在用柴油車(chē)環(huán)保定期檢測(cè)NOx的可行性研究

王軍方 丁 焰 殷寶輝 尹 航 肖 寒 王宏麗

(中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

機(jī)動(dòng)車(chē)排放已經(jīng)成為我國(guó)大氣污染中的重要來(lái)源，近年來(lái)我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，自2009年開(kāi)始我國(guó)就成為世界第一生產(chǎn)大國(guó)，年產(chǎn)量超過(guò)1000 萬(wàn)臺(tái)。根據(jù)《中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治年報(bào)2013》［1］公布，2012年我國(guó)汽車(chē)保有量1.08 億輛，氮氧化物排放量583 萬(wàn)噸，其中柴油車(chē)氮氧化物排放量397 萬(wàn)噸，占汽車(chē)總排放的68.1%，占我國(guó)氮氧化物總排放量的17.0%［2］。我國(guó)《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》［3］中將氮氧化物排放總量列為“十二五”的約束性指標(biāo)，然而，作為主要的污染源之一，柴油車(chē)環(huán)保定期檢測(cè)僅對(duì)煙度進(jìn)行檢測(cè)，并沒(méi)有對(duì)氮氧化物檢測(cè)的要求，無(wú)從了解柴油車(chē)的實(shí)際氮氧化物排放情況。本研究旨在通過(guò)對(duì)柴油車(chē)氮氧化物檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)工況和檢測(cè)限值的測(cè)試分析，分析我國(guó)在用柴油車(chē)環(huán)保定期檢測(cè)氮氧化物的可行性。

1 研究思路與方法

1.1 研究思路

對(duì)國(guó)內(nèi)外在用汽車(chē)的檢測(cè)現(xiàn)狀調(diào)研的基礎(chǔ)上，以氮氧化物檢測(cè)設(shè)備、檢測(cè)工況和檢測(cè)限值為研究目標(biāo)，分別確定其可行性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法確認(rèn)NOx 分析儀的響應(yīng)時(shí)間、NOx 測(cè)試工況以及檢測(cè)限值。

1.2 測(cè)試方法

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，同時(shí)連接新車(chē)檢測(cè)時(shí)精度較高的氮氧化物分析儀與本研究中測(cè)試分析儀，改變發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速，進(jìn)行兩種分析儀的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。同時(shí)在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上，進(jìn)行ESC 工況測(cè)試，并對(duì)其中A、B 和C 轉(zhuǎn)速下全負(fù)荷工況進(jìn)行檢測(cè)。

在北京地區(qū)某一重型柴油車(chē)環(huán)保定期檢測(cè)線上，對(duì)社會(huì)車(chē)輛進(jìn)行加載減速煙度檢測(cè)的同時(shí)，同步進(jìn)行了NO 排放檢測(cè)。

1.3 測(cè)試設(shè)備

本研究中選用了4 種氮氧化物分析儀，分別與以化學(xué)發(fā)光法為原理的分析儀AMA4000 進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)。

表1 測(cè)試儀器及相關(guān)參數(shù)

2 研究結(jié)果

2.1 測(cè)試方法和檢測(cè)工況

按我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家在用車(chē)排放測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)［4］規(guī)定，測(cè)量在用柴油機(jī)排放的方法有兩個(gè):自由加速法和加載減速法，這兩種方法都是用來(lái)測(cè)量柴油機(jī)排氣煙度的。柴油機(jī)的NOx 主要產(chǎn)生于大負(fù)荷工況，因此自由加速法不適合進(jìn)行NOx 測(cè)量。而加載減速法是在發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷，油門(mén)全開(kāi)的工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，因此是進(jìn)行NOx 排放檢測(cè)的理想工況。

目前的加載減速工況，分別測(cè)量三個(gè)轉(zhuǎn)速的煙度，每個(gè)工況的測(cè)試時(shí)間只有8 秒，加上管道長(zhǎng)度的影響，實(shí)際測(cè)量時(shí)間比較短，考慮到機(jī)動(dòng)車(chē)氮氧化物排放的特點(diǎn)，可選擇按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加載減速法的90%轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行，測(cè)量點(diǎn)測(cè)量時(shí)間定為25 秒，前10 秒為穩(wěn)定時(shí)間，后15 秒為測(cè)量時(shí)間，計(jì)算測(cè)量時(shí)間的平均值，作為測(cè)量結(jié)果。因此要對(duì)柴油車(chē)的氮氧化物進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)該修改加載減速法測(cè)量程序，或者在標(biāo)準(zhǔn)里規(guī)定，如果進(jìn)行氮氧化物測(cè)量，柴油車(chē)的工況法要進(jìn)行修改，在柴油車(chē)的工況法中要涵蓋上述測(cè)量點(diǎn)。

2.2 測(cè)試設(shè)備與CLD 比對(duì)結(jié)果

圖1 可以看出，4 種檢測(cè)設(shè)備與以化學(xué)發(fā)光法原理檢測(cè)的儀器AMA4000 檢測(cè)設(shè)備之間相關(guān)性均較好。設(shè)備1～4 與AMA4000 設(shè)備的線性關(guān)系分別符合y =1.0094x + 8.3872、y = 0.9146x + 225.9、y = 0.885x +68.637、y=0.9549x+28.284，從比對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于紅外、紫外、化學(xué)發(fā)光原理的NO 測(cè)量設(shè)備1～4均能夠滿足在用柴油車(chē)NO 排放測(cè)量的精度要求，但其可靠性很耐久性還需要在實(shí)際使用過(guò)程中進(jìn)一步進(jìn)行考核。

圖1 檢測(cè)設(shè)備與化學(xué)發(fā)光法設(shè)備比對(duì)結(jié)果

2.3 檢測(cè)限值初步結(jié)果

首先選取了23 臺(tái)新定型時(shí)候發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)其發(fā)動(dòng)機(jī)ESC［5］排放實(shí)驗(yàn)A100，B100，C100 的NOx濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)中有16 臺(tái)能夠達(dá)到國(guó)IV 排放標(biāo)準(zhǔn)，7 臺(tái)能夠達(dá)到國(guó)III 排放標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2。

對(duì)于符合國(guó)III 排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，氮氧化物排放值為337～898ppm，平均值為516ppm，對(duì)于符合國(guó)IV排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，排放值為106～558ppm，平均值為297ppm。

其次在環(huán)保定期檢測(cè)時(shí)，對(duì)150 輛符合國(guó)III 排放標(biāo)準(zhǔn)以上的車(chē)輛進(jìn)行了氮氧化物測(cè)量，結(jié)果如圖3。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)ESC 測(cè)試結(jié)果

圖3 車(chē)輛氮氧化物排放測(cè)試結(jié)果

可以看出，能夠達(dá)到國(guó)III 和國(guó)IV 排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)動(dòng)機(jī)其氮氧化物排放水平有明顯的界限，同一階段排放水平的發(fā)動(dòng)機(jī)在A100 工況點(diǎn)排放最高。

如圖3 所示，將車(chē)輛排放值從大到小依次排列，其排放最大值為2128ppm，最小值413ppm，平均值為974ppm。按照在用車(chē)排放監(jiān)控原則，去除15%的車(chē)輛定義為高排放車(chē)輛進(jìn)行監(jiān)控，其排放最大值為1226ppm，最小值為413ppm，平均值856ppm。

結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)定型時(shí)排放水平以及在用車(chē)定期檢測(cè)時(shí)排放測(cè)量值，可將氮氧化物排放限值初步定為1300ppm。

3 討論和建議

(1)對(duì)目前的柴油車(chē)煙度檢測(cè)方法加載減速法進(jìn)行調(diào)整，增加檢測(cè)時(shí)間，減少測(cè)量工況點(diǎn)，可以滿足氮氧化物檢測(cè)要求。因此建議修訂標(biāo)準(zhǔn)將90%轉(zhuǎn)速點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，測(cè)試時(shí)間延長(zhǎng)為25s。

(2)對(duì)于檢測(cè)設(shè)備來(lái)講，目前的在用汽油車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定可以采用化學(xué)電池法進(jìn)行，但依據(jù)各地實(shí)際檢測(cè)情況來(lái)講，化學(xué)電池法檢測(cè)設(shè)備電池劣化速度快，劣化后測(cè)量設(shè)備響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，無(wú)法滿足檢測(cè)要求，因此在柴油車(chē)的檢測(cè)中，建議將化學(xué)電池法測(cè)量設(shè)備排除。

(3)可以看出，在用柴油車(chē)環(huán)保定期檢測(cè)中，對(duì)氮氧化物進(jìn)行檢測(cè)是可行的，但是如果生產(chǎn)時(shí)沒(méi)有氮氧化物處理裝置SCR，檢測(cè)不達(dá)標(biāo)時(shí)無(wú)法通過(guò)維修達(dá)標(biāo)，因此如果決定對(duì)氮氧化物進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)對(duì)象應(yīng)該是配備有SCR 的車(chē)輛，通過(guò)維修或者更換SCR 裝置，能夠大幅度降低氮氧化物排放。

(4)從本研究的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，在用柴油車(chē)氮氧化物測(cè)量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新定型發(fā)動(dòng)機(jī)的排放結(jié)果，按照我國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，耐久性需要保證10～50 萬(wàn)公里的排放水平，因此有關(guān)部門(mén)需要采取措施，嚴(yán)格控制柴油車(chē)的耐久性實(shí)驗(yàn)。

［1］環(huán)境保護(hù)部．機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治年報(bào)2013．http://www．mep．gov．cn．

［2］環(huán)境保護(hù)部．中國(guó)環(huán)境狀況統(tǒng)計(jì)公報(bào)2013．http://www．mep．gov．cn．

［3］國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要．www．gov．cn．

［4］車(chē)用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)和壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)排氣煙度排放限值及測(cè)量方法GB3847－2005．

［5］車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)III、IV、V 階段)GB17691－2005．

［6］環(huán)境保護(hù)部機(jī)動(dòng)車(chē)排污監(jiān)控中心．環(huán)境保護(hù)部發(fā)布《2013年中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治年報(bào)》［J］．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(1):9－10．

［7］王若素，等．全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量［J］．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(1):88－90．

［8］黃志輝，等．全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放量［J］．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(1V):99－96．

［9］丁焰，等．新生產(chǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)環(huán)保管理［J］．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(1):97－99．

［10］王軍方，等．在用機(jī)動(dòng)車(chē)環(huán)保管理［J］．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(1):100－105．

［11］丁焰，等．車(chē)用燃料環(huán)保管理［J］．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(1):106－108．

［12］陳偉程，等．全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)氮氧化物總量減排［J］．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(1):109－112．