进气温度和道路工况对整车NOx排放的影响研究

2023-09-11李建东史祥东甄雷刘翰刘志文

汽车工程师 2023年9期

李建东史祥东甄雷刘翰刘志文

（1.内燃机可靠性国家重点实验室，潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司，潍坊 261061）

1 前言

GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[1]规定了整车车载尾气检测系统（Portable Emission Measurement System，PEMS）测试的载荷、环境温度、车速、海拔等影响因素。宋子钰等[2]研究了海拔和环境温度变化对汽车NOx排放量的影响；张凡等[3]研究了进气温度和湿度对汽车NOx排放量的影响；汪晓伟等[4]研究了低载荷对汽车NOx排放量的影响规律；石翠翠等[5]基于组合模型研究了NOx排放量的影响因素；刘刚等[6]开展了重型商用车的排放分析，提出了满足GB 17691—2018 标准规定的各种道路路谱组合；李建东等[7]分析了牵引车载荷对NOx排放量的影响，重点研究了NOx排放浓度随载荷的变化规律。在众多NOx排放量影响因素研究中，针对道路工况这一影响因素的研究较少。不同的道路工况会导致排气温度、驾驶行为、海拔等多种参数差异，而这些参数的不同会直接影响排放，因此道路工况是影响整车PEMS 测试结果的最复杂的一种因素。同时，满足GB 17691—2018要求的实际道路工况千差万别。为保证柴油机的NOx排放量在符合标准要求的不同道路工况下均可满足排放要求，需要找到能够包含所有NOx排放风险点的工况并进行反复验证。

本文首先针对同一道路工况在不同进气温度下进行研究，分析进气温度对NOx排放量的影响，并对不同道路工况下NOx排放量的差异进行研究，分析最恶劣道路工况与普通工况的差异，从而评价不同道路工况下的真实NOx排放水平。

2 试验装置及方案

为控制单一变量，利用五轴动力总成台架在不同进气温度和道路工况条件下进行整车NOx排放研究。进行动力总成试验前，首先在不同道路上进行PEMS 试验，选取其中一种路谱，控制其他影响因素相同，通过改变循环水流量来改变进气温度，得到不同进气温度下的NOx排放结果；再将获得的各种实际路谱导入五轴动力总成控制器，控制整车配置、环境温度、湿度、初始状态等影响因素相同，只改变道路路谱进行试验，得到不同路谱下的NOx排放结果。

试验车辆选取一满足GB 17691—2018 标准要求的配备12 L 发动机的牵引车，整车配置如表1 所示。使用的测试设备包括AVL便携式PEMS设备和ETAS数据采集工具，如表2所示。

表1 整车配置参数

表2 试验仪器

研究进气温度对NOx排放的影响时，使用的道路路谱如图1 所示，控制台架环境温度为25 ℃、湿度为40%，正式试验前充分热车10 min。研究道路工况对NOx排放的影响时，控制台架的环境温度为25 ℃、湿度为40%、进气温度为50 ℃，正式试验前充分热车10 min。

图1 典型路谱

3 试验过程及结果分析

3.1 进气温度对NOx排放的影响

选取图1 所示的典型路谱，通过控制中冷器冷却水循环流量调节进气温度，进气温度的最大控制范围为20~70 ℃。在同一路谱下分别进行进气温度为20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃的PEMS 循环试验。

不同进气温度下NOx发动机原始排放试验结果如图2所示，尾气排放试验结果如图3所示。

图2 不同进气温度下NOx原始排放浓度变化情况

图3 不同进气温度下NOx尾气排放浓度变化情况

由图2、图3 可知，NOx原始排放和尾气排放浓度（体积分数）随进气温度升高而升高，在进气温度从20 ℃到70 ℃的变化过程中，NOx原始排放浓度增加约30%，NOx尾气排放浓度增加约350%，进气温度每提高10 ℃，NOx原始排放浓度平均增加约5%，尾气排放浓度平均增加约36%。

由图3 可知，进气温度每提高10 ℃，NOx尾气排放浓度的变化范围为19%~44%，相对原始排放增加范围更大，且不稳定，主要原因是进气温度发生变化时，排气温度也发生较大变化，而排气温度影响尿素对NOx的转化效率，氧化还原反应过程受废气量、排气温度、空速（单位时间内流过后处理的废气体积）和一致性的影响因素较多，同时因NOx尾气排放量较小，且测试设备存在测量误差，导致NOx尾气排放的变化波动较大，但整体变化规律与原始排放相同。