加载减速法分析柴油车NOx与烟度净化效果

2022-04-06彭美春叶伟斌邹康聪李君平黄文伟

广东工业大学学报 2022年2期

彭美春，叶伟斌，邹康聪，李君平，黄文伟

（1. 广东工业大学机电工程学院, 广东广州 510006；2. 深圳职业技术学院汽车与交通学院, 广东深圳 518055）

《中国移动源环境管理年报(2020年)》显示，全国柴油车排放的氮氧化物(NOx)与颗粒物 (PM))，分别占汽车排放总量的88.9%、90%[1]，控制柴油车的NOx与PM排放刻不容缓。

柴油车排放净化技术中，颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter, DPF)用于捕集净化排气中的颗粒物(Particulate Matter, PM)，选择性催化还原系统(Selective Catalyst Reduction, SCR)催化还原排气中的NOx[2-5]，废气再循环(Exhaust Gas Recirculation,EGR)用于抑制发动机缸内NOx的生成量[6]，柴油机氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst, DOC)氧化催化排气中的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、颗粒中的有机成分等[7-8]，这些技术在国V、国VI重型柴油车上均有应用。

国VI重型车排放标准规定所采用的技术保证车辆全寿命周期内的排放均要能得到有效控制[9]，采取整车实际道路行驶车载测试法，由生产企业自查、生态环境主管部门抽查车辆排放在用符合性。整车道路车载实验过程很复杂、费时，测试效率低，测试成本高，受测试操作、环境影响较大[10-11]，难以大量实施。

GB 3847-2018 《柴油车污染物排放限值及测量方法(自由加速法及加载减速法)》[12]，规定用简易工况加载减速测试整车NOx与烟度排放的方法，工况固定，测试时长短，一般不超过3 min，检测成本低效率高，能短期间开展大量测试。该标准自2019年5月在全国范围内开始实施，目前仍处于初始应用阶段，尚未有应用其判别柴油车辆NOx与烟度排放控制技术净化效能的报道。

加载减速法有最大轮边功率对应的转鼓线速度点(100% Actual Velocity of Maximum Wheel Power,100%VelHPMax)与最大轮边功率对应的转鼓线速度80%点(80%VelHPMax)两个排放检测工况，一些学者对两工况NOx检测稳定性开展了研究。王军方等[13]研究表明，100%VelHPMax和80%VelHPMax均可作为在用柴油车NOx环保定期检验测试工况。徐驰等[14]研究分析表明，80%VelHPMax工况下的NOx排放更为稳定。

本文应用加载减速法对重型柴油车NOx与不透光烟度排放开展测试，评价SCR、EGR、DPF、DOC排放净化技术的净化效果，研究结果可为快速判断在用柴油车排气净化技术有效性提供检测评价方法参考。

1 检测方法与车辆选择

1.1 检测设备

加载减速排放测试系统检测设备主要由底盘测功机、不透光烟度计、NOx分析仪、OBD诊断仪、发动机转速计、控制系统及检测软件、安全装置、冷却风扇等组成，如图1所示。

图1 加载减速测试系统Fig.1 System of lugdown cycle

底盘测功机对测试样车进行加载及吸收功率。不透光烟度计检测排气烟度，NOx分析仪检测排气中的NOx和CO2的体积浓度。OBD诊断仪连接车辆OBD接口，实时读取检测过程中发动机运行的瞬时数据，如发动机转速、排气温度等。发动机转速计读取检测过程中发动机转速。主控计算机系统负责底盘测功机对车辆加载、测试过程控制以及数据采集等。

1.2 检测过程

检测过程分为两个阶段：

(1) 功率扫描。确定最大轮边功率对应的转鼓线速度100%VelHPMax。以100%VelHPMax作为排放测试工况点之一。通过加载降低转鼓线速度寻找到的转鼓线速度80%VelHPMax作为第二个排放检测工况点。

(2) 排气污染物测量。在100%VelHPMax、80%VelHPMax两个工况点进行排气烟度光吸收系数与NOx体积分数排放的测量。

1.3 测试车辆

选取116辆重型柴油货车，均为东风凯普特牌柴油货车，车辆最大总质量相近，配置的发动机有两种品牌三种机型，分别满足国V或国VI排放标准，对应的排放控制技术包括EGR、SCR、DOC与DPF，呈集成配置分为3组如表1所示，分3组进行测试。

表1 检测车辆信息Table1 Information of test vehicles

测试3组不同排气净化技术配置下的柴油车辆在100%VelHPMax、80%VelHPMax两个工况点处车辆排气烟度、NOx体积分数排放,以分析加载减速法对车辆配置的排放净化技术水平的检出性与适用性。

2 结果与讨论

2.1 不同NOx排气净化技术对NOx排放的影响

3组测试车辆中分别对应SCR、EGR、EGR+SCR 3种NOx排气净化技术配置方案，检测得到的车辆组80%VelHPMax工况下NOx体积分数值均值、中位数及占比5%～95%的浓度值分布范围如图2所示。

图2 不同净化技术车辆NOx排放值Fig.2 NOx emission of vehicles with different purification technologies

由图2可知，配置EGR+SCR集成技术的重型柴油货车NOx排放均值较单独配置SCR或EGR技术的重型柴油货车，分别低94.60%、96.58%。可见EGR+SCR集成技术对NOx的净化效果明显好于单项SCR或EGR技术。从表1中看到，国VI的柴油车辆均配置了EGR+SCR集成技术，配置单项EGR或SCR技术的车辆均为国V车辆。国VI车辆配置了较国V更高净化效果的NOx综合净化技术。

同为国V车辆，SCR技术较EGR对应的NOx排放低37%，明显好于EGR。EGR抑制NOx生成的同时会劣化发动机燃油经济性，故EGR率不宜过高，净化NOx的效果受限。SCR净化NOx不受发动机工作过程影响，对NOx的净化控制能做到更高效。

2.1.1 单配置EGR技术车辆

图3为单配制EGR技术的测试组1的一辆车加载减速排气检测时采集的发动机转速、扭矩、排气温度与NOx排放体积分数值随测试时间变化曲线。

图3 配置EGR车辆NOx浓度、排气温度、工况与测试时间Fig.3 NOx emission, exhaust temperature and engine conditions versus testtime for vehicle equipped with EGR

由图3可知，100%VelHPMax工况发动机转速高于80%VelHPMax工况，扭矩、排气温度低于80%VelHPMax工况。加载使得80%VelHPMax工况发动机扭矩增大、转速降低。排气温度随发动机扭矩增大升高，而且因排气管热量累计原因，随测试时间增长测得的排气温度呈上升趋势。图4展示了测试组1车辆两工况点平均的NOx排放体积浓度与排气温度均值。

图4 配置EGR车辆NOx排放与排温Fig.4 NOx emission and exhaust temperature of vehicles equipped with EGR

由图3、图4可知，配置EGR的重型柴油货车80%VelHPMax工况点NOx体积分数大于100%VelHPMax工况点，两工况点处NOx体积分数过程数据随测试时间加长呈上升趋势。对于仅配置EGR净化技术的柴油车NOx的排放量主要取决于缸内NOx的生成量，缸内NOx生成量主要与缸内最高燃烧温度、混合气中O2浓度与高温滞留时间有关。加载减速检测在全负荷工况下运行，80%VelHPMax点比100%VelHPMax点发动机转速低，扭矩大，排气温度高，意味着缸内燃烧温度高，缸内高温滞留时间延长，有利于缸内NOx的生成。全负荷工况下为了保证发动机的动力性，废气再循环率较低，EGR抑制NOx生成的效果不显著。综合而言，80%VelHPMax点NOx排放体积分数大于100%VelHPMax点。可以认为，对于配置EGR车辆评价NOx排放时，选择80%VelHPMax工况点较100%VelHPMax工况严格。

2.1.2 单配置SCR技术车辆

图5为单配置SCR技术的测试组2的一辆车加载减速排气检测时采集的发动机转速、扭矩、排气温度与NOx排放浓度随测试时间的变化曲线。同测试组1，80%VelHPMax工况发动机扭矩、排气温度均高于100%VelHPMax工况，排气温度随测试时间增大而升高，同图3中情形。而NOx体积分数随测试时长增大减小，与排气温度变化趋势相反，与图3中配置EGR的情形也相反。测试组2的排气温度稍高于测试组1。

图5 配置SCR车辆NOx浓度、排气温度、工况与测试时间Fig.5 NOx emission, exhaust temperature and engine conditions versus test time for vehicle equipped with SCR

图5中显示最高排气温度为373 ℃。根据郭红松等[15]进行发动机台架试验与SCR仿真研究表明，当排气温度低于400 ℃时，SCR对NOx转化率随排气温度上升而增大，在400～425 ℃达到NOx转化率的最大值，当排气温度高于450 ℃时，NOx转化率随排气温度上升而下降明显。测试组2车辆加载减速检测中，排气温度均低于450 ℃以下，处于SCR对NOx转化率高的排气温度范围内。

图6为测试组2的重型柴油货车两工况点NOx体积分数与排气温度均值。

图6 配置SCR车辆NOx排放与排温Fig.6 NOx emission and exhaust temperature of vehicles equipped with SCR

图6显示80%VelHPMax工况处排气温度均值高于100%VelHPMax工况，NOx体积分数则相反。100%VelHPMax工况EGR情形下NOx排放均值约为SCR情形的44%，80%VelHPMax工况EGR情形下NOx排放均值约为SCR情形的200%。分析认为80%VelHPMax工况点比100%VelHPMax工况点因燃烧温度高、高温滞留时间长NOx生成量多，同时因排气温度高SCR对NOx还原净化也多。综合效果匹配SCR的车辆，80%VelHPMax点NOx排放明显低于100%VelHPMax工况，说明该工况点SCR对NOx的净化效果显著。若评价匹配SCR技术的柴油车NOx排放水平，认为选择100%VelHPMax工况较80%VelHPMax严格。

2.1.3 配置SCR+EGR集成技术

图7为配置SCR与EGR集成技术的测试组3中一辆柴油货车转速、扭矩、排气温度与NOx排放随测试时间的变化。同测试组1与测试组2，80%VelHPMax工况发动机扭矩与排气温度均高于100%VelHPMax工况，随测试时间增大，排气温度升高，与图3、图5情形相同。而NOx体积分数随排气温度上升呈现下降的趋势，与单配置SCR车辆的情形相同，但与单配置EGR车辆的情形相反。

图7 配置EGR+SCR车辆NOx浓度、排气温度、工况与测试时间Fig.7 NOx emission, exhaust temperature and engine conditions versus test time for vehicle equipped with EGR+SCR

图8为测试组3车辆两工况点平均的NOx体积分数、排气温度均值。

图8 配置EGR+SCR车辆NOx排放与排温Fig.8 NOx emission and exhaust temperature of vehicles equipped with EGR + SCR

由图7、图8可知，配置EGR+SCR的车辆排气温度随测试时间变化及与测试工况关系同单独配置EGR、SCR情形，温度数值稍高于后两者；NOx体积分数随测试时长及与测试工况关系同单独配置SCR情形，但NOx浓度值远低于单独配置SCR或者EGR情形，是后两者的2.5%～12.0%。说明EGR+SCR集成技术对NOx排放控制效果较单项的SCR或EGR技术明显要好。

2.2 不同颗粒物排放净化技术对烟度排放的影响

3组测试车辆分别匹配DOC+DPF或DOC颗粒物排放净化技术。测试组1、2为国V排放标准车辆，分别配置DOC+DPF集成技术、DOC单项技术，测试组3为国VI排放标准车辆，配置DOC+DPF集成技术。

3组测试车辆加载减速两种工况下测得的光吸收系数均值、中位数及占比5%～95%的排烟光吸收系数分布范围如图9所示。

图9 不同净化技术下车辆排气烟度Fig.9 Smoke opacity of vehicles with different purification technologies

由图9可知，无论100%VelHPMax工况还是80%VelHPMax工况，DOC+DPF集成技术的国VI车辆排气烟度最低，DOC+DPF集成技术车辆烟度值低于单DOC技术车辆。100%VelHPMax工况点处，配置DOC单一技术的重型柴油货车组光吸收系数均值为0.239，比配置DOC+DPF集成技术的国VI与国V重型的柴油货车组光吸收系数均值分别高66%、139%。在80%VelHPMax工况处，配置DOC的重型柴油货车组光吸收系数均值为0.2，比配置DPF的国VI与国V重型柴油货车组光吸收系数均值分别高51.5%、63.9%。可见，DOC+DPF集成技术对烟度降低较单DOC技术效果明显。DOC基于氧化原理净化部分有机颗粒物，DPF采取过滤原理能净化所有颗粒物。

从图9看到3个测试组100%VelHPMax工况点处烟度值均高于80%VelHPMax工况。

2.2.1 单配置DOC技术车辆

图10为单配置DOC技术的测试组2中一辆重型柴油货车发动机转速、排烟光吸收系数随测试时间变化。

图10 配置DOC车辆转速、光吸收系数与测试时间Fig.10 Optical absorption coefficient and engine speed versus test time for vehicle equipped with DOC

由图10可知，相比80%VelHPMax工况，100%VelHPMax工况排烟光吸收系数更高。分析认为排气光吸收系数值取决于缸内颗粒物的生成量与后处理技术的净化量。100%VelHPMax工况发动机转速与功率均高于80%VelHPMax工况，需求的喷油量大，气缸内局部缺氧区域多，高温条件下，造成缸内PM生成量多，而DOC在两种工况下对PM的净化效果相近。综合而言，100%VelHPMax工况排气烟度的光吸收系数高于80%VelHPMax。

2.2.2 配置DOC+DPF集成技术车辆

图11为配置DOC+DPF集成技术的国V、VI测试组2、3中各一辆重型柴油货车转速、光吸收系数随测试时间的变化。可见两辆车排烟光吸收系数与测试工况关系相近，均为100%VelHPMax工况光吸收系数高于80%VelHPMax工况。同样，测得的排烟光吸收系数取决于两方面：一是气缸中碳烟的生成量，二是后处理技术的净化水平。如上所述，100%VelHPMax工况气缸内颗粒物生成量较80%VelHPMax多；100%VelHPMax工况对应的发动机转速高，排气流量大，DPF空速也大，对PM的捕集效率降低。综合而言，100%VelHPMax工况处光吸收系数高。