基于不同测量原理的柴油机氮氧化物排放测量结果对比研究

黄志强，郑建，毛赛龙，周锐，黄强炜

(上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

机动车排气污染物已成为环境空气污染的重要源头，2019年，全国汽车一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)排放量分别为694.3万吨、171.2万吨、622.2万吨、6.9万吨。其中，柴油车排放的氮氧化物(NOx)占汽车排放总量的80%以上[1]。自2021年7月1日起，所有生产、进口、销售和注册登记的重型柴油车应符合《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》[2]，为满足国Ⅵ排放标准，生产厂家一般会采用DOC+DPF+SCR三种组合后处理技术路线。因此在发动机样机开发阶段，生产厂家会使用双通道测量氮氧化物，即同时测量选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，以下简称 SCR)前端和后端氮氧化物体积浓度来计算SCR转化效率。由于目前没有双通道测量氮氧化物设备，实验室提出使用基于电化学法原理的氮氧化物(Nitrogen Oxide，以下简称NOx)传感器或基于非分散紫外吸收法(Non-Dispersive Ultra-Violet，以下简称NDUV)原理车载排放设备分别同时进行测量。因此在试验前需要分析对比基于电化学法NOx传感器和NDUV法原理设备的稳定性和响应性。研究在化学发光法(Chemiluminescent Detector，以下简称CLD)原理设备缺少的情况下，电化学法和NDUV法是否可替代CLD法分析对比。为了验证电化学法NOx传感器和NDUV法原理的AVL 493D GAS PEMS IX车载排放设备的稳定性和响应性，对某款柴油机进行10个稳态点和GB17691—2018标准要求的世界统一的瞬态循环(World Harmonized Transient Cycle，以下简称WHTC)排放试验。使用Continental生产的型号为5WK96614的NOx传感器、基于CLD法的HORIBA MEXA-1600DSEGR设备以及车载排放设备同时测量排气中NOx体积浓度。

1 NOx测量原理

1.1 电化学法测量原理

NOx传感器主要由第一测量室、第二测量室二个室和由主泵、辅助泵、测量泵三个泵组成，测量原理如图1所示。由图1可知：(1)排气污染物吸入到NOx传感器第一测量室，通过主泵将排气污染物中的O2泵出，阻止化学反应NOx-N2+O2的进行，相当于对排气污染物进行除氧处理，同时HC、CO、H2在铂(Pt)材料上被氧化；(2)NOx排气污染物在第二测量室中，在辅助泵的作用下，将NOx转化为N2和O2，等同于对NOx进行还原反应；(3)根据第二测量室中NOx还原反应后生成的O2含量，反推计算出排气污染物中NOx的含量[3]。

图1 电化学法测量原理

1.2 CLD法测量原理

CLD法检测NOx的工作原理是当被测排气污染物先经过除湿干燥器再经过二氧化氮NO2转化为一氧化氮NO转化器时，排气污染物中的NO2被转换为NO，排气污染物中的NO和由NO2转化而来NO同时进入由臭氧发生器产生O3发生化学反应，产生激发态的NO2*。激发态的NO2*分子在跃进到基态而趋于稳定的同时，会发射波长范围为600～2 500 nm的光子(hv)，即红外谱线，是连续光谱，峰值波长1 200 nm[4]。CLD法测量原理如图2所示。

图2 CLD法测量结构图

(1)

(2)

1.3 NDUV法测量原理

NDUV法测定NOx浓度，按照朗-伯尔定律， NDUV法分析仪采用紫外探测器，通过一个镀有Ultra-Violet (UV)增透膜的准直透镜，产生了平行光束。再使用分光镜将光束分成两束，一束进入参考路径，一束进入测量路径。测量气室可以根据气体浓度的多少，选择5 cm～25 cm的多次反射池或者单通池。在测量气室的另外一端，使用镀有UV增透膜的聚光透镜，将测量光束聚集在UV光电二极管上，从而最终转换成测量电压。根据朗伯-比尔定律，最终计算出气体浓度。非分散紫外吸收法测量基本激光如图3所示。

图3 NDUV法测量结构图

2 试验方案及装置

2.1 试验方案

在发动机装配到整车时，发动机运行工况点基本在低负荷和中等负荷，因此选用了图4中的10个工况点。瞬态工况选取GB17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》标准中的瞬态WHTC循环。运行10个稳态低负荷和中等负荷试验工况，每个工况运行5 min，记录最后1 min的平均值作为试验结果，每个试验工况测量3次，试验工况分布如图4所示。试验工况以数字代号作为标记。

图4 试验工况

测试系统如图5所示，发动机与测功机通过联轴器进行连接，在排气管的同一圆周上同时布置车载排气污染物分析仪AVL 493D GAS PEMS IX、直采分析仪MEXA-1600DSEGR、NOx传感器三个采样探头。车载排气污染物分析仪和直采分析仪通过Modbus与上位机通讯，实时获得NOx体积浓度；NOx传感器通过CAN通讯解析器与上位机通讯，实时获得O2和NOx体积浓度。

图5 测试系统结构图

2.2 试验装置

试验用柴油机见表1，相关设备信息见表2。

表1 发动机主要参数

表2 测试设备信息

3 试验结果

3.1 三种测量设备重复性结果

稳态测量试验的3次NOx测量结果及标准差如图6所示。试验过程中每种排放设备对同一稳态工况点连续测量3次，计算其3次测量结果的一致性和标准偏差。试验结果表明，基于电化学法原理的NOx传感器标准偏差最大为1.6，最小为0.4；CLD法标准偏差最大为0.9，最小为0.2；NDUV法标准偏差最大为1.4，最小为0.1。3种设备稳态工况时测量结果重复性较好。

图6 稳态3次氮氧化物测量结果及标准差

3.2 三种测量设备的测量结果对比

依据GB17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》标准中对NOx分析仪的技术要求，NOx测量共有两种认可的测量仪器。当采用其他测量方法时，比如非分散紫外吸收法，主要以CLD法[2]作为基准。因此，3种测量NOx原理的对比以CLD法获得试验数据作为基准。

3.2.1 稳态工况点比对测试结果

3种测量设备的10个稳态试验工况下排气污染物中的NOx浓度测量结果如图7所示，以CLD法为基准的另外2种设备测量结果偏差见图8。从图7、图8可知，以CLD法为测量基准，电化学法与CLD法对比最大偏差为-3.9%，最小偏差为-0.4%。在低浓度测量时，电化学法与CLD法偏差较大；在高浓度测量时，电化学法与CLD法偏差较小；NDUV法与CLD法对比最大偏差为1.4%，最小偏差为0.1%。因此在进行稳态试验时，如果实验室无双通道测量NOx，可以使用电化学法或非分散紫外吸收法在SCR前端测量原排氮氧化物。

图8 电化学法和NDUV法与CLD法对比偏差

3.2.2 瞬态排放比对结果

图9为基于3种NOx测量原理的排放测试设备在柴油机运行WHTC循环的瞬态NOx测量结果对比情况。试验结果表明，电化学法原理测量的氮氧化物相对于化学发光法响应较慢，导致在刚开始测量时数值偏低。在大负荷向小负荷工况过渡时，由于响应慢而出现测量数值仍然维持在一个较高水平的情况；非分散紫外吸收法响应基本与化学发光法一致。因此在进行瞬态试验时，如果实验室无双通道测量氮氧化物，可以使用NDUV法和CLD法同时在SCR前端和后端测量氮氧化物浓度，不建议使用电化学法。

图9 三种设备WHTC循环NOx结果对比

3.3 小结

在对柴油机的稳态工况以及瞬态WHTC的NOx排放试验结果中可以看出，采用NDUV法原理来测量NOx浓度与采用CLD法原理测量结果非常接近，而电化学法在测量低浓度NOx时有一定误差，且在瞬态响应性方面略有不足，3种测量原理的优劣势对比见表3。

表3 三种设备优劣势对比

4 结论

通过分析比对基于3种不同测量原理的NOx测量设备的测量结果得出以下结论。

(1)3种设备稳态工况时测量结果一致性较好。

(2)在进行瞬态循环试验，在低浓度NOx条件下，电化学法与CLD法测量值偏差较大；在进行瞬态试验时，电化学法测量NOx的响应较慢，NDUV法响应基本上与CLD法一致。以CLD法测量结果为基准，在瞬态测量结果中，NDUV法的响应性和准确性优于电化学法测量结果。

(3)当实验室无双通道测量氮氧化物时，可以使用NDUV法在SCR前端测量原排氮氧化物。从成本以及设备制造的角度考虑，在进行稳态试验时，可以优先考虑电化学法进行测量。

试验过程在常温环境下进行对比研究，并未在低温或湿度较大的环境下进行相关研究，环境温度和湿度对3种不同测量原理的NOx测量设备的影响可作为后续研究内容。