王志紅, 錢超, 鄭灝, 尹冬冬

（1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；

2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070）

基于PEMS的重型柴油車尾氣污染物排溫敏感性試驗(yàn)研究

王志紅1,2, 錢超1,2, 鄭灝1,2, 尹冬冬1,2

（1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；

2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070）

圍繞國(guó)Ⅴ重型柴油車排放氣態(tài)污染物排溫敏感特性規(guī)律開展相關(guān)研究工作。研究中，基于便攜式車載排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）獲取典型國(guó)Ⅴ重型柴油車實(shí)際道路工況下排氣系統(tǒng)尾管溫度及主要?dú)鈶B(tài)污染排放物的瞬態(tài)特征。進(jìn)一步，以瞬態(tài)排放因子為關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用溫度分段平均法獲得目標(biāo)車主要?dú)鈶B(tài)污染物排溫敏感特性，結(jié)果顯示：隨排氣溫度升高，NOx排放總體呈下降趨勢(shì)，CO和HC排放總體呈先下降后上升趨勢(shì)。研究表明，國(guó)Ⅴ重型柴油車道路工況下排氣污染物受排氣溫度影響顯著。

重型柴油車；PEMS；排溫敏感性；排放因子；后處理系統(tǒng)

CLC NO.:U472.9Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-171-05

引言

重型柴油車的典型尾氣污染物（NOx、CO、HC及PM）排放量對(duì)大氣環(huán)境影響巨大。隨全球范圍內(nèi)機(jī)動(dòng)車排放法規(guī)不斷升級(jí)，重型柴油車的尾氣排放控制需求日益加劇，研發(fā)制造具有超低排放水平的重型柴油車已成為汽車節(jié)能與環(huán)保領(lǐng)域重點(diǎn)研究方向之一。為此，掌握實(shí)際道路工況下重型柴油車尾氣排放特性的環(huán)境影響因素是開發(fā)相應(yīng)高效排放控制策略的重要基礎(chǔ)。圍繞重型柴油車實(shí)際道路工況下氣態(tài)污染物排放特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已從各方面開展有相關(guān)研究。

在車況和燃油方面，Durbin等通過移動(dòng)排放實(shí)驗(yàn)室對(duì)5輛重型柴油車進(jìn)行道路試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)整車排放特性取決于排放組件、使用年限和認(rèn)證狀態(tài)[1]；Lesnik等基于AVL BOOST仿真平臺(tái)和試驗(yàn)設(shè)備對(duì)柴油、生物柴油及兩者混合物排放特性對(duì)比，發(fā)現(xiàn)生物柴油及其混合物會(huì)降低重型柴油車的CO和NOx的排放量[2]。在工況和駕駛方式方面，陳長(zhǎng)虹等基于PEMS對(duì)7輛重型柴油車進(jìn)行實(shí)際道路試驗(yàn)，得出低速行駛和加減速工況是機(jī)動(dòng)車污染的重要原因[3]；王燕軍等通過便攜式車載排放測(cè)試系統(tǒng)和整車底盤測(cè)功機(jī)對(duì)重型柴油車進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)車輛過載狀態(tài)時(shí)NOx的排放量比空載時(shí)高出90%[4]；Hao等采用PEMS對(duì)重型柴油車進(jìn)行實(shí)際道路測(cè)試，研究得怠速和低速行駛是燃油消耗、尾氣排放超標(biāo)的主要原因之一[5]；Holmen等通過車載排放試驗(yàn)，證明過激駕駛方式導(dǎo)致車輛排放遠(yuǎn)高于常規(guī)駕駛工況[6]。在外部環(huán)境方面，Shah等累計(jì)對(duì)11輛重型柴油車進(jìn)行道路測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在擁擠城市道路狀況下NOx排放速率是高速公路行駛工況下的3倍[7-8]；余林嘯等利用可移動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)架和便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)，在3個(gè)不同海拔高度的地點(diǎn)對(duì)某重型柴油車進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示隨著海拔高度的增加，CO和顆粒物排放增加，但NOx排放的變化規(guī)律不明顯[9]。

綜上所述，現(xiàn)有針對(duì)重型柴油車排放特性的研究主要集中于車況和燃油、工況和駕駛方式、外部環(huán)境等方面。采用不同方法研究均發(fā)現(xiàn)，重型柴油車氣態(tài)污染物排放因子受車輛狀況、燃油品質(zhì)、駕駛習(xí)慣、整車負(fù)載、行駛速度、加速度、道路狀況和海拔高度等因素影響。然而，基于PEMS針對(duì)重型柴油車在實(shí)際道路工況下的尾氣污染物排溫敏感性研究未見報(bào)道。因此，以某配4.5L直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的典型國(guó)Ⅴ重型柴油車為研究對(duì)象，擬采用PEMS方法獲得重型柴油車道路工況下尾氣排放物特征，繼而建立排氣溫度分段平均法，探究排氣溫度對(duì)重型柴油車氣態(tài)污染物排放的影響規(guī)律。

1、研究目標(biāo)及技術(shù)路線

研究工作旨在探究典型國(guó)Ⅴ重型柴油車排放氣態(tài)污染物排溫敏感特性規(guī)律。圍繞上述目標(biāo)，擬定如圖1所示的研究技術(shù)路線。該研究技術(shù)路線主要分為目標(biāo)車及基本參數(shù)表征、試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)、排溫敏感特性分析等部分。其中，本試驗(yàn)的目標(biāo)車輛為某國(guó)Ⅴ重型柴油車；在試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)部分，以SEMTECH-DS為試驗(yàn)設(shè)備，以車輛正常行駛道路分布為測(cè)試工況，對(duì)氣態(tài)污染物和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以溫度平均分段法基于速度和負(fù)荷對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；在排溫敏感特性分析部分，以氣態(tài)污染物污染物為關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)相關(guān)通過合理的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，探究重型柴油車尾氣污染物排溫敏感性規(guī)律。

圖1 研究技術(shù)路線

2、典型重型柴油車基本參數(shù)

2.1 車輛基本參數(shù)

本研究針對(duì)1臺(tái)國(guó)Ⅴ重型柴油車進(jìn)行了排放測(cè)試，該車輛后處理系統(tǒng)為SCR，試驗(yàn)時(shí)車輛為滿載，具體參數(shù)見表1。

表1 車輛基本參數(shù)

2.2 SCR系統(tǒng)的反應(yīng)機(jī)理

SCR系統(tǒng)的原理是利用利用計(jì)量噴射泵將32.5%的尿素水溶液噴入排氣管中，尿素在高溫下發(fā)生水解和熱解反應(yīng)后生成氨氣，并在催化器表面涂層催化劑的作用下與NOX發(fā)生還原反應(yīng)，排出氮?dú)?，其主要反?yīng)過程見式（1）、式（2）和式（3）：

SCR催化劑采用釩基金屬氧化物（V2O5）據(jù)研究，其起始催化活性為150℃—160℃，最佳反應(yīng)溫度范圍為250℃—450℃[10-15]。

3、基于PEMS排溫敏感特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

本研究采用美國(guó) Sensors公司生產(chǎn)的SEMTECH-DS車載排放測(cè)試儀，對(duì)重型柴油車進(jìn)行實(shí)際道路排放測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 PEMS車載排放測(cè)試系統(tǒng)示意圖

3.2 試驗(yàn)工況

參考DB11/965-2013《重型汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（車載法）》，主要采用實(shí)際道路測(cè)試對(duì)目標(biāo)車主要?dú)鈶B(tài)污染物排放進(jìn)行排溫敏感性試驗(yàn)。該標(biāo)準(zhǔn)要求試驗(yàn)車輛為滿載，測(cè)試工況按市區(qū)道路（0-60km/h）、市郊道路（60 km/h -90km/h）和高速公路（90 km/h 以上）分別占45%、25%和30%進(jìn)行試驗(yàn)，且測(cè)試時(shí)間不小于兩小時(shí)。本次試驗(yàn)路徑為襄陽(yáng)北至云夢(mèng)高速公路段（往返），襄陽(yáng)至棗陽(yáng)省道、市區(qū)路段（往返），共計(jì)540km，測(cè)試時(shí)間為8h。

3.3 試驗(yàn)分析方法

3.3.1 評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

機(jī)動(dòng)車排放因子是指單輛機(jī)動(dòng)車單位行駛里程所排放污染物的質(zhì)量，單位為g/km。排放因子反映了機(jī)動(dòng)車的排放水平，是進(jìn)行機(jī)動(dòng)車尾氣排放控制對(duì)策研究的基礎(chǔ)和依據(jù)。使用污染物的瞬時(shí)排放速率ER (g/ s)和車速ν(km/ h)，可以按照式(4)計(jì)算污染物i的排放因子EFt(g/km)：

排放因子EFt(g/km)是常用的污染物評(píng)價(jià)指標(biāo)，但負(fù)荷和速度對(duì)排放因子的影響較大[16-18]。因此，基于速度和負(fù)荷對(duì)目標(biāo)車輛進(jìn)行道路測(cè)試。

3.3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

通過車載測(cè)試設(shè)備獲取車輛尾氣污染物（NOx、HC、CO）瞬時(shí)排放速率，通過排氣尾管出口處的溫度傳感器獲得排氣溫度，通過ECU獲得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷及轉(zhuǎn)速等。

以溫度分段平均法分別基于負(fù)荷和速度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。分別以30km/h、50km/h、80km/h和100km/h等速穩(wěn)態(tài)工況為基礎(chǔ)，以20%、40%、60%和80%負(fù)荷率為基準(zhǔn)，探究NOx、HC和CO排放對(duì)排氣溫度的敏感性。為便于分析，將車速各節(jié)點(diǎn)±2 km/h以內(nèi)的速度均視為該點(diǎn)車速，將發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率各節(jié)點(diǎn)±5%以內(nèi)的平均排放因子均視為該負(fù)荷率下的排放。排氣溫度以20℃為階梯進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以各溫度區(qū)間內(nèi)的平均排放因子為該區(qū)間的排放值。

4、試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 NOx排溫敏感性分析

圖3 NOX排放因子隨排氣溫度變化

圖4 等速工況下NOx排放因子隨排氣溫度變化走勢(shì)

由圖3、圖4可知，從曲線特征總體變化趨勢(shì)上看，隨排氣溫度升高，NOX瞬態(tài)排放因子呈下降趨勢(shì)。從曲線峰值特征上看，當(dāng)排氣溫度低于160℃時(shí)，NOX排放因子較高（約為11g/km-155g/km）；當(dāng)排氣溫度位于[160℃，200℃)時(shí)，NOX排放因子較低（約為5g/km），且排放因子下降較快， 排氣溫度在[180℃，200℃)時(shí)NOx的平均排放因子比[140℃，160℃)時(shí)下降了50%，當(dāng)排氣溫度高于200℃時(shí)， NOX排放因子達(dá)到最低（約為1g/km-3g/km），其中排氣溫度位于[240℃，260℃) 和[200℃，220℃)時(shí)NOx的平均排放因子比[140℃，160℃)時(shí)分別下降84%和75%。原因是當(dāng)排氣溫度低于160℃時(shí)，車輛處于起動(dòng)、低速等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，氣體流速較低，難以形成均勻的混合氣，為維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，混合氣較濃，因此NOX排放因子較大，隨著排氣溫度的升高，對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，混合氣濃度降低，NOX排放因子呈下降趨勢(shì)。當(dāng)排氣溫度達(dá)到200℃以上時(shí)，NOX排放因子顯著下降。原因是隨著溫度的升高，車輛處于高速運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，混合氣較為均勻，NOx排放因子較低，同時(shí)當(dāng)排氣溫度達(dá)到160℃，SCR中的釩基催化劑開始反應(yīng)，對(duì)NOX進(jìn)行了催化還原，形成氮?dú)猓S著溫度的升高，其催化劑的活性逐漸升高，當(dāng)溫度達(dá)到220℃左右時(shí)，NOx排放較低，且趨于穩(wěn)定。

4.2 CO排溫敏感性分析

圖5 CO排放因子隨排氣溫度變化

圖6 等速工況下CO排放因子隨排氣溫度變化走勢(shì)

由圖5、圖6可知，從曲線特征總體變化趨勢(shì)上看，隨排氣溫度升高，CO瞬態(tài)排放因子呈先下降后略微上升趨勢(shì)。從曲線峰值特征上看，當(dāng)排氣溫度低于160℃時(shí)，CO排放因子較高（約為2g/km-15g/km）；當(dāng)排氣溫度位于[200℃，220℃)時(shí)，CO排放因子處于最小值（0.59g/km），當(dāng)排氣溫度高于220℃時(shí)，CO排放因子略微上升（約1g/km）。這是因?yàn)榕艢鉁囟容^低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，缸內(nèi)溫度較低，氣體流動(dòng)較慢，難以形成均勻的混合氣，為維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，混合氣較濃，相對(duì)供氧不足，因此CO排放因子較高；隨著排氣溫度的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，燃燒逐漸趨于正常，混合氣濃度降低，相對(duì)供氧增多，CO排放因子逐漸下降；當(dāng)排氣溫度較高時(shí)，此時(shí)車速較高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較快，混合氣在缸內(nèi)停留時(shí)間較短，不利于碳原子的完全氧化，CO排放又呈略微上升趨勢(shì)。

4.3 HC排溫敏感性分析

由圖7、圖8可知，HC排放因子和CO排放因子的變化規(guī)律較為類似，隨排氣溫度升高，HC瞬態(tài)排放因子呈先下降后略微上升趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)排氣溫度較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，缸內(nèi)溫度較低，氣體流速較低，難以形成均勻的混合氣，為維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)，混合氣較濃，燃燒不完全，因此HC排放因子較高；隨著排氣管溫度的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增大，混合氣濃度降低，燃燒逐漸趨于正常，相對(duì)燃燒完全，HC排放因子隨之下降；當(dāng)排氣溫度較高時(shí)，此時(shí)車速較高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較快，混合氣在缸內(nèi)停留時(shí)間較短，不利于燃油的完全燃燒，HC排放又呈略微上升趨勢(shì)。

圖7 HC排放因子隨排氣溫度變化

圖8 等速工況下HC排放因子隨排氣溫度變化走勢(shì)

5、結(jié)論

隨排氣溫度升高，NOX排放呈下降趨勢(shì)。主要表現(xiàn)為：當(dāng)排氣溫度低于160℃時(shí)，NOX排放因子較高；當(dāng)排氣溫度在160℃-200℃時(shí)，NOX排放因子下降了75%，變化顯著；當(dāng)排氣溫度達(dá)到220℃以上時(shí)，NOX排放因子達(dá)到最小，且趨于穩(wěn)定。

隨排氣溫度升高，CO和HC排放呈先下降后略微上升趨勢(shì)。主要表現(xiàn)為：當(dāng)排氣溫度低于160℃時(shí)，CO和HC排放因子較高；當(dāng)排氣溫度在160℃-200℃時(shí)，分別下降了71%和67%；當(dāng)排氣溫度約為200℃時(shí)，排放因子最??；當(dāng)排氣溫度達(dá)到200℃以上時(shí)，CO和HC排放呈現(xiàn)略微上升趨勢(shì)。

NOX、CO和HC排放對(duì)排氣溫度較為敏感，較低的排氣溫度不利于主要?dú)鈶B(tài)污染物的排放，因此，合理匹配后處理系統(tǒng)，控制低排溫狀況下氣態(tài)污染物的排放，是提升重型柴油車排放水平的重要途徑之一。

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Experimental Study on Exhaust Temperature Sensitivity of Exhaust Pollutants from Heavy-duty Diesel Vehicles Based on PEMS

Wang Zhihong1,2, Qian Chao1,2, Zheng Hao1,2, Yin Dongdong1,2
( 1.Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070; 2.Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430070 )

The researches on exhaust temperature sensitive characteristics of emission gaseous pollutants from a StateⅤheavy-duty diesel vehicle are developed.In this study, based on the portable on-board emission measurement system (PEMS),the exhaust system stern tube temperature and the transient characteristics of the main gaseous pollutants of the typical StateⅤheavy-duty diesel vehicle on actual road conditions are obtained.Then use transient emission factor as the key evaluation index to obtain exhaust temperature sensitive characteristics of main gaseous pollutants through temperature section average method.The characteristic test results show that, with the exhaust temperature rising, NOx emissions is a downward trend in general and CO and HC emissions are falling at first and rising slightly later.Studies have shown that the exhaust pollutant of the StateⅤheavy-duty diesel vehicle on actual road conditions significantly influenced by the exhaust temperature.

Heavy-duty diesel vehicle; portable emission measurement system(PEMS); exhaust temperature sensitivity; emission factor; after-treatment system

U472.9

A

1671-7988(2017)02-171-05

王志紅，男，(1980.4-)，博士，講師，就職于武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制及新能源汽車。

錢超，男，(1989.12-)，碩士研究生，武漢理工大學(xué)馬房山校區(qū)東院汽車工程學(xué)院。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51406140）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.058