NOx傳感器測量實際道路NOx排放的試驗研究

許雪利，司福帥，馬雁，劉偉達(dá)，楊立云，史美麗

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 發(fā)動機(jī)研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

近年來，人們環(huán)保意識逐步加強(qiáng)，為改善大氣質(zhì)量，進(jìn)一步控制機(jī)動車排氣污染物，針對內(nèi)燃機(jī)，特別是重型柴油機(jī)，國家排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，文獻(xiàn)[1-3]對整車排放限值也提出了要求。國家相關(guān)部門針對道路和非道路車輛均要求對車輛在實際行駛過程中的排氣污染物進(jìn)行測量[4-8]，即需要將便攜式排放測試系統(tǒng) (portable emission measure system,PEMS)安裝在被測車輛上，測量車輛的排放污染物，但是PEMS設(shè)備價格昂貴，并且需要為每輛測試車輛配備一套設(shè)備，缺乏靈活性[9-10]；此外非道路內(nèi)燃機(jī)的工況較為惡劣，PEMS設(shè)備安裝需要保證設(shè)備的牢固、穩(wěn)定、可靠，在測試過程中應(yīng)避免出現(xiàn)大震動而影響尾氣排放分析結(jié)果[11]，所以PEMS設(shè)備在非道路工況中測量常常不準(zhǔn)確。本文中使用NOx傳感器測量車輛在實際道路上的排放，能夠真實反映機(jī)動車在實際道路上的排放特征，為道路和非道路車輛在實際行駛過程中測量NOx排放污染物提供一種切實可行的方法。

1 NOx傳感器測量PEMS試驗方法

1.1 NOx傳感器工作原理及整車排放測量

1.1.1 NOx傳感器主要結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 NOx傳感器測量原理

NOx傳感器包括有2個室、3個泵(主泵、輔助泵、測量泵)，其測量原理如圖1所示。由圖1可知：1)將部分尾氣導(dǎo)入NOx傳感器第一室，通過主泵將這部分尾氣中的O2泵出，阻止化學(xué)反應(yīng)NOx→N2+O2的進(jìn)行，相當(dāng)于對尾氣進(jìn)行除氧處理，同時HC、CO、H2在Pt材料上被氧化；2)NOx傳感器第二室中，在輔助泵的作用下，進(jìn)一步去除尾氣中的O2，同時在催化作用下，將NOx轉(zhuǎn)化為N2和O2，相當(dāng)于對NOx進(jìn)行還原反應(yīng)；3)測量第二室中NOx還原反應(yīng)后生成的O2含量，根據(jù)此計算出排氣中NOx的含量。

發(fā)動機(jī)冷啟動時，后處理系統(tǒng)中常有冷凝水集結(jié)，此時需要進(jìn)行露點檢測。露點檢測的算法有2種：1)比較尾氣釋放的熱量與露點檢測門限值的大小，確定露點檢測狀態(tài)；2)通過標(biāo)定選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)催化溫度門限值，累積SCR催化溫度超過此門限值的時間，當(dāng)時間達(dá)到露點檢測時間門限值時，確定露點檢測狀態(tài)。

排放試驗過程中，完成熱車后，建議直接使用標(biāo)定手段放寬門限值，強(qiáng)制NOx傳感器露點檢測釋放，以保證整個試驗期間內(nèi)NOx傳感器準(zhǔn)確測量。

1.2 NOx傳感器計算原理

NOx傳感器接到自帶的測試管路上，將NOx傳感器安裝在排氣尾管直管段，距排氣口的距離為排氣管直徑3倍以上，NOx傳感器安裝完成后，確認(rèn)整車配置、發(fā)動機(jī)配置，連接標(biāo)定軟件，確認(rèn)后處理狀態(tài)、尿素濃度液位、NOx傳感器露點檢測釋放狀態(tài)等，啟動車輛，完成車輛熱車后開始記錄試驗數(shù)據(jù)，當(dāng)露點檢測完成后開始計算有效試驗時間，N類車型有效試驗時間建議不低于120 min。試驗結(jié)束后保存數(shù)據(jù)，導(dǎo)出計算用變量，利用INCA軟件采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)、曲軸輸出扭矩(N·m)、氮氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1×10-6)、廢氣流量(kg/h)信息和整車運(yùn)行信息，采用功基窗口法計算，得到整車NOx排放結(jié)果。在排放結(jié)果中，收集氣體排放信息，發(fā)動機(jī)瞬時排放流量、發(fā)動機(jī)其他信息和整車運(yùn)行信息，這些信息能夠覆蓋車輛使用的整車使用工況，所以得到的整車NOx排放結(jié)果可以真實反映車輛在實際道路的排放狀況[12]。

發(fā)動機(jī)瞬時功率

P=Tn/9550，

(1)

式中：T為發(fā)動機(jī)扭矩，N·m；n為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

NOx瞬時排放質(zhì)量流量

m=0.001 587ρG/3600，

(2)

式中：m為NOx瞬時排放質(zhì)量流量，g/s；ρ為NOx瞬時排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)，1×10-6；G為發(fā)動機(jī)廢氣質(zhì)量流量，kg/h。

1.3 試驗條件

試驗時相對大氣濕度小于80%；氣溫為-7～38 ℃；大氣壓力為75～101 kPa；發(fā)動機(jī)溫度為70 ℃以上。根據(jù)文獻(xiàn)[3]規(guī)定的排氣污染物車載測量方法及技術(shù)要求進(jìn)行測試，試驗項目主要為在整車滿載下，計算車輛運(yùn)行綜合工況(包括10%市區(qū)工況、10%市郊工況、80%高速工況)的NOx排放。

此外，在Ⅲ度及以上白細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、血小板減少、貧血、惡心嘔吐、口腔炎、食欲減退、肝功能異常、腹痛、乏力等10個指標(biāo)上，替吉奧組和卡培他濱組結(jié)果無明顯差異，無統(tǒng)計學(xué)意義。見表2。

1.4 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果

使用數(shù)據(jù)處理軟件MDA將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，導(dǎo)出時設(shè)定導(dǎo)出頻率為1 Hz，自定義計算模板，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果

由表1可知，有效功基窗口比排放為2.37 g/(kW·h)，有效窗口數(shù)為8508個，窗口有效率為100%。整車實際道路的NOx排放結(jié)果滿足有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 PEMS試驗結(jié)果

2.1 試驗用主要儀器設(shè)備

圖2 設(shè)備安裝示意圖

氣態(tài)污染物及顆粒物測量設(shè)備采用AVL MOVE設(shè)備，主要由主控電腦、gas氣體分析儀模塊、顆粒數(shù)量(particle number，PN)模塊、電源管理模塊E-BOX、流量計及控制模塊、逆變器、溫濕度傳感器、GPS等組成。設(shè)備安裝示意如圖2所示[13]。試驗所用的測試設(shè)備、儀器、儀表，應(yīng)校驗合格，并在有效期內(nèi)。試驗車輛同NOx傳感器測量時相同。

2.2 試驗結(jié)果

通過排氣污染物實時測量值、發(fā)動機(jī)控制器局域網(wǎng)總線(controller area network, CAN)和整車診斷CAN總線得到的信息，如發(fā)動機(jī)冷卻液溫度、發(fā)動機(jī)瞬時油耗率、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動機(jī)實際扭矩百分比、發(fā)動機(jī)摩擦扭矩百分比、車速等信號計算得到整車NOx排放結(jié)果。整車排放結(jié)果采用功基窗口法來計算。

圖3 功基窗口示意圖

功基窗口法是通過比較各功基窗口比排放與發(fā)動機(jī)型式核準(zhǔn)比排放的復(fù)合性評價車輛排放的方法。功基窗口大小為發(fā)動機(jī)瞬態(tài)循環(huán)功，按照采樣時間序列積累每個采樣點的瞬時功達(dá)到功基窗口，計算功基窗口內(nèi)所有采樣點的平均比排放，移動平均計算功基窗口至所有采樣點結(jié)束，得到一系列功基窗口平均比排放，功基窗口移動間隔為1 s。功基窗口比排放則是功基窗口內(nèi)發(fā)動機(jī)NOx排放總質(zhì)量與窗口內(nèi)功的比值，相應(yīng)的功基窗口平均功率百分比為功基窗口內(nèi)發(fā)動機(jī)平均功率占該發(fā)動機(jī)的最大功率的百分比[14-15]，功基窗口如圖3所示。

設(shè)備采集完數(shù)據(jù)后使用AVL提供的數(shù)據(jù)處理軟件CONCERTO進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到試驗報告。試驗數(shù)據(jù)分析流程如圖4所示，試驗結(jié)果如表2所示。

圖4 數(shù)據(jù)分析流程圖

表2 試驗結(jié)果

由表2可知，整車試驗負(fù)載、整車運(yùn)行工況及環(huán)境滿足要求，90%NOx有效功基窗口比排放2.23 g/(kW·h)，滿足國五排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 結(jié)果對比

對比NOx傳感器與PEMS設(shè)備測試的NOx排放結(jié)果，如圖5所示。

圖5 NOx排放測試結(jié)果對比

由圖5可知，2種測試方法得到的NOx有效功基窗口比排放基本一致，因此可以利用NOx傳感器來代替PEMS設(shè)備進(jìn)行整車排放試驗。

3 非道路車輛排放試驗

3.1 試驗車輛、設(shè)備

通過上述排放試驗結(jié)果對比，對非道路車輛進(jìn)行測試，選取某礦區(qū)某礦車為試驗車輛，由于工作環(huán)境和路況均較為惡劣，在礦區(qū)進(jìn)行PEMS試驗對PEMS設(shè)備可靠性要求較高，所以通過在排氣尾管直管段加裝NOx傳感器測量NOx排放不但可以避免風(fēng)險，而且結(jié)果可信，NOx傳感器安裝在排氣管后3倍管徑處，試驗車輛按照排放標(biāo)準(zhǔn)要求在實際典型工況中進(jìn)行正常作業(yè)。

3.2 試驗結(jié)果

利用功基窗口法進(jìn)行整車PEMS試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 整車測試PEMS試驗結(jié)果

由表3可知，典型作業(yè)工況下，通過功基窗口法計算，90%窗口NOx排放為2.07 g/(kW·h)，滿足中國非道路四階段排放限值要求，且裕量較大。

4 結(jié)論

提出了一種簡易測量整車實際作業(yè)過程中氮氧污染物排放的試驗方法，通過分析研究，得出以下結(jié)論。

1)利用NOx傳感器測量整車實際道路NOx排放結(jié)果，可以真實反映車輛在實際道路的排放狀況。

2)整車道路實際NOx排放試驗可以由NOx傳感器測量方式來代替昂貴的車載排放試驗設(shè)備，能夠提高排放測試效率，降低成本。

3)對于非道路車輛，NOx傳感器測試方法在整車排放試驗中是一種切實可行的方法。