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基于PEMS的重型柴油车尾气污染物排温敏感性试验研究

2020-11-16 20:10:54·  来源：汽车实用技术杂志社  作者：王志红, 钱超等  
　
摘要：围绕国Ⅴ重型柴油车排放气态污染物排温敏感特性规律开展相关研究工作。研究中，基于便携式车载排放测试系统（PEMS）获取典型国Ⅴ重型柴油车实际道路工况下
摘要：围绕国Ⅴ重型柴油车排放气态污染物排温敏感特性规律开展相关研究工作。研究中，基于便携式车载排放测试系统（PEMS）获取典型国Ⅴ重型柴油车实际道路工况下排气系统尾管温度及主要气态污染排放物的瞬态特征。进一步，以瞬态排放因子为关键评价指标，采用温度分段平均法获得目标车主要气态污染物排温敏感特性，结果显示：随排气温度升高，NOx排放总体呈下降趋势，CO和HC排放总体呈先下降后上升趋势。研究表明，国Ⅴ重型柴油车道路工况下排气污染物受排气温度影响显著。
 
作者信息：
姓名：王志红, 钱超, 郑灏，尹冬冬
单位：武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室；武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心
简介：王志红（1980-），男，博士，讲师，就职于 武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，研究方向：发动机排放控制及新能源汽车。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51406140）
引言
重型柴油车的典型尾气污染物（NOx、CO、HC及PM）排放量对大气环境影响巨大。随全球范围内机动车排放法规不断升级，重型柴油车的尾气排放控制需求日益加剧，研发制造具有超低排放水平的重型柴油车已成为汽车节能与环保领域重点研究方向之一。为此，掌握实际道路工况下重型柴油车尾气排放特性的环境影响因素是开发相应高效排放控制策略的重要基础。围绕重型柴油车实际道路工况下气态污染物排放特性，国内外学者已从各方面开展有相关研究。
在车况和燃油方面，Durbin等通过移动排放实验室对5辆重型柴油车进行道路试验，研究发现整车排放特性取决于排放组件、使用年限和认证状态；Lesnik等基于AVL BOOST仿真平台和试验设备对柴油、生物柴油及两者混合物排放特性对比，发现生物柴油及其混合物会降低重型柴油车的CO和NOx的排放量。在工况和驾驶方式方面，陈长虹等基于PEMS对7辆重型柴油车进行实际道路试验，得出低速行驶和加减速工况是机动车污染的重要原因；王燕军等通过便携式车载排放测试系统和整车底盘测功机对重型柴油车进行对比试验研究，发现车辆过载状态时NOx的排放量比空载时高出90%；Hao等采用PEMS对重型柴油车进行实际道路测试，研究得怠速和低速行驶是燃油消耗、尾气排放超标的主要原因之一；Holmen等通过车载排放试验，证明过激驾驶方式导致车辆排放远高于常规驾驶工况。在外部环境方面，Shah等累计对11辆重型柴油车进行道路测试，发现在拥挤城市道路状况下NOx排放速率是高速公路行驶工况下的3倍；余林啸等利用可移动发动机测试台架和便携式排放测试系统,在3个不同海拔高度的地点对某重型柴油车进行试验，结果显示随着海拔高度的增加,CO和颗粒物排放增加,但NOx排放的变化规律不明显。
综上所述，现有针对重型柴油车排放特性的研究主要集中于车况和燃油、工况和驾驶方式、外部环境等方面。采用不同方法研究均发现，重型柴油车气态污染物排放因子受车辆状况、燃油品质、驾驶习惯、整车负载、行驶速度、加速度、道路状况和海拔高度等因素影响。然而，基于PEMS针对重型柴油车在实际道路工况下的尾气污染物排温敏感性研究未见报道。因此，以某配4.5L直列四缸发动机的典型国Ⅴ重型柴油车为研究对象，拟采用PEMS方法获得重型柴油车道路工况下尾气排放物特征，继而建立排气温度分段平均法，探究排气温度对重型柴油车气态污染物排放的影响规律。
1 研究目标及技术路线
研究工作旨在探究典型国Ⅴ重型柴油车排放气态污染物排温敏感特性规律。围绕上述目标，拟定如图1所示的研究技术路线。该研究技术路线主要分为目标车及基本参数表征、试验方法设计、排温敏感特性分析等部分。其中，本试验的目标车辆为某国Ⅴ重型柴油车；在试验方法设计部分，以SEMTECH-DS为试验设备，以车辆正常行驶道路分布为测试工况，对气态污染物和相关数据进行采集，以温度平均分段法基于速度和负荷对数据进行分析；在排温敏感特性分析部分，以气态污染物污染物为关键评价指标，对相关通过合理的评价方法和指标对其进行整理统计，探究重型柴油车尾气污染物排温敏感性规律。
 
     图1 研究技术路线
2 典型重型柴油车基本参数
2.1 车辆基本参数
本研究针对1台国Ⅴ重型柴油车进行了排放测试，该车辆后处理系统为SCR,试验时车辆为满载，具体参数见表1。
表1车辆基本参数
整备质量
4650kg
满载质量
12000kg
测试称重
11220kg
燃油类型
柴油
排放标准
国Ⅴ
发动机排量
4.5L
最大功率
132kw
出厂年份
2013
后处理系统
SCR  
2.2 SCR系统的反应机理
SCR系统的原理是利用利用计量喷射泵将32.5%的尿素水溶液喷入排气管中，尿素在高温下发生水解和热解反应后生成氨气，并在催化器表面涂层催化剂的作用下与NOX发生还原反应，排出氮气，其主要反应过程见式（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催化剂采用钒基金属氧化物（V2O5）据研究，其起始催化活性为150℃—160℃，最佳反应温度范围为250℃—450℃。
3 基于PEMS排温敏感特性试验设计
3.1 试验设备
本研究采用美国 Sensors公司生产的SEMTECH-DS车载排放测试仪,对重型柴油车进行实际道路排放测试。该实验测试系统示意图如图2所示。
 
图2 PEMS车载排放测试系统示意图
3.2 试验工况
参考DB11/965-2013《重型汽车排气污染物排放限值及测量方法（车载法）》，主要采用实际道路测试对目标车主要气态污染物排放进行排温敏感性试验。该标准要求试验车辆为满载，测试工况按市区道路（0-60km/h）、市郊道路（60 km/h -90km/h）和高速公路（90 km/h 以上）分别占45%、25%和30%进行试验，且测试时间不小于两小时。 本次试验路径为襄阳北至云梦高速公路段（往返），襄阳至枣阳省道、市区路段（往返），共计540km，测试时间为8h。
3.3 试验分析方法
3.3.1 评价方法及指标
机动车排放因子是指单辆机动车单位行驶里程所排放污染物的质量，单位为g/km。排放因子反映了机动车的排放水平，是进行机动车尾气排放控制对策研究的基础和依据。使用污染物的瞬时排放速率ER (g/ s)和车速ν(km/ h),可以按照式(4)计算污染物i的排放因子EFt (g/km):
    
(4)
 
排放因子EFt (g/km)是常用的污染物评价指标,但负荷和速度对排放因子的影响较大。因此，基于速度和负荷对目标车辆进行道路测试。
3.3.2 试验数据处理
通过车载测试设备获取车辆尾气污染物（NOx、HC、CO）瞬时排放速率，通过排气尾管出口处的温度传感器获得排气温度，通过ECU获得发动机负荷及转速等。
以温度分段平均法分别基于负荷和速度进行数据处理。分别以30km/h、50km/h、80km/h和100km/h等速稳态工况为基础，以20%、40%、60%和80%负荷率为基准，探究NOx、HC和CO排放对排气温度的敏感性。为便于分析，将车速各节点±2 km/h以内的速度均视为该点车速，将发动机负荷率各节点±5％以内的平均排放因子均视为该负荷率下的排放。排气温度以20℃为阶梯进行统计，以各温度区间内的平均排放因子为该 区间的排放值。
4 试验结果分析
4.1 NOx排温敏感性分析
 
  图3 NOX排放因子随排气温度变化
 
图4等速工况下NOx排放因子随排气温度变化走势
由图3、图4可知，从曲线特征总体变化趋势上看，随排气温度升高，NOX瞬态排放因子呈下降趋势。从曲线峰值特征上看，当排气温度低于160℃时，NOX排放因子较高（约为11g/km-155g/km）；当排气温度位于[160℃，200℃)时，NOX排放因子较低（约为5g/km），且排放因子下降较快， 排气温度在[180℃, 200℃)时NOx的平均排放因子比[140℃, 160℃)时下降了50%，当排气温度高于200℃时， NOX排放因子达到最低（约为1g/km-3g/km），其中排气温度位于[240℃,260℃) 和[200℃,220℃)时NOx的平均排放因子比[140℃, 160℃)时分别下降84%和75%。原因是当排气温度低于160℃时，车辆处于起动、低速等运动状态，此时发动机转速较低，气体流速较低，难以形成均匀的混合气， 为维持正常运转，混合气较浓，因此NOX排放因子较大，随着排气温度的升高，对应的发动机转速增大，混合气浓度降低，NOX排放因子呈下降趋势。当排气温度达到200℃以上时，NOX排放因子显著下降。原因是随着温度的升高，车辆处于高速运行状态，发动机转速较高，混合气较为均匀，NOx排放因子较低，同时当排气温度达到160℃，SCR中的钒基催化剂开始反应，对NOX进行了催化还原，形成氮气，随着温度的升高，其催化剂的活性逐渐升高，当温度达到220℃左右时，NOx排放较低，且趋于稳定。
4.2 CO排温敏感性分析
 
图5 CO排放因子随排气温度变化
 
图6 等速工况下CO排放因子随排气温度变化走势
由图5、图6可知，从曲线特征总体变化趋势上看，随排气温度升高，CO瞬态排放因子呈先下降后略微上升趋势。从曲线峰值特征上看，当排气温度低于160℃时，CO排放因子较高（约为2g/km-15g/km）；当排气温度位于[200℃，220℃)时，CO排放因子处于最小值（0.59g/km），当排气温度高于220℃时，CO排放因子略微上升（约1g/km）。这是因为排气温度较低时，发动机转速较低，缸内温度较低，气体流动较慢，难以形成均匀的混合气，为维持正常运转，混合气较浓，相对供氧不足，因此CO排放因子较高；随着排气温度的升高，发动机转速增大，燃烧逐渐趋于正常，混合气浓度降低，相对供氧增多，CO排放因子逐渐下降；当排气温度较高时，此时车速较高，发动机转速较快，混合气在缸内停留时间较短，不利于碳原子的完全氧化，CO排放又呈略微上升趋势。
4.3 HC排温敏感性分析 
 
图7 HC排放因子随排气温度变化
 
图8 等速工况下HC排放因子随排气温度变化走势
    由图7、图8可知，HC排放因子和CO排 放因子的变化规律较为类似，随排气温度升高，HC瞬态排放因子呈先下降后略微上升趋势。 这是因为当排气温度较低时，发动机转速较低，缸内温度较低，气体流速较低，难以形成均匀的混合气，为维持正常运转，混合气较浓，燃烧不完全，因此HC排放因子较高;随着排气管温度的升高，发动机转速增大，混合气浓度降低，燃烧逐渐趋于正常，相对燃烧完全，HC排放因子随之下降;当排气温度较高时，此时车速较高，发动机转速较快，混合气在缸内停留时间较短，不利于燃油的完全燃烧，HC排放又呈略微上升趋势。
5 结论
（1）随排气温度升高，NOX排放呈下降趋势。主要表现为：当排气温度低于160℃时，NOX排放因子较高；当排气温度在160℃-200℃时,NOX排放因子下降了75%，变化显著；当排气温度达到220℃以上时，NOX排放因子达到最小，且趋于稳定。
（2）随排气温度升高，CO和HC排放呈先下降后略微上升趋势。主要表现为：当排气温度低于160℃时，CO和HC排放因子较高；当排气温度在160℃-200℃时，分别下降了71%和67%；当排气温度约为200℃时，排放因子最小；当排气温度达到200℃以上时，CO和HC排放呈现略微上升趋势。
（3）NOX、CO和HC排放对排气温度较为敏感，较低的排气温度不利于主要气态污染物的排放，因此，合理匹配后处理系统，控制低排温状况下气态污染物的排放，是提升重型柴油车排放水平的重要途径之一。
  （文章选自2017年第2期）
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