NOx傳感器測量實際道路NOx排放的試驗研究

許雪利，司福帥，馬雁，劉偉達，楊立云，史美麗

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061； 2.濰柴動力股份有限公司 發動機研究院，山東 濰坊 261061

0 引言

近年來，人們環保意識逐步加強，為改善大氣質量，進一步控制機動車排氣污染物，針對內燃機，特別是重型柴油機，國家排放標準越來越嚴格，文獻[1-3]對整車排放限值也提出了要求。國家相關部門針對道路和非道路車輛均要求對車輛在實際行駛過程中的排氣污染物進行測量[4-8]，即需要將便攜式排放測試系統 (portable emission measure system,PEMS)安裝在被測車輛上，測量車輛的排放污染物，但是PEMS設備價格昂貴，并且需要為每輛測試車輛配備一套設備，缺乏靈活性[9-10]；此外非道路內燃機的工況較為惡劣，PEMS設備安裝需要保證設備的牢固、穩定、可靠，在測試過程中應避免出現大震動而影響尾氣排放分析結果[11]，所以PEMS設備在非道路工況中測量常常不準確。本文中使用NOx傳感器測量車輛在實際道路上的排放，能夠真實反映機動車在實際道路上的排放特征，為道路和非道路車輛在實際行駛過程中測量NOx排放污染物提供一種切實可行的方法。

1 NOx傳感器測量PEMS試驗方法

1.1 NOx傳感器工作原理及整車排放測量

1.1.1 NOx傳感器主要結構及工作原理

圖1 NOx傳感器測量原理

NOx傳感器包括有2個室、3個泵(主泵、輔助泵、測量泵)，其測量原理如圖1所示。由圖1可知：1)將部分尾氣導入NOx傳感器第一室，通過主泵將這部分尾氣中的O2泵出，阻止化學反應NOx→N2+O2的進行，相當于對尾氣進行除氧處理，同時HC、CO、H2在Pt材料上被氧化；2)NOx傳感器第二室中，在輔助泵的作用下，進一步去除尾氣中的O2，同時在催化作用下，將NOx轉化為N2和O2，相當于對NOx進行還原反應；3)測量第二室中NOx還原反應后生成的O2含量，根據此計算出排氣中NOx的含量。

發動機冷啟動時，后處理系統中常有冷凝水集結，此時需要進行露點檢測。露點檢測的算法有2種：1)比較尾氣釋放的熱量與露點檢測門限值的大小，確定露點檢測狀態；2)通過標定選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)催化溫度門限值，累積SCR催化溫度超過此門限值的時間，當時間達到露點檢測時間門限值時，確定露點檢測狀態。

排放試驗過程中，完成熱車后，建議直接使用標定手段放寬門限值，強制NOx傳感器露點檢測釋放，以保證整個試驗期間內NOx傳感器準確測量。

1.2 NOx傳感器計算原理

NOx傳感器接到自帶的測試管路上，將NOx傳感器安裝在排氣尾管直管段，距排氣口的距離為排氣管直徑3倍以上，NOx傳感器安裝完成后，確認整車配置、發動機配置，連接標定軟件，確認后處理狀態、尿素濃度液位、NOx傳感器露點檢測釋放狀態等，啟動車輛，完成車輛熱車后開始記錄試驗數據，當露點檢測完成后開始計算有效試驗時間，N類車型有效試驗時間建議不低于120 min。試驗結束后保存數據，導出計算用變量，利用INCA軟件采集發動機轉速(r/min)、曲軸輸出扭矩(N·m)、氮氧質量分數(1×10-6)、廢氣流量(kg/h)信息和整車運行信息，采用功基窗口法計算，得到整車NOx排放結果。在排放結果中，收集氣體排放信息，發動機瞬時排放流量、發動機其他信息和整車運行信息，這些信息能夠覆蓋車輛使用的整車使用工況，所以得到的整車NOx排放結果可以真實反映車輛在實際道路的排放狀況[12]。

發動機瞬時功率

P=Tn/9550，

(1)

式中：T為發動機扭矩，N·m；n為發動機轉速，r/min。

NOx瞬時排放質量流量

m=0.001 587ρG/3600，

(2)

式中：m為NOx瞬時排放質量流量，g/s；ρ為NOx瞬時排放質量分數，1×10-6；G為發動機廢氣質量流量，kg/h。

1.3 試驗條件

試驗時相對大氣濕度小于80%；氣溫為-7～38 ℃；大氣壓力為75～101 kPa；發動機溫度為70 ℃以上。根據文獻[3]規定的排氣污染物車載測量方法及技術要求進行測試，試驗項目主要為在整車滿載下，計算車輛運行綜合工況(包括10%市區工況、10%市郊工況、80%高速工況)的NOx排放。

此外，在Ⅲ度及以上白細胞、中性粒細胞、血小板減少、貧血、惡心嘔吐、口腔炎、食欲減退、肝功能異常、腹痛、乏力等10個指標上，替吉奧組和卡培他濱組結果無明顯差異，無統計學意義。見表2。

1.4 數據處理與結果

使用數據處理軟件MDA將數據導出，導出時設定導出頻率為1 Hz，自定義計算模板，試驗結果如表1所示。

表1 試驗結果

由表1可知，有效功基窗口比排放為2.37 g/(kW·h)，有效窗口數為8508個，窗口有效率為100%。整車實際道路的NOx排放結果滿足有關排放標準要求。

2 PEMS試驗結果

2.1 試驗用主要儀器設備

圖2 設備安裝示意圖

氣態污染物及顆粒物測量設備采用AVL MOVE設備，主要由主控電腦、gas氣體分析儀模塊、顆粒數量(particle number，PN)模塊、電源管理模塊E-BOX、流量計及控制模塊、逆變器、溫濕度傳感器、GPS等組成。設備安裝示意如圖2所示[13]。試驗所用的測試設備、儀器、儀表，應校驗合格，并在有效期內。試驗車輛同NOx傳感器測量時相同。

2.2 試驗結果

通過排氣污染物實時測量值、發動機控制器局域網總線(controller area network, CAN)和整車診斷CAN總線得到的信息，如發動機冷卻液溫度、發動機瞬時油耗率、發動機轉速、發動機實際扭矩百分比、發動機摩擦扭矩百分比、車速等信號計算得到整車NOx排放結果。整車排放結果采用功基窗口法來計算。

圖3 功基窗口示意圖

功基窗口法是通過比較各功基窗口比排放與發動機型式核準比排放的復合性評價車輛排放的方法。功基窗口大小為發動機瞬態循環功，按照采樣時間序列積累每個采樣點的瞬時功達到功基窗口，計算功基窗口內所有采樣點的平均比排放，移動平均計算功基窗口至所有采樣點結束，得到一系列功基窗口平均比排放，功基窗口移動間隔為1 s。功基窗口比排放則是功基窗口內發動機NOx排放總質量與窗口內功的比值，相應的功基窗口平均功率百分比為功基窗口內發動機平均功率占該發動機的最大功率的百分比[14-15]，功基窗口如圖3所示。

設備采集完數據后使用AVL提供的數據處理軟件CONCERTO進行數據處理，得到試驗報告。試驗數據分析流程如圖4所示，試驗結果如表2所示。

圖4 數據分析流程圖

表2 試驗結果

由表2可知，整車試驗負載、整車運行工況及環境滿足要求，90%NOx有效功基窗口比排放2.23 g/(kW·h)，滿足國五排放標準要求。

2.3 結果對比

對比NOx傳感器與PEMS設備測試的NOx排放結果，如圖5所示。

圖5 NOx排放測試結果對比

由圖5可知，2種測試方法得到的NOx有效功基窗口比排放基本一致，因此可以利用NOx傳感器來代替PEMS設備進行整車排放試驗。

3 非道路車輛排放試驗

3.1 試驗車輛、設備

通過上述排放試驗結果對比，對非道路車輛進行測試，選取某礦區某礦車為試驗車輛，由于工作環境和路況均較為惡劣，在礦區進行PEMS試驗對PEMS設備可靠性要求較高，所以通過在排氣尾管直管段加裝NOx傳感器測量NOx排放不但可以避免風險，而且結果可信，NOx傳感器安裝在排氣管后3倍管徑處，試驗車輛按照排放標準要求在實際典型工況中進行正常作業。

3.2 試驗結果

利用功基窗口法進行整車PEMS試驗，試驗結果見表3。

表3 整車測試PEMS試驗結果

由表3可知，典型作業工況下，通過功基窗口法計算，90%窗口NOx排放為2.07 g/(kW·h)，滿足中國非道路四階段排放限值要求，且裕量較大。

4 結論

提出了一種簡易測量整車實際作業過程中氮氧污染物排放的試驗方法，通過分析研究，得出以下結論。

1)利用NOx傳感器測量整車實際道路NOx排放結果，可以真實反映車輛在實際道路的排放狀況。

2)整車道路實際NOx排放試驗可以由NOx傳感器測量方式來代替昂貴的車載排放試驗設備，能夠提高排放測試效率，降低成本。

3)對于非道路車輛，NOx傳感器測試方法在整車排放試驗中是一種切實可行的方法。