基于簡易瞬態(tài)工況法的在用汽油車排放特性試驗(yàn)研究

高冬冬，羅馬吉，劉成

(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)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車保有量與日俱增，汽車作為一種移動(dòng)污染源，排出的有害氣體不僅影響著人類的生存環(huán)境，同時(shí)也給人們的生活健康帶來了危害。2019年中國環(huán)境保護(hù)部發(fā)布[1]的《中國機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)》表明，全國機(jī)動(dòng)車CO、HC、NOx和PM的污染物排放總量初步核算達(dá)到4 065.3萬t，其中，CO排放3 089.4萬t，HC排放368.8萬t，NOx排放562.9萬t，PM排放44.2萬t。汽車是機(jī)動(dòng)車大氣排放污染物的首要承擔(dān)者，為此我國制定了一系列環(huán)保法規(guī)，限制在用輕型汽油車有害污染物的排放，如2019年5月1日起施行的GB 18285—2018[2]《汽油車污染物排放限值及測量方法(雙怠速法及簡易工況法)》。

關(guān)于在用輕型汽油車排放控制技術(shù)，國內(nèi)外研究人員和科研單位展開了一系列的研究工作。吳燁等[3]研究了自20世紀(jì)80年代以來國內(nèi)制定的綜合排放控制政策和措施，包括實(shí)施新車排放標(biāo)準(zhǔn)、在用車檢查和維護(hù)(I/M制度)、提高燃料質(zhì)量[4]、促進(jìn)可持續(xù)交通和替代燃料車輛[5]以及交通管理[6]等方面[7]。針對(duì)在用輕型汽油車排放污染物數(shù)據(jù)收集技術(shù)，Vicente 等[8]研究表明：臺(tái)架試驗(yàn)法(實(shí)驗(yàn)室條件下利用底盤測功機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)測功機(jī)模擬車輛測試工況)是最成熟的技術(shù)，在未來幾年中，是支撐車輛排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)的主要來源。

三元催化器是在用輕型汽油車最重要的后處理裝置之一，它可以有效地控制CO、HC和NOx的排放[9]。鄭軒等[10]研究表明：未安裝三元催化器的出租車HC、CO和NOx的平均排放因子分別為0.55±0.07 g/km，8.9±0.6 g/km和2.3±0.6 g/km，而裝有三元催化器的出租車THC、CO和NOx的平均排放因子分別為0.01±0.00 g/km，0.9±0.8 g/km和 0.03±0.02 g/km，未安裝三元催化器比裝有三元催化器的出租車排放污染物顯著升高。同時(shí)文獻(xiàn)[10]還強(qiáng)調(diào)了在用車排放檢查的重要性，以排除違反法規(guī)的“高排放車輛”。

EGR技術(shù)是減少NOx排放的有效措施之一，最初用于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。但是隨著能源和環(huán)境問題的日益嚴(yán)重，EGR系統(tǒng)已與其他先進(jìn)技術(shù)一起廣泛用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)[11-13]。衛(wèi)海橋等[13]針對(duì)EGR系統(tǒng)在汽油機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究表明：EGR通過改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程來減少NOx排放，并有助于抑制發(fā)動(dòng)機(jī)的爆震。EGR技術(shù)可以與其他先進(jìn)技術(shù)一起減少汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗，并滿足未來更嚴(yán)格的排放法規(guī)。

2019年5月1日開始實(shí)施的GB 18285—2018排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)污染物CO、HC、NOx的排放限值大幅度下調(diào)，下調(diào)比例分別為37.5%，37.5%和46.2%。然而針對(duì)新排放標(biāo)準(zhǔn)的研究較少。本研究搭建汽車尾氣測試的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)架，以自主研發(fā)的EGR系統(tǒng)和市售三元催化器為研究對(duì)象，結(jié)合新實(shí)施的GB 18285—2018 《汽油車污染物排放限值及測量方法(雙怠速法及簡易工況法)》中簡易瞬態(tài)工況法進(jìn)行排放試驗(yàn)，并針對(duì)新的排放標(biāo)準(zhǔn)提出排放策略。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)在整車上完成，試驗(yàn)所用在用輕型汽油車為2009年1.6 L一汽大眾捷達(dá)車，試驗(yàn)車輛為前驅(qū)動(dòng)，手動(dòng)變速，四沖程，4缸，主要參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)燃料為市售92號(hào)汽油。圖1示出簡易瞬態(tài)工況下試驗(yàn)裝置示意。試驗(yàn)設(shè)備采用NHC-03A底盤測功機(jī)和排放測試系統(tǒng)；尾氣排放測量采用NHA-508氣體分析儀；氣體流量測量采用NHF-1氣體流量分析儀；廢氣再循環(huán)采用自主研制的電控EGR閥；三元催化器為市售貴金屬催化劑，目數(shù)為400 目，體積與發(fā)動(dòng)機(jī)排量的比值在1～1.5范圍。

表1 試驗(yàn)車輛主要參數(shù)

圖1 簡易瞬態(tài)工況下試驗(yàn)裝置示意

EGR系統(tǒng)中EGR閥為真空電磁閥，微處理器單元通過對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)占空比的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)EGR閥真空度的調(diào)制，裝置示意如圖2所示。真空電磁閥的開啟時(shí)間越小，則EGR閥開度就越小，反之則EGR閥開度越大[14]。通過調(diào)節(jié)EGR閥門開度，使進(jìn)入缸內(nèi)的廢氣濃度隨閥門的開度變化而變化。

圖2 EGR系統(tǒng)裝置示意

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)基于簡易瞬態(tài)工況法，原理是通過底盤測功機(jī)模擬車輛道路行駛工況，將被檢車輛按照運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)(見圖3)進(jìn)行怠速、加速、等速和減速等15種運(yùn)行工況行駛，測試有效行駛時(shí)間為195 s，循環(huán)理論行駛距離為1.013 km。簡易瞬態(tài)工況下排放污染物測量值計(jì)算主要分為單位時(shí)間排放質(zhì)量和比排放量。

單位時(shí)間排放質(zhì)量(g/s)=濃度×密度×排氣量，

(1)

(2)

圖3 簡易瞬態(tài)工況運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)

試驗(yàn)選用EGR閥開度為0%，2%，5%，8%，10%，15%六組不同開度。在加裝三元催化器(編號(hào)為TWC1、TWC2、TWC3、TWC4、TWC5、TWC6)以及無三元催化器情況下進(jìn)行排放特性測試，根據(jù)市場應(yīng)用效果三元催化器分為高、中、低三個(gè)質(zhì)量等級(jí)：質(zhì)量等級(jí)高是指由市場反饋信譽(yù)良好廠家生產(chǎn)的三元催化器(TWC1、TWC5)；質(zhì)量等級(jí)中是指各不同地區(qū)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的三元催化器(TWC2、TWC3、TWC4)；質(zhì)量等級(jí)低是指由IM站提供的通過“作弊手段”已過檢的舊三元催化器(TWC6)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 EGR系統(tǒng)對(duì)排放的影響

圖4示出捷達(dá)車簡易瞬態(tài)工況下原排(無三元催化器)測試數(shù)據(jù)。排放污染物總趨勢是隨著EGR閥開度的增加，NOx排放明顯下降，CO和HC排放從保持不變到略有上升。同時(shí)可以看出，有害排放污染物排放曲線基本上反映了發(fā)動(dòng)機(jī)工況的變化。

圖4 簡易瞬態(tài)工況下EGR對(duì)試驗(yàn)車輛排放測試結(jié)果的影響

由圖4a可知：當(dāng)EGR閥關(guān)閉時(shí)，NOx排放在加速、等速和減速工況下有較大的排放值，最大峰值在3擋等速階段。因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)是在全負(fù)荷條件下工作，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒條件較好，為NOx的生成提供了條件。當(dāng)EGR閥開度為2%和5%時(shí)，NOx排放未有明顯變化，由于EGR閥開度較小，引入的廢氣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃料燃燒的最高溫度影響不明顯。當(dāng)EGR閥開度在8%～15%范圍時(shí)，2擋、3擋加速和3擋等速階段NOx排放均出現(xiàn)大幅度降低。此時(shí)由于EGR閥開度進(jìn)一步增加，使得引入缸內(nèi)廢氣中的CO2量也逐漸增加，從而抑制了NOx富氧、高溫的生成條件。

由圖4b和4c可知：當(dāng)EGR閥關(guān)閉時(shí)，CO和HC排放在加速和減速工況下形成波峰，EGR閥打開時(shí)在160～195 s范圍內(nèi)也出現(xiàn)波峰，這是因?yàn)槠囘\(yùn)行過程中等速、換擋、減速、離合器脫開和怠速等多個(gè)工況相互轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)出現(xiàn)不穩(wěn)定燃燒以及未燃燒燃料的增加，從而促使CO和HC排放的生成，數(shù)據(jù)波峰出現(xiàn)。隨著EGR閥開度的增加，CO和HC排放從保持不變到稍有增加，EGR閥開度為15%時(shí)CO和HC排放急劇增加。原因是隨著EGR閥開度增加，引入的廢氣量也同時(shí)增加，從而為CO和HC的生成提供了便利條件。

2.2 三元催化器對(duì)排放的影響

安裝三元催化器后試驗(yàn)車輛在簡易瞬態(tài)工況下排放測試過程數(shù)據(jù)如圖5所示。由圖5可知：在未安裝三元催化器和安裝舊三元催化器時(shí)，試驗(yàn)車輛排放有害污染物中CO、HC和NOx在加速和減速工況中均出現(xiàn)急劇升高的波峰，此時(shí)舊三元催化器的催化轉(zhuǎn)化效果極低。當(dāng)選擇安裝TWC1時(shí)，排放污染物中CO、HC和NOx出現(xiàn)明顯降低，其中CO排放質(zhì)量僅稍高于0 mg，催化轉(zhuǎn)化效果極其明顯。同時(shí)HC和NOx排放也出現(xiàn)明顯下降。當(dāng)選擇安裝TWC2、TWC3、TWC4、TWC5時(shí)，有害排放污染物均為試驗(yàn)三元催化器裝置中的最低排放，催化轉(zhuǎn)化效果明顯，但存在著NOx排放接近排放限值情況。

圖5 簡易瞬態(tài)工況下TWC對(duì)試驗(yàn)車輛排放測試結(jié)果的影響

根據(jù)式(1)和式(2)計(jì)算得到試驗(yàn)車輛安裝舊三元催化器時(shí)CO、HC和NOx的排放量，分別為5.89 g/km，0.51 g/km和2.82 g/km，其中NOx排放量高于排放限值a中 NOx限值(1.3 g/km)，排放不合格。原排條件下CO、HC和NOx的排放量分別為8.18 g/km，0.7 g/km和3.01 g/km，其中CO和NOx的排放量高于排放限值a中CO限值(8 g/km)和NOx限值(1.3 g/km)，導(dǎo)致檢測不合格。

2.3 三元催化器結(jié)合EGR系統(tǒng)的排放特性

由2.1節(jié)可知，隨著EGR閥開度增加，在用輕型汽油車排放污染物中NOx排放明顯降低，但污染物中CO和HC的排放從保持不變到略有提升。由2.2節(jié)可知，三元催化器對(duì)在用輕型汽油車排放污染物具有顯著的凈化作用，但存在污染物中NOx排放超標(biāo)的情況，而且文獻(xiàn)[15-17]均表明在用輕型汽油車排放檢測中污染物NOx排放超標(biāo)車輛居多。為了使在用輕型汽油車排放污染物達(dá)到國家限值標(biāo)準(zhǔn)，改善大氣環(huán)境，在在用輕型汽油車上同時(shí)安裝三元催化器(TWC1～TWC5)和EGR系統(tǒng)進(jìn)行排放試驗(yàn)。

由圖6a可知：當(dāng)EGR閥開度為2%時(shí)，NOx排放下降明顯，其中安裝TWC1的NOx排放從1.46 g/km下降至1.21 g/km，符合標(biāo)準(zhǔn)限值a的排放要求。當(dāng)EGR閥開度為8%時(shí)，試驗(yàn)車輛污染物中NOx排放全部符合限值a的排放標(biāo)準(zhǔn)，隨著EGR閥開度增大，捷達(dá)車排放污染物中NOx排放出現(xiàn)低于排放限值b(0.7 g/km)的情況，此時(shí)TWC5的催化轉(zhuǎn)化效果最為明顯。

由圖6b可知：EGR閥開度在2%～10%范圍內(nèi)，CO排放總體緩慢升高，這是因?yàn)镋GR閥引入的廢氣為CO的生成提供了條件，但此時(shí)引入的廢氣量并不大，從而數(shù)值波動(dòng)不大。當(dāng)EGR閥開度為15%時(shí)，引入的廢氣量較大，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的最高燃燒溫度，燃料不完全燃燒增多，從而污染物中CO排放上升。

由圖6c可知：HC排放整體趨勢和CO排放類似，在EGR閥開度2%～10%范圍內(nèi)，HC排放略有上升，EGR閥開度為15%時(shí)，HC排放明顯升高。但在EGR閥開啟過程中，HC排放始終沒有超過限值b(1.0 g/km)的要求。

圖6 簡易瞬態(tài)工況下TWC+EGR對(duì)試驗(yàn)車輛排放測試結(jié)果的影響

由以上分析可知：在用輕型汽油車安裝三元催化器(TWC1～TWC5)和EGR系統(tǒng)時(shí)，有害污染物中CO、HC和NOx排放均有所降低。尤其EGR閥開度在2%～10%范圍內(nèi)時(shí)，隨著EGR閥開度增大，NOx排放明顯減低，CO和HC排放略有上升的負(fù)面效果被三元催化器凈化效果所抵消。結(jié)合2.1節(jié)、2.2節(jié)內(nèi)容可以得出：治理CO、HC和NOx排放超標(biāo)的在用輕型汽油車時(shí)應(yīng)首先選擇更換三元催化器。若NOx排放超標(biāo)嚴(yán)重，則可以選擇安裝EGR系統(tǒng)進(jìn)行減排。

3 結(jié)論

a) 安裝EGR系統(tǒng)時(shí)，隨著EGR閥開度增加，NOx排放量顯著降低，CO和HC排放量從保持不變到稍有升高；在EGR閥開度為15%時(shí)，NOx排放降低最為明顯，并符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)，但CO和HC排放上升明顯；

b) 三元催化器對(duì)降低污染物的排放有明顯的效果，CO、HC和 NOx排放量均大幅度下降，但還存在NOx排放超標(biāo)情況；

c) 在用輕型汽油車安裝三元催化器并結(jié)合EGR系統(tǒng)時(shí)，有害排放污染物明顯下降，解決了僅采用更換三元催化器方案時(shí)依然存在的NOx排放超標(biāo)問題。