重型柴油車NOx 排放影響因素研究

陳仁慶，趙波，肖明知，田偉建

（山東汽車制造有限公司，山東 萊陽 265200）

引言

隨著我國公路交通網絡越來越發達，汽車行業也在迅速發展。研究表明，汽車排放已成為城市大氣污染的重要來源，雖然重型柴油車輛在整個汽車產業中占有量不高，但是其氮氧化合物排放量巨大，其排放量占汽車總排放量的70%，所以重型柴油車排放污染的研究及控制要極為重視[1-2]。針對日益嚴峻的汽車排放污染問題，國家環保部門不斷制定新的控制措施、排放法規，進行新車型環保檢測以及在用車符合性檢查，以期在用車與新車達到環保一致性要求。

目前，整車排放測試方法主要有實際道路法和底盤測功機法兩種。實際道路法使用一套便攜式排放測試系統（PEMS），其精度和可靠性能夠較好滿足整車道路測試環境要求[3]。由于環境和路況等因素影響，底盤測功機法的排放結果和實際道路法排放結果存在較大差異，實際道路法更接近車輛實際運行工況[4]。本文主要針對國五貨車進行整車實際道路法排放測試，研究發動機與排氣系統對整車排放的影響。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗樣車

試驗選用兩臺同型號重型貨車，車輛類型為N2。除搭載發動機不同外，其他整車及后處理配置均相同。兩臺試驗車后處理系統均為SCR（選擇性還原），具體樣車參數信息見表1。

表1 試驗樣車基本參數

1.2 試驗設備

試驗采用AVL 公司生產的一套便攜式車載排放測試系統，主要由排氣流量計（EFM）、氣體采集分析模塊（AVL492 GAS PEMS iS）、電源分配模塊（E-BOX）、電源模塊（ChargeMaster）、主機電腦（SC）、鋰電池以及GPS 和溫濕度傳感器組成。

1.3 試驗方案

兩臺試驗樣車安裝的均為國V 發動機，所以試驗方法按照《HJ857-2017 重型柴油車、氣體燃料車排氣污染物車載測量方法及技術要求》進行。試驗載荷為整車荷載質量的75%，試驗工況分配比例為城市路況20%，郊區路況25%，高速路況55%，試驗按市區-郊區-高速行駛順序連續進行[5]。

試驗分兩組進行，第一組#1 與#2 樣車分別按照同一試驗路線進行PEMS 試驗，第二組對#1 樣車后處理系統前端排氣管增加一層隔熱棉保溫材料，按照相同路線再進行一次PEMS 試驗。記錄每次試驗的發動機轉速、扭矩、排氣溫度及NOx 瞬時排放等數據。具體試驗情況見表2。

表2 兩組PEMS 試驗道路工況表

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

表3 為三臺試驗樣車排氣污染物（CO、NOx）的比排放結果，從排放結果可以看出，CO 比排放#1 樣車加保溫材料與正常狀態結果相差156.55mg/kWh，#2 樣車比排放與#1 樣車兩種狀態結果分別相差519.13mg/kWh、675.68mg/kWh，且三次試驗CO 比排放結果都遠小于法規限值，因此本文對CO 排放不做詳細討論；NOx 比排放#1 樣車加保溫材料與正常狀態相差346.37mg/kWh，#2 樣車比排放與#1 樣車兩種狀態結果分別相差1695.44mg/kWh、1349.06mg/kWh。

表3 樣車比排放試驗結果

2.2 發動機工況

圖1和圖2是兩組試驗過程中發動機的運行工況分布圖，從圖1 可見，#1 樣車與#2 樣車的發動機工況點基本相同，#2樣車在2500rpm轉速下最大扭矩比#1樣車同轉速工況下扭矩高，這與兩臺車發動機最大扭矩有關；工況點主要集中在1800rpm 和2500rpm 左右，低轉速工況點較少。從圖2 可見，#1 樣車兩次試驗發動機工況點分布基本相同，同樣在1800rpm 和2500rpm 轉速左右工況點最集中，低轉速工況點較少。由此可見，兩臺樣車三次試驗的發動機運行工況基本相同，具有較好的工況相關性。

圖1 第一組試驗發動機工況分布圖

圖2 第二組試驗發動機工況分布圖

2.3 試驗結果分析

2.3.1 發動機氣門數量與排氣管保溫效果對NOx 排放的影響

圖3 和圖4 分別是兩組試驗的NOx 瞬時排放統計圖。由圖3 可見，兩臺樣車NOx 瞬時排放數值總體呈現先高后低趨勢，在市區工況（2000s 之前）NOx 排放均處在高值，在此時段內#1 樣車在部分時段NOx 瞬時排放已超法規限值900ppm，#2 樣車NOx 瞬時排放均在法規限值以下；在郊區和高速工況內，#1 樣車NOx 瞬時排放值有所下降，基本降至600ppm 之內，#2 樣車NOx 瞬時排放已降至較低水平，且基本保持穩定狀態，中間出現一段排放較高時段，此時段為出進高速收費站，車輛為怠速或啟停狀態。結合2.1 的NOx 比排放結果可知，4 氣門發動機比2 氣門發動機NOx排放低。

圖3 #1、#2 樣車NOx 瞬時排放

圖4 為#1 樣車原始狀態與后處理前排氣管加保溫材料的NOx 瞬時排放統計圖。由圖4 可見，加保溫前后NOx 瞬時排放趨勢都是先高后低，各時段的NOx 瞬時排放相差不大，在市區工況（2000s 之前）NOx 瞬時排放極值有所降低，郊區和高速工況NOx 瞬時排放基本一致。結合2.1 的NOx 比排放結果可以看出，后處理前端排氣管加保溫材料后能夠降低部分NOx 排放，但是效果不夠明顯。

圖4 #1、#1（加保溫）樣車NOx 瞬時排放

2.3.2 排氣溫度對NOx 排放的影響

已知柴油車降低NOx 排放的主要措施是通過SCR 噴射尿素與NOx 進行反應，反應化學式如下[6]：

尿素分解成氨氣、二氧化碳和水：

氨氣與NO 作用生成氮氣和水：

氨氣與NO2 作用生成氮氣和水：

圖5、圖6、圖7 分別為三次試驗排氣溫度與NOx 瞬時排放關系圖。由圖可以看出，排氣溫度與NOx 排放數值成負相關關系。以圖6 為例，在車輛剛進入郊區工況后，隨著車速增加排氣溫度急速升高到230℃以上，NOx 濃度立刻降低到一個較低水平，說明此時SCR 開始起顯著作用，之后平均排氣溫度在250℃以上，達到以上化學反應催化劑的最佳催化溫度。在收費站掉頭時，由于車輛啟停導致排氣溫度下降出現一個短時的NOx 濃度高峰。

圖5 #1 樣車排溫與NOx 瞬時排放

圖6 #2 樣車排溫與NOx 瞬時排放

比較圖5 與圖7 排氣溫度，排氣管增加保溫材料后市區工況的平均排氣溫度比原始狀態高10℃左右，且兩次都未達到SCR 最佳工作溫度，所以此時NOx 排放受發動機機內凈化能力影響。可見增加隔熱棉保溫的效果不夠明顯，正是兩次試驗排放結果差值較小的原因。更換不同隔熱材料或者在設計中盡量縮短后處理前端排氣管長度等措施是否有助于降低排放還有待于進一步驗證。

圖7 #1（加保溫）樣車排溫與NOx 瞬時排放

比較圖5 和圖6 排氣溫度，市區工況下#2 樣車比#1 樣車平均排氣溫度高20℃左右，#2 樣車市區排氣溫度已接近SCR最佳工作溫度，但是SCR 轉化效率較低導致NOx 濃度還是一個較高水平。由此可見，四氣門發動機由于進排氣量增大，使燃燒更充分，從而提高了排氣溫度，有利于SCR 快速進入催化轉化狀態。

3 結論

本文通過兩臺國五排放標準貨車的兩組PEMS 試驗，對三次試驗的排氣污染物NOx 進行采樣分析，得出以下結論：

（1）國五排放實際道路法的發動機工況點主要集中在中高轉速，本文三次試驗的實際道路運行工況以及發動機運行工況基本相同，具有良好的工況相關性。

（2）排氣溫度對NOx 排放的影響較大，排溫與NOx 排放成負相關。主要表現為隨著排氣溫度升高，SCR 的催化效率逐漸增大，當排氣溫度在250℃-500℃時，SCR 具有最佳催化效率，能夠有效減少發動機燃燒產生的氮氧化合物。

（3）發動機的機內凈化技術對發動機排放具有直接影響，四氣門發動機由于比兩氣門發動機具有更好的進排氣性能以及缸內混合氣更充分，使缸內燃燒更充分，從而降低碳氫化合物及CO 的排放；另外有利于提升排氣溫度，使SCR更快進入催化轉化狀態而降低氮氧化合物濃度。

（4）后處理前端排氣管的保溫性能對NOx 排放有一定影響，單純增加保溫棉等隔熱措施不能起到顯著效果，在整車布置發動機與后處理時應該考慮縮短該段距離或用更有效的隔熱保溫方式進行保溫處理。