基于PEMS的重型柴油車尾氣污染物排溫敏感性試驗研究

王志紅, 錢超, 鄭灝, 尹冬冬

（1.武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；

2.武漢理工大學汽車零部件技術湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430070）

基于PEMS的重型柴油車尾氣污染物排溫敏感性試驗研究

王志紅1,2, 錢超1,2, 鄭灝1,2, 尹冬冬1,2

（1.武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；

2.武漢理工大學汽車零部件技術湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430070）

圍繞國Ⅴ重型柴油車排放氣態污染物排溫敏感特性規律開展相關研究工作。研究中，基于便攜式車載排放測試系統（PEMS）獲取典型國Ⅴ重型柴油車實際道路工況下排氣系統尾管溫度及主要氣態污染排放物的瞬態特征。進一步，以瞬態排放因子為關鍵評價指標，采用溫度分段平均法獲得目標車主要氣態污染物排溫敏感特性，結果顯示：隨排氣溫度升高，NOx排放總體呈下降趨勢，CO和HC排放總體呈先下降后上升趨勢。研究表明，國Ⅴ重型柴油車道路工況下排氣污染物受排氣溫度影響顯著。

重型柴油車；PEMS；排溫敏感性；排放因子；后處理系統

CLC NO.:U472.9Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-171-05

引言

重型柴油車的典型尾氣污染物（NOx、CO、HC及PM）排放量對大氣環境影響巨大。隨全球范圍內機動車排放法規不斷升級，重型柴油車的尾氣排放控制需求日益加劇，研發制造具有超低排放水平的重型柴油車已成為汽車節能與環保領域重點研究方向之一。為此，掌握實際道路工況下重型柴油車尾氣排放特性的環境影響因素是開發相應高效排放控制策略的重要基礎。圍繞重型柴油車實際道路工況下氣態污染物排放特性，國內外學者已從各方面開展有相關研究。

在車況和燃油方面，Durbin等通過移動排放實驗室對5輛重型柴油車進行道路試驗，研究發現整車排放特性取決于排放組件、使用年限和認證狀態[1]；Lesnik等基于AVL BOOST仿真平臺和試驗設備對柴油、生物柴油及兩者混合物排放特性對比，發現生物柴油及其混合物會降低重型柴油車的CO和NOx的排放量[2]。在工況和駕駛方式方面，陳長虹等基于PEMS對7輛重型柴油車進行實際道路試驗，得出低速行駛和加減速工況是機動車污染的重要原因[3]；王燕軍等通過便攜式車載排放測試系統和整車底盤測功機對重型柴油車進行對比試驗研究，發現車輛過載狀態時NOx的排放量比空載時高出90%[4]；Hao等采用PEMS對重型柴油車進行實際道路測試，研究得怠速和低速行駛是燃油消耗、尾氣排放超標的主要原因之一[5]；Holmen等通過車載排放試驗，證明過激駕駛方式導致車輛排放遠高于常規駕駛工況[6]。在外部環境方面，Shah等累計對11輛重型柴油車進行道路測試，發現在擁擠城市道路狀況下NOx排放速率是高速公路行駛工況下的3倍[7-8]；余林嘯等利用可移動發動機測試臺架和便攜式排放測試系統，在3個不同海拔高度的地點對某重型柴油車進行試驗，結果顯示隨著海拔高度的增加，CO和顆粒物排放增加，但NOx排放的變化規律不明顯[9]。

綜上所述，現有針對重型柴油車排放特性的研究主要集中于車況和燃油、工況和駕駛方式、外部環境等方面。采用不同方法研究均發現，重型柴油車氣態污染物排放因子受車輛狀況、燃油品質、駕駛習慣、整車負載、行駛速度、加速度、道路狀況和海拔高度等因素影響。然而，基于PEMS針對重型柴油車在實際道路工況下的尾氣污染物排溫敏感性研究未見報道。因此，以某配4.5L直列四缸發動機的典型國Ⅴ重型柴油車為研究對象，擬采用PEMS方法獲得重型柴油車道路工況下尾氣排放物特征，繼而建立排氣溫度分段平均法，探究排氣溫度對重型柴油車氣態污染物排放的影響規律。

1、研究目標及技術路線

研究工作旨在探究典型國Ⅴ重型柴油車排放氣態污染物排溫敏感特性規律。圍繞上述目標，擬定如圖1所示的研究技術路線。該研究技術路線主要分為目標車及基本參數表征、試驗方法設計、排溫敏感特性分析等部分。其中，本試驗的目標車輛為某國Ⅴ重型柴油車；在試驗方法設計部分，以SEMTECH-DS為試驗設備，以車輛正常行駛道路分布為測試工況，對氣態污染物和相關數據進行采集，以溫度平均分段法基于速度和負荷對數據進行分析；在排溫敏感特性分析部分，以氣態污染物污染物為關鍵評價指標，對相關通過合理的評價方法和指標對其進行整理統計，探究重型柴油車尾氣污染物排溫敏感性規律。

圖1 研究技術路線

2、典型重型柴油車基本參數

2.1 車輛基本參數

本研究針對1臺國Ⅴ重型柴油車進行了排放測試，該車輛后處理系統為SCR，試驗時車輛為滿載，具體參數見表1。

表1 車輛基本參數

2.2 SCR系統的反應機理

SCR系統的原理是利用利用計量噴射泵將32.5%的尿素水溶液噴入排氣管中，尿素在高溫下發生水解和熱解反應后生成氨氣，并在催化器表面涂層催化劑的作用下與NOX發生還原反應，排出氮氣，其主要反應過程見式（1）、式（2）和式（3）：

SCR催化劑采用釩基金屬氧化物（V2O5）據研究，其起始催化活性為150℃—160℃，最佳反應溫度范圍為250℃—450℃[10-15]。

3、基于PEMS排溫敏感特性試驗設計

3.1 試驗設備

本研究采用美國 Sensors公司生產的SEMTECH-DS車載排放測試儀，對重型柴油車進行實際道路排放測試。該實驗測試系統示意圖如圖2所示。

圖2 PEMS車載排放測試系統示意圖

3.2 試驗工況

參考DB11/965-2013《重型汽車排氣污染物排放限值及測量方法（車載法）》，主要采用實際道路測試對目標車主要氣態污染物排放進行排溫敏感性試驗。該標準要求試驗車輛為滿載，測試工況按市區道路（0-60km/h）、市郊道路（60 km/h -90km/h）和高速公路（90 km/h 以上）分別占45%、25%和30%進行試驗，且測試時間不小于兩小時。本次試驗路徑為襄陽北至云夢高速公路段（往返），襄陽至棗陽省道、市區路段（往返），共計540km，測試時間為8h。

3.3 試驗分析方法

3.3.1 評價方法及指標

機動車排放因子是指單輛機動車單位行駛里程所排放污染物的質量，單位為g/km。排放因子反映了機動車的排放水平，是進行機動車尾氣排放控制對策研究的基礎和依據。使用污染物的瞬時排放速率ER (g/ s)和車速ν(km/ h)，可以按照式(4)計算污染物i的排放因子EFt(g/km)：

排放因子EFt(g/km)是常用的污染物評價指標，但負荷和速度對排放因子的影響較大[16-18]。因此，基于速度和負荷對目標車輛進行道路測試。

3.3.2 試驗數據處理

通過車載測試設備獲取車輛尾氣污染物（NOx、HC、CO）瞬時排放速率，通過排氣尾管出口處的溫度傳感器獲得排氣溫度，通過ECU獲得發動機負荷及轉速等。

以溫度分段平均法分別基于負荷和速度進行數據處理。分別以30km/h、50km/h、80km/h和100km/h等速穩態工況為基礎，以20%、40%、60%和80%負荷率為基準，探究NOx、HC和CO排放對排氣溫度的敏感性。為便于分析，將車速各節點±2 km/h以內的速度均視為該點車速，將發動機負荷率各節點±5%以內的平均排放因子均視為該負荷率下的排放。排氣溫度以20℃為階梯進行統計，以各溫度區間內的平均排放因子為該區間的排放值。

4、試驗結果分析

4.1 NOx排溫敏感性分析

圖3 NOX排放因子隨排氣溫度變化

圖4 等速工況下NOx排放因子隨排氣溫度變化走勢

由圖3、圖4可知，從曲線特征總體變化趨勢上看，隨排氣溫度升高，NOX瞬態排放因子呈下降趨勢。從曲線峰值特征上看，當排氣溫度低于160℃時，NOX排放因子較高（約為11g/km-155g/km）；當排氣溫度位于[160℃，200℃)時，NOX排放因子較低（約為5g/km），且排放因子下降較快， 排氣溫度在[180℃，200℃)時NOx的平均排放因子比[140℃，160℃)時下降了50%，當排氣溫度高于200℃時， NOX排放因子達到最低（約為1g/km-3g/km），其中排氣溫度位于[240℃，260℃) 和[200℃，220℃)時NOx的平均排放因子比[140℃，160℃)時分別下降84%和75%。原因是當排氣溫度低于160℃時，車輛處于起動、低速等運動狀態，此時發動機轉速較低，氣體流速較低，難以形成均勻的混合氣，為維持正常運轉，混合氣較濃，因此NOX排放因子較大，隨著排氣溫度的升高，對應的發動機轉速增大，混合氣濃度降低，NOX排放因子呈下降趨勢。當排氣溫度達到200℃以上時，NOX排放因子顯著下降。原因是隨著溫度的升高，車輛處于高速運行狀態，發動機轉速較高，混合氣較為均勻，NOx排放因子較低，同時當排氣溫度達到160℃，SCR中的釩基催化劑開始反應，對NOX進行了催化還原，形成氮氣，隨著溫度的升高，其催化劑的活性逐漸升高，當溫度達到220℃左右時，NOx排放較低，且趨于穩定。

4.2 CO排溫敏感性分析

圖5 CO排放因子隨排氣溫度變化

圖6 等速工況下CO排放因子隨排氣溫度變化走勢

由圖5、圖6可知，從曲線特征總體變化趨勢上看，隨排氣溫度升高，CO瞬態排放因子呈先下降后略微上升趨勢。從曲線峰值特征上看，當排氣溫度低于160℃時，CO排放因子較高（約為2g/km-15g/km）；當排氣溫度位于[200℃，220℃)時，CO排放因子處于最小值（0.59g/km），當排氣溫度高于220℃時，CO排放因子略微上升（約1g/km）。這是因為排氣溫度較低時，發動機轉速較低，缸內溫度較低，氣體流動較慢，難以形成均勻的混合氣，為維持正常運轉，混合氣較濃，相對供氧不足，因此CO排放因子較高；隨著排氣溫度的升高，發動機轉速增大，燃燒逐漸趨于正常，混合氣濃度降低，相對供氧增多，CO排放因子逐漸下降；當排氣溫度較高時，此時車速較高，發動機轉速較快，混合氣在缸內停留時間較短，不利于碳原子的完全氧化，CO排放又呈略微上升趨勢。

4.3 HC排溫敏感性分析

由圖7、圖8可知，HC排放因子和CO排放因子的變化規律較為類似，隨排氣溫度升高，HC瞬態排放因子呈先下降后略微上升趨勢。這是因為當排氣溫度較低時，發動機轉速較低，缸內溫度較低，氣體流速較低，難以形成均勻的混合氣，為維持正常運轉，混合氣較濃，燃燒不完全，因此HC排放因子較高；隨著排氣管溫度的升高，發動機轉速增大，混合氣濃度降低，燃燒逐漸趨于正常，相對燃燒完全，HC排放因子隨之下降；當排氣溫度較高時，此時車速較高，發動機轉速較快，混合氣在缸內停留時間較短，不利于燃油的完全燃燒，HC排放又呈略微上升趨勢。

圖7 HC排放因子隨排氣溫度變化

圖8 等速工況下HC排放因子隨排氣溫度變化走勢

5、結論

隨排氣溫度升高，NOX排放呈下降趨勢。主要表現為：當排氣溫度低于160℃時，NOX排放因子較高；當排氣溫度在160℃-200℃時，NOX排放因子下降了75%，變化顯著；當排氣溫度達到220℃以上時，NOX排放因子達到最小，且趨于穩定。

隨排氣溫度升高，CO和HC排放呈先下降后略微上升趨勢。主要表現為：當排氣溫度低于160℃時，CO和HC排放因子較高；當排氣溫度在160℃-200℃時，分別下降了71%和67%；當排氣溫度約為200℃時，排放因子最小；當排氣溫度達到200℃以上時，CO和HC排放呈現略微上升趨勢。

NOX、CO和HC排放對排氣溫度較為敏感，較低的排氣溫度不利于主要氣態污染物的排放，因此，合理匹配后處理系統，控制低排溫狀況下氣態污染物的排放，是提升重型柴油車排放水平的重要途徑之一。

[1]Durbin T D, Johnson K, Miller J W,et al. Emissions from heavy-duty vehicles under actual on-road driving conditions[J].Atmospheric Environment, 2008,42(20)：4812-4821.

[2]Le?nik L, Ilja? J, Hribernik A, et al. Numerical and experimental study of combustion,performance and emission characteristics of a heavy-duty DI diesel engine running on diesel, biodiesel and their blends[J].Energy Conversion & Management, 014, 81(5)：534-546.

[3]陳長虹,景啟國,王海鯤,等.重型機動車實際排放特性與影響因素的實測研究[J].環境科學學報,2005,25(7)：870-878.

[4]王燕軍,吉喆,尹航,等.重型柴油車污染物排放因子測量的影響因素[J].環境科學研究, 2014,27(3)：232-238.

[5]Hao Y, Yu L,Song G,et al.PEMS-Based Multi-level Analysis of Fuel Consumption and Emissions for Heavy-Duty Diesel Vehicles[C]// International Conference on Energy & Environment Technology. IEEE Computer Society, 2009：233-239.

[6]Holmén B A,Niemeier D A.Characterizing the effects of driver variability on real-world vehicle emissions[J]. Transportation Research Part D Transport & Environment,1998,3(2)：117-128.

[6]Shah S D,Johnson K C,Miller J W,et al. Emission rates of regulated pollutants from on-road heavy-duty diesel vehicles[J]. Atmospheric Environment,2006,40(1)：147-153.

[7]Pelkmans L,Debal P.Comparison of on-road emissions with emissions measured on chassis dynamometer test cycles[J]. Transportation Research Part D Transport & Environment,2006, 11(4)：233-241.

[8]余林嘯,葛蘊珊,譚建偉,等.重型柴油機在不同海拔地區的燃燒與排放特性[J].內燃機學報,2013(6)：507-512.

[9]Boyano A,Herrera C, Larrubia M A, et al. Vanadium loaded carbonbased monoliths for the on-board no reduction： Influence of temperature and period of the oxidation treatment[J]. Chemical Engineering Journal, 2010, 160(2)：623-633.

[10]Sluder C S,Storey J M E,Lewis S A,et al. Low Temperature Urea Decomposition and SCR Performance[J].Sae Paper,2005.

[11]Asif M,Zhang Y,Lin W.Urea-SCR Temperature Investigation for NOx Control of Diesel Engine[C]// MATEC Web of Conferences. EDP Sciences,2015.

[12]Sato S,Sato S,Hosoya M.Improvement of Low-Temperature Performance of The NOx Reduction Efficiency on the Urea-SCR Catalysts[J].2013.

[13]李孟良,聶彥鑫,徐俊芳,等.裝配SCR系統的城市公交車NOx排放特性[J].江蘇大學學報(自然科學版), 2011, 32(1)：38-42.

[14]Zhi XY, Huang LP, Pang HL, et al. A Study on NOx Reduction of SCR System in Heavy-Duty Diesel Engine to Achieve the Euro V Emission Limits[J]. Advanced Materials Research, 2012, 455-456：974-980.

[15]Jost P,Hassel D,Sonnborn K S. A new method to determine exhaust emission factors for heavy duty vehicles[J]. Science of the Total Environment, 1995, 169(1-3)：213-217.

[16]HUANG Cheng, CHEN Changhong,JING Qiguo. On-board emission from heavy-duty diesel vehicle and its relationship with driving behavior [J]. Journal of environmental science 2007：177-184.

[17]Franco V, Kousoulidou M, Muntean M, et al.Road vehicle emission factors development： A review[J]. Atmospheric Environment, 2013, 70(70)：84-97.

[18]Kean A J, Harley R A, Kendall G R. Effects of vehicle speed and engine load on motor vehicle emissions.[J]. Environmental Science & Technology,2003, 37(17)：3739-3746.

Experimental Study on Exhaust Temperature Sensitivity of Exhaust Pollutants from Heavy-duty Diesel Vehicles Based on PEMS

Wang Zhihong1,2, Qian Chao1,2, Zheng Hao1,2, Yin Dongdong1,2
( 1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070; 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070 )

The researches on exhaust temperature sensitive characteristics of emission gaseous pollutants from a StateⅤheavy-duty diesel vehicle are developed.In this study, based on the portable on-board emission measurement system (PEMS),the exhaust system stern tube temperature and the transient characteristics of the main gaseous pollutants of the typical StateⅤheavy-duty diesel vehicle on actual road conditions are obtained.Then use transient emission factor as the key evaluation index to obtain exhaust temperature sensitive characteristics of main gaseous pollutants through temperature section average method.The characteristic test results show that, with the exhaust temperature rising, NOx emissions is a downward trend in general and CO and HC emissions are falling at first and rising slightly later.Studies have shown that the exhaust pollutant of the StateⅤheavy-duty diesel vehicle on actual road conditions significantly influenced by the exhaust temperature.

Heavy-duty diesel vehicle; portable emission measurement system(PEMS); exhaust temperature sensitivity; emission factor; after-treatment system

U472.9

A

1671-7988(2017)02-171-05

王志紅，男，(1980.4-)，博士，講師，就職于武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室。研究方向：發動機排放控制及新能源汽車。

錢超，男，(1989.12-)，碩士研究生，武漢理工大學馬房山校區東院汽車工程學院。

國家自然科學基金資助項目（51406140）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.058