究方向：發(fā)動機排放控制及新能源汽車。
基金項目：國家自然科學基金資助項目（51406140）
引言
重型柴油車的典型尾氣污染物（NOx、CO、HC及PM）排放量對大氣環(huán)境影響巨大。隨全球范圍內(nèi)機動車排放法規(guī)不斷升級，重型柴油車的尾氣排放控制需求日益加劇，研發(fā)制造具有超低排放水平的重型柴油車已成為汽車節(jié)能與環(huán)保領域重點研究方向之一。為此，掌握實際道路工況下重型柴油車尾氣排放特性的環(huán)境影響因素是開發(fā)相應高效排放控制策略的重要基礎。圍繞重型柴油車實際道路工況下氣態(tài)污染物排放特性，國內(nèi)外學者已從各方面開展有相關研究。
在車況和燃油方面，Durbin等通過移動排放實驗室對5輛重型柴油車進行道路試驗，研究發(fā)現(xiàn)整車排放特性取決于排放組件、使用年限和認證狀態(tài)；Lesnik等基于AVL BOOST仿真平臺和試驗設備對柴油、生物柴油及兩者混合物排放特性對比，發(fā)現(xiàn)生物柴油及其混合物會降低重型柴油車的CO和NOx的排放量。在工況和駕駛方式方面，陳長虹等基于PEMS對7輛重型柴油車進行實際道路試驗，得出低速行駛和加減速工況是機動車污染的重要原因；王燕軍等通過便攜式車載排放測試系統(tǒng)和整車底盤測功機對重型柴油車進行對比試驗研究，發(fā)現(xiàn)車輛過載狀態(tài)時NOx的排放量比空載時高出90%；Hao等采用PEMS對重型柴油車進行實際道路測試，研究得怠速和低速行駛是燃油消耗、尾氣排放超標的主要原因之一；Holmen等通過車載排放試驗，證明過激駕駛方式導致車輛排放遠高于常規(guī)駕駛工況。在外部環(huán)境方面，Shah等累計對11輛重型柴油車進行道路測試，發(fā)現(xiàn)在擁擠城市道路狀況下NOx排放速率是高速公路行駛工況下的3倍；余林嘯等利用可移動發(fā)動機測試臺架和便攜式排放測試系統(tǒng),在3個不同海拔高度的地點對某重型柴油車進行試驗，結果顯示隨著海拔高度的增加,CO和顆粒物排放增加,但NOx排放的變化規(guī)律不明顯。
綜上所述，現(xiàn)有針對重型柴油車排放特性的研究主要集中于車況和燃油、工況和駕駛方式、外部環(huán)境等方面。采用不同方法研究均發(fā)現(xiàn)，重型柴油車氣態(tài)污染物排放因子受車輛狀況、燃油品質、駕駛習慣、整車負載、行駛速度、加速度、道路狀況和海拔高度等因素影響。然而，基于PEMS針對重型柴油車在實際道路工況下的尾氣污染物排溫敏感性研究未見報道。因此，以某配4.5L直列四缸發(fā)動機的典型國Ⅴ重型柴油車為研究對象，擬采用PEMS方法獲得重型柴油車道路工況下尾氣排放物特征，繼而建立排氣溫度分段平均法，探究排氣溫度對重型柴油車氣態(tài)污染物排放的影響規(guī)律。
1 研究目標及技術路線
研究工作旨在探究典型國Ⅴ重型柴油車排放氣態(tài)污染物排溫敏感特性規(guī)律。圍繞上述目標，擬定如圖1所示的研究技術路線。該研究技術路線主要分為目標車及基本參數(shù)表征、試驗方法設計、排溫敏感特性分析等部分。其中，本試驗的目標車輛為某國Ⅴ重型柴油車；在試驗方法設計部分，以SEMTECH-DS為試驗設備，以車輛正常行駛道路分布為測試工況，對氣態(tài)污染物和相關數(shù)據(jù)進行采集，以溫度平均分段法基于速度和負荷對數(shù)據(jù)進行分析；在排溫敏感特性分析部分，以氣態(tài)污染物污染物為關鍵評價指標，對相關通過合理的評價方法和指標對其進行整理統(tǒng)計，探究重型柴油車尾氣污染物排溫敏感性規(guī)律。
 
     圖1 研究技術路線
2 典型重型柴油車基本參數(shù)
2.1 車輛基本參數(shù)
本研究針對1臺國Ⅴ重型柴油車進行了排放測試，該車輛后處理系統(tǒng)為SCR,試驗時車輛為滿載，具體參數(shù)見表1。
表1車輛基本參數(shù)
整備質量
4650kg
滿載質量
12000kg
測試稱重
11220kg
燃油類型
柴油
排放標準
國Ⅴ
發(fā)動機排量
4.5L
最大功率
132kw
出廠年份
2013
后處理系統(tǒng)
SCR  
2.2 SCR系統(tǒng)的反應機理
SCR系統(tǒng)的原理是利用利用計量噴射泵將32.5%的尿素水溶液噴入排氣管中，尿素在高溫下發(fā)生水解和熱解反應后生成氨氣，并在催化器表面涂層催化劑的作用下與NOX發(fā)生還原反應，排出氮氣，其主要反應過程見式（1）、式（2）和式（3）：
(NH3)2CO2+H2O→2NH3+CO2   (1)
4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O   (2)
2NH3+NO+NO2→4N2+3H2O   (3)
SCR催化劑采用釩基金屬氧化物（V2O5）據(jù)研究，其起始催化活性為150℃—160℃，最佳反應溫度范圍為250℃—450℃。
3 基于PEMS排溫敏感特性試驗設計
3.1 試驗設備
本研究采用美國 Sensors公司生產(chǎn)的SEMTECH-DS車載排放測試儀,對重型柴油車進行實際道路排放測試。該實驗測試系統(tǒng)示意圖如圖2所示。
 
圖2 PEMS車載排放測試系統(tǒng)示意圖
3.2 試驗工況
參考DB11/965-2013《重型汽車排氣污染物排放限值及測量方法（車載法）》，主要采用實際道路測試對目標車主要氣態(tài)污染物排放進行排溫敏感性試驗。該標準要求試驗車輛為滿載，測試工況按市區(qū)道路（0-60km/h）、市郊道路（60 km/h -90km/h）和高速公路（90 km/h 以上）分別占45%、25%和30%進行試驗，且測試時間不小于兩小時。 本次試驗路徑為襄陽北至云夢高速公路段（往返），襄陽至棗陽省道、市區(qū)路段（往返），共計540km，測試時間為8h。
3.3 試驗分析方法
3.3.1 評價方法及指標
機動車排放因子是指單輛機動車單位行駛里程所排放污染物的質量，單位為g/km。排放因子反映了機動車的排放水平，是進行機動車尾氣排放控制對策研究的基礎和依據(jù)。使用污染物的瞬時排放速率ER (g/ s)和車速ν(km/ h),可以按照式(4)計算污染物i的排放因子EFt (g/km):
    
(4)
 
排放因子EFt (g/km)是常用的污染物評價指標,但負荷和速度對排放因子的影響較大。因此，基于速度和負荷對目標車輛進行道路測試。
3.3.2 試驗數(shù)據(jù)處理
通過車載測試設備獲取車輛尾氣污染物（NOx、HC、CO）瞬時排放速率，通過排氣尾管出口處的溫度傳感器獲得排氣溫度，通過ECU獲得發(fā)動機負荷及轉速等。
以溫度分段平均法分別基于負荷和速度進行數(shù)據(jù)處理。分別以30km/h、50km/h、80km/h和100km/h等速穩(wěn)態(tài)工況為基礎，以20%、40%、60%和80%負荷率為基準，探究NOx、HC和CO排放對排氣溫度的敏感性。為便于分析，將車速各節(jié)點±2 km/h以內(nèi)的速度均視為該點車速，將發(fā)動機負荷率各節(jié)點±5％以內(nèi)的平均排放因子均視為該負荷率下的排放。排氣溫度以20℃為階梯進行統(tǒng)計，以各溫度區(qū)間內(nèi)的平均排放因子為該 區(qū)間的排放值。
4 試驗結果分析
4.1 NOx排溫敏感性分析
 
  圖3 NOX排放因子隨排氣溫度變化
 
圖4等速工況下NOx排放因子隨排氣溫度變化走勢
由圖3、圖4可知，從曲線特征總體變化趨勢上看，隨排氣溫度升高，NOX瞬態(tài)排放因子呈下降趨勢。從曲線峰值特征上看，當排氣溫度低于160℃時，NOX排放因子較高（約為11g/km-155g/km）；當排氣溫度位于[160℃，200℃)時，NOX排放因子較低（約為5g/km），且排放因子下降較快， 排氣溫度在[180℃, 200℃)時NOx的平均排放因子比[140℃, 160℃)時下降了50%，當排氣溫度高于200℃時， NOX排放因子達到最低（約為1g/km-3g/km），其中排氣溫度位于[240℃,260℃) 和[200℃,220℃)時NOx的平均排放因子比[140℃, 160℃)時分別下降84%和75%。原因是當排氣溫度低于160℃時，車輛處于起動、低速等運動狀態(tài)，此時發(fā)動機轉速較低，氣體流速較低，難以形成均勻的混合氣， 為維持正常運轉，混合氣較濃，因此NOX排放因子較大，隨著排氣溫度的升高，對應的發(fā)動機轉速增大，混合氣濃度降低，NOX排放因子呈下降趨勢。當排氣溫度達到200℃以上時，NOX排放因子顯著下降。原因是隨著溫度的升高，車輛處于高速運行狀態(tài)，發(fā)動機轉速較高，混合氣較為均勻，NOx排放因子較低，同時當排氣溫度達到160℃，SCR中的釩基催化劑開始反應，對NOX進行了催化還原，形成氮氣，隨著溫度的升高，其催化劑的活性逐漸升高，當溫度達到220℃左右時，NOx排放較低，且趨于穩(wěn)定。
4.2 CO排溫敏感性分析
 
圖5 CO排放因子隨排氣溫度變化
 
圖6 等速工況下CO排放因子隨排氣溫度變化走勢
由圖5、圖6可知，從曲線特征總體變化趨勢上看，隨排氣溫度升高，CO瞬態(tài)排放因子呈先下降后略微上升趨勢。從曲線峰值特征上看，當排氣溫度低于160℃時，CO排放因子較高（約為2g/km-15g/km）；當排氣溫度位于[200℃，220℃)時，CO排放因子處于最小值（0.59g/km），當排氣溫度高于220℃時，CO排放因子略微上升（約1g/km）。這是因為排氣溫度較低時，發(fā)動機轉速較低，缸內(nèi)溫度較低，氣體流動較慢，難以形成均勻的混合氣，為維持正常運轉，混合氣較濃，相對供氧不足，因此CO排放因子較高；隨著排氣溫度的升高，發(fā)動機轉速增大，燃燒逐漸趨于正常，混合氣濃度降低，相對供氧增多，CO排放因子逐漸下降；當排氣溫度較高時，此時車速較高，發(fā)動機轉速較快，混合氣在缸內(nèi)停留時間較短，不利于碳原子的完全氧化，CO排放又呈略微上升趨勢。
4.3 HC排溫敏感性分析 
 
圖7 HC排放因子隨排氣溫度變化
 
圖8 等速工況下HC排放因子隨排氣溫度變化走勢
    由圖7、圖8可知，HC排放因子和CO排 放因子的變化規(guī)律較為類似，隨排氣溫度升高，HC瞬態(tài)排放因子呈先下降后略微上升趨勢。 這是因為當排氣溫度較低時，發(fā)動機轉速較低，缸內(nèi)溫度較低，氣體流速較低，難以形成均勻的混合氣，為維持正常運轉，混合氣較濃，燃燒不完全，因此HC排放因子較高;隨著排氣管溫度的升高，發(fā)動機轉速增大，混合氣濃度降低，燃燒逐漸趨于正常，相對燃燒完全，HC排放因子隨之下降;當排氣溫度較高時，此時車速較高，發(fā)動機轉速較快，混合氣在缸內(nèi)停留時間較短，不利于燃油的完全燃燒，HC排放又呈略微上升趨勢。
5 結論
（1）隨排氣溫度升高，NOX排放呈下降趨勢。主要表現(xiàn)為：當排氣溫度低于160℃時，NOX排放因子較高；當排氣溫度在160℃-200℃時,NOX排放因子下降了75%，變化顯著；當排氣溫度達到220℃以上時，NOX排放因子達到最小，且趨于穩(wěn)定。
（2）隨排氣溫度升高，CO和HC排放呈先下降后略微上升趨勢。主要表現(xiàn)為：當排氣溫度低于160℃時，CO和HC排放因子較高；當排氣溫度在160℃-200℃時，分別下降了71%和67%；當排氣溫度約為200℃時，排放因子最小；當排氣溫度達到200℃以上時，CO和HC排放呈現(xiàn)略微上升趨勢。
（3）NOX、CO和HC排放對排氣溫度較為敏感，較低的排氣溫度不利于主要氣態(tài)污染物的排放，因此，合理匹配后處理系統(tǒng)，控制低排溫狀況下氣態(tài)污染物的排放，是提升重型柴油車排放水平的重要途徑之一。
  （文章選自2017年第2期）
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