陳仁慶，趙波，肖明知，田偉建

（山東汽車(chē)制造有限公司，山東 萊陽(yáng) 265200）

引言

隨著我國(guó)公路交通網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越發(fā)達(dá)，汽車(chē)行業(yè)也在迅速發(fā)展。研究表明，汽車(chē)排放已成為城市大氣污染的重要來(lái)源，雖然重型柴油車(chē)輛在整個(gè)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中占有量不高，但是其氮氧化合物排放量巨大，其排放量占汽車(chē)總排放量的70%，所以重型柴油車(chē)排放污染的研究及控制要極為重視[1-2]。針對(duì)日益嚴(yán)峻的汽車(chē)排放污染問(wèn)題，國(guó)家環(huán)保部門(mén)不斷制定新的控制措施、排放法規(guī)，進(jìn)行新車(chē)型環(huán)保檢測(cè)以及在用車(chē)符合性檢查，以期在用車(chē)與新車(chē)達(dá)到環(huán)保一致性要求。

目前，整車(chē)排放測(cè)試方法主要有實(shí)際道路法和底盤(pán)測(cè)功機(jī)法兩種。實(shí)際道路法使用一套便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS），其精度和可靠性能夠較好滿(mǎn)足整車(chē)道路測(cè)試環(huán)境要求[3]。由于環(huán)境和路況等因素影響，底盤(pán)測(cè)功機(jī)法的排放結(jié)果和實(shí)際道路法排放結(jié)果存在較大差異，實(shí)際道路法更接近車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行工況[4]。本文主要針對(duì)國(guó)五貨車(chē)進(jìn)行整車(chē)實(shí)際道路法排放測(cè)試，研究發(fā)動(dòng)機(jī)與排氣系統(tǒng)對(duì)整車(chē)排放的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)樣車(chē)

試驗(yàn)選用兩臺(tái)同型號(hào)重型貨車(chē)，車(chē)輛類(lèi)型為N2。除搭載發(fā)動(dòng)機(jī)不同外，其他整車(chē)及后處理配置均相同。兩臺(tái)試驗(yàn)車(chē)后處理系統(tǒng)均為SCR（選擇性還原），具體樣車(chē)參數(shù)信息見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)樣車(chē)基本參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用AVL 公司生產(chǎn)的一套便攜式車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)，主要由排氣流量計(jì)（EFM）、氣體采集分析模塊（AVL492 GAS PEMS iS）、電源分配模塊（E-BOX）、電源模塊（ChargeMaster）、主機(jī)電腦（SC）、鋰電池以及GPS 和溫濕度傳感器組成。

1.3 試驗(yàn)方案

兩臺(tái)試驗(yàn)樣車(chē)安裝的均為國(guó)V 發(fā)動(dòng)機(jī)，所以試驗(yàn)方法按照《HJ857-2017 重型柴油車(chē)、氣體燃料車(chē)排氣污染物車(chē)載測(cè)量方法及技術(shù)要求》進(jìn)行。試驗(yàn)載荷為整車(chē)荷載質(zhì)量的75%，試驗(yàn)工況分配比例為城市路況20%，郊區(qū)路況25%，高速路況55%，試驗(yàn)按市區(qū)-郊區(qū)-高速行駛順序連續(xù)進(jìn)行[5]。

試驗(yàn)分兩組進(jìn)行，第一組#1 與#2 樣車(chē)分別按照同一試驗(yàn)路線進(jìn)行PEMS 試驗(yàn)，第二組對(duì)#1 樣車(chē)后處理系統(tǒng)前端排氣管增加一層隔熱棉保溫材料，按照相同路線再進(jìn)行一次PEMS 試驗(yàn)。記錄每次試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、排氣溫度及NOx 瞬時(shí)排放等數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)情況見(jiàn)表2。

表2 兩組PEMS 試驗(yàn)道路工況表

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

表3 為三臺(tái)試驗(yàn)樣車(chē)排氣污染物（CO、NOx）的比排放結(jié)果，從排放結(jié)果可以看出，CO 比排放#1 樣車(chē)加保溫材料與正常狀態(tài)結(jié)果相差156.55mg/kWh，#2 樣車(chē)比排放與#1 樣車(chē)兩種狀態(tài)結(jié)果分別相差519.13mg/kWh、675.68mg/kWh，且三次試驗(yàn)CO 比排放結(jié)果都遠(yuǎn)小于法規(guī)限值，因此本文對(duì)CO 排放不做詳細(xì)討論；NOx 比排放#1 樣車(chē)加保溫材料與正常狀態(tài)相差346.37mg/kWh，#2 樣車(chē)比排放與#1 樣車(chē)兩種狀態(tài)結(jié)果分別相差1695.44mg/kWh、1349.06mg/kWh。

表3 樣車(chē)比排放試驗(yàn)結(jié)果

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)工況

圖1和圖2是兩組試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況分布圖，從圖1 可見(jiàn)，#1 樣車(chē)與#2 樣車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)基本相同，#2樣車(chē)在2500rpm轉(zhuǎn)速下最大扭矩比#1樣車(chē)同轉(zhuǎn)速工況下扭矩高，這與兩臺(tái)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩有關(guān)；工況點(diǎn)主要集中在1800rpm 和2500rpm 左右，低轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)較少。從圖2 可見(jiàn)，#1 樣車(chē)兩次試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)分布基本相同，同樣在1800rpm 和2500rpm 轉(zhuǎn)速左右工況點(diǎn)最集中，低轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)較少。由此可見(jiàn)，兩臺(tái)樣車(chē)三次試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況基本相同，具有較好的工況相關(guān)性。

圖1 第一組試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工況分布圖

圖2 第二組試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工況分布圖

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)氣門(mén)數(shù)量與排氣管保溫效果對(duì)NOx 排放的影響

圖3 和圖4 分別是兩組試驗(yàn)的NOx 瞬時(shí)排放統(tǒng)計(jì)圖。由圖3 可見(jiàn)，兩臺(tái)樣車(chē)NOx 瞬時(shí)排放數(shù)值總體呈現(xiàn)先高后低趨勢(shì)，在市區(qū)工況（2000s 之前）NOx 排放均處在高值，在此時(shí)段內(nèi)#1 樣車(chē)在部分時(shí)段NOx 瞬時(shí)排放已超法規(guī)限值900ppm，#2 樣車(chē)NOx 瞬時(shí)排放均在法規(guī)限值以下；在郊區(qū)和高速工況內(nèi)，#1 樣車(chē)NOx 瞬時(shí)排放值有所下降，基本降至600ppm 之內(nèi)，#2 樣車(chē)NOx 瞬時(shí)排放已降至較低水平，且基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，中間出現(xiàn)一段排放較高時(shí)段，此時(shí)段為出進(jìn)高速收費(fèi)站，車(chē)輛為怠速或啟停狀態(tài)。結(jié)合2.1 的NOx 比排放結(jié)果可知，4 氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)比2 氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放低。

圖3 #1、#2 樣車(chē)NOx 瞬時(shí)排放

圖4 為#1 樣車(chē)原始狀態(tài)與后處理前排氣管加保溫材料的NOx 瞬時(shí)排放統(tǒng)計(jì)圖。由圖4 可見(jiàn)，加保溫前后NOx 瞬時(shí)排放趨勢(shì)都是先高后低，各時(shí)段的NOx 瞬時(shí)排放相差不大，在市區(qū)工況（2000s 之前）NOx 瞬時(shí)排放極值有所降低，郊區(qū)和高速工況NOx 瞬時(shí)排放基本一致。結(jié)合2.1 的NOx 比排放結(jié)果可以看出，后處理前端排氣管加保溫材料后能夠降低部分NOx 排放，但是效果不夠明顯。

圖4 #1、#1（加保溫）樣車(chē)NOx 瞬時(shí)排放

2.3.2 排氣溫度對(duì)NOx 排放的影響

已知柴油車(chē)降低NOx 排放的主要措施是通過(guò)SCR 噴射尿素與NOx 進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)化學(xué)式如下[6]：

尿素分解成氨氣、二氧化碳和水：

氨氣與NO 作用生成氮?dú)夂退?/p>

氨氣與NO2 作用生成氮?dú)夂退?/p>

圖5、圖6、圖7 分別為三次試驗(yàn)排氣溫度與NOx 瞬時(shí)排放關(guān)系圖。由圖可以看出，排氣溫度與NOx 排放數(shù)值成負(fù)相關(guān)關(guān)系。以圖6 為例，在車(chē)輛剛進(jìn)入郊區(qū)工況后，隨著車(chē)速增加排氣溫度急速升高到230℃以上，NOx 濃度立刻降低到一個(gè)較低水平，說(shuō)明此時(shí)SCR 開(kāi)始起顯著作用，之后平均排氣溫度在250℃以上，達(dá)到以上化學(xué)反應(yīng)催化劑的最佳催化溫度。在收費(fèi)站掉頭時(shí)，由于車(chē)輛啟停導(dǎo)致排氣溫度下降出現(xiàn)一個(gè)短時(shí)的NOx 濃度高峰。

圖5 #1 樣車(chē)排溫與NOx 瞬時(shí)排放

圖6 #2 樣車(chē)排溫與NOx 瞬時(shí)排放

比較圖5 與圖7 排氣溫度，排氣管增加保溫材料后市區(qū)工況的平均排氣溫度比原始狀態(tài)高10℃左右，且兩次都未達(dá)到SCR 最佳工作溫度，所以此時(shí)NOx 排放受發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)內(nèi)凈化能力影響。可見(jiàn)增加隔熱棉保溫的效果不夠明顯，正是兩次試驗(yàn)排放結(jié)果差值較小的原因。更換不同隔熱材料或者在設(shè)計(jì)中盡量縮短后處理前端排氣管長(zhǎng)度等措施是否有助于降低排放還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖7 #1（加保溫）樣車(chē)排溫與NOx 瞬時(shí)排放

比較圖5 和圖6 排氣溫度，市區(qū)工況下#2 樣車(chē)比#1 樣車(chē)平均排氣溫度高20℃左右，#2 樣車(chē)市區(qū)排氣溫度已接近SCR最佳工作溫度，但是SCR 轉(zhuǎn)化效率較低導(dǎo)致NOx 濃度還是一個(gè)較高水平。由此可見(jiàn)，四氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)由于進(jìn)排氣量增大，使燃燒更充分，從而提高了排氣溫度，有利于SCR 快速進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)兩臺(tái)國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)貨車(chē)的兩組PEMS 試驗(yàn)，對(duì)三次試驗(yàn)的排氣污染物NOx 進(jìn)行采樣分析，得出以下結(jié)論：

（1）國(guó)五排放實(shí)際道路法的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)主要集中在中高轉(zhuǎn)速，本文三次試驗(yàn)的實(shí)際道路運(yùn)行工況以及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況基本相同，具有良好的工況相關(guān)性。

（2）排氣溫度對(duì)NOx 排放的影響較大，排溫與NOx 排放成負(fù)相關(guān)。主要表現(xiàn)為隨著排氣溫度升高，SCR 的催化效率逐漸增大，當(dāng)排氣溫度在250℃-500℃時(shí)，SCR 具有最佳催化效率，能夠有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的氮氧化合物。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排放具有直接影響，四氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)由于比兩氣門(mén)發(fā)動(dòng)機(jī)具有更好的進(jìn)排氣性能以及缸內(nèi)混合氣更充分，使缸內(nèi)燃燒更充分，從而降低碳?xì)浠衔锛癈O 的排放；另外有利于提升排氣溫度，使SCR更快進(jìn)入催化轉(zhuǎn)化狀態(tài)而降低氮氧化合物濃度。

（4）后處理前端排氣管的保溫性能對(duì)NOx 排放有一定影響，單純?cè)黾颖孛薜雀魺岽胧┎荒芷鸬斤@著效果，在整車(chē)布置發(fā)動(dòng)機(jī)與后處理時(shí)應(yīng)該考慮縮短該段距離或用更有效的隔熱保溫方式進(jìn)行保溫處理。