劉明，何超，李加強，劉學(xué)淵，彭琪凱，鄒浪

(西南林業(yè)大學(xué)汽車與交通學(xué)院,云南 昆明 650224)

柴油機因為其經(jīng)濟性好、扭矩大、可靠耐用等優(yōu)點被普遍用作重型車的動力。同時，柴油車的排放也越來越受到各界的關(guān)注[1-3]。柴油發(fā)動機本身壓縮著火、擴散燃燒、總體稀燃等特點使得其NOx排放較高，而NOx對人類健康有損害，并會導(dǎo)致嚴重的環(huán)境問題[4-6]。隨著排放標準的日趨嚴格，選擇性催化還原(Selctive Cataiytic Reduction，SCR)、顆粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)、氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)等先進后處理裝置開始應(yīng)用于柴油車上[7]。SCR具有油耗低、發(fā)動機結(jié)構(gòu)及其電控系統(tǒng)功能改變小、對燃油中的硫含量不敏感等技術(shù)特點，因此SCR成為降低柴油車NOx排放的重要技術(shù)路線[8-10]。使用尿素SCR系統(tǒng)能夠在一定程度上降低柴油車的NOx排放，但是在道路交通不暢，柴油車的平均車速和負載相對較低、排氣溫度低時，尿素SCR系統(tǒng)無法正常工作，從而導(dǎo)致實際 NOx排放高于排放限值[11-12]。尿素SCR系統(tǒng)存在低溫結(jié)冰、低溫下排氣管路中尿素結(jié)晶、低溫下SCR系統(tǒng)活性不足等缺陷[13]，因此尿素SCR系統(tǒng)在實際使用過程中具有一定的局限性。

固體SCR(Solid SCR)技術(shù)以化合物的形式將 NH3以固體氨絡(luò)合物(簡稱氨鹽)的形式儲存起來，并保存在密閉的容器中，加熱到 80 ℃以上時，固體氨鹽會重新把儲存的NH3釋放出來，根據(jù)發(fā)動機工況要求，定量進行NH3噴射控制[14]。因此固體SCR對降低柴油車NOx排放具有重要意義。

汽車尾氣監(jiān)控平臺利用通用分組無線業(yè)務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service，GPRS)可以實時接收并保存車輛運行工況數(shù)據(jù)(如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、車速、油耗、排放等)，可用于長期監(jiān)測柴油機后處理器的使用狀況。本研究旨在通過汽車尾氣監(jiān)控平臺研究裝配固體SCR系統(tǒng)柴油車的NOx排放，同時評估固體SCR系統(tǒng)在排氣溫度較低時對NOx的減排效果。

1 試驗方法

1.1 汽車尾氣監(jiān)控平臺功能簡介

汽車尾氣監(jiān)控平臺監(jiān)控的汽車共11輛，主要分布在北京、上海兩地。監(jiān)控平臺監(jiān)測的車輛狀態(tài)參數(shù)有車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油門踏板開度等，監(jiān)測的固體SCR系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)有出入溫度、出入口NOx濃度、發(fā)動機排氣流量等。通過該平臺可以實時觀察到車輛與固體SCR的最新狀態(tài)，其主要功能包括：車輛最新狀態(tài)列表、歷史數(shù)據(jù)查詢、軌跡回放、報警設(shè)置、車輛管理、統(tǒng)計報表。

1.2 測試車輛

本研究采用的試驗車輛為1輛總質(zhì)量16 t的柴油環(huán)衛(wèi)車，該車為汽車尾氣監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控車輛中的一輛，且裝配有固體SCR系統(tǒng)，固體SCR系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。該車在監(jiān)控平臺下已運行2年。試驗車輛安裝的發(fā)動機為ISDe230 40柴油機，其主要參數(shù)如表2所示。

表1 固體SCR系統(tǒng)主要參數(shù)

表2 試驗車輛發(fā)動機主要參數(shù)

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采集的數(shù)據(jù)越多，結(jié)果越準確。但是由于客觀條件的限制，采集數(shù)據(jù)不可能無窮大。M.Andre研究表明，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)量達到一定值后，即使增加數(shù)據(jù)量，準確性也不會有很大提高[15]。本研究從監(jiān)控平臺共獲得了試驗柴油車38天的工況有效數(shù)據(jù)1 350 343個，累計行駛里程 1 009.6 km，測量數(shù)據(jù)包括速度、加速度等重要參數(shù)。

1) 數(shù)據(jù)對正：在Excel中使用offset函數(shù)將污染物濃度、排氣流量、車速等實測數(shù)據(jù)對齊。

2) 剔除發(fā)動機熄火數(shù)據(jù)：剔除排氣質(zhì)量流量小于5 kg/h，或者排氣流量率測量值小于怠速穩(wěn)定排氣流量率20%時的數(shù)據(jù)。

3) 利用公式(1)計算得到NOx瞬時質(zhì)量排放。

(1)

式中：NOx,m為NOx瞬時質(zhì)量排放；Pg,x為排氣污染物NOx的密度；Pg,e為排氣污染物密度；Cg,x為排氣中測得的污染物NOx的體積分數(shù)；Qm,x為測得的排氣質(zhì)量流量；g為相應(yīng)的污染物；x為測量值編號。

4) 基于里程的瞬時排放因子

利用公式(2)得到基于里程的瞬時排放因子。

(2)

式中：V為車速。

5) 利用算術(shù)平均法計算污染物排放因子

在步驟3)中已得到車輛的瞬時質(zhì)量污染物排放，把瞬時污染物排放進行累加得到總的污染物排放量，然后除以車輛在實際試驗時行駛里程，即可得到污染物排放因子，計算公式如下：

(3)

式中：NOx,m1為NOx的排放因子；S為行駛里程。

算術(shù)平均法計算得到的污染物排放因子能反映車輛在試驗過程中的整體排放水平，但忽略了局部的排放，基于里程的瞬時排放因子能較好反映局部的排放，因而兩者結(jié)合能較好地反映其實際的排放。

6) NOx轉(zhuǎn)化效率計算

NOx轉(zhuǎn)化效率表示NOx進入SCR前后其體積分數(shù)的變化率，其計算公式為

(4)

式中：ηNOx為NOx的轉(zhuǎn)化效率；C(NOx)in為入口NOx的體積分數(shù)；C(NOx)out為出口NOx的體積分數(shù)。

7) 對上面得到的數(shù)據(jù)后續(xù)主要用主成分分析法和分區(qū)間處理法進行處理，具體分析方法見參考文獻[16]。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 試驗車輛行駛特征參數(shù)與排放特征參數(shù)

計算統(tǒng)計得到的柴油環(huán)衛(wèi)車速度分布見圖1，加速度分布見圖2，工況分布見表3。結(jié)果顯示，該柴油車在整個監(jiān)測期間，90%以上的加速度點在±1.5 m/s2范圍內(nèi)波動，平均車速為13.45 km/h，最高車速為75 km/h，車速20 km/h以下的行駛時間比例為70%，50 km/h以下的比例占98%，大于60 km/h的比例不足0.5%，可知試驗車整體行駛速度偏低。因為環(huán)衛(wèi)車要在固定位置作業(yè)，使得該柴油車怠速比例高達20.7%。該柴油車加速和減速比例分別為 35.8%和 32.2%，可知在整個過程中試驗車加減速較頻繁。

圖1 柴油車速度分布情況

圖2 加速度分布情況

平均速度/km·h-1怠速時間比例/%加速時間比例/%減速時間比例/%等速時間比例/%13.4520.735.832.211.3

由分天統(tǒng)計得到的38天排放特征參數(shù)可知：在整個38天的測試過程中NOx平均質(zhì)量濃度最高為0.044 g/s，最低為0.017 g/s；89%的NOx平均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)低于0.040 g/s，92%的NOx平均質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)在0.020 g/s周圍波動；NOx平均排放因子最高為6.71 g/km，最低為1.71 g/km，92%的NOx平均排放因子數(shù)據(jù)低于6.00 g/km，82%的NOx平均排放因子數(shù)據(jù)在3 g/km周圍波動。

2.2 高速工況與低速工況NOx排放特性

用主成分分析法對38天數(shù)據(jù)進行處理，得到柴油車實際道路數(shù)據(jù)，現(xiàn)分別選取其中的低速工況和高速工況數(shù)據(jù)以分析NOx排放速率隨交通狀況變化的情況，兩段工況時長均為2 238 s。圖3、圖4分別示出低速工況和高速工況的NOx排放率變化趨勢。由圖可知，工況變化時NOx排放率變化明顯，怠速時NOx排放率較穩(wěn)定，柴油車加速時NOx排放速率有一定的增大；柴油車加速結(jié)束或柴油車減速時會導(dǎo)致NOx排放率降低，并有一定幅度波動。

圖3 低速工況下NOx的瞬時質(zhì)量排放

圖4 高速工況下NOx的瞬時質(zhì)量排放

由表4可以看出，高速工況與低速工況的平均速度分別為37.33 km/h，9.19 km/h，基于里程的NOx排放因子分別為2.70 g/km，5.40 g/km，低速工況排放因子約為高速工況排放因子的2倍，可知工況是影響排放的重要原因。

表4 高速工況和低速工況的特征參數(shù)

2.3 不同速度下NOx排放特性

該柴油車怠速工況時平均NOx轉(zhuǎn)化率為33.25%，最高為55.68%。26.30%的NOx轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)大于40.00%。

為分析不同速度下的NOx排放特性，將(0，5]，(5，10]，(10，15]，…(40，45]共9個速度區(qū)間的NOx排放因子和NOx轉(zhuǎn)化率進行平均處理，代表不同速度下NOx排放特性，結(jié)果見圖5。由圖可知，柴油車NOx排放因子隨著速度增加逐漸降低，在9個速度區(qū)間的NOx排放因子均小于6.30 g/km。柴油車NOx轉(zhuǎn)化率隨著速度的增加逐漸升高，NOx轉(zhuǎn)化率整體大于30%。

圖5 NOx排放因子、轉(zhuǎn)化率隨速度變化關(guān)系

綜上可知，在實際道路行駛時裝配固體SCR系統(tǒng)的柴油車在較低速度時NOx轉(zhuǎn)化率大于30%，平均轉(zhuǎn)化率為61%，NOx平均質(zhì)量濃度為0.023 g/s，NOx排放因子低于6.30 g/km，NOx的平均排放因子為4.17 g/km?？芍b配有固體SCR系統(tǒng)的柴油車在較低的速度也能獲得良好的NOx排放，優(yōu)化了柴油車低速時排放性能。該系統(tǒng)可以長時間穩(wěn)定有效地使柴油車獲得較低的NOx排放。

2.4 裝配固體SCR的柴油車NOx排放與排氣溫度的關(guān)系

圖6示出該柴油車排氣溫度分布情況直方圖。由圖可知，該柴油車在測試中平均排氣溫度低于150 ℃，200 ℃及以上溫度僅占9.72%左右，300 ℃及以上溫度僅占0.9%。排氣溫度較低的主要原因為該柴油車在道路上行駛時加減速頻繁，平均車速低，怠速比例高。

按數(shù)據(jù)比例權(quán)重將排氣溫度分為30個區(qū)間，對每個區(qū)間的轉(zhuǎn)化率求平均值代表實際轉(zhuǎn)化率，再對數(shù)據(jù)進行擬合(見圖7)。結(jié)果顯示，隨著溫度升高NOx轉(zhuǎn)化率逐漸升高，慢慢趨于平穩(wěn)。排氣溫度低于150 ℃時NOx轉(zhuǎn)化率高于30%，排氣溫度∈[150 ℃，200 ℃)時NOx轉(zhuǎn)化率高于45%，當(dāng)排氣溫度∈[200 ℃，250 ℃)時NOx轉(zhuǎn)化率高于75%，排氣溫度∈[250 ℃，300 ℃)時NOx轉(zhuǎn)化率高于85%，排氣溫度高于300 ℃時NOx轉(zhuǎn)化率接近100%。

圖6 柴油車排氣溫度分布情況

圖7 NOx轉(zhuǎn)化率與排氣溫度的關(guān)系

郭佳棟等[1]、李孟良等[17]、李家強[18]研究表明，裝配尿素SCR系統(tǒng)柴油車NOx轉(zhuǎn)化率隨溫度呈向下的拋物線變化趨勢。即當(dāng)溫度小于350 ℃時，隨溫度的上升轉(zhuǎn)化率增加；當(dāng)排氣溫度在360 ℃左右時，NOx轉(zhuǎn)化率最高，約為97%，然后隨著溫度的繼續(xù)增加，轉(zhuǎn)化率開始減小，且排氣溫度∈[260 ℃，450 ℃]時,轉(zhuǎn)化率高于80%；當(dāng)排氣溫度為150 ℃時，轉(zhuǎn)化率低于20%。由此可知，較高的排氣溫度對于尿素SCR降低NOx排放至關(guān)重要，采用固體SCR系統(tǒng)能夠提高NOx在低排氣溫度時的轉(zhuǎn)化效率，相比于尿素SCR系統(tǒng)，其在250 ℃以下的低排氣溫度段平均效率提高了10%，在250～350 ℃的中高排氣溫度段平均效率提高了5%，當(dāng)排氣溫度升至350 ℃以上時尿素基本完全分解，此時固體SCR系統(tǒng)與尿素SCR系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率基本相同。

圖8示出固體SCR不同溫度下NOx轉(zhuǎn)化率的分布情況。由圖可知，NOx轉(zhuǎn)化率在30%～40%所占比例為12%，NOx轉(zhuǎn)化率在40%～60%所占比例為45%，NOx轉(zhuǎn)化率在60%～80%所占比例為21.4%，NOx轉(zhuǎn)化率在80%～100%所占比例為22.1%。

圖8 NOx轉(zhuǎn)化率分布情況

綜上可知，在平均排氣溫度低于150 ℃時，裝配固體SCR系統(tǒng)的柴油車NOx最低轉(zhuǎn)化率高于30%，NOx平均轉(zhuǎn)化率為61%，當(dāng)排氣溫度高于300 ℃時NOx轉(zhuǎn)化率接近100%。因此裝配有固體SCR系統(tǒng)的柴油車在較低的溫度也能獲得較高的氮氧化物轉(zhuǎn)化率，固體SCR具有良好的低溫轉(zhuǎn)化效率。

3 結(jié)論

a) 通過汽車尾氣監(jiān)控平臺能方便快捷地獲得不同道路類型、不同時間段、不同交通狀況下NOx排放數(shù)據(jù)，能更好地反映車輛在實際道路長期行駛時NOx排放特性；

b) 實際道路交通條件與行駛工況變化對柴油車的NOx排放因子與NOx轉(zhuǎn)化率影響顯著，改善交通狀況，適度提高車輛平均運行速度可以顯著降低NOx排放量；

c) 裝配固體SCR系統(tǒng)的柴油車NOx平均轉(zhuǎn)化率為61%，NOx平均質(zhì)量濃度為0.023 g/s，NOx平均排放因子為4.17g/km，優(yōu)化了柴油車低速時NOx排放性能；

d) 裝配有固體SCR系統(tǒng)的柴油車在較低的溫度也能獲得較高的NOx轉(zhuǎn)化率，固體SCR具有良好的低溫轉(zhuǎn)化效率。