國(guó)六重型柴油車(chē)NH3排放特征分析

張靳杰，徐 達(dá)，李 鑫，田健維，胡克容，楊 聰

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司，湖北 武漢 430056）

氨是一種無(wú)色有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體，易損傷人體的黏膜、呼吸道等組織器官[1]。氨等氣態(tài)物質(zhì)，在空氣中進(jìn)行二次化學(xué)反應(yīng)，生成二次無(wú)機(jī)離子，進(jìn)而生成顆粒物，影響空氣質(zhì)量[2]?！笆濉鄙鷳B(tài)環(huán)境規(guī)劃中對(duì)大氣氨排放的控制提出了要求，各地也積極響應(yīng)開(kāi)展氨排放清單及特征的研究。相關(guān)研究表明，農(nóng)業(yè)源是氨排放的最大來(lái)源[3]，但是隨著城市化進(jìn)程的加快，城市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的增多，機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)生的氨的貢獻(xiàn)呈明顯上漲趨勢(shì)[4-5]。隨著國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，重型柴油車(chē)為了抑制NOX的排放，加裝了選擇性催化還原技術(shù)（Selective Catalytic Reduction, SCR）系統(tǒng)，這也成了重型柴油車(chē) NH3排放的來(lái)源。對(duì)于重型車(chē)NH3排放的大部分研究都集中于重型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)[6-8]，對(duì)于重型整車(chē)的NH3排放研究較少。本文選取了一輛國(guó)六重型柴油車(chē)，在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，研究重型柴油車(chē)的NH3排放特征。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)樣車(chē)和設(shè)備

選取了一臺(tái)重型國(guó)六柴油車(chē)，在轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行等速和C-WTVC工況的試驗(yàn)，試驗(yàn)樣車(chē)的基本信息如表 1所示。試驗(yàn)過(guò)程中使用底盤(pán)測(cè)功機(jī)模擬車(chē)輛實(shí)際行駛的阻力；使用 PEMS測(cè)量排氣流量和氣態(tài)污染物（CO、CO2、NOX），并且連接車(chē)載自動(dòng)診斷系統(tǒng)（On Board Diagnostics, OBD）接口讀取車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)信息，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、水溫等參數(shù)；使用FTIR測(cè)量尾氣中NH3和NOX的排放。設(shè)備的安裝連接示意圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備連接示意圖

表1 試驗(yàn)車(chē)輛基本信息

試驗(yàn)從冷啟動(dòng)階段開(kāi)始，先進(jìn)行速度分別為10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h的等速工況試驗(yàn)，每個(gè)速度點(diǎn)持續(xù)時(shí)間為 5 min。緊接著進(jìn)行C-WTVC工況試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中按照1 Hz的頻率對(duì)排氣流量、發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)、NOX和NH3的排放濃度進(jìn)行采集。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)齊

由于PEMS和FTIR設(shè)備是分別單獨(dú)記錄數(shù)據(jù)的，需要對(duì)兩個(gè)設(shè)備采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊 PEMS和 FTIR設(shè)備均能測(cè)量 NOX的瞬時(shí)排放濃度，故選擇NOX的測(cè)量結(jié)果作為兩個(gè)設(shè)備測(cè)得數(shù)據(jù)對(duì)齊的依據(jù)。在正式試驗(yàn)開(kāi)始前，進(jìn)行一個(gè)預(yù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證PEMS設(shè)備和FTIR設(shè)備N(xiāo)OX測(cè)量的相關(guān)性。圖2和表2為NOX測(cè)量的相關(guān)性結(jié)果。

圖2 FTIR和PEMS設(shè)備測(cè)量NOx的相關(guān)性

表2 FTIR和PEMS設(shè)備測(cè)量NOx的相關(guān)性結(jié)果

由圖2和表2可以看出，F(xiàn)TIR和PEMS設(shè)備測(cè)量NOX的相關(guān)性很好，可以使用NOX濃度作為數(shù)據(jù)對(duì)齊的依據(jù)。

2 數(shù)據(jù)分析與討論

2.1 等速工況下氨排放特征

圖3為等速工況下各個(gè)速度段下的瞬時(shí)排放濃度。由圖可以看出，在等速10 km/h的工況中，氨排放濃度一直為0，是因?yàn)檐?chē)輛在常溫冷啟動(dòng)狀態(tài)下開(kāi)始試驗(yàn)，此時(shí)車(chē)輛排溫較低，SCR反應(yīng)器沒(méi)有被激活，尿素完全不噴射，沒(méi)有氨產(chǎn)生。在除了10 km/h的其他等速工況內(nèi)，氨的瞬時(shí)排放值表現(xiàn)出相同的排放趨勢(shì)，在工況開(kāi)始的前一段時(shí)間，氨排放迅速出現(xiàn)一個(gè)峰值，之后排放濃度緩慢下降。這說(shuō)明每次速度的提升，有更多的 NH3發(fā)生泄漏，SCR系統(tǒng)噴射了更多的尿素，而達(dá)到反應(yīng)平衡后，NH3的泄漏逐漸減少。

圖3 等速工況下氨排放濃度

圖4是等速工況下氨平均排放濃度和NOX平均排放濃度。由圖可以看出，平均氨排放濃度最高的是在等速30 km/h工況下，為24.36 ppm，最低的為等速10 km/h的工況下，氨排放為0，隨著速度的增大，呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化趨勢(shì)，在70 km/h的工況下達(dá)到次低的5.60 ppm。而NOX的平均濃度變化趨勢(shì)是隨著速度的增大先減小后增大。在低速階段，由于SCR系統(tǒng)沒(méi)有工作，NOX排放濃度高達(dá)213.20 ppm，之后隨著SCR系統(tǒng)開(kāi)始工作，NOX排放濃度迅速下降到10 ppm以下，最低平均濃度為60 km/h工況下的1.15 ppm。在70 km/h和80 km/h的工況下，NOX的平均排放濃度又有所上升。

圖4 等速工況下氨和NOx的平均排放

2.2 C-WTVC工況下氨排放特征

圖5為C-WTVC工況下氨的瞬時(shí)排放濃度。由圖可以看出，市區(qū)和市郊階段的氨排放濃度相對(duì)較低，基本都在20 ppm以下，氨排放濃度隨著速度的增減有明顯的變化，在急加速后出現(xiàn)明顯的氨濃度的上升，減速氨濃度也會(huì)明顯下降。整個(gè)C-WTVC工況中氨濃度峰值出現(xiàn)在高速階段，在高速階段剛開(kāi)始的急加速后，氨濃度迅速達(dá)到峰值，在一個(gè)小的減速后，氨濃度也隨之下降，在最后的勻速階段，氨濃度呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖5 C-WTVC工況下氨排放濃度

圖6為C-WTVC工況下氨和NOX的平均排放濃度。由圖可以看出，從市區(qū)到高速，氨排放濃度是呈現(xiàn)上漲的趨勢(shì)，市區(qū)和市郊的平均排放濃度相差不多，都在10 ppm以下，高速的氨平均濃度遠(yuǎn)大于市區(qū)和市郊的平均濃度。而對(duì)于NOX來(lái)說(shuō)，市區(qū)、市郊和高速的平均濃度都相差不大，都在5 ppm以下，說(shuō)明SCR系統(tǒng)對(duì)于NOX排放的控制做得比較好。

圖6 C-WTVC工況下氨和NOx的平均排放

2.3 氨排放因子

圖7為不同工況下的氨排放因子，由圖可以看出，等速工況下的氨排放因子和氨的平均濃度趨勢(shì)一樣，在 30 km/h的工況下排放因子最大為276.35 mg/kWh。C-WTVC工況下氨排放因子變化趨勢(shì)也和氨的平均排放濃度一致，市區(qū)階段的排放因子最小為36.53 mg/kWh，高速階段的排放因子最大為187.98 mg/kWh。

圖7 不同工況下氨排放因子

3 結(jié)論

等速工況下，每個(gè)速度點(diǎn)剛開(kāi)始階段都會(huì)出現(xiàn)NH3排放的峰值，各速度點(diǎn)的平均NH3排放濃度是隨速度增加先減小后增大，平均NOX排放濃度隨速度先增大后減小再增大；等速工況下NH3排放因子在30 km/h的速度點(diǎn)下最大，為276.35 mg/kWh。行駛過(guò)程中避免急加速可以減少NH3的排放。

C-WTVC工況下，急加速后導(dǎo)致NH3濃度的增加，NH3平均排放濃度在高速階段最大，在市區(qū)階段最??；NOX的平均排放濃度在市區(qū)、市郊和高速階段均較低，高速階段的 NH3排放因子最大為187.98 mg/kWh。高速階段稍微減少尿素的噴射可以減少NH3的排放。