徐 馳，劉 娟，居 力，林 立，巢 淵，蘇華偉

上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 上海 200235

移動(dòng)污染源是導(dǎo)致目前灰霾和光化學(xué)煙霧環(huán)境問題的主要原因之一，上海市移動(dòng)源解析結(jié)果表明，移動(dòng)源對(duì)大氣PM2.5、NOx、SO2的污染貢獻(xiàn)分別達(dá)29.2%、59%、22%；其中，柴油機(jī)排放的一次PM2.5、NOx排放占到移動(dòng)源排放總量的90%以上[1]。柴油機(jī)排放的污染物量大、占比高，不容忽視。在我國(guó)，按照《車用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣煙度排放限值及測(cè)量方法》(GB 3847—2005)(以下簡(jiǎn)稱“《測(cè)量方法》”)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，在用柴油車排放檢測(cè)的主要控制指標(biāo)為煙度值，而無(wú)NOx控制指標(biāo)值。研究旨在通過對(duì)在用柴油車排放NOx的測(cè)試方法研究，探索在用柴油車NOx排放的檢測(cè)方法以及應(yīng)用前景，為進(jìn)一步有效監(jiān)控柴油車污染排放提供技術(shù)支撐。

1 測(cè)試基礎(chǔ)

1.1 測(cè)試方法

通過查閱文獻(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，目前可用于柴油車排放NOx檢測(cè)的主要方法有化學(xué)發(fā)光法(CLD)、非分散紅外法(NDIR)、非分光紫外法(NDUV)、電化學(xué)法等，在排放實(shí)測(cè)中均有良好的相關(guān)性[2]。本研究結(jié)合車輛定期檢測(cè)設(shè)備使用壽命、運(yùn)行維護(hù)、檢測(cè)操作等方面的實(shí)際情況，選用了NDIR開展排放實(shí)測(cè)。

由于柴油車排放中包含的大量固體碳粒、可溶性有機(jī)物等，會(huì)直接影響到氣體測(cè)量的準(zhǔn)確性[3]。因此，采樣系統(tǒng)直接從測(cè)試柴油車尾氣排放管內(nèi)采集氣態(tài)樣品后，需要進(jìn)行預(yù)處理。在本研究的預(yù)處理單元中設(shè)置了多級(jí)過濾裝置，通過超細(xì)玻纖濾芯，將水、顆粒物、油污等多種污染物分離過濾。經(jīng)多級(jí)處理后的氣體進(jìn)入加溫催化還原轉(zhuǎn)換器，將其中的NO2氣體轉(zhuǎn)換成NO氣體，再通入NDIR光學(xué)測(cè)試平臺(tái)，測(cè)量出NOx總量，測(cè)量值以體積分?jǐn)?shù)(10-6mol/mol)表示。使用2種單一組分的標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)預(yù)處理單元進(jìn)行效率測(cè)試。其中，組分為NO的標(biāo)準(zhǔn)氣瓶編號(hào)為A、B、C，標(biāo)稱值分別為298×10-6、902×10-6、1 802×10-6mol/mol；組分為NO2的標(biāo)準(zhǔn)氣瓶編號(hào)為D，標(biāo)稱值為302×10-6mol/mol。A、B、C氣瓶通過預(yù)處理單元后共測(cè)得20組測(cè)量數(shù)據(jù)，詳見表1，其中相對(duì)誤差最大值為3.02%，小于±4%的儀器系統(tǒng)誤差要求；D氣瓶通過預(yù)處理單元后測(cè)得10組測(cè)量數(shù)據(jù),詳見表2，計(jì)算得出的10組NO2轉(zhuǎn)化率均在90%以上，平均轉(zhuǎn)化率達(dá)到92.9%。因此，預(yù)處理單元基本可以滿足本研究中的實(shí)際測(cè)試需要。

表1 NO氣體測(cè)量值及相對(duì)誤差Table 1 Test concentration and relative error of NO gas

表2 NO2氣體測(cè)量值及轉(zhuǎn)化率Table 2 Test concentration and conversion rate of standard NO2 gas

采用NDIR氣體分析儀的儀器分辨力、示值誤差、重復(fù)性、零點(diǎn)漂移、示值漂移、響應(yīng)時(shí)間、氣路密封性、取樣氣體壓力變化、電氣安全等指標(biāo)，均符合《汽車排放氣體測(cè)試儀檢定規(guī)程》(JJG 688—2015)的要求。

1.2 測(cè)試條件

在上海市寶山區(qū)建立示范檢測(cè)線，在開展在用柴油車煙度檢測(cè)的同時(shí)，進(jìn)行NOx排放實(shí)測(cè)。

測(cè)試工況按照《測(cè)量方法》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的自由加速工況和加載減速工況進(jìn)行。自由加速工況是在車輛發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)負(fù)載的狀態(tài)下測(cè)量排氣煙度值；加載減速工況是利用底盤測(cè)功機(jī)模擬車輛負(fù)載運(yùn)行的狀態(tài)下測(cè)量車輛的最大輪邊功率和對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以及100% VelMaxHP(實(shí)測(cè)最大輪邊功率時(shí)的轉(zhuǎn)鼓線速度)、90%VelMaxHP、80%VelMaxHP 3個(gè)工況點(diǎn)下的排氣煙度值。每個(gè)工況點(diǎn)的讀數(shù)之前轉(zhuǎn)鼓速度應(yīng)至少穩(wěn)定3 s，煙度、轉(zhuǎn)速、輪邊功率需在速度穩(wěn)定后讀取5 s內(nèi)的平均值，為充分考慮NOx分析儀的響應(yīng)時(shí)間，檢測(cè)線測(cè)試中各工況點(diǎn)的轉(zhuǎn)鼓速度穩(wěn)定時(shí)間設(shè)定為9 s，采樣時(shí)間設(shè)定為6 s。

2 研究結(jié)果

2. 1 加載減速工況下的數(shù)據(jù)同步

加載減速工況檢測(cè)時(shí)，在通過現(xiàn)有分析單元獲取煙度值、功率值、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速值、轉(zhuǎn)鼓速度以及溫濕度、大氣壓力等參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用NDIR分析系統(tǒng)測(cè)量NOx污染物體積分?jǐn)?shù)，再使用外部擬合的方式實(shí)現(xiàn)各污染物指標(biāo)的同步分析。

圖1為某單車NOx數(shù)據(jù)擬合過程，在擬合前的轉(zhuǎn)鼓速度與NOx測(cè)試數(shù)據(jù)曲線中，第97 s為測(cè)試終止點(diǎn)，第112 s為NOx數(shù)據(jù)曲線變化特征點(diǎn)，以測(cè)試終止點(diǎn)為基準(zhǔn)，將NOx數(shù)據(jù)曲線與載荷、轉(zhuǎn)鼓速度曲線進(jìn)行擬合。

通過分析大量實(shí)測(cè)擬合過程，本次測(cè)試采用的NDIR分析儀響應(yīng)時(shí)間為12～18 s。

圖1 單車NOx數(shù)據(jù)擬合過程Fig.1 NOx data fitting process of single vehicle

2.2 2種工況下的單車排放數(shù)據(jù)比較

選取2輛柴油車，分別進(jìn)行自由加速、加載減速試驗(yàn)。

NOx排放情況見圖2。

圖2 不同工況NOx數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.2 Comparison of NOx data in different working conditions

在自由加速工況下，2車最大測(cè)量值分別為370×10-6、396×10-6mol/mol，平均測(cè)量值分別為214×10-6、255×10-6mol/mol。

在加載減速工況下，2車最大測(cè)量值分別為1 669×10-6、1 416×10-6mol/mol，平均測(cè)量值分別為1 227×10-6、955×10-6mol/mol。

由此可見，柴油車在加載工況下產(chǎn)生的NOx排放值較無(wú)負(fù)載狀態(tài)下有顯著提升。2種工況中，加載減速工況能更好地反映車輛的真實(shí)排放狀況，提高甄別NOx高排放車輛的準(zhǔn)確率。

2.3 加載減速工況下典型車輛NOx排放分析

實(shí)測(cè)中，在用柴油車按車輛排放標(biāo)準(zhǔn)和尾氣后處理裝置狀態(tài)可分為3類：A類車為國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)，車輛使用年限為5—10年，平均行駛里程為24×104km；B類車為國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)，車輛使用年限為1—5年，平均行駛里程為11×104km，排氣后處理裝置已無(wú)法正常運(yùn)行；C類車的排放標(biāo)準(zhǔn)、車輛使用年限和行駛里程與B類車相同，但排氣后處理裝置可以正常運(yùn)行。

按照A、B、C 3類車輛的平均使用年限和里程,各選擇1臺(tái)典型車輛，分別標(biāo)識(shí)為a車、b車、c車進(jìn)行分析，車輛基本信息見表3。

表3 典型車輛基本信息Table 3 Basic information of typical vehicle

注：“—”表示無(wú)法描述該信息。

相關(guān)研究表明，常見的排氣后處理技術(shù)SCR催化還原反應(yīng)所要求的最低排氣溫度在200 ℃以上[4-6]。在本研究加載實(shí)測(cè)過程中，在排氣口內(nèi)部實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛排氣溫度，可達(dá)230～320 ℃。

圖3為a車、b車NOx測(cè)試圖，可見a車、b車排放的NOx濃度值在3個(gè)工況點(diǎn)有明顯規(guī)律，3次測(cè)量均在80%VelMaxHP工況點(diǎn)出現(xiàn)最高平均測(cè)量值；在3個(gè)工況點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性良好，見表4，其中80%VelMaxHP工況點(diǎn)測(cè)量的穩(wěn)定性相對(duì)最好，測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差在3個(gè)工況點(diǎn)中較小。

圖3 a車、b車NOx測(cè)試Fig.3 NOx test figure of vehicle a and b

車輛類別測(cè)量工況6個(gè)連續(xù)時(shí)間點(diǎn)的NOx測(cè)量值/(10-6 mol/mol)123456NOx測(cè)量均值/(10-6 mol/mol)標(biāo)準(zhǔn)偏差100% VelMax-HP1 0591 0611 0631 0661 0661 0671 0642.92A90% VelMax-HP1 2411 2471 2551 2581 2621 2611 2547.6280% VelMax-HP1 4111 4111 4141 4131 4131 4111 4121.21100% VelMax-HP1 6781 6831 6891 6981 7021 7071 69310.35B90% VelMax-HP1 7811 7851 7861 7861 7821 7791 7832.6780% VelMax-HP1 9651 9721 9761 9751 9751 9721 9733.69100% VelMax-HP89988586984481176884645.04C90% VelMax-HP21819617916715814617724.0480% VelMax-HP606058575456582.14

圖4為c車NOx測(cè)試圖?？梢?，在c車3個(gè)工況點(diǎn)的測(cè)量中，100%VelMaxHP工況點(diǎn)的NOx測(cè)量值最高，隨著c車配備的尾氣處理裝置在檢測(cè)中啟動(dòng)后，極大地改善了NOx的排放，其測(cè)量曲線呈現(xiàn)急劇下降趨勢(shì)。根據(jù)表4數(shù)據(jù)可知，90%VelMaxHP工況點(diǎn)和80%VelMaxHP工況點(diǎn)的NOx測(cè)量均值低于200×10-6mol/mol，其均值相比100%VelMaxHP降幅分別達(dá)79%、93%，已接近怠速時(shí)的NOx測(cè)量值。由此可見，該檢測(cè)方法檢測(cè)靈敏度高，與工況伴隨性好。

圖4 c車NOx測(cè)試Fig.4 NOx test figure of vehicle c

2.4 加載減速工況實(shí)測(cè)分析

實(shí)測(cè)獲得210組加載減速工況下的NOx排放數(shù)據(jù)，其中112組為實(shí)行國(guó)家第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)車輛(簡(jiǎn)稱“國(guó)三車輛”)，占53%；98組為實(shí)行國(guó)家第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)車輛(簡(jiǎn)稱“國(guó)四車輛”)，占47%。

按車輛的排放標(biāo)準(zhǔn)分類，國(guó)三車輛在80%VelMaxHP工況點(diǎn)的NOx測(cè)量均值為1 258×10-6mol/mol，中位值為1 261×10-6mol/mol；國(guó)四車輛在80%VelMaxHP工況點(diǎn)的NOx測(cè)量均值為1 481×10-6mol/mol，中位值為1 614×10-6mol/mol。可見，國(guó)四車輛的測(cè)量均值比國(guó)三車輛高18%。

按車輛的使用時(shí)間分類，車齡為1—2年的車輛NOx排放較高，80%VelMaxHP工況點(diǎn)的測(cè)試平均測(cè)量值為1 582×10-6、1 597×10-6mol/mol；車齡為3—8年的車輛NOx排放高于1—2年的車輛，80%VelMaxHP工況點(diǎn)的NOx平均測(cè)量值為1 100×10-6～1 300×10-6mol/mol。

80%VelMaxHP工況點(diǎn)單車排放NOx測(cè)量值的概率分布，見圖5。國(guó)三車輛NOx測(cè)量值大于1 200×10-6mol/mol占比達(dá)60%，NOx測(cè)量值大于1 500×10-6mol/mol占比達(dá)20%，NOx測(cè)量值大于1 800×10-6mol/mol占比約4%；國(guó)四車輛NOx測(cè)量值大于1 200×10-6占比達(dá)70%，NOx測(cè)量值大于1 500×10-6mol/mol占比達(dá)50%，NOx測(cè)量值大于1 800×10-6mol/mol占比達(dá)25%。

圖5 80%工況點(diǎn)NOx測(cè)試測(cè)量值概率Fig.5 Probability of NOx test concentration at the 80% VelMaxHP

若將高排放車輛識(shí)別率設(shè)定為20%，國(guó)三車輛對(duì)應(yīng)3個(gè)工況點(diǎn)測(cè)量值分別為1 247×10-6、1 377×10-6、1 515×10-6mol/mol，國(guó)四車輛對(duì)應(yīng)3個(gè)工況點(diǎn)測(cè)量值分別為1 749×10-6、1 835×10-6、1 895×10-6mol/mol。

若將高排放車輛識(shí)別率設(shè)定為30%，國(guó)三車輛對(duì)應(yīng)3個(gè)工況點(diǎn)測(cè)量值分別為1 247×10-6、1 274×10-6、1 390×10-6mol/mol，國(guó)四車輛對(duì)應(yīng)3個(gè)工況點(diǎn)測(cè)量值分別為1 594×10-6、1 726×10-6、1 739×10-6mol/mol。

若將高排放車輛識(shí)別率設(shè)定為40%，國(guó)三車輛對(duì)應(yīng)3個(gè)工況點(diǎn)測(cè)量值分別為1 102×10-6、1 230×10-6、1 329×10-6mol/mol，國(guó)四車輛對(duì)應(yīng)3個(gè)工況點(diǎn)測(cè)量值分別為1 462×10-6、1 545×10-6、1 658×10-6mol/mol。

3 結(jié)果與討論

1)用于柴油車NOx檢測(cè)的非分散紅外法檢測(cè)設(shè)備具有使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行維護(hù)及檢測(cè)操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，預(yù)處理單元中的過濾和轉(zhuǎn)化效率應(yīng)達(dá)到檢測(cè)要求。

2)加載減速工況相比自由加速工況更能真實(shí)反映在用柴油車NOx的排放狀況，有利于識(shí)別高排放車輛。加載減速檢測(cè)時(shí)排氣口內(nèi)部實(shí)時(shí)監(jiān)控的車輛排氣溫度，理論上可滿足排氣后處理裝置NOx催化還原反應(yīng)所要求的最低排氣溫度。

3)加載減速檢測(cè)工況中，80%VelMaxHP工況點(diǎn)NOx測(cè)量值穩(wěn)定性較好，可用于在用柴油車NOx的排放檢測(cè)。

4)新建立檢測(cè)模式在實(shí)測(cè)中，對(duì)NOx監(jiān)控效果明顯,可為實(shí)行國(guó)家第四階段排放標(biāo)準(zhǔn)的在用柴油車輛后處理裝置的日常實(shí)際運(yùn)行效果監(jiān)控與評(píng)價(jià)提供技術(shù)支持手段。

5)通過新建立檢測(cè)模式實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，能很好識(shí)別NOx高污染車輛。初步檢測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，對(duì)于實(shí)行國(guó)家第三階段排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛，若將超標(biāo)識(shí)別率控制在20%～40%，初次限值可設(shè)定在1 300×10-6～1 500×10-6mol/mol，結(jié)合煙度限值的進(jìn)一步嚴(yán)格，達(dá)到老舊車輛管控的效果。

6)相關(guān)研究表明，SCR系統(tǒng)對(duì)車輛排氣中NOx的凈化率可達(dá)80%～90%。但在實(shí)測(cè)中，國(guó)四車輛的NOx測(cè)試平均測(cè)量值卻高于國(guó)三車輛，主要原因是對(duì)SCR系統(tǒng)的運(yùn)行缺乏有效的監(jiān)控手段：比如尾氣處理液的質(zhì)量及其是否正常添加等，而SCR系統(tǒng)的失效會(huì)造成尾氣的直排；另外，SCR檢測(cè)室的溫度對(duì)還原反應(yīng)也有一定影響，低于170 ℃的NOx還原反應(yīng)很慢，高于300 ℃的NOx還原率則會(huì)降低。因此，對(duì)于實(shí)行國(guó)家第四階段及以后排放標(biāo)準(zhǔn)車輛設(shè)置的限值應(yīng)在有效識(shí)別其后處理裝置正常運(yùn)行情況下確認(rèn)，改善車輛在道路行駛的實(shí)際排放。