重型國六在用柴油車劣化排放特性研究

馬成功 李 梁 張 凡 于津濤

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,北京 100176)

近年來,大氣污染加劇,霧霾天氣頻發(fā),嚴(yán)重影響了人們的身心健康和生活質(zhì)量,引起了社會各界的廣泛關(guān)注[1]。柴油車由于排放污染嚴(yán)重,一直是汽車排放領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。柴油車氮氧化物(NOx)排放量超過汽車排放總量的80%,顆粒物(PM)超過90%[3],因此有效控制柴油車污染物排放是控制機(jī)動車排放的關(guān)鍵任務(wù)。

生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB 17691—2018)(即國六排放標(biāo)準(zhǔn)),相對于國五排放標(biāo)準(zhǔn),新增了車載排放測試(PEMS)要求、限值及車載診斷系統(tǒng)(OBD)檢查。在用車的排放監(jiān)督主要依據(jù)《柴油車污染物排放限值及測量方法(自由加速法及加載減速法)》(GB 3847—2018)進(jìn)行環(huán)保定期檢驗監(jiān)督,其中對于柴油車主要使用加載減速法(Lugdown)測試的結(jié)果進(jìn)行判定,因此機(jī)動車年檢是保證在用車排放達(dá)標(biāo)的主要措施[4]。

國六排放標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格,因此整車及發(fā)動機(jī)廠家不得不采取更復(fù)雜的技術(shù)路線來達(dá)到降低排放的目的[5-7]。目前滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油車常用的技術(shù)有廢氣再循環(huán)(EGR)、選擇性催化還原(SCR)、催化氧化器(DOC)和顆粒捕集器(DPF)等。排放控制技術(shù)路線可根據(jù)EGR和SCR利用率的不同分為3種：無EGR+高SCR、低(中)EGR+SCR和高EGR+無SCR,目前國內(nèi)主流的技術(shù)路線為低(中)EGR+SCR[8]。隨著車輛使用年限和行駛里程的增加,各排放部件的劣化風(fēng)險也逐漸升高[9]。本研究通過模擬重型國六在用柴油車排放部件劣化,采用PEMS和Lugdown試驗研究部件劣化后車輛的排放特性,為在用柴油車排放監(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)修訂提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 試驗裝置和方法

1.1 測試車輛及設(shè)備

本研究選取一輛N2類、采用EGR結(jié)合DOC+DPF+SCR技術(shù)路線的國六在用柴油車,樣車及發(fā)動機(jī)主要參數(shù)見表1。

表1 樣車及發(fā)動機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of prototype and engine

PEMS設(shè)備為HORIBA OBS-ONE便攜式車載排放分析儀;Lugdown測試采用的是FLN-210汽車NOx分析儀及FLB-100透射式煙度計組成的加載減速測試系統(tǒng),測試過程使用聲光法煙度計(AVL483)對樣車排放的碳煙(Soot)濃度進(jìn)行測量記錄、使用OBD診斷軟件(Silver Scan-Tool)讀取車輛OBD信息。

1.2 測試方法

本研究分別對EGR、DPF和SCR不同劣化程度的車輛進(jìn)行PEMS和Lugdown測試,同時對樣車進(jìn)行OBD檢查。其中,EGR劣化通過更換卡滯的EGR閥劣化件。DPF劣化研究分為載體泄露和載體移除兩種,其中載體泄露是將壁流式載體部分通道破壞,破壞的通道能直通,以此來達(dá)到載體泄露的目的[10],其漏氣量使用載體破損率表示,載體破損率=破損通道數(shù)/全部通道數(shù),本研究的載體通道破損率為35%。SCR部件劣化程度難以控制,因此通過降低尿素濃度來達(dá)到降低SCR轉(zhuǎn)化效率的目的。車輛正常使用的尿素為32.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),該車最小可接受的尿素濃度(CDmin)為28.5%,根據(jù)劣化程度的不同,本研究分別使用尿素為0(即水)、22.9%、28.7%、32.5%(即正常)的溶液來模擬SCR不同程度的劣化。

每次PEMS嚴(yán)格按照GB 17691—2018進(jìn)行,以此來保證數(shù)據(jù)的真實可靠。為降低隨機(jī)性因素的影響,每次試驗重復(fù)多次,結(jié)果取平均值。

2 測試數(shù)據(jù)分析

2.1 工況對比分析

根據(jù)PEMS和Lugdown測試的OBD數(shù)據(jù),對比研究不同測試方法對應(yīng)的發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況,結(jié)果如圖1所示。PEMS工況點(diǎn)較分散,由于PEMS過程需要車輛在實際道路上行駛,因此其工況分布更接近實際。Lugdown測試主要采集實測最大輪邊功率時的轉(zhuǎn)鼓線速度(VelMaxHP)點(diǎn)和80% VelMaxHP點(diǎn)的排放數(shù)據(jù),因此其對應(yīng)的工況點(diǎn)更集中,主要分布在轉(zhuǎn)速為2 400、3 000 r/min對應(yīng)的外特性曲線點(diǎn)附近。

圖1 PEMS和Lugdown測試工況點(diǎn)分布Fig.1 Operating point distribution of PEMS and Lugdown tests

李琳琳[11]研究表明,由于在高負(fù)荷工況下發(fā)動機(jī)噴油量增加,缸內(nèi)燃燒不充分,在高負(fù)荷工況下的PM排放要高于較低負(fù)荷工況;同樣在高負(fù)荷工況下,缸內(nèi)燃燒溫度增加,發(fā)動機(jī)原始排氣的NOx增加,但由于排氣溫度的升高,SCR的轉(zhuǎn)化效率更高,使得柴油車尾氣中的NOx排放反而低于低負(fù)荷工況[12]。因此,從兩者的工況點(diǎn)分布可看出,Lugdown測試更偏向于高負(fù)荷工況,使用該方法得到的PM結(jié)果偏高,而NOx結(jié)果偏低。相對來說,PMES結(jié)果更能反映車輛的實際排放水平。

2.2 排放數(shù)據(jù)分析

PEMS數(shù)據(jù)使用功基窗口法進(jìn)行計算,使用第90%位窗口排放結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;Lugdown測試結(jié)果使用GB 3847—2018規(guī)定的轉(zhuǎn)鼓速度穩(wěn)定后9 s內(nèi)的算術(shù)平均值,兩種測試方法的法規(guī)限值如表2所示。AVL483記錄的Soot濃度同樣使用對應(yīng)9 s內(nèi)的算術(shù)平均值進(jìn)行分析;使用Silver Scan-Tool讀取車輛OBD信息,驗證發(fā)動機(jī)故障報出情況。

表2 柴油車PEMS和Lugdown測試法規(guī)限值Table 2 Regulatory limits for diesel vehicel under PEMS and Lugdown tests

2.2.1 EGR閥卡滯

對EGR閥卡滯前后的測試結(jié)果進(jìn)行整理計算,PEMS和Lugdown測試結(jié)果如圖2所示。正常狀態(tài)下,PEMS和Lugdown測試的排放結(jié)果均低于法規(guī)限值。EGR閥卡滯后,兩種測試的PM排放相差不大,但NOx均有明顯增加,且劣化后PEMS的結(jié)果遠(yuǎn)超其法規(guī)限值,但Lugdown測試結(jié)果仍在其法規(guī)限值內(nèi)。

圖2 EGR閥卡滯前后測試結(jié)果Fig.2 Test results before and after EGR valve stuck

AVL483測量的Soot排放和OBD檢查結(jié)果如表3所示。EGR閥卡滯前后Soot平均排放濃度基本不變;EGR閥卡滯后,OBD根據(jù)EGR流量傳感器和后處理NOx傳感器的異常信號報出相應(yīng)的A類故障。

表3 EGR閥卡滯前后Soot排放及OBD檢查結(jié)果Table 3 Soot emission and OBD inspection results before and after EGR valve stuck

2.2.2 DPF劣化

模擬載體泄露和載體移除兩種劣化,對不同劣化程度的測試結(jié)果進(jìn)行整理計算,測試結(jié)果如圖3所示。DPF劣化后,兩種測試的NOx結(jié)果相差不大,但PM結(jié)果均有明顯增加,且隨著劣化程度的增加,排放逐漸升高。不同的是PEMS的PN結(jié)果在DPF輕微劣化時(即載體泄露)就已遠(yuǎn)超其法規(guī)限值,而Lugdown測試結(jié)果在載體移除后仍在其法規(guī)限值內(nèi)。通過測試結(jié)果可以看出,DPF劣化后無法對全部PM進(jìn)行有效捕捉,使得部分發(fā)動機(jī)原排直接通過DPF,導(dǎo)致PM排放增加。

圖3 不同劣化程度DPF的測試結(jié)果Fig.3 Test results of DPF with different degradation degree

AVL483測量的Soot排放和OBD檢查結(jié)果如表4所示。DPF劣化后,AVL483測量的Soot排放濃度明顯增加。OBD根據(jù)DPF前后的壓差傳感器來判斷DPF是否正常工作。在載體泄露的情況下,OBD未能有效識別到DPF故障;但載體移除后,OBD可識別并報出A類故障。

表4 DPF在不同劣化程度下的Soot排放及OBD檢查結(jié)果Table 4 Soot emission and OBD inspection results of DPF under different degrees of deterioration

2.2.3 SCR轉(zhuǎn)換效率低

通過降低尿素濃度進(jìn)行模擬,對不同劣化程度的測試結(jié)果進(jìn)行整理計算,結(jié)果如圖4所示。SCR劣化后,兩種測試的PM排放結(jié)果相差不大,但NOx排放均隨著劣化程度的增加(即尿素濃度的降低)而升高。在尿素為0、22.9%時,PEMS的NOx排放結(jié)果超過其法規(guī)限值,而Lugdown測試結(jié)果雖有增加,但均在其法規(guī)限值內(nèi)。

圖4 不同劣化程度的SCR測試結(jié)果Fig.4 Test results of SCR with different degradation degree

為進(jìn)一步比較EGR和SCR的凈化效果,對PEMS測試中不同路況下的NOx排放進(jìn)行分析,結(jié)果見圖5。EGR閥卡滯后各路況下NOx排放均明顯增加,主要是因為EGR閥卡滯后導(dǎo)致原排NOx排放增加,但隨著車速增加,排溫升高,市區(qū)、市郊、高速NOx排放逐漸降低,其與SCR對NOx的轉(zhuǎn)換效率相關(guān)。SCR劣化后各路況下NOx排放均隨著劣化程度的增加而升高。SCR未完全失效時,市區(qū)NOx排放最高,市郊和高速工況相差不多;尿素?fù)Q水后,SCR完全失效,NOx排放趨勢與EGR失效不同,高速NOx排放最高、市郊最低。該狀況下決定NOx排放的除發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況外,只有EGR對NOx生成有抑制作用,而且抑制效果與EGR率相關(guān)。

AVL483測量的Soot排放和OBD檢查結(jié)果如表5所示。不同劣化程度下的Soot平均排放濃度的變化進(jìn)一步驗證SCR轉(zhuǎn)化效率低對PM的排放影響較小。OBD在尿素濃度高于CDmin時沒有故障報出。當(dāng)尿素為22.9%時,報出尿素品質(zhì)相關(guān)的A類故障;尿素?fù)Q水后,OBD報出尿素品質(zhì)和NOx超標(biāo)兩種A類故障。

2.3 結(jié)果匯總及建議

本研究共進(jìn)行了7種不同部件、不同劣化程度的項目研究,所有測試的判定結(jié)果匯總?cè)绫?所示。PEMS對國六柴油車劣化最靈敏,OBD檢查次之,Lugdown測試最差。采用EGR結(jié)合DOC+DPF+SCR技術(shù)路線的國六柴油車在排放部件劣化后,污染物排放升高。但由于其燃燒較優(yōu)化,排放水平接近甚至優(yōu)于低排放階段柴油車。因此,Lugdown對不同排放階段的柴油車采用相同的法規(guī)限值不太合理。金博強(qiáng)等[13]的研究同樣表明,Lugdown測試限值太高,現(xiàn)行法規(guī)限值無法對國六柴油車進(jìn)行有效監(jiān)督。為此本研究提出以下建議：(1)建議對排放水平較高的柴油車提前實施排放限值b或針對不同排放階段的柴油車分別制定Lugdown排放限值。(2)建議國六柴油車Lugdown測試深入結(jié)合OBD,提高檢測準(zhǔn)確率。(3)建議使用AVL483、AVL439等精確度更高的設(shè)備代替煙度計對柴油車進(jìn)行PM排放監(jiān)督,使用NOx快速檢測儀等設(shè)備對柴油車NOx進(jìn)行排放監(jiān)督。

圖5 不同路況下的NOx排放Fig.5 NOx emission under different road conditions

表 5 SCR在不同劣化程度下的Soot排放及OBD檢查結(jié)果Table 5 Soot emission and OBD inspection results of SCR under different degrees of deterioration

3 結(jié) 語

(1) 采用EGR結(jié)合DOC+DPF+SCR技術(shù)路線的國六柴油車,EGR、SCR劣化均能導(dǎo)致NOx排放結(jié)果升高,NOx無法滿足PEMS的法規(guī)限值,OBD也均能報出故障警示,Lugdown測試結(jié)果雖有升高,但無法判定排放超限。

表6 測試結(jié)果匯總1)Table 6 Summary of test results

(2) 采用EGR結(jié)合DOC+DPF+SCR技術(shù)路線的國六柴油車,隨著DPF劣化程度的增加,PN排放明顯升高,超出PEMS的法規(guī)限值,OBD系統(tǒng)僅在載體移除后報出故障,而Lugdown測試結(jié)果同樣無法判定排放超限。

(3) Lugdown測試總通過率遠(yuǎn)高于PEMS和OBD測試,難以對國六在用柴油車排放進(jìn)行有效監(jiān)督,建議對高排放標(biāo)準(zhǔn)的Lugdown限值進(jìn)行加嚴(yán),或使用精確度更高的測試設(shè)備進(jìn)行測量。

(4) 由于重型柴油車存在多種技術(shù)路線,本研究樣本單一,研究結(jié)論對于其他技術(shù)路線的國六柴油車適用性還需進(jìn)一步驗證。