柴油車固體SCR系統(tǒng)運(yùn)行及NOx排放特性研究

劉明，何超，李加強(qiáng)，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(jī)因?yàn)槠浣?jīng)濟(jì)性好、扭矩大、可靠耐用等優(yōu)點(diǎn)被普遍用作重型車的動(dòng)力。同時(shí)，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(dòng)機(jī)本身壓縮著火、擴(kuò)散燃燒、總體稀燃等特點(diǎn)使得其NOx排放較高，而NOx對(duì)人類健康有損害，并會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境問題[4-6]。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)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(jìn)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及其電控系統(tǒng)功能改變小、對(duì)燃油中的硫含量不敏感等技術(shù)特點(diǎn)，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(fù)載相對(duì)較低、排氣溫度低時(shí)，尿素SCR系統(tǒng)無法正常工作，從而導(dǎo)致實(shí)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(shí)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(jiǎn)稱氨鹽)的形式儲(chǔ)存起來，并保存在密閉的容器中，加熱到 80 ℃以上時(shí)，固體氨鹽會(huì)重新把儲(chǔ)存的NH3釋放出來，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況要求，定量進(jìn)行NH3噴射控制[14]。因此固體SCR對(duì)降低柴油車NOx排放具有重要意義。

汽車尾氣監(jiān)控平臺(tái)利用通用分組無線業(yè)務(wù)技術(shù)(General Packet Radio Service，GPRS)可以實(shí)時(shí)接收并保存車輛運(yùn)行工況數(shù)據(jù)(如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、車速、油耗、排放等)，可用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)柴油機(jī)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(tái)研究裝配固體SCR系統(tǒng)柴油車的NOx排放，同時(shí)評(píng)估固體SCR系統(tǒng)在排氣溫度較低時(shí)對(duì)NOx的減排效果。

1 試驗(yàn)方法

1.1 汽車尾氣監(jiān)控平臺(tái)功能簡(jiǎn)介

汽車尾氣監(jiān)控平臺(tái)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(tái)監(jiān)測(cè)的車輛狀態(tài)參數(shù)有車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門踏板開度等，監(jiān)測(cè)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(dòng)機(jī)排氣流量等。通過該平臺(tái)可以實(shí)時(shí)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(bào)警設(shè)置、車輛管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

1.2 測(cè)試車輛

本研究采用的試驗(yàn)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(tái)下已運(yùn)行2年。試驗(yàn)車輛安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)為ISDe230 40柴油機(jī)，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(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhǔn)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(dá)到一定值后，即使增加數(shù)據(jù)量，準(zhǔn)確性也不會(huì)有很大提高[15]。本研究從監(jiān)控平臺(tái)共獲得了試驗(yàn)柴油車38天的工況有效數(shù)據(jù)1 350 343個(gè)，累計(jì)行駛里程 1 009.6 km，測(cè)量數(shù)據(jù)包括速度、加速度等重要參數(shù)。

1) 數(shù)據(jù)對(duì)正：在Excel中使用offset函數(shù)將污染物濃度、排氣流量、車速等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)齊。

2) 剔除發(fā)動(dòng)機(jī)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(cè)量值小于怠速穩(wěn)定排氣流量率20%時(shí)的數(shù)據(jù)。

3) 利用公式(1)計(jì)算得到NOx瞬時(shí)質(zhì)量排放。

(1)

式中：NOx,m為NOx瞬時(shí)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(cè)得的污染物NOx的體積分?jǐn)?shù)；Qm,x為測(cè)得的排氣質(zhì)量流量；g為相應(yīng)的污染物；x為測(cè)量值編號(hào)。

4) 基于里程的瞬時(shí)排放因子

利用公式(2)得到基于里程的瞬時(shí)排放因子。

(2)

式中：V為車速。

5) 利用算術(shù)平均法計(jì)算污染物排放因子

在步驟3)中已得到車輛的瞬時(shí)質(zhì)量污染物排放，把瞬時(shí)污染物排放進(jìn)行累加得到總的污染物排放量，然后除以車輛在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)行駛里程，即可得到污染物排放因子，計(jì)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(jì)算得到的污染物排放因子能反映車輛在試驗(yàn)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(shí)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(shí)際的排放。

6) NOx轉(zhuǎn)化效率計(jì)算

NOx轉(zhuǎn)化效率表示NOx進(jìn)入SCR前后其體積分?jǐn)?shù)的變化率，其計(jì)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?jǐn)?shù)；C(NOx)out為出口NOx的體積分?jǐn)?shù)。

7) 對(duì)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(jìn)行處理，具體分析方法見參考文獻(xiàn)[16]。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 試驗(yàn)車輛行駛特征參數(shù)與排放特征參數(shù)

計(jì)算統(tǒng)計(jì)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(gè)監(jiān)測(cè)期間，90%以上的加速度點(diǎn)在±1.5 m/s2范圍內(nèi)波動(dòng)，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(shí)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(yàn)車整體行駛速度偏低。因?yàn)榄h(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(dá)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(gè)過程中試驗(yàn)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(shí)間比例/%加速時(shí)間比例/%減速時(shí)間比例/%等速時(shí)間比例/%13.4520.735.832.211.3

由分天統(tǒng)計(jì)得到的38天排放特征參數(shù)可知：在整個(gè)38天的測(cè)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(dòng)；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(dòng)。

2.2 高速工況與低速工況NOx排放特性

用主成分分析法對(duì)38天數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到柴油車實(shí)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(shí)長(zhǎng)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(shì)。由圖可知，工況變化時(shí)NOx排放率變化明顯，怠速時(shí)NOx排放率較穩(wěn)定，柴油車加速時(shí)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(shí)會(huì)導(dǎo)致NOx排放率降低，并有一定幅度波動(dòng)。

圖3 低速工況下NOx的瞬時(shí)質(zhì)量排放

圖4 高速工況下NOx的瞬時(shí)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(shí)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(gè)速度區(qū)間的NOx排放因子和NOx轉(zhuǎn)化率進(jìn)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(gè)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(shí)際道路行駛時(shí)裝配固體SCR系統(tǒng)的柴油車在較低速度時(shí)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(shí)排放性能。該系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)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(cè)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?yàn)樵摬裼蛙囋诘缆飞闲旭倳r(shí)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(gè)區(qū)間，對(duì)每個(gè)區(qū)間的轉(zhuǎn)化率求平均值代表實(shí)際轉(zhuǎn)化率，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)NOx轉(zhuǎn)化率高于30%，排氣溫度∈[150 ℃，200 ℃)時(shí)NOx轉(zhuǎn)化率高于45%，當(dāng)排氣溫度∈[200 ℃，250 ℃)時(shí)NOx轉(zhuǎn)化率高于75%，排氣溫度∈[250 ℃，300 ℃)時(shí)NOx轉(zhuǎn)化率高于85%，排氣溫度高于300 ℃時(shí)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(qiáng)[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(shì)。即當(dāng)溫度小于350 ℃時(shí)，隨溫度的上升轉(zhuǎn)化率增加；當(dāng)排氣溫度在360 ℃左右時(shí)，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(shí),轉(zhuǎn)化率高于80%；當(dāng)排氣溫度為150 ℃時(shí)，轉(zhuǎn)化率低于20%。由此可知，較高的排氣溫度對(duì)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(shí)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(shí)尿素基本完全分解，此時(shí)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(shí)，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(shí)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(tái)能方便快捷地獲得不同道路類型、不同時(shí)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(shí)際道路長(zhǎng)期行駛時(shí)NOx排放特性；

b) 實(shí)際道路交通條件與行駛工況變化對(duì)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(yùn)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(shí)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。