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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(yàn)研究

2020-11-16 20:10:54·  來源：汽車實(shí)用技術(shù)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(guān)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(shí)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(guān)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(shí)際道路工況下排氣系統(tǒng)尾管溫度及主要?dú)鈶B(tài)污染排放物的瞬態(tài)特征。進(jìn)一步，以瞬態(tài)排放因子為關(guān)鍵評價指標(biāo)，采用溫度分段平均法獲得目標(biāo)車主要?dú)鈶B(tài)污染物排溫敏感特性，結(jié)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(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)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(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究方向：發(fā)動機(jī)排放控制及新能源汽車。
基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(jī)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(lǐng)域重點(diǎn)研究方向之一。為此，掌握實(shí)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(yīng)高效排放控制策略的重要基礎(chǔ)。圍繞重型柴油車實(shí)際道路工況下氣態(tài)污染物排放特性，國內(nèi)外學(xué)者已從各方面開展有相關(guān)研究。
在車況和燃油方面，Durbin等通過移動排放實(shí)驗(yàn)室對5輛重型柴油車進(jìn)行道路試驗(yàn)，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(rèn)證狀態(tài)；Lesnik等基于AVL BOOST仿真平臺和試驗(yàn)設(shè)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(jìn)行實(shí)際道路試驗(yàn)，得出低速行駛和加減速工況是機(jī)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(jī)對重型柴油車進(jìn)行對比試驗(yàn)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(jìn)行實(shí)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(biāo)的主要原因之一；Holmen等通過車載排放試驗(yàn)，證明過激駕駛方式導(dǎo)致車輛排放遠(yuǎn)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(jìn)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(jī)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(diǎn)對某重型柴油車進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)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(zhì)、駕駛習(xí)慣、整車負(fù)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(shí)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(jī)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(biāo)及技術(shù)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(biāo)，擬定如圖1所示的研究技術(shù)路線。該研究技術(shù)路線主要分為目標(biāo)車及基本參數(shù)表征、試驗(yàn)方法設(shè)計、排溫敏感特性分析等部分。其中，本試驗(yàn)的目標(biāo)車輛為某國Ⅴ重型柴油車；在試驗(yàn)方法設(shè)計部分，以SEMTECH-DS為試驗(yàn)設(shè)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(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以溫度平均分段法基于速度和負(fù)荷對數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)鍵評價指標(biāo)，對相關(guān)通過合理的評價方法和指標(biāo)對其進(jìn)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(shù)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(jìn)行了排放測試，該車輛后處理系統(tǒng)為SCR,試驗(yàn)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(zhì)量
4650kg
滿載質(zhì)量
12000kg
測試稱重
11220kg
燃油類型
柴油
排放標(biāo)準(zhǔn)
國Ⅴ
發(fā)動機(jī)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(yīng)機(jī)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(yīng)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(yīng)，排出氮?dú)?，其主要反?yīng)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(yīng)溫度范圍為250℃—450℃。
3 基于PEMS排溫敏感特性試驗(yàn)設(shè)計
3.1 試驗(yàn)設(shè)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(jìn)行實(shí)際道路排放測試。該實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(shí)際道路測試對目標(biāo)車主要?dú)鈶B(tài)污染物排放進(jìn)行排溫敏感性試驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)，且測試時間不小于兩小時。 本次試驗(yàn)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(yàn)分析方法
3.3.1 評價方法及指標(biāo)
機(jī)動車排放因子是指單輛機(jī)動車單位行駛里程所排放污染物的質(zhì)量，單位為g/km。排放因子反映了機(jī)動車的排放水平，是進(jìn)行機(jī)動車尾氣排放控制對策研究的基礎(chǔ)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(biāo),但負(fù)荷和速度對排放因子的影響較大。因此，基于速度和負(fù)荷對目標(biāo)車輛進(jìn)行道路測試。
3.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理
通過車載測試設(shè)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(jī)負(fù)荷及轉(zhuǎn)速等。
以溫度分段平均法分別基于負(fù)荷和速度進(jìn)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(chǔ)，以20%、40%、60%和80%負(fù)荷率為基準(zhǔn)，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(diǎn)±2 km/h以內(nèi)的速度均視為該點(diǎn)車速，將發(fā)動機(jī)負(fù)荷率各節(jié)點(diǎn)±5％以內(nèi)的平均排放因子均視為該負(fù)荷率下的排放。排氣溫度以20℃為階梯進(jìn)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(yàn)結(jié)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(dāng)排氣溫度低于160℃時，NOX排放因子較高（約為11g/km-155g/km）；當(dāng)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(dāng)排氣溫度高于200℃時， NOX排放因子達(dá)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(dāng)排氣溫度低于160℃時，車輛處于起動、低速等運(yùn)動狀態(tài)，此時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)，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(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增大，混合氣濃度降低，NOX排放因子呈下降趨勢。當(dāng)排氣溫度達(dá)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(yùn)行狀態(tài)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較高，混合氣較為均勻，NOx排放因子較低，同時當(dāng)排氣溫度達(dá)到160℃，SCR中的釩基催化劑開始反應(yīng)，對NOX進(jìn)行了催化還原，形成氮?dú)?，隨著溫度的升高，其催化劑的活性逐漸升高，當(dāng)溫度達(dá)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(dāng)排氣溫度低于160℃時，CO排放因子較高（約為2g/km-15g/km）；當(dāng)排氣溫度位于[200℃，220℃)時，CO排放因子處于最小值（0.59g/km），當(dāng)排氣溫度高于220℃時，CO排放因子略微上升（約1g/km）。這是因?yàn)榕艢鉁囟容^低時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)，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(jī)轉(zhuǎn)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(dāng)排氣溫度較高時，此時車速較高，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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?yàn)楫?dāng)排氣溫度較低時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)，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(jī)轉(zhuǎn)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(dāng)排氣溫度較高時，此時車速較高，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)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(jié)論
（1）隨排氣溫度升高，NOX排放呈下降趨勢。主要表現(xiàn)為：當(dāng)排氣溫度低于160℃時，NOX排放因子較高；當(dāng)排氣溫度在160℃-200℃時,NOX排放因子下降了75%，變化顯著；當(dāng)排氣溫度達(dá)到220℃以上時，NOX排放因子達(dá)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(dāng)排氣溫度低于160℃時，CO和HC排放因子較高；當(dāng)排氣溫度在160℃-200℃時，分別下降了71%和67%；當(dāng)排氣溫度約為200℃時，排放因子最??；當(dāng)排氣溫度達(dá)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?dú)鈶B(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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