基于不同測量原理的柴油機氮氧化物排放測量結(jié)果對比研究

黃志強，鄭建，毛賽龍，周銳，黃強煒

(上海機動車檢測認證技術(shù)研究中心有限公司，上海 201805)

0 引言

機動車排氣污染物已成為環(huán)境空氣污染的重要源頭，2019年，全國汽車一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、顆粒物(PM)排放量分別為694.3萬噸、171.2萬噸、622.2萬噸、6.9萬噸。其中，柴油車排放的氮氧化物(NOx)占汽車排放總量的80%以上[1]。自2021年7月1日起，所有生產(chǎn)、進口、銷售和注冊登記的重型柴油車應(yīng)符合《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[2]，為滿足國Ⅵ排放標準，生產(chǎn)廠家一般會采用DOC+DPF+SCR三種組合后處理技術(shù)路線。因此在發(fā)動機樣機開發(fā)階段，生產(chǎn)廠家會使用雙通道測量氮氧化物，即同時測量選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction，以下簡稱 SCR)前端和后端氮氧化物體積濃度來計算SCR轉(zhuǎn)化效率。由于目前沒有雙通道測量氮氧化物設(shè)備，實驗室提出使用基于電化學(xué)法原理的氮氧化物(Nitrogen Oxide，以下簡稱NOx)傳感器或基于非分散紫外吸收法(Non-Dispersive Ultra-Violet，以下簡稱NDUV)原理車載排放設(shè)備分別同時進行測量。因此在試驗前需要分析對比基于電化學(xué)法NOx傳感器和NDUV法原理設(shè)備的穩(wěn)定性和響應(yīng)性。研究在化學(xué)發(fā)光法(Chemiluminescent Detector，以下簡稱CLD)原理設(shè)備缺少的情況下，電化學(xué)法和NDUV法是否可替代CLD法分析對比。為了驗證電化學(xué)法NOx傳感器和NDUV法原理的AVL 493D GAS PEMS IX車載排放設(shè)備的穩(wěn)定性和響應(yīng)性，對某款柴油機進行10個穩(wěn)態(tài)點和GB17691—2018標準要求的世界統(tǒng)一的瞬態(tài)循環(huán)(World Harmonized Transient Cycle，以下簡稱WHTC)排放試驗。使用Continental生產(chǎn)的型號為5WK96614的NOx傳感器、基于CLD法的HORIBA MEXA-1600DSEGR設(shè)備以及車載排放設(shè)備同時測量排氣中NOx體積濃度。

1 NOx測量原理

1.1 電化學(xué)法測量原理

NOx傳感器主要由第一測量室、第二測量室二個室和由主泵、輔助泵、測量泵三個泵組成，測量原理如圖1所示。由圖1可知：(1)排氣污染物吸入到NOx傳感器第一測量室，通過主泵將排氣污染物中的O2泵出，阻止化學(xué)反應(yīng)NOx-N2+O2的進行，相當(dāng)于對排氣污染物進行除氧處理，同時HC、CO、H2在鉑(Pt)材料上被氧化；(2)NOx排氣污染物在第二測量室中，在輔助泵的作用下，將NOx轉(zhuǎn)化為N2和O2，等同于對NOx進行還原反應(yīng)；(3)根據(jù)第二測量室中NOx還原反應(yīng)后生成的O2含量，反推計算出排氣污染物中NOx的含量[3]。

圖1 電化學(xué)法測量原理

1.2 CLD法測量原理

CLD法檢測NOx的工作原理是當(dāng)被測排氣污染物先經(jīng)過除濕干燥器再經(jīng)過二氧化氮NO2轉(zhuǎn)化為一氧化氮NO轉(zhuǎn)化器時，排氣污染物中的NO2被轉(zhuǎn)換為NO，排氣污染物中的NO和由NO2轉(zhuǎn)化而來NO同時進入由臭氧發(fā)生器產(chǎn)生O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的NO2*。激發(fā)態(tài)的NO2*分子在躍進到基態(tài)而趨于穩(wěn)定的同時，會發(fā)射波長范圍為600～2 500 nm的光子(hv)，即紅外譜線，是連續(xù)光譜，峰值波長1 200 nm[4]。CLD法測量原理如圖2所示。

圖2 CLD法測量結(jié)構(gòu)圖

(1)

(2)

1.3 NDUV法測量原理

NDUV法測定NOx濃度，按照朗-伯爾定律， NDUV法分析儀采用紫外探測器，通過一個鍍有Ultra-Violet (UV)增透膜的準直透鏡，產(chǎn)生了平行光束。再使用分光鏡將光束分成兩束，一束進入?yún)⒖悸窂?，一束進入測量路徑。測量氣室可以根據(jù)氣體濃度的多少，選擇5 cm～25 cm的多次反射池或者單通池。在測量氣室的另外一端，使用鍍有UV增透膜的聚光透鏡，將測量光束聚集在UV光電二極管上，從而最終轉(zhuǎn)換成測量電壓。根據(jù)朗伯-比爾定律，最終計算出氣體濃度。非分散紫外吸收法測量基本激光如圖3所示。

圖3 NDUV法測量結(jié)構(gòu)圖

2 試驗方案及裝置

2.1 試驗方案

在發(fā)動機裝配到整車時，發(fā)動機運行工況點基本在低負荷和中等負荷，因此選用了圖4中的10個工況點。瞬態(tài)工況選取GB17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》標準中的瞬態(tài)WHTC循環(huán)。運行10個穩(wěn)態(tài)低負荷和中等負荷試驗工況，每個工況運行5 min，記錄最后1 min的平均值作為試驗結(jié)果，每個試驗工況測量3次，試驗工況分布如圖4所示。試驗工況以數(shù)字代號作為標記。

圖4 試驗工況

測試系統(tǒng)如圖5所示，發(fā)動機與測功機通過聯(lián)軸器進行連接，在排氣管的同一圓周上同時布置車載排氣污染物分析儀AVL 493D GAS PEMS IX、直采分析儀MEXA-1600DSEGR、NOx傳感器三個采樣探頭。車載排氣污染物分析儀和直采分析儀通過Modbus與上位機通訊，實時獲得NOx體積濃度；NOx傳感器通過CAN通訊解析器與上位機通訊，實時獲得O2和NOx體積濃度。

圖5 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 試驗裝置

試驗用柴油機見表1，相關(guān)設(shè)備信息見表2。

表1 發(fā)動機主要參數(shù)

表2 測試設(shè)備信息

3 試驗結(jié)果

3.1 三種測量設(shè)備重復(fù)性結(jié)果

穩(wěn)態(tài)測量試驗的3次NOx測量結(jié)果及標準差如圖6所示。試驗過程中每種排放設(shè)備對同一穩(wěn)態(tài)工況點連續(xù)測量3次，計算其3次測量結(jié)果的一致性和標準偏差。試驗結(jié)果表明，基于電化學(xué)法原理的NOx傳感器標準偏差最大為1.6，最小為0.4；CLD法標準偏差最大為0.9，最小為0.2；NDUV法標準偏差最大為1.4，最小為0.1。3種設(shè)備穩(wěn)態(tài)工況時測量結(jié)果重復(fù)性較好。

圖6 穩(wěn)態(tài)3次氮氧化物測量結(jié)果及標準差

3.2 三種測量設(shè)備的測量結(jié)果對比

依據(jù)GB17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》標準中對NOx分析儀的技術(shù)要求，NOx測量共有兩種認可的測量儀器。當(dāng)采用其他測量方法時，比如非分散紫外吸收法，主要以CLD法[2]作為基準。因此，3種測量NOx原理的對比以CLD法獲得試驗數(shù)據(jù)作為基準。

3.2.1 穩(wěn)態(tài)工況點比對測試結(jié)果

3種測量設(shè)備的10個穩(wěn)態(tài)試驗工況下排氣污染物中的NOx濃度測量結(jié)果如圖7所示，以CLD法為基準的另外2種設(shè)備測量結(jié)果偏差見圖8。從圖7、圖8可知，以CLD法為測量基準，電化學(xué)法與CLD法對比最大偏差為-3.9%，最小偏差為-0.4%。在低濃度測量時，電化學(xué)法與CLD法偏差較大；在高濃度測量時，電化學(xué)法與CLD法偏差較??；NDUV法與CLD法對比最大偏差為1.4%，最小偏差為0.1%。因此在進行穩(wěn)態(tài)試驗時，如果實驗室無雙通道測量NOx，可以使用電化學(xué)法或非分散紫外吸收法在SCR前端測量原排氮氧化物。

圖8 電化學(xué)法和NDUV法與CLD法對比偏差

3.2.2 瞬態(tài)排放比對結(jié)果

圖9為基于3種NOx測量原理的排放測試設(shè)備在柴油機運行WHTC循環(huán)的瞬態(tài)NOx測量結(jié)果對比情況。試驗結(jié)果表明，電化學(xué)法原理測量的氮氧化物相對于化學(xué)發(fā)光法響應(yīng)較慢，導(dǎo)致在剛開始測量時數(shù)值偏低。在大負荷向小負荷工況過渡時，由于響應(yīng)慢而出現(xiàn)測量數(shù)值仍然維持在一個較高水平的情況；非分散紫外吸收法響應(yīng)基本與化學(xué)發(fā)光法一致。因此在進行瞬態(tài)試驗時，如果實驗室無雙通道測量氮氧化物，可以使用NDUV法和CLD法同時在SCR前端和后端測量氮氧化物濃度，不建議使用電化學(xué)法。

圖9 三種設(shè)備WHTC循環(huán)NOx結(jié)果對比

3.3 小結(jié)

在對柴油機的穩(wěn)態(tài)工況以及瞬態(tài)WHTC的NOx排放試驗結(jié)果中可以看出，采用NDUV法原理來測量NOx濃度與采用CLD法原理測量結(jié)果非常接近，而電化學(xué)法在測量低濃度NOx時有一定誤差，且在瞬態(tài)響應(yīng)性方面略有不足，3種測量原理的優(yōu)劣勢對比見表3。

表3 三種設(shè)備優(yōu)劣勢對比

4 結(jié)論

通過分析比對基于3種不同測量原理的NOx測量設(shè)備的測量結(jié)果得出以下結(jié)論。

(1)3種設(shè)備穩(wěn)態(tài)工況時測量結(jié)果一致性較好。

(2)在進行瞬態(tài)循環(huán)試驗，在低濃度NOx條件下，電化學(xué)法與CLD法測量值偏差較大；在進行瞬態(tài)試驗時，電化學(xué)法測量NOx的響應(yīng)較慢，NDUV法響應(yīng)基本上與CLD法一致。以CLD法測量結(jié)果為基準，在瞬態(tài)測量結(jié)果中，NDUV法的響應(yīng)性和準確性優(yōu)于電化學(xué)法測量結(jié)果。

(3)當(dāng)實驗室無雙通道測量氮氧化物時，可以使用NDUV法在SCR前端測量原排氮氧化物。從成本以及設(shè)備制造的角度考慮，在進行穩(wěn)態(tài)試驗時，可以優(yōu)先考慮電化學(xué)法進行測量。

試驗過程在常溫環(huán)境下進行對比研究，并未在低溫或濕度較大的環(huán)境下進行相關(guān)研究，環(huán)境溫度和濕度對3種不同測量原理的NOx測量設(shè)備的影響可作為后續(xù)研究內(nèi)容。