高海拔地區(qū)載荷對(duì)重型柴油車NOx排放的影響

張 寧 任振彬 郭長(zhǎng)春

(陜西重型汽車有限公司)

0 前言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展,能源需求不斷增大,運(yùn)輸業(yè)貨運(yùn)量激增,由此帶來的環(huán)境問題也日趨嚴(yán)重；因此，降低汽車在運(yùn)行過程中排放的污染物對(duì)保護(hù)大氣環(huán)境相當(dāng)重要。高原地區(qū)十分廣闊，海拔高度超過1000 m的地區(qū)占國(guó)土面積的58%以上，海拔高度超過2000 m的地區(qū)占國(guó)土面積的33%以上。汽車在不同載荷下不僅需滿足平原地區(qū)排放要求，也應(yīng)滿足高海拔地區(qū)排放要求。由于國(guó)Ⅵ階段，對(duì)重型柴油車的NOx排放更難以控制，因此研發(fā)對(duì)象以降低NOx排放為工作重點(diǎn)。

本文主要利用車載排放系統(tǒng)，在高海拔為法規(guī)要求上限的地方開展整車NOx排放試驗(yàn)；試驗(yàn)時(shí)選擇同一車型，保持試驗(yàn)環(huán)境、測(cè)試人員、車輛載荷以及行駛路線均不變，最大限度地降低其他因素對(duì)NOx排放結(jié)果的影響，研究高海拔地區(qū)不同載荷下整車NOx排放量。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)樣車

試驗(yàn)樣車為半掛牽引車(如圖1，如表1)。試驗(yàn)前確認(rèn)車輛狀態(tài)，確保滿足試驗(yàn)要求。此次對(duì)比試驗(yàn)中，分別以最低載荷和最高載荷進(jìn)行整車PEMS試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，保持車輛運(yùn)行工況、行駛路線不變，為了更大程度消除2種載荷下的試驗(yàn)差別，2次試驗(yàn)使用同一駕駛員，環(huán)境溫度差異在±2 ℃以內(nèi)。

表1 車輛基本信息

圖1 試驗(yàn)樣車

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用美國(guó)SENSORS公司的SEMTECH車載氣體排放測(cè)量系統(tǒng)。該設(shè)備主要有SCS(主控單元)模塊、GAS(氣體分析)模塊、CPN(凝結(jié)核顆粒物計(jì)數(shù)器)模塊、FID(火焰離子化分析儀)模塊及其他附件。

1.3 試驗(yàn)路線的選擇

此次高原地區(qū)PEMS試驗(yàn)，在青海省西寧市地區(qū)進(jìn)行，由大堡子鎮(zhèn)出發(fā)，經(jīng)由柴達(dá)木路到西寧南繞城高速東行，至曹家堡機(jī)場(chǎng)出口處掉頭往返行駛至西寧北繞城。如果試驗(yàn)過程累積里程不夠，在此路段內(nèi)往返行駛直至試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過程中合理選擇工況分布，使車輛運(yùn)行工況滿足市區(qū)、市郊和高速的試驗(yàn)條件。

各種工況道路行駛分布組成依次為：20%市區(qū)工況、25%市郊工況、55%高速工況。各種工況的分布偏差為±5%以內(nèi)。

市區(qū)工況：車輛平均速度在15～30 km/h；

市郊工況：車輛平均速度在45～70 km/h；

高速工況：車輛平均速度在70 km/h以上。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)路線海拔分布

試驗(yàn)過程中，利用GPS對(duì)試驗(yàn)路段的海拔高度進(jìn)行記錄；試驗(yàn)路線中，最低點(diǎn)海拔為2186 m，最高點(diǎn)海拔為2464 m，平均海拔高度2337 m，滿足法規(guī)要求≤2400 m，符合此次高海拔地區(qū)載荷對(duì)排放影響的測(cè)試條件。

2.2 試驗(yàn)過程

進(jìn)行PEMS試驗(yàn)時(shí)，在車輛啟動(dòng)之前開始采樣；試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量各種排氣污染物的排放值，并記錄發(fā)動(dòng)機(jī)以及環(huán)境參數(shù)。根據(jù)法規(guī)要求，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液溫度在70 ℃以上，或當(dāng)冷卻液的溫度在5 min內(nèi)的變化＜2 ℃時(shí)，測(cè)試正式開始。

在試驗(yàn)過程中，持續(xù)進(jìn)行排氣污染物的取樣和測(cè)量(排氣參數(shù))，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)和環(huán)境數(shù)據(jù)。因行駛需要，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)停車或重新啟動(dòng)等現(xiàn)象時(shí)，排氣取樣應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。試驗(yàn)過程中注意觀察各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正常；試驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)采集完畢后，將設(shè)備暫停，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察分析，確保此次試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布合理，可用于分析計(jì)算。

2.3 PEMS試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

樣車在進(jìn)行空載PEMS試驗(yàn)時(shí)，總質(zhì)量為16 t，累積運(yùn)行時(shí)間為9616 s，其中：市區(qū)工況占比19.7%，市郊工況占比25.3%，高速工況占比55%，滿足PEMS試驗(yàn)時(shí)的工況分布要求。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，按照功基窗口法進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得知，在空載狀態(tài)下，NOx比排放為0.242 g/kWh。由排放濃度示意圖(圖2)可知，在試驗(yàn)開始階段，行駛市區(qū)工況，加減速較為頻繁，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化較大，NOx瞬態(tài)排放值也較大；當(dāng)進(jìn)入市郊工況以后，車速保持較為穩(wěn)定，NOx瞬態(tài)排放值減少，僅有幾處較高，繼續(xù)對(duì)比NOx濃度與車輛其他狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)：在試驗(yàn)過程中，NOx排放值最高處分別對(duì)應(yīng)后處理排氣口溫度最高處和最低處，如圖3所示。

圖2 空載狀態(tài)NOx濃度、車速和轉(zhuǎn)速時(shí)域圖

圖3 空載狀態(tài)排溫與排放示意圖

出現(xiàn)此情況符合NOx轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度的關(guān)系(圖4)。經(jīng)對(duì)比分析，NOx轉(zhuǎn)化效率最高時(shí)溫度為300～350 ℃。當(dāng)排氣溫度大于350 ℃時(shí)，NOx轉(zhuǎn)化效率隨著排氣溫度的升高而降低，造成排放值較大。樣車NOx排放曲線與溫度曲線相吻合，符合NOx轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度的關(guān)系。

圖4 NOx轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度關(guān)系圖

空載試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)樣車加載，使總質(zhì)量至46 t。按照同一方法繼續(xù)試驗(yàn)，在進(jìn)行滿載PEMS試驗(yàn)時(shí)，累積運(yùn)行時(shí)間為6338 s，市區(qū)工況占比22.8%，市郊工況占比25.1%，高速工況占比52.1%，滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)過程見圖5。

圖5 樣車滿載狀態(tài)下NOx濃度、車速和轉(zhuǎn)速時(shí)域圖

經(jīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得知，滿載狀態(tài)下，NOx比排放為0.762 g/kWh。繼續(xù)對(duì)比NOx濃度與排氣溫度關(guān)系，如圖6。當(dāng)車輛滿載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度升高，在排溫達(dá)到400 ℃以上時(shí)，排放值增加。

圖6 滿載狀態(tài)排溫與排放示意圖

經(jīng)過重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，均存在隨著車輛載荷增加，整車NOx排放量增大的情況。經(jīng)分析，在高原條件下，大氣壓力低，水的沸點(diǎn)下降，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，冷卻系統(tǒng)能力變差；同時(shí)，因?yàn)榭諝饷芏认陆?，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣散熱效率降低。由于滿載時(shí)，車輛的負(fù)荷更大，具有更高的排氣溫度，導(dǎo)致后處理系統(tǒng)內(nèi)的選擇性氧化還原反應(yīng)溫度偏高，效率降低，因此，NOx排放升高。

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)可知，在高海拔地區(qū)進(jìn)行PEMS試驗(yàn)，樣車滿載狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度明顯高于空載排氣溫度。正常行駛時(shí)，當(dāng)路面存在法規(guī)要求范圍內(nèi)坡度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度能夠超過400 ℃。

根據(jù)NOx轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度的關(guān)系，車輛滿載時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度升高明顯，直接影響到了排氣物NOx的轉(zhuǎn)化效率；因此，高海拔地區(qū)滿載時(shí)NOx排放值高于空載排放，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮滿載排放。