國Ⅵ重型車EGR和進氣系統劣化后的NOx排放特征研究

摘 要：研究通過對國Ⅵ重型柴油車EGR和進氣系統的不同部件開展不同劣化程度的模擬，基于車載排放測試（PEMS）和底盤測功機油耗排放測試研究國Ⅵ柴油車EGR和進氣系統在不同劣化程度下的氮氧化物（NOx）排放特征。結果表明，中冷器和EGR流量劣化后均能造成發動機原始NOx排放的升高，EGR流量劣化對NOx的影響更為明顯，最終的NOx排放雖有一定程度的增加，但在后處理的高效作用下，仍能將NOx排放有效控制在國Ⅵ限值內。

關鍵詞：中冷器 EGR 劣化程度 柴油車 排放特征

2022年，我國機動車保有量超過4億輛，中國已成為世界上最大的機動車生產國和消費國[1]。機動車在方便人們出行、豐富和提高人們生活質量的同時，也帶來了環境污染問題。機動車排放的一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）是形成臭氧（O3）、二次有機氣溶膠（SOAs）和光化學煙霧的主要來源[2-4]。雖然柴油車數量遠低于汽油車，但其NOx和PM的排放量更大，分別占機動車NOx和PM總排放量的80%和90%，因此引起了廣泛關注[1，5-6]。

2018年生態環境部發布了重型柴油車第Ⅵ階段排放標準，與第V階段相比，加嚴了污染物排放限值，并增加整車實際道路排放測試要求和限值（PEMS）[7]。自標準發布以來，經過幾年的發展重型車排放控制技術路線已經趨于成熟穩定，最早的國Ⅵ重型車也已進入老化階段，車輛使用條件、維護保養狀況以及車輛有效壽命期內零部件的磨損和老化等因素均可能造成車輛排放關鍵部件的劣化，進而影響發動機污染物的生成，導致污染物排放超標[8]，并有報車載診斷系統故障的風險。一般情況下，柴油機為了提升動力通常會采用渦輪增壓的方式進氣，增壓后的空氣溫度升高，需要中冷器對空氣進行冷卻；廢氣再循環（EGR）系統會將部分燃燒后的尾氣導入進氣系統，降低混合的氧濃度和發動機燃燒溫度，從而抑制NOx的生成，兩者劣化或故障都會有NOx排放超標的風險[9]。對重型車遠程監控平臺的OBD報警清單進行整理匯總，不同部件對OBD報警的貢獻比例如圖1所示；其中EGR和進氣系統及故障對OBD報警的貢獻比例高達18.1%，因此本研究基于PEMS和底盤測功機排放試驗，通過模擬國Ⅵ重型柴油車排放關鍵部件的劣化，研究進氣系統在不同劣化程度下車輛的排放特征，為制定和改進柴油車相關排放控制政策提供科學依據。

1 試驗裝置和方法

1.1 測試車輛及設備

研究選取一輛滿足國Ⅵ排放標準的重型柴油車分別進行不同排放部件劣化試驗，樣車采用DOC+DPF+SCR+ASC的后處理技術路線進行尾氣排放控制，具體相關參數如表1所示。

研究利用PEMS測試和底盤測功機油耗排放測試對樣車的排氣污染物進行測量。其中PEMS測試選用的設備為HORIBA OBS-ONE便攜式車載排放分析儀，其采用化學發光法（CLD）對NOx進行測量；采用非分光紅外（NDIR）對尾氣中的CO、CO2進行測量；利用凝聚粒子計數器（CPC）對顆粒物數量（PN）進行測量。底盤測功機油耗排放測試的排氣污染物測量種類和原理與PEMS測試相同。本研究使用的主要測試設備見表2，所有設備均符合國Ⅵ標準的測試要求。

1.2 測試方法

研究對樣車開展中冷器和EGR裝置的劣化研究，包括中冷冷卻效率低、EGR流量低以及EGR冷卻器效率低。中冷器的作用是給增壓后的高溫空氣冷卻，提高充氣效率的同時，降低燃燒溫度，從而降低NOx的生成。管路結垢、泄露、水氣相通等劣化因素都會造成中冷器冷卻效率降低，中冷器冷卻效率用E表示，按照公式（1）進行計算。中冷器劣化后，不僅會影響發動機性能，造成動力減弱，也會影響發動機燃燒效率，增加發動機能耗及排放。正常情況下，中冷冷卻效率能達到80%以上，能夠有效地將增壓后的進氣溫度降低到50℃以下，本研究通過短接中冷管路，控制旁通路閥門控制進入中冷器的空氣流量，來達到模擬中冷器不同劣化程度的目的，本研究通過調節閥門開度調整冷卻效率，分別用進氣溫度65lt;T≤75（劣化狀態1）、75lt;T≤85（劣化狀態2）和85lt;T（劣化狀態3）來模擬不同的劣化程度。

EGR技術主要是利用熱容量理論原理，通常情況下，于EGR系統通過調整EGR閥將部分廢氣回流到氣缸中并與新鮮進氣混合，降低氧氣濃度，進而降低燃燒室的溫度，減少NOx的生成。但長期使用可能導致EGR管道內積聚碳垢或油漬，從而影響廢氣的流通造成廢氣流量低，影響EGR系統正常工作。長時間使用也可能導致EGR冷卻器內部堵塞或表面污物較多，使得冷卻器流量降低，散熱流量減少，影響EGR系統正常工作。為了更好地量化不同劣化程度，本研究通過對EGR文丘里管后管路進行封堵來模擬EGR流量低劣化，分別用d10mm雙孔（劣化狀態1）、d10mm單孔（劣化狀態2）和完整墊片（劣化狀態3）來模擬不同的劣化程度。

依據GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，利用PEMS進行整車實際道路污染物排放測試，測量實際行駛中車輛排氣的NOx、CO、PN以及CO2。依據GB/T 27840-2011《重型商用車燃油消耗量測量方法》和GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中的相關規定，利用重型底盤測功機、環境倉及CVS進行底盤測功機排放測試[10]。

2 測試數據分析

本研究采用各污染物的比排放來衡量車輛的排放水平。基于功基窗口法對PEMS數據進行計算，使用第90百分位窗口排放結果代表車輛的實際排放水平。底盤測功機排放油耗試驗基于GB 17691-2018中的比排放計算方法獲得污染物的排放結果，采用碳平衡法計算車輛燃料消耗量。兩種測試方法的污染物排放限值均參照GB 17691-2018中整車試驗排放限值。

2.1 工況對比分析

本研究底盤測功機法測試工況采用C-WTVC工況，試驗車速-時間曲線如圖2所示。PEMS測試工況由實際道路PEMS試驗采集得到，試驗車速-時間曲線如圖3所示。測試路線由市區、市郊和高速組成，C-WTVC工況0～900s為城市工況，900～1368s為市郊工況，1368～1800s為高速工況；PEMS工況全程5813s，市區、市郊和高速的時間分布比例分別為20%、25%和55%，兩種測試均在滿載的載荷狀態下進行測試。

根據兩個工況的速度-加速度圖4可以看出，C-WTVC循環工況加速度集中在[-1，1]區間范圍內，相對比較集中；PEMS工況的加速度主要分布在[-3，3]區間范圍內，相對比較分散。根據加速的分布可以看出，實際道路工況較為復雜，急加減速的情況相對較多，比C-WTVC循環工況更為激烈。

2.2 中冷冷卻效率劣化模擬

中冷器的主要作用是給增壓后的高溫空氣進行冷卻，管路結垢、泄露、水氣相通等劣化因素都會造成中冷器冷卻效率降低，使得排氣溫度升高，能耗排放增加。三種劣化狀態下中冷冷卻效率不斷降低，使得出氣溫度不斷升高，在此基礎上分別開展PEMS試驗和轉轂試驗。基于中冷后溫度點在三個溫度區間的分布占比最高來確定目標狀態（圖5）：PEMS試驗中，三個狀態下目標溫度區間占比分別為29.7%、28.9%和42.3%，平均溫度分別為57℃、63℃和67℃。轉轂試驗中，三個狀態下目標溫度區間占比分別為36.0%、37.3%和65.6%，平均溫度分別為73℃、76℃和93℃。

隨著中冷冷卻效率降低，NOx排放升高。三種目標狀態下，隨著中冷器冷卻效率的降低，中冷出氣溫度不斷升高，此時進入燃燒室的空氣溫度也不斷升高，NOx的生成機理是“高溫富氧”，溫度越高，越容易促進NOx的生成，從而使得NOx原始排放升高。PEMS試驗過程中同時對前后NOx濃度進行監測，結果表明隨著中冷效率的降低，前后NOx濃度均呈不斷升高的趨勢；NOx轉化效率均在99%以上，狀態2的轉化效率最高為99.5%。

PEMS試驗中，中冷出氣溫度在75～85℃之間時，NOx轉化效率最高，與此對應比排放最低為51.3mg/kWh。轉轂試驗中NOx排放隨著中冷器劣化程度的增加而升高，中冷出氣溫度高于85℃和中冷出氣溫度在75～85℃之間的NOx排放分別為3.91和5.25mg/kWh，相比于狀態1分別升高了0.66倍和1.22倍。

2.3 EGR流量劣化模擬

正常情況下，車輛會根據不同的運行工況利用EGR閥調整不同的EGR流量。長時間運行會使得EGR管路積碳或油漬影響EGR流量，進而降低進入發動機的再循環廢氣量，影響發動機燃燒。不同劣化程度下的排放結果如圖8所示。

PEMS試驗中，隨著劣化程度的升高，NOx比排放不斷升高。初始狀態下，NOx比排放最低為51.8 mg/kWh，NOx比排放最低；劣化狀態3時，NOx比排放最高為230 mg/kWh，分別是初始、劣化狀態1和劣化狀態2下NOx排放水平的4.44倍、2.99倍和1.69倍。從前后NOx濃度來看，隨著劣化程度的升高，前后NOx濃度呈明顯的升高趨勢。這是由于再次進入燃燒室的廢氣量降低，使得降低燃燒室內部氧氣濃度和溫度的效果變差，因此對NOx生成的抑制效果越差，進而導致NOx濃度不斷升高[11]。底盤測功機試驗中，三種劣化狀態下NOx比排放相差不大，但均顯著高于初始狀態。此外，前NOx濃度與PEMS試驗規律一致，均隨著劣化程度的升高呈明顯的升高趨勢。PEMS測試的NOx排放結果明顯高于底盤測功機測試，這是由于PEMS工況較為激烈，激烈的駕駛工況促進了NOx的生成。根據NOx比排放結果可以看出，EGR系統劣化會使得原始排氣的NOx升高，但對最終排放影響較小，仍能控制在標準限值范圍內。這與傳統認知有所差異，主要是因為后處理仍能保持極高的效率去除尾氣中的NOx。

3 總結

研究選取發動機關鍵部件中冷器和EGR，進行不同故障、不同劣化程度的模擬，開展柴油整車的排放特征研究。主要研究結論如下。

（1）隨著中冷器冷卻效率的降低，使得發動機燃燒溫度不斷升高，導致發動機原始NOx生成不斷增加，但最終比排放雖有增加，但仍遠低于國Ⅵ排放限值。

（2）EGR流量劣化后，NOx排放趨勢與中冷較為一致，原始NOx排放隨著劣化程度的增加而增加，且增加趨勢更為明顯，但在EGR全堵的情況下仍能有效控制排放。

（3）發動機關鍵部件劣化后會導致原始排放增加，但在后處理系統的高效處理下，污染物排放仍能得到有效的控制。

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