基于重型車(chē)PEMS試驗(yàn)排放影響因子研究

劉君彥

畢業(yè)于華南理工大學(xué)，本科，現(xiàn)就職于襄陽(yáng)達(dá)安汽車(chē)檢測(cè)中心有限公司，任工程師，主要從事重型車(chē)排放研究工作。

摘" 要：通過(guò)采用PEMS試驗(yàn)，對(duì)重型車(chē)實(shí)際道路排放影響因子進(jìn)行分析。試驗(yàn)研究表明，氮氧排放最直接因素是尿素噴射情況;排放溫度是尿素噴射控制的關(guān)鍵因素;駕駛激烈程度對(duì)排放及排溫有著顯著影響。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);PEMS;NOX;影響因子

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.74" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1005-2550（2022）04-0017-05

Research on Emission Influencing Factors Based on Heavy-duty Vehicle PEMS Test

LIU Jun-yan， WANG Zhi-jun， ZHENG Da-kun， ZHANG Long-sheng， DU Hong-yun

（ Xiangyang Da An Automobile Test Center， Xiangyang 441004， China ）

Abstract： Through the use of PEMS test， the factors affecting the actual road emissions of heavy vehicles are analyzed. Experimental studies have shown that the most direct factor of nitrogen and oxygen emissions is the urea injection situation; the emission temperature is the key factor for urea injection control; the intensity of driving has a significant impact on emissions and exhaust temperature.

Key Words： Diesel Engine; PEMS; NOX; Impact Factor

前" " 言

隨著我國(guó)汽車(chē)保有量的不斷增加，機(jī)動(dòng)車(chē)帶來(lái)的污染問(wèn)題也越來(lái)越突出。中國(guó)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的《中國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治年報(bào)（2018年）》指出，2017年全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)到3.10億輛，尾氣排放已成為我國(guó)空氣污染的主要來(lái)源。其中，全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)NOX排放量為574.3萬(wàn)噸，而柴油車(chē)排放的氮氧化物接近總量的70%[1]。

針對(duì)柴油車(chē)NOX排放高這一問(wèn)題，我國(guó)政府及相關(guān)機(jī)構(gòu)也采取了一系列的措施，包括加強(qiáng)新車(chē)、在用車(chē)污染防治，強(qiáng)化燃油監(jiān)管等。同時(shí)，隨著法規(guī)及監(jiān)管的日趨嚴(yán)格，排放測(cè)試方法也快速更新。其中，PEMS（Portable Emission Measure System）已經(jīng)應(yīng)用于車(chē)輛道路試驗(yàn)中，以解決發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試循環(huán)難以真實(shí)反映重型車(chē)排放水平的問(wèn)題。國(guó)標(biāo)《重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法》規(guī)定了使用PEMS測(cè)量車(chē)輛NOX排放的限值，國(guó)五階段為3.5g/kWh，國(guó)六階段為0.69g/kWh，試驗(yàn)環(huán)境溫度為-7～40℃，國(guó)五階段車(chē)輛載荷最低為50%，國(guó)六階段最低為10%[2]。

然而，使用PEMS設(shè)備進(jìn)行整車(chē)道路試驗(yàn)需要耗費(fèi)較高的時(shí)間和物質(zhì)成本。很多企業(yè)在進(jìn)行PEMS試驗(yàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)多次測(cè)試不通過(guò)的情況，這樣便會(huì)造成重復(fù)性試驗(yàn)，導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)周期延長(zhǎng)。因此，本文首先通過(guò)PEMS試驗(yàn)，分析得到載荷、環(huán)境溫度、排氣溫度及駕駛員操作等因素對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響，并找到影響PEMS排放的關(guān)鍵因素，可有效降低車(chē)輛的試驗(yàn)周期和開(kāi)發(fā)成本。

1" "試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1" "試驗(yàn)設(shè)備

本文使用Sensor公司生產(chǎn)的PEMS測(cè)試設(shè)備SEMTECH對(duì)車(chē)輛污染物排放進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，如下圖1所示。其中，CO和CO2采用不分光紅外分析法（non-dispersive infra-red detector， NDIR）進(jìn)行量，NO和NO2采用不分光紫外分析法（non-dispersive ultraviolet detector， NDUV）進(jìn)行測(cè)量，O2采用電化學(xué)法進(jìn)行測(cè)量。在試驗(yàn)開(kāi)始前，儀器需經(jīng)過(guò)1h的預(yù)熱穩(wěn)定，而后采用N2和標(biāo)氣進(jìn)行標(biāo)定。

同時(shí)，SEMTCH還配備有一個(gè)緊湊型流量計(jì)，可實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流量。此外，SEMTCH還配備了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS），可實(shí)現(xiàn)車(chē)輛行駛過(guò)程中的地址位置、行駛車(chē)速等信息的記錄。

1.2" "試驗(yàn)車(chē)輛

本文使用配備5L發(fā)動(dòng)機(jī)、14L-SCR后處理系統(tǒng)的某N3車(chē)輛進(jìn)行PEMS試驗(yàn)，車(chē)輛整信息，發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)地點(diǎn)為襄陽(yáng)及其周邊的城市、市郊及高速路。

1.3" "試驗(yàn)過(guò)程

車(chē)輛在測(cè)試過(guò)程中按照選定的路線行駛，這些路線由城市、城鄉(xiāng)和高速組成。本文共進(jìn)行9組PEMS試驗(yàn)，每組試驗(yàn)均按照相同的道路行駛?cè)鐖D2。按照法規(guī)要求計(jì)算得到每組試驗(yàn)的工況分布比例如表2所示。由計(jì)算結(jié)果可知，車(chē)輛分布比例滿(mǎn)足法規(guī)要求。

本文基于上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行影響因素分析，重點(diǎn)關(guān)注載荷、環(huán)境溫度、排氣溫度以及駕駛員操作等因素對(duì)于NOX排放的影響。

2" " 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1" "載荷對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

本文通過(guò)第1組和第4組來(lái)分析半載和滿(mǎn)載對(duì)于車(chē)輛運(yùn)行工況和試驗(yàn)結(jié)果的影響。不同載荷下，車(chē)輛在PEMS循環(huán)中的運(yùn)行工況分布如圖3所示。

由圖3可知，滿(mǎn)載與半載條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速分布特征較為類(lèi)似。當(dāng)車(chē)輛運(yùn)行在城市工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行在低速低負(fù)荷工況;在城鄉(xiāng)和高速路況下，發(fā)動(dòng)機(jī)主要運(yùn)行在中高轉(zhuǎn)速區(qū)域。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在兩次PEME試驗(yàn)中得到的扭矩分布特征也較為類(lèi)似，如圖3所示。但是，滿(mǎn)載條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩普遍升高[3]，整個(gè)循環(huán)的平均扭矩升高約20%。這一變化同樣體現(xiàn)在有效功基窗口數(shù)量上，半載時(shí)，PEMS循環(huán)的有效窗口數(shù)量占總窗口數(shù)量的64.87%，而滿(mǎn)載時(shí)這一比例上升至73.84%。

不同載荷下的PEMS試驗(yàn)結(jié)果與功基窗口的平均功率均有著較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。當(dāng)功基窗口的平均功率較低時(shí)，窗口NOX比排放結(jié)果相對(duì)較高;而當(dāng)功基窗口的平均功率較高時(shí)，窗口NOX比排放結(jié)果則相對(duì)較低。此外，相對(duì)而言，城市路況下的比排放結(jié)果明顯高于城鄉(xiāng)工況和高速工況。整體的排放可以看出滿(mǎn)載的排放水平明顯優(yōu)于半載的排放水平。

2.2" "環(huán)境溫度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

由于排氣中的熱量會(huì)通過(guò)排氣管及催化器的壁面流入環(huán)境中，在試驗(yàn)過(guò)程中均對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行包裹以減少熱量損失。因此，上述9組試驗(yàn)均在使用保溫材料的狀態(tài)下進(jìn)行（排氣管路包括如圖5所示）。

即使在使用保溫材料的基礎(chǔ)上，環(huán)境溫度的不同依然會(huì)對(duì)排期溫度產(chǎn)生影響。因此，本文基于第4、5、6組的試驗(yàn)結(jié)果，分析了不同環(huán)境溫度對(duì)于平均排氣溫度的影響，如表3所示。

由上表可知，城市路況下的排氣溫度普遍低于城鄉(xiāng)和高速路況。其中，當(dāng)環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，城市路況下的平均排氣溫度已經(jīng)低至150℃。此溫度下尿素噴射系統(tǒng)并未開(kāi)始工作，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)?zāi)蛩叵到y(tǒng)正常工作的最低溫度大約在180℃。

不同環(huán)境溫度下，城市路況的瞬態(tài)排氣溫度對(duì)比如圖6所示。由該圖可知，當(dāng)環(huán)境溫度為-5℃時(shí)，城市路況下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況多為低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷，排氣溫度長(zhǎng)期低于前述的180℃，而隨著環(huán)境溫度的升高，排氣溫度逐步上升[4][5]。

2.3" "駕駛員駕駛習(xí)慣的影響

由于受到駕駛員操作習(xí)慣和道路交通狀況等因素的影響，每次PEMS循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況分布可能存在較大差異，進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，本文選取第1、2、5、7、8和9組試驗(yàn)分析不同駕駛員對(duì)PEMS循環(huán)工況分布的影響，以及相同駕駛員在不同的兩次駕駛循環(huán)中，發(fā)動(dòng)機(jī)工況分布的差別。其中，第1、2、5組試驗(yàn)為駕駛員A，第7、8組試驗(yàn)為駕駛員B，9組試驗(yàn)為駕駛員C。

本文對(duì)第5組和第9組PEMS試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖7所示。由該圖可知，在保證行駛路線一致的條件下，由于交通路況及駕駛習(xí)慣等因素的不同，駕駛員A和駕駛員C在兩次PEMS循環(huán)中的駕駛工況也有差別。其中，轉(zhuǎn)速分布概率的最大差別約為23%，相差較大;而扭矩分布概率的最大差別約為4%，差別較小。

在駕駛員相同（駕駛員A，第1和2組），行駛路線等其余參數(shù)保持一致的條件下，兩次PEMS循環(huán)中的行駛工況如圖8所示。由該圖可知，兩次PEMS循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況同樣存在一定差別。如圖9所示。可以看到，排溫分布最大存在12%的差別。同樣地，駕駛員B和駕駛員C在兩次相同路線下的PEMS循環(huán)中也存在一定的差別。

根據(jù)以往的工程和開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)車(chē)輛行駛的工況比較激烈的時(shí)候往往會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛排放升高，排氣不穩(wěn)定，排溫溫度變化也隨之變得劇烈，不利于SCR系統(tǒng)的正常工作[6][7]。

2.4" "后處理工作情況

如圖10所示，可以看出在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，尿素噴射與發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度存在相應(yīng)的關(guān)系，可以很明顯的看出，只有當(dāng)溫度高于180℃左右時(shí)尿素才會(huì)噴射，而當(dāng)溫度低于此溫度時(shí)尿素立刻停止噴射。

結(jié)合圖11可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)的初始排放都比較高，但是當(dāng)有尿素噴射的時(shí)候，最終的排放都能夠很好的降低，但是在沒(méi)有尿素噴射的時(shí)刻最終排放就會(huì)明顯的升高。于是可以得知，排放的好壞最關(guān)鍵最直接的因素為尿素系統(tǒng)是否工作。

3" " 結(jié)論

綜合考慮以上分析得出以下結(jié)論：

（1）車(chē)輛的最終排放的好壞最直接的因素為尿素是否噴射。

（2）影響尿素噴射的關(guān)鍵是排氣的溫度，因?yàn)镹Ox和尿素的化學(xué)反應(yīng)需要一定的溫度條件，當(dāng)前的主流SCR催化劑所需要的最低溫度在180℃左右，因此只有高于此溫度時(shí)NOx才能被有效轉(zhuǎn)化。

（3）影響排氣溫度的因素包括環(huán)境溫度，試驗(yàn)載荷，以及駕駛員的駕駛技巧。

所以后續(xù)的開(kāi)發(fā)中車(chē)輛企業(yè)需要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)控制策略著重提高發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度;認(rèn)證試驗(yàn)過(guò)程中在滿(mǎn)足法規(guī)的要求下盡量提高車(chē)輛的載荷，駕駛員在駕駛車(chē)輛時(shí)盡量保證車(chē)輛的平穩(wěn)行駛降低駕駛激烈程度。

參考文獻(xiàn)：

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專(zhuān)家推薦語(yǔ)

張" "旎

東風(fēng)汽車(chē)集團(tuán)有限公司技術(shù)中心

副總工程師

本文針對(duì)國(guó)六重型車(chē)實(shí)際道路排放進(jìn)行試驗(yàn)研究，從整車(chē)配載、環(huán)境溫度和駕駛行為三方面進(jìn)行深入分析，說(shuō)明了三個(gè)影響因素對(duì)重型車(chē)NOx排放的影響，有效的說(shuō)明了如何通過(guò)對(duì)試驗(yàn)樣車(chē)邊界條件的控制，駕駛員行為的控制來(lái)提升試驗(yàn)一次通過(guò)率的方法，值得主機(jī)廠在后續(xù)開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)借鑒。