張濤，王樹森，鄔忠永，梁昌水，曹原，王福宏

1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061; 2.濰柴動力股份有限公司，山東濰坊 261061

0 引言

隨著我國汽車保有量增大，汽車尾氣已成為城市大氣的最大污染源之一，為此國家相繼出臺了柴油車的相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。為了應(yīng)對日趨嚴(yán)格的法規(guī)要求，采用便攜式排放測量系統(tǒng)(portable emission measurement system, PEMS)技術(shù)，實時采集、分析不同污染物并實時監(jiān)控車輛和環(huán)境等參數(shù)，完整地評估重型車輛排放情況。本文中基于PEMS，選擇不同排放階段、行業(yè)、車型、功率段、海拔的車輛進(jìn)行排放測試數(shù)據(jù)采集。分析各影響因素對整車污染物排放(氣體污染物主要為一氧化碳、氮氧化物)的影響。

1 試驗設(shè)備配置及相關(guān)法規(guī)

1.1 試驗設(shè)備

圖1所示為PEMS系統(tǒng)的取樣、分析流程。系統(tǒng)由GAS PEMS IS AVL492、PN PEMS AVL496、排氣流量計AVL495 EFM、控制電腦System Control、配電單元E-BOX、充電器Charger、GPS、氣象站Ambient和電池Batteties組成。NO2/NO濃度測量采用NDUV分析儀，原理為不同組分氣體對不同波長的紫外線具有選擇性吸收的特性，通過吸收光譜判別氣體的種類，通過吸收強(qiáng)度確定氣體的濃度。CO/CO2濃度測量采用非色散紅外光譜技術(shù)，不同濃度的氣體吸收紅外線能量不同，通過能量的變化對氣體進(jìn)行定性定量分析[3]。

1.2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國五、國六排放標(biāo)準(zhǔn)要求匯總表見表1。國五、國六排放標(biāo)準(zhǔn)對車載排放測試中CO污染物排放限值設(shè)置較寬泛，重型商用柴油車PEMS試驗中CO污染物排放結(jié)果均大幅度低于國標(biāo)限值，因此不對影響CO污染物排放結(jié)果的因素進(jìn)行研究。國六排放標(biāo)準(zhǔn)對車載排放測試中NOx排放值做了嚴(yán)苛的規(guī)定，并加大了對發(fā)動機(jī)低負(fù)荷段(市區(qū)段高占比+整車低負(fù)載)的要求。

表1 國五、國六排放法規(guī)簡表

2 試驗情況

2.1 試驗樣本車輛選取

選取多組排放試驗車輛進(jìn)行對比，試驗車輛配置見表2。

表2 試驗車輛配置表

2.2 試驗過程

車輛試驗路線應(yīng)包括市區(qū)路、市郊路和高速路，試驗應(yīng)按市區(qū)-市郊-高速行駛順序連續(xù)進(jìn)行，第一個出現(xiàn)車速超過55 km/h的短行程(指車輛從一個怠速終點到下一個怠速起點之間的行駛過程)記為市郊路的開始(對于M1、N1類車輛為70 km/h)，第一個出現(xiàn)車速超過75 km/h的短行程記為高速路的開始(對于M1、N1類車輛為90 km/h)[4]；市區(qū)路車輛行駛速度小于等于50 km/h (平均車速15～30 km/h)；市郊路車輛行駛速度小于等于75 km/h (平均車速45～70 km/h) ，對于M1、N1類車輛，車輛行駛速度小于等于90 km/h (平均車速60～90 km/h)；高速路車輛平均行駛車速大于70 km/h， M1、N1類車輛車輛平均行駛速度大于90 km/h。試驗開始點和結(jié)束點之間的海拔高度之差不得超過100 m，且試驗車輛的累計正海拔高度增加量應(yīng)不大于1200 m/100 km[5]。國六M3類車輛PEMS測試車速示例見圖2。

3 影響因素分析

3.1 整車速比對排放性能的影響

選取某廠N3類國五牽引車的PEMS測試結(jié)果，本試驗工況為10%市區(qū)路、10%市郊路、80%高速路，整車載荷為該車最大載荷的75%。三次試驗車輛PEMS測試結(jié)果見表3。

表3 試驗車輛PEMS測試結(jié)果

與高后橋速比車輛相比，后橋速比配置為2.80的車輛發(fā)動機(jī)常用工況點對應(yīng)轉(zhuǎn)速降低，該轉(zhuǎn)速區(qū)間發(fā)動機(jī)NOx原排降低，故該速比排放結(jié)果較好。且試驗過程12T+后橋速比2.80車輛中高速路段排氣溫度較高，后處理轉(zhuǎn)化效率更高。

試驗結(jié)果表明，后橋速比的變化對整車NOx比排放有較大的影響。整車速比與NOx比排放并不是線性關(guān)系。整車匹配存在合適速比匹配區(qū)間，應(yīng)選擇合適的變速箱、驅(qū)動橋配置。

3.2 行駛路況對排放性能的影響

重型柴油車(總質(zhì)量大于3.5 t)的排放認(rèn)證是以歐洲穩(wěn)態(tài)循環(huán)(European steady state cycle ,ESC)和瞬態(tài)循環(huán)(European transient cycle ,ETC)為基準(zhǔn)。但臺架檢測無法模擬車輛在實際道路時的復(fù)雜運(yùn)行工況。發(fā)動機(jī)臺架試驗中ETC測試循環(huán)NOx比排放要高于ESC測試循環(huán)[6]。在非 ETC 循環(huán)覆蓋區(qū)域，考慮到燃油經(jīng)濟(jì)性，通常會犧牲部分排放性能，且排氣溫度較低時選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)不工作或是轉(zhuǎn)化效率偏低，所以重型柴油車在ETC 循環(huán)區(qū)域之外的工況NOx比排放較高[7]。

選取某廠客運(yùn)車排放測試數(shù)據(jù)，研究行駛路況對排放性能的影響。該車輛為M3類國五排放階段，試驗工況為20%市區(qū)路、25%市郊路、55%高速路，加載質(zhì)量為最大載質(zhì)量的50%。第一次試驗中市區(qū)、市郊工況時控制車輛頻繁加減速，模擬城市交通擁堵條件下的路況，高速工況保持穩(wěn)速行駛；第二次試驗中市區(qū)、市郊、高速工況均保持較車速穩(wěn)定。試驗詳情見圖3～6。

SCR系統(tǒng)要在溫度達(dá)到噴射標(biāo)準(zhǔn)時開始運(yùn)行尾氣排放處理裝置[8]。第一次試驗，整車?yán)鋯樱宜疁匚吹竭_(dá)70 ℃正式開始試驗，此時排氣溫度約150 ℃，未達(dá)到SCR尿素起噴溫度，SCR后處理不進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)；市郊工況中試驗車頻繁加減速，整車工況波動較大，NOx原排濃度變差。第二次測試整車?yán)鋯?，?jīng)充分熱車后正式開始試驗，低速試驗工況段穩(wěn)定，NOx排放降低，進(jìn)入高速工況后污染物排放降低[9]。

車輛運(yùn)行工況激烈變化，發(fā)動機(jī)NOx原排變差，且發(fā)動機(jī)尾氣難以形成均勻混合氣[10]，影響后處理轉(zhuǎn)換效率。另整車?yán)鋯訒r需要采用低溫、低負(fù)荷提排溫措施以保障后處理正常工作。綜上,充分熱車、良好的駕駛習(xí)慣有利于降低整車NOx排放[11]。

3.3 海拔高度對排放性能的影響

選取某廠牽引車排放測試數(shù)據(jù)，研究平原(海拔500 m)和高原地區(qū)(海拔3000 m)試驗中海拔變化對整車污染物排放的影響。本次試驗車輛為國五排放階段，試驗工況為20%市區(qū)路、25%市郊路、55%高速路，加載質(zhì)量為最大載質(zhì)量的75%。平原地區(qū)、高原地區(qū)檢測污染物排放濃度及車速曲線見圖7、 8，在低、高海拔地區(qū)整車排放試驗中，低負(fù)荷工況，整車NOx排放濃度正常，高負(fù)荷試驗工況段，高海拔地區(qū)試驗車輛NOx排放升高。

平原地區(qū)、高原地區(qū)的排氣溫度如圖9、10所示，高原地區(qū)試驗在低負(fù)荷試驗工況時排氣溫度為200～400 ℃，高負(fù)荷工況時排氣溫度為400～500 ℃，高負(fù)荷工況時排氣溫度超出SCR后處理催化劑合適催化溫度，后處理轉(zhuǎn)化效率降低。

高原地區(qū)氣壓低，導(dǎo)致空氣中含氧量偏低，柴油燃燒不充分[12]，發(fā)動機(jī)原排惡化，高負(fù)荷工況排氣溫度升高。過高的排氣溫度，導(dǎo)致反應(yīng)組份(NOx、NH3、O2)無法附著催化劑活性中心參與反應(yīng)，SCR催化效率降低。因此，高原地區(qū)NOx排放升高，高負(fù)荷段排放惡化嚴(yán)重。

3.4 車輛載質(zhì)量對排放性能的影響

取某廠牽引車整車排放數(shù)據(jù)，研究車輛不同載質(zhì)量對污染物排放的影響。測試車輛處于國五排放階段，測試工況10%市區(qū)路、10%市郊路、80%高速路，整車載質(zhì)量分別最大載質(zhì)量的30%、75%、100%，整車NOx檢測結(jié)果見表4。

表4 牽引車輛排放測試結(jié)果

隨著載質(zhì)量的增加，該車的NOx比排放降低，排溫升高，載質(zhì)量為最大載質(zhì)量的75%時，NOx比排放是載質(zhì)量為最大載質(zhì)量的100%的1.34倍，排氣溫度的比例系數(shù)為0.9。載質(zhì)量為最大載質(zhì)量的30%時，NOx比排放是載質(zhì)量為最大載質(zhì)量的75%時的1.28倍，排氣溫度比例系數(shù)為0.93。

取某廠客運(yùn)車整車排放數(shù)據(jù)，研究客車不同載質(zhì)量對污染物排放的影響。測試車輛處于國五排放階段，測試工況20%市區(qū)路、25%市郊路、55%高速路，整車載質(zhì)量分別為最大載質(zhì)量的10%、50%、100%，該車NOx檢測結(jié)果見表5。

表5 客運(yùn)車輛排放測試結(jié)果

隨該車載質(zhì)量的增加，NOx比排放降低，排溫升高，載質(zhì)量為最大載質(zhì)量的50%時，NOx比排放是載質(zhì)量為最大載質(zhì)量的100%時的1.18倍，排氣溫度比例系數(shù)為0.94。載質(zhì)量為最大載質(zhì)量的10%時，NOx比排放載質(zhì)量為最大載質(zhì)量的50%的1.10倍，排氣溫度比例系數(shù)為0.96。

NOx比排放與試驗車輛載質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)，試驗車輛載質(zhì)量變化對不同車輛影響程度不同，載質(zhì)量越低，載質(zhì)量變化對排溫影響越小，因此除特殊情況外，廠家建議采取國標(biāo)最低載質(zhì)量。

3.5 其他因素對排放性能的影響

隨環(huán)境溫度降低，試驗檢測NOx比排放升高,低環(huán)境溫度(如環(huán)境溫度為0 ℃)，排氣溫度低于220 ℃的比例較高，為防止SCR箱尿素結(jié)晶，尿素噴射量降低，且SCR箱內(nèi)催化劑處于低活性溫度，轉(zhuǎn)化效率低；隨空氣濕度的增加發(fā)動機(jī)燃燒性能變好，NOx原排濃度降低?？諝鉂穸扰c整車污染物排放濃度呈負(fù)相關(guān)。

4 結(jié)語

駕駛工況、試驗海拔、整車速比、整車載荷、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等因素對PEMS試驗結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響，其中整車速比過高、過低都不利于整車排放，整車速比匹配存在合理區(qū)間；整車載荷與PEMS試驗結(jié)果呈負(fù)相關(guān)，且載荷越低，載荷變化對排溫變化影響越小。

試驗條件的改變影響后處理轉(zhuǎn)化效率和整車燃燒性能，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)原排和尾排的污染物排放濃度變化。整車和發(fā)動機(jī)廠家進(jìn)行排放性能優(yōu)化以及PEMS試驗時，可參考本文分析內(nèi)容，進(jìn)行優(yōu)化方案和PEMS試驗設(shè)計。

除本文所列，后處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、使用柴油品質(zhì)、尿素品質(zhì)、尿素噴射量等都與排放性能存在聯(lián)系。仍需進(jìn)一步定量總結(jié)各因素對整車PEMS排放的影響系數(shù)及關(guān)系公式。