重型柴油車NOx 排放檢測(cè)現(xiàn)狀及方法

劉宗昊 劉樹成 劉加昂 苗壯

摘要： 以山東省在用重型柴油車為研究對(duì)象，調(diào)研定期排放檢驗(yàn)、遙感監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控在重型柴油車 NO ?x 排放監(jiān)管中的應(yīng)用現(xiàn)狀，采用恒定轉(zhuǎn)速法和自由加速法試驗(yàn)研究重型柴油車的 NO ?x 排放規(guī)律。調(diào)研結(jié)果表明：定期排放檢驗(yàn)和遙感檢測(cè)2種方法測(cè)得的車輛 NO ?x 排放與重型柴油車實(shí)際 NO ?x 排放情況不符，遠(yuǎn)程監(jiān)控形式測(cè)得的 NO ?x 排放與實(shí)際情況相符。試驗(yàn)結(jié)果表明：恒定轉(zhuǎn)速法和自由加速法測(cè)得的重型柴油車 NO ?x 體積分?jǐn)?shù)能夠真實(shí)反映重型柴油車 NO ?x 的排放規(guī)律，都可用于重型柴油車 NO ?x 排放的快速檢測(cè)。

關(guān)鍵詞： 重型柴油車； NO ?x 排放；檢測(cè)方法

中圖分類號(hào)：U491.92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-6397（2024）01-0035-07

引用格式： ?劉宗昊，劉樹成，劉加昂，等.重型柴油車NO ?x 排放檢測(cè)現(xiàn)狀及方法［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2024，41（1）：35-41.

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0 引言

化石燃料燃燒產(chǎn)生的污染物排放不僅危害人類健康，還造成嚴(yán)重的大氣污染[1-3]，NO ?x 是大氣中二次細(xì)粒子與臭氧的前驅(qū)體，會(huì)引起區(qū)域性灰霾[4]。國(guó)家已經(jīng)制定了現(xiàn)階段固定污染源超低排放的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及監(jiān)管政策，例如，為持續(xù)改善京津冀及周邊地區(qū)空氣質(zhì)量，文獻(xiàn)[5]要求因地制宜推動(dòng)北方地區(qū)清潔取暖、工業(yè)窯爐治理、非電行業(yè)超低排放改造，加快揮發(fā)性有機(jī)物排放綜合整治， NO ?x 和揮發(fā)性有機(jī)物排放總量分別下降10%以上。近年來，汽車等移動(dòng)污染源的數(shù)量快速增長(zhǎng)，移動(dòng)源污染是我國(guó)空氣污染的重要來源之一[6-7]。2021年，全國(guó)機(jī)動(dòng)車 NO ?x 排放約為5821萬t，其中柴油車 NO ?x 排放已經(jīng)超過機(jī)動(dòng)車排放的80%[8]。因此，加強(qiáng)柴油車超標(biāo)排放治理，特別是對(duì)重型柴油車 NO ?x 排放的監(jiān)管十分必要。

Carslaw等[9]采用遙感檢測(cè)技術(shù)對(duì)車輛的NO、NO 2排放進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明該方法能夠快速進(jìn)行整車道路排放測(cè)試，但駕駛員的駕駛習(xí)慣對(duì)車輛排放的影響較大；馬帥等[10]利用便攜式尾氣測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量國(guó)六重型柴油車實(shí)際道路 NO ?x 排放，結(jié)果表明，國(guó)六重型柴油車實(shí)際道路排放控制效果良好，較高的 NO ?x 排放主要集中在急加速階段，并在長(zhǎng)下坡結(jié)束時(shí)出現(xiàn)峰值；趙琛[11]采用整車實(shí)際道路車載法、遠(yuǎn)程車載診斷系統(tǒng)和道路遙感測(cè)試3種方法分別分析國(guó)六重型柴油車在實(shí)際道路行駛下的 NO ?x 排放特性，結(jié)果表明，3種測(cè)試方法在排放評(píng)價(jià)中具有良好的互補(bǔ)性。上述研究中，采用了不同檢測(cè)方法分析柴油車的 NO ?x 排放特性，但這些方法均需要車輛上路行駛一段距離，檢測(cè)空間和時(shí)間范圍較大。

目前，山東省沒有重型柴油車 NO ?x 排放快速檢測(cè)方法，無法對(duì)重型柴油車 NO ?x 排放進(jìn)行有效監(jiān)管，不利于 NO ?x 減排。因此，重型柴油車NO ?x 排放快速檢測(cè)方法的提出已經(jīng)迫在眉睫。

1 重型柴油車NO ?x 排放檢測(cè)現(xiàn)狀

目前，山東省采用定期排放檢驗(yàn)、遙感監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控3種方式對(duì)重型柴油車NO ?x 排放進(jìn)行監(jiān)管。

1.1 定期排放檢驗(yàn)

定期排放檢驗(yàn)是按照國(guó)家、地方有關(guān)規(guī)定，由機(jī)動(dòng)車排放檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)對(duì)在用機(jī)動(dòng)車進(jìn)行排放檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格方可上路行駛[12]。山東省重型柴油車定期排放檢驗(yàn)執(zhí)行國(guó)標(biāo)《柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（自由加速法及加載減速法）》，其中規(guī)定柴油車尾氣中 NO ?x 最大體積分?jǐn)?shù)為15×10-3[13]。2022年1—10月，山東省機(jī)動(dòng)車定期排放檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)按照該標(biāo)準(zhǔn)共檢測(cè)柴油車2 314 337輛（次），其中 NO ?x 排放不合格113 291輛（次），合格率為951%。

1.2 遙感監(jiān)測(cè)

遙感監(jiān)測(cè)是一種不影響道路正常通行的機(jī)動(dòng)車尾氣檢測(cè)方式，適用于在用車排放監(jiān)督抽檢[14]。山東省執(zhí)行國(guó)標(biāo)《在用柴油車污染物測(cè)量方法及技術(shù)要求（遙感檢測(cè)法）》，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定裝用壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的汽車尾氣中，NO的最大體積分?jǐn)?shù)為1500×10-3，該限值僅用于篩查高排放車[15]。2022年1—10月，山東省已建成的174套遙感監(jiān)測(cè)設(shè)備共檢測(cè)柴油車2 682.16萬輛（次），NO排放不合格2746萬輛（次），合格率為99%。

1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控是通過安裝車載終端，利用控制器局域網(wǎng)總線通信協(xié)議實(shí)時(shí)采集車輛發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)燃料流量、發(fā)動(dòng)機(jī)凈輸入轉(zhuǎn)矩、行駛里程、進(jìn)氣量等信息和選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）系統(tǒng)的牽引控制單元的SCR下游 NO ?x 的體積分?jǐn)?shù)，對(duì)重型柴油車的NO ?x 排放進(jìn)行監(jiān)控[16]。2022年1—10月，山東省遠(yuǎn)程監(jiān)控的重型柴油車尾氣中 NO ?x 平均體積分?jǐn)?shù)為513×10-4，但有15%的重型柴油車尾氣中 NO ?x 體積分?jǐn)?shù)大于10×10-3。

上述3種重型柴油車 NO ?x 排放監(jiān)管方法中，定期排放檢驗(yàn)和遙感監(jiān)測(cè)的柴油車 NO ?x 排放合格率較高，均達(dá)到了95%以上，與重型柴油車 NO ?x 排放對(duì)環(huán)境造成的污染現(xiàn)狀不符；遠(yuǎn)程監(jiān)控形式雖然能夠客觀反映重型柴油車的實(shí)際 NO ?x 排放狀況，但其本身只是一種直接采集運(yùn)行車輛數(shù)據(jù)的手段，尚未頒布專門針對(duì)NO ?x 排放遠(yuǎn)程監(jiān)控的標(biāo)準(zhǔn)，無法設(shè)定 NO ?x 排放最高限值，因此遠(yuǎn)程監(jiān)控不能判定車輛排放是否合格。

2 重型柴油車 NO ?x 排放檢測(cè)方法

2.1 檢測(cè)儀器及SCR系統(tǒng)工作原理

2.1.1 檢測(cè)儀器工作原理

基于重型柴油車 NO ?x 排放監(jiān)管現(xiàn)狀，參照文獻(xiàn)[13]，采用便攜式五項(xiàng)污染物快速檢測(cè)儀，利用紫外差分吸收光譜技術(shù)對(duì)重型柴油車靜態(tài)排放的NO和NO 2 2種污染物進(jìn)行檢測(cè)。紫外差分吸收光譜技術(shù)主要利用空氣分子對(duì)柴油車尾氣的選擇吸收特性（NO ?x 與其它氣體的吸收波段不同）對(duì)NO ?x 進(jìn)行檢測(cè)。紫外差分吸收光譜技術(shù)的理論基礎(chǔ)是比爾-朗伯定律，光被吸收的量正比于光程中產(chǎn)生光吸收的分子數(shù)目[17]。比爾-朗伯定律適用于所有的吸光物質(zhì)，包括氣體、固體、液體等。根據(jù)比爾-朗伯定律，某物質(zhì)的吸光度

A= lg （ I 0 I ） lg （ 1 T ）=c ?m aL=aφL M V m ?， ?（1）

式中： I 0 為入射光的強(qiáng)度，cd； I 為透射光的強(qiáng)度，cd； T 為透射比； c ?m為物質(zhì)的量濃度，mol/L； L 為光程，cm； a 為物質(zhì)的吸光系數(shù)，L/（g · cm）; φ 為物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)； M 為物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，g/mol； V m 為物質(zhì)的摩爾體積，L/mol。

2.1.2 SCR系統(tǒng)工作原理

目前，重型柴油車一般采用SCR系統(tǒng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)NO ?x 排放。SCR系統(tǒng)主要由尿素水溶液儲(chǔ)存罐、尿素噴射系統(tǒng)和催化器組成，其減排原理為：利用噴射的尿素與水反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳和氨氣，氨氣在催化器中與柴油車尾氣中的 NO ?x 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氮?dú)夂退甗18]。該過程的主要化學(xué)反應(yīng)如式為：

（NH 2） 2CO+H 2O CO 2+2NH 3 ， ?（2）

2NO 2+2NO+4NH 3 4N 2+6H 2O ， ?（3）

4NO+4NH 3+O 2 4N 2+6H 2O 。 ?（4）

催化器效率受排氣溫度的影響較大，當(dāng)排氣溫度為250～500 ℃時(shí)，催化器對(duì) NO ?x 的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到90%以上；溫度過低時(shí)， NO ?x 的還原反應(yīng)不能有效進(jìn)行。

2.2 NO ?x 排放檢測(cè)方法

2.2.1 恒定轉(zhuǎn)速法

恒定轉(zhuǎn)速法測(cè)量重型柴油車在靜態(tài)運(yùn)行時(shí)不同轉(zhuǎn)速下NO ?x 的穩(wěn)定排放。在道路上隨機(jī)選取4輛重型柴油車，依次檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為750（怠速）、1 000、1 500、2 000 r/min 時(shí)車輛的 NO ?x 排放規(guī)律。采用恒定轉(zhuǎn)速法檢測(cè)的重型柴油車基本信息如表1所示，其發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和尾氣中NO ?x 體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化曲線如圖1所示。

由圖1可知：4輛柴油車的 NO ?x 排放規(guī)律相似，在怠速轉(zhuǎn)速時(shí)，車輛尾氣中 NO ?x 體積分?jǐn)?shù)最高，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速依次增加至1 000、1 500、2 000 r/min， NO ?x 體積分?jǐn)?shù)呈階梯狀下降并趨于穩(wěn)定，且每次發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換時(shí)，均出現(xiàn) NO ?x 體積分?jǐn)?shù)的峰值。分析原因?yàn)椋簼M足國(guó)五及以上排放標(biāo)準(zhǔn)的車輛普遍采用SCR后處理系統(tǒng)，當(dāng)車輛處于怠速狀態(tài)時(shí)排氣溫度較低，SCR尿素噴射系統(tǒng)不噴射尿素，車輛 NO ?x 排放較高；車輛充分預(yù)熱后，催化器處于合適的工作溫度，尿素噴射系統(tǒng)正常工作，使得車輛的 NO ?x 排放不斷下降。

采用恒定轉(zhuǎn)速法測(cè)定的重型柴油車 NO ?x 體積分?jǐn)?shù)均處于正常水平（2×10-4～8×10-4），能夠真實(shí)反映重型柴油車的 NO ?x 排放規(guī)律，該方法可用于重型柴油車正常工況下的 NO ?x 排放檢測(cè)。

2.2.2 自由加速法

自由加速法是在車輛在靜態(tài)運(yùn)行時(shí)將油門踏板快速、連續(xù)、完全踩到底，檢測(cè)重型柴油車在自由加速狀態(tài)下的 NO ?x 瞬時(shí)排放。

在道路上隨機(jī)選取8輛重型柴油車，其基本信息如表2所示。

將8輛重型柴油車充分預(yù)熱，在怠速狀態(tài)下，1 s內(nèi)將油門踏板快速完全踩到底并穩(wěn)定，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，然后松開油門踏板，等待至少10 s，確保發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在怠速轉(zhuǎn)速后重復(fù)操作。

采用自由加速法檢測(cè)的重型柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和尾氣中NO ?x 體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。由圖2可知：8輛重型柴油車的 NO ?x 排放均呈周期性變化；以一個(gè)周期為例，開始踩踏油門踏板，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速立即增加， NO ?x 體積分?jǐn)?shù)隨之極速增加，這是由于重型柴油車開始進(jìn)入正常沖程循環(huán)，柴油以霧化狀態(tài)被高速噴入燃燒室，柴油中的含氮化合物與參與燃燒的氮?dú)夂脱鯕庋杆俜磻?yīng)生成大量的 NO ?x ， NO ?x 的生成速度遠(yuǎn)大于SCR系統(tǒng)的響應(yīng)處理速度；完全將油門踏板踩到底，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速增加至額定轉(zhuǎn)速附近并保持不變，此時(shí) NO ?x 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到本周期內(nèi)的峰值并迅速下降至較低穩(wěn)定水平。

結(jié)合式（3）（4）可知，反應(yīng)物濃度的增加有利于氧化還原反應(yīng)的快速正向進(jìn)行，SCR系統(tǒng)將車輛排放的 NO ?x 持續(xù)轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓銛y式五項(xiàng)污染物快速檢測(cè)儀采集的 NO ?x 體積分?jǐn)?shù)為后處理系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)，不是發(fā)動(dòng)機(jī)原始排放數(shù)據(jù)。

采用自由加速法測(cè)定的8輛重型柴油車 NO ?x 體積分?jǐn)?shù)均處于正常水平，能夠真實(shí)反映重型柴油車的 NO ?x 排放規(guī)律，該方法也能夠檢測(cè)重型柴油車正常工況下的 NO ?x 排放。

3 結(jié)論

在調(diào)研山東省在用重型柴油車 NO ?x 排放的3種監(jiān)管方法的實(shí)際情況基礎(chǔ)上，分析恒定轉(zhuǎn)速法和自由加速法的重型柴油車的 NO ?x 排放規(guī)律和可行性。

1）定期排放檢驗(yàn)和遙感檢測(cè)2種方法測(cè)得的車輛 NO ?x 排放合格率均達(dá)到95%以上，與重型柴油車實(shí)際 NO ?x 排放狀況不符；遠(yuǎn)程監(jiān)控形式測(cè)得的重型柴油車 NO ?x 排放與實(shí)際情況相符，但該方法沒有 NO ?x 排放的國(guó)標(biāo)限值，不能直接判斷車輛排放是否超標(biāo)。

2）恒定轉(zhuǎn)速法檢測(cè)重型柴油車 NO ?x 排放，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)， NO ?x 體積分?jǐn)?shù)先快速增長(zhǎng)隨后減少并趨于穩(wěn)定；轉(zhuǎn)速越高，車輛 NO ?x 排放越低。

3）自由加速法檢測(cè)重型柴油車 NO ?x 排放，車輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與 NO ?x 體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)周期性變化，每次快速將油門踏板踩到底，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快速增加至額定轉(zhuǎn)速附近并保持不變， NO ?x 體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)極速增加，達(dá)到本周期內(nèi)的峰值后迅速下降。

4）恒定轉(zhuǎn)速法和自由加速法能夠真實(shí)反映重型柴油車NO ?x 排放規(guī)律，都可用于重型柴油車 NO ?x 排放檢測(cè)。

5）在路檢、路查檢測(cè)重型柴油車排氣煙度的同時(shí)，可使用五項(xiàng)污染物分析儀通過恒定轉(zhuǎn)速法或自由加速法檢測(cè)車輛 NO ?x 排放，實(shí)現(xiàn)對(duì)重型柴油車 NO ?x 排放的快速有效檢測(cè)。

6）在恒定轉(zhuǎn)速法和自由加速法的基礎(chǔ)上，山東省進(jìn)一步抽取大量重型柴油車樣本，采集 NO ?x 排放數(shù)據(jù)，與大數(shù)據(jù)分析交叉融合確定 NO ?x 排放限值，可提出適用于山東省省情的重型柴油車 NO ?x 排放快速檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)限值。

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Detection status and detection methods of NO ?x ??emission for

heavy-duty diesel vehicles

LIU Zonghao1， LIU Shucheng1*， LIU Jiaang1， MIAO Zhuang2

1．Shandong Motor Vehicle Exhaust Pollution Monitoring Center， Jinan 250102， China;

2. Qingdao Car-free Transportation Service Center Co. ， Ltd. ， Qingdao 266000， China

Abstract： Taking heavy-duty diesel vehicles in use in Shandong Province as the research object， this study investigated the application status of regular emission inspection， remote sensing monitoring， and remote monitoring in the regulation of NO ?x ?emissions from heavy-duty diesel vehicles. The constant speed method and free acceleration method are used to experimentally study the NO ?x ?emission characteristics of heavy-duty diesel vehicles. The results show that the NO ?x ?emissions measured by two methods， regular emission inspection and remote sensing detection， do not match the actual NO ?x ?emissions of heavy-duty diesel vehicles. The NO ?x ?emissions measured by remote monitoring are consistent with the actual situation. It is also show that the volume fraction of NO ?x ?measured by the constant speed method and the free acceleration method can truly get the emission characteristics of NO ?x ?from heavy-duty diesel vehicles， and both can be used for rapid detection of NO ?x ?emissions from heavy-duty diesel vehicles.

Keywords： heavy-duty diesel vehicle；NO ?x ?emission；detection method

（責(zé)任編輯：郎偉鋒）