加載減速法分析柴油車NOx與煙度凈化效果

彭美春，葉偉斌，鄒康聰，李君平，黃文偉

（1. 廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 廣東 廣州 510006；2. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院, 廣東 深圳 518055）

《中國移動源環(huán)境管理年報(bào)(2020年)》顯示，全國柴油車排放的氮氧化物(NOx)與顆粒物 (PM))，分別占汽車排放總量的88.9%、90%[1]，控制柴油車的NOx與PM排放刻不容緩。

柴油車排放凈化技術(shù)中，顆粒捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)用于捕集凈化排氣中的顆粒物(Particulate Matter, PM)，選擇性催化還原系統(tǒng)(Selective Catalyst Reduction, SCR)催化還原排氣中的NOx[2-5]，廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation,EGR)用于抑制發(fā)動機(jī)缸內(nèi)NOx的生成量[6]，柴油機(jī)氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)氧化催化排氣中的一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、顆粒中的有機(jī)成分等[7-8]，這些技術(shù)在國V、國VI重型柴油車上均有應(yīng)用。

國VI重型車排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定所采用的技術(shù)保證車輛全壽命周期內(nèi)的排放均要能得到有效控制[9]，采取整車實(shí)際道路行駛車載測試法，由生產(chǎn)企業(yè)自查、生態(tài)環(huán)境主管部門抽查車輛排放在用符合性。整車道路車載實(shí)驗(yàn)過程很復(fù)雜、費(fèi)時(shí)，測試效率低，測試成本高，受測試操作、環(huán)境影響較大[10-11]，難以大量實(shí)施。

GB 3847-2018 《柴油車污染物排放限值及測量方法(自由加速法及加載減速法)》[12]，規(guī)定用簡易工況加載減速測試整車NOx與煙度排放的方法，工況固定，測試時(shí)長短，一般不超過3 min，檢測成本低效率高，能短期間開展大量測試。該標(biāo)準(zhǔn)自2019年5月在全國范圍內(nèi)開始實(shí)施，目前仍處于初始應(yīng)用階段，尚未有應(yīng)用其判別柴油車輛NOx與煙度排放控制技術(shù)凈化效能的報(bào)道。

加載減速法有最大輪邊功率對應(yīng)的轉(zhuǎn)鼓線速度點(diǎn)(100% Actual Velocity of Maximum Wheel Power,100%VelHPMax)與最大輪邊功率對應(yīng)的轉(zhuǎn)鼓線速度80%點(diǎn)(80%VelHPMax)兩個(gè)排放檢測工況，一些學(xué)者對兩工況NOx檢測穩(wěn)定性開展了研究。王軍方等[13]研究表明，100%VelHPMax和80%VelHPMax均可作為在用柴油車NOx環(huán)保定期檢驗(yàn)測試工況。徐馳等[14]研究分析表明，80%VelHPMax工況下的NOx排放更為穩(wěn)定。

本文應(yīng)用加載減速法對重型柴油車NOx與不透光煙度排放開展測試，評價(jià)SCR、EGR、DPF、DOC排放凈化技術(shù)的凈化效果，研究結(jié)果可為快速判斷在用柴油車排氣凈化技術(shù)有效性提供檢測評價(jià)方法參考。

1 檢測方法與車輛選擇

1.1 檢測設(shè)備

加載減速排放測試系統(tǒng)檢測設(shè)備主要由底盤測功機(jī)、不透光煙度計(jì)、NOx分析儀、OBD診斷儀、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)、控制系統(tǒng)及檢測軟件、安全裝置、冷卻風(fēng)扇等組成，如圖1所示。

圖1 加載減速測試系統(tǒng)Fig.1 System of lugdown cycle

底盤測功機(jī)對測試樣車進(jìn)行加載及吸收功率。不透光煙度計(jì)檢測排氣煙度，NOx分析儀檢測排氣中的NOx和CO2的體積濃度。OBD診斷儀連接車輛OBD接口，實(shí)時(shí)讀取檢測過程中發(fā)動機(jī)運(yùn)行的瞬時(shí)數(shù)據(jù)，如發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、排氣溫度等。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)讀取檢測過程中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)底盤測功機(jī)對車輛加載、測試過程控制以及數(shù)據(jù)采集等。

1.2 檢測過程

檢測過程分為兩個(gè)階段：

(1) 功率掃描。確定最大輪邊功率對應(yīng)的轉(zhuǎn)鼓線速度100%VelHPMax。以100%VelHPMax作為排放測試工況點(diǎn)之一。通過加載降低轉(zhuǎn)鼓線速度尋找到的轉(zhuǎn)鼓線速度80%VelHPMax作為第二個(gè)排放檢測工況點(diǎn)。

(2) 排氣污染物測量。在100%VelHPMax、80%VelHPMax兩個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行排氣煙度光吸收系數(shù)與NOx體積分?jǐn)?shù)排放的測量。

1.3 測試車輛

選取116輛重型柴油貨車，均為東風(fēng)凱普特牌柴油貨車，車輛最大總質(zhì)量相近，配置的發(fā)動機(jī)有兩種品牌三種機(jī)型，分別滿足國V或國VI排放標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)的排放控制技術(shù)包括EGR、SCR、DOC與DPF，呈集成配置分為3組如表1所示，分3組進(jìn)行測試。

表1 檢測車輛信息Table1 Information of test vehicles

測試3組不同排氣凈化技術(shù)配置下的柴油車輛在100%VelHPMax、80%VelHPMax兩個(gè)工況點(diǎn)處車輛排氣煙度、NOx體積分?jǐn)?shù)排放,以分析加載減速法對車輛配置的排放凈化技術(shù)水平的檢出性與適用性。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同NOx排氣凈化技術(shù)對NOx排放的影響

3組測試車輛中分別對應(yīng)SCR、EGR、EGR+SCR 3種NOx排氣凈化技術(shù)配置方案，檢測得到的車輛組80%VelHPMax工況下NOx體積分?jǐn)?shù)值均值、中位數(shù)及占比5%～95%的濃度值分布范圍如圖2所示。

圖2 不同凈化技術(shù)車輛NOx排放值Fig.2 NOx emission of vehicles with different purification technologies

由圖2可知，配置EGR+SCR集成技術(shù)的重型柴油貨車NOx排放均值較單獨(dú)配置SCR或EGR技術(shù)的重型柴油貨車，分別低94.60%、96.58%?？梢奅GR+SCR集成技術(shù)對NOx的凈化效果明顯好于單項(xiàng)SCR或EGR技術(shù)。從表1中看到，國VI的柴油車輛均配置了EGR+SCR集成技術(shù)，配置單項(xiàng)EGR或SCR技術(shù)的車輛均為國V車輛。國VI車輛配置了較國V更高凈化效果的NOx綜合凈化技術(shù)。

同為國V車輛，SCR技術(shù)較EGR對應(yīng)的NOx排放低37%，明顯好于EGR。EGR抑制NOx生成的同時(shí)會劣化發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，故EGR率不宜過高，凈化NOx的效果受限。SCR凈化NOx不受發(fā)動機(jī)工作過程影響，對NOx的凈化控制能做到更高效。

2.1.1 單配置EGR技術(shù)車輛

圖3為單配制EGR技術(shù)的測試組1的一輛車加載減速排氣檢測時(shí)采集的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、排氣溫度與NOx排放體積分?jǐn)?shù)值隨測試時(shí)間變化曲線。

圖3 配置EGR車輛NOx濃度、排氣溫度、工況與測試時(shí)間Fig.3 NOx emission, exhaust temperature and engine conditions versus testtime for vehicle equipped with EGR

由圖3可知，100%VelHPMax工況發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于80%VelHPMax工況，扭矩、排氣溫度低于80%VelHPMax工況。加載使得80%VelHPMax工況發(fā)動機(jī)扭矩增大、轉(zhuǎn)速降低。排氣溫度隨發(fā)動機(jī)扭矩增大升高，而且因排氣管熱量累計(jì)原因，隨測試時(shí)間增長測得的排氣溫度呈上升趨勢。圖4展示了測試組1車輛兩工況點(diǎn)平均的NOx排放體積濃度與排氣溫度均值。

圖4 配置EGR車輛NOx排放與排溫Fig.4 NOx emission and exhaust temperature of vehicles equipped with EGR

由圖3、圖4可知，配置EGR的重型柴油貨車80%VelHPMax工況點(diǎn)NOx體積分?jǐn)?shù)大于100%VelHPMax工況點(diǎn)，兩工況點(diǎn)處NOx體積分?jǐn)?shù)過程數(shù)據(jù)隨測試時(shí)間加長呈上升趨勢。對于僅配置EGR凈化技術(shù)的柴油車NOx的排放量主要取決于缸內(nèi)NOx的生成量，缸內(nèi)NOx生成量主要與缸內(nèi)最高燃燒溫度、混合氣中O2濃度與高溫滯留時(shí)間有關(guān)。加載減速檢測在全負(fù)荷工況下運(yùn)行，80%VelHPMax點(diǎn)比100%VelHPMax點(diǎn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低，扭矩大，排氣溫度高，意味著缸內(nèi)燃燒溫度高，缸內(nèi)高溫滯留時(shí)間延長，有利于缸內(nèi)NOx的生成。全負(fù)荷工況下為了保證發(fā)動機(jī)的動力性，廢氣再循環(huán)率較低，EGR抑制NOx生成的效果不顯著。綜合而言，80%VelHPMax點(diǎn)NOx排放體積分?jǐn)?shù)大于100%VelHPMax點(diǎn)?？梢哉J(rèn)為，對于配置EGR車輛評價(jià)NOx排放時(shí)，選擇80%VelHPMax工況點(diǎn)較100%VelHPMax工況嚴(yán)格。

2.1.2 單配置SCR技術(shù)車輛

圖5為單配置SCR技術(shù)的測試組2的一輛車加載減速排氣檢測時(shí)采集的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、排氣溫度與NOx排放濃度隨測試時(shí)間的變化曲線。同測試組1，80%VelHPMax工況發(fā)動機(jī)扭矩、排氣溫度均高于100%VelHPMax工況，排氣溫度隨測試時(shí)間增大而升高，同圖3中情形。而NOx體積分?jǐn)?shù)隨測試時(shí)長增大減小，與排氣溫度變化趨勢相反，與圖3中配置EGR的情形也相反。測試組2的排氣溫度稍高于測試組1。

圖5 配置SCR車輛NOx濃度、排氣溫度、工況與測試時(shí)間Fig.5 NOx emission, exhaust temperature and engine conditions versus test time for vehicle equipped with SCR

圖5中顯示最高排氣溫度為373 ℃。根據(jù)郭紅松等[15]進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)與SCR仿真研究表明，當(dāng)排氣溫度低于400 ℃時(shí)，SCR對NOx轉(zhuǎn)化率隨排氣溫度上升而增大，在400～425 ℃達(dá)到NOx轉(zhuǎn)化率的最大值，當(dāng)排氣溫度高于450 ℃時(shí)，NOx轉(zhuǎn)化率隨排氣溫度上升而下降明顯。測試組2車輛加載減速檢測中，排氣溫度均低于450 ℃以下，處于SCR對NOx轉(zhuǎn)化率高的排氣溫度范圍內(nèi)。

圖6為測試組2的重型柴油貨車兩工況點(diǎn)NOx體積分?jǐn)?shù)與排氣溫度均值。

圖6 配置SCR車輛NOx排放與排溫Fig.6 NOx emission and exhaust temperature of vehicles equipped with SCR

圖6顯示80%VelHPMax工況處排氣溫度均值高于100%VelHPMax工況，NOx體積分?jǐn)?shù)則相反。100%VelHPMax工況EGR情形下NOx排放均值約為SCR情形的44%，80%VelHPMax工況EGR情形下NOx排放均值約為SCR情形的200%。分析認(rèn)為80%VelHPMax工況點(diǎn)比100%VelHPMax工況點(diǎn)因燃燒溫度高、高溫滯留時(shí)間長NOx生成量多，同時(shí)因排氣溫度高SCR對NOx還原凈化也多。綜合效果匹配SCR的車輛，80%VelHPMax點(diǎn)NOx排放明顯低于100%VelHPMax工況，說明該工況點(diǎn)SCR對NOx的凈化效果顯著。若評價(jià)匹配SCR技術(shù)的柴油車NOx排放水平，認(rèn)為選擇100%VelHPMax工況較80%VelHPMax嚴(yán)格。

2.1.3 配置SCR+EGR集成技術(shù)

圖7為配置SCR與EGR集成技術(shù)的測試組3中一輛柴油貨車轉(zhuǎn)速、扭矩、排氣溫度與NOx排放隨測試時(shí)間的變化。同測試組1與測試組2，80%VelHPMax工況發(fā)動機(jī)扭矩與排氣溫度均高于100%VelHPMax工況，隨測試時(shí)間增大，排氣溫度升高，與圖3、圖5情形相同。而NOx體積分?jǐn)?shù)隨排氣溫度上升呈現(xiàn)下降的趨勢，與單配置SCR車輛的情形相同，但與單配置EGR車輛的情形相反。

圖7 配置EGR+SCR車輛NOx濃度、排氣溫度、工況與測試時(shí)間Fig.7 NOx emission, exhaust temperature and engine conditions versus test time for vehicle equipped with EGR+SCR

圖8為測試組3車輛兩工況點(diǎn)平均的NOx體積分?jǐn)?shù)、排氣溫度均值。

圖8 配置EGR+SCR車輛NOx排放與排溫Fig.8 NOx emission and exhaust temperature of vehicles equipped with EGR + SCR

由圖7、圖8可知，配置EGR+SCR的車輛排氣溫度隨測試時(shí)間變化及與測試工況關(guān)系同單獨(dú)配置EGR、SCR情形，溫度數(shù)值稍高于后兩者；NOx體積分?jǐn)?shù)隨測試時(shí)長及與測試工況關(guān)系同單獨(dú)配置SCR情形，但NOx濃度值遠(yuǎn)低于單獨(dú)配置SCR或者EGR情形，是后兩者的2.5%～12.0%。說明EGR+SCR集成技術(shù)對NOx排放控制效果較單項(xiàng)的SCR或EGR技術(shù)明顯要好。

2.2 不同顆粒物排放凈化技術(shù)對煙度排放的影響

3組測試車輛分別匹配DOC+DPF或DOC顆粒物排放凈化技術(shù)。測試組1、2為國V排放標(biāo)準(zhǔn)車輛，分別配置DOC+DPF集成技術(shù)、DOC單項(xiàng)技術(shù)，測試組3為國VI排放標(biāo)準(zhǔn)車輛，配置DOC+DPF集成技術(shù)。

3組測試車輛加載減速兩種工況下測得的光吸收系數(shù)均值、中位數(shù)及占比5%～95%的排煙光吸收系數(shù)分布范圍如圖9所示。

圖9 不同凈化技術(shù)下車輛排氣煙度Fig.9 Smoke opacity of vehicles with different purification technologies

由圖9可知，無論100%VelHPMax工況還是80%VelHPMax工況，DOC+DPF集成技術(shù)的國VI車輛排氣煙度最低，DOC+DPF集成技術(shù)車輛煙度值低于單DOC技術(shù)車輛。100%VelHPMax工況點(diǎn)處，配置DOC單一技術(shù)的重型柴油貨車組光吸收系數(shù)均值為0.239，比配置DOC+DPF集成技術(shù)的國VI與國V重型的柴油貨車組光吸收系數(shù)均值分別高66%、139%。在80%VelHPMax工況處，配置DOC的重型柴油貨車組光吸收系數(shù)均值為0.2，比配置DPF的國VI與國V重型柴油貨車組光吸收系數(shù)均值分別高51.5%、63.9%?？梢?，DOC+DPF集成技術(shù)對煙度降低較單DOC技術(shù)效果明顯。DOC基于氧化原理凈化部分有機(jī)顆粒物，DPF采取過濾原理能凈化所有顆粒物。

從圖9看到3個(gè)測試組100%VelHPMax工況點(diǎn)處煙度值均高于80%VelHPMax工況。

2.2.1 單配置DOC技術(shù)車輛

圖10為單配置DOC技術(shù)的測試組2中一輛重型柴油貨車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、排煙光吸收系數(shù)隨測試時(shí)間變化。

圖10 配置DOC車輛轉(zhuǎn)速、光吸收系數(shù)與測試時(shí)間Fig.10 Optical absorption coefficient and engine speed versus test time for vehicle equipped with DOC

由圖10可知，相比80%VelHPMax工況，100%VelHPMax工況排煙光吸收系數(shù)更高。分析認(rèn)為排氣光吸收系數(shù)值取決于缸內(nèi)顆粒物的生成量與后處理技術(shù)的凈化量。100%VelHPMax工況發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速與功率均高于80%VelHPMax工況，需求的噴油量大，氣缸內(nèi)局部缺氧區(qū)域多，高溫條件下，造成缸內(nèi)PM生成量多，而DOC在兩種工況下對PM的凈化效果相近。綜合而言，100%VelHPMax工況排氣煙度的光吸收系數(shù)高于80%VelHPMax。

2.2.2 配置DOC+DPF集成技術(shù)車輛

圖11為配置DOC+DPF集成技術(shù)的國V、VI測試組2、3中各一輛重型柴油貨車轉(zhuǎn)速、光吸收系數(shù)隨測試時(shí)間的變化?？梢妰奢v車排煙光吸收系數(shù)與測試工況關(guān)系相近，均為100%VelHPMax工況光吸收系數(shù)高于80%VelHPMax工況。同樣，測得的排煙光吸收系數(shù)取決于兩方面：一是氣缸中碳煙的生成量，二是后處理技術(shù)的凈化水平。如上所述，100%VelHPMax工況氣缸內(nèi)顆粒物生成量較80%VelHPMax多；100%VelHPMax工況對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高，排氣流量大，DPF空速也大，對PM的捕集效率降低。綜合而言，100%VelHPMax工況處光吸收系數(shù)高。

圖11 配置DOC+DPF車輛轉(zhuǎn)速與光吸收系數(shù)與測試時(shí)間Fig.11 Optical absorption coefficient and engine speed versus test time for vehicle equipped with DOC+DPF

再比較同樣配置DOC+DPF的兩輛車，國VI的光吸收系數(shù)約為國V車輛的50%，顯然國VI車輛較國V排氣煙度低較多，可見決定排氣煙度的還有其他因素。從表1中看出測試組1與測試組3發(fā)動機(jī)型號不同，技術(shù)性能存在差異，組3的發(fā)動機(jī)強(qiáng)度更大，性能更先進(jìn)，其氣缸內(nèi)燃燒應(yīng)更完全，產(chǎn)生的PM較少。

3 結(jié)論

(1) 對NOx排放的控制，SCR技術(shù)優(yōu)于EGR，EGR+SCR集成技術(shù)又優(yōu)于單項(xiàng)的SCR技術(shù)。對排氣煙度的控制，DPF+DOC集成技術(shù)優(yōu)于DOC技術(shù)。

(2) NOx排放，匹配 SCR柴油車輛100%VelHPMax工況較80%VelHPMax高，匹配EGR柴油車輛80%VelHPMax工況較100%VelHPMax高。

(3) 排氣煙度的光吸收系數(shù)，100%VelHPMax工況高于80%VelHPMax。

(4) 加載減速工況法能識別出不同排放凈化技術(shù)對柴油車NOx、煙度控制效果的差異。