進氣溫度和道路工況對整車NOx排放的影響研究

李建東 史祥東 甄雷 劉翰 劉志文

（1.內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，濰坊 261061）

1 前言

GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[1]規(guī)定了整車車載尾氣檢測系統(tǒng)（Portable Emission Measurement System，PEMS）測試的載荷、環(huán)境溫度、車速、海拔等影響因素。宋子鈺等[2]研究了海拔和環(huán)境溫度變化對汽車NOx排放量的影響；張凡等[3]研究了進氣溫度和濕度對汽車NOx排放量的影響；汪曉偉等[4]研究了低載荷對汽車NOx排放量的影響規(guī)律；石翠翠等[5]基于組合模型研究了NOx排放量的影響因素；劉剛等[6]開展了重型商用車的排放分析，提出了滿足GB 17691—2018 標準規(guī)定的各種道路路譜組合；李建東等[7]分析了牽引車載荷對NOx排放量的影響，重點研究了NOx排放濃度隨載荷的變化規(guī)律。在眾多NOx排放量影響因素研究中，針對道路工況這一影響因素的研究較少。不同的道路工況會導致排氣溫度、駕駛行為、海拔等多種參數(shù)差異，而這些參數(shù)的不同會直接影響排放，因此道路工況是影響整車PEMS 測試結果的最復雜的一種因素。同時，滿足GB 17691—2018要求的實際道路工況千差萬別。為保證柴油機的NOx排放量在符合標準要求的不同道路工況下均可滿足排放要求，需要找到能夠包含所有NOx排放風險點的工況并進行反復驗證。

本文首先針對同一道路工況在不同進氣溫度下進行研究，分析進氣溫度對NOx排放量的影響，并對不同道路工況下NOx排放量的差異進行研究，分析最惡劣道路工況與普通工況的差異，從而評價不同道路工況下的真實NOx排放水平。

2 試驗裝置及方案

為控制單一變量，利用五軸動力總成臺架在不同進氣溫度和道路工況條件下進行整車NOx排放研究。進行動力總成試驗前，首先在不同道路上進行PEMS 試驗，選取其中一種路譜，控制其他影響因素相同，通過改變循環(huán)水流量來改變進氣溫度，得到不同進氣溫度下的NOx排放結果；再將獲得的各種實際路譜導入五軸動力總成控制器，控制整車配置、環(huán)境溫度、濕度、初始狀態(tài)等影響因素相同，只改變道路路譜進行試驗，得到不同路譜下的NOx排放結果。

試驗車輛選取一滿足GB 17691—2018 標準要求的配備12 L 發(fā)動機的牽引車，整車配置如表1 所示。使用的測試設備包括AVL便攜式PEMS設備和ETAS數(shù)據(jù)采集工具，如表2所示。

表1 整車配置參數(shù)

表2 試驗儀器

研究進氣溫度對NOx排放的影響時，使用的道路路譜如圖1 所示，控制臺架環(huán)境溫度為25 ℃、濕度為40%，正式試驗前充分熱車10 min。研究道路工況對NOx排放的影響時，控制臺架的環(huán)境溫度為25 ℃、濕度為40%、進氣溫度為50 ℃，正式試驗前充分熱車10 min。

圖1 典型路譜

3 試驗過程及結果分析

3.1 進氣溫度對NOx排放的影響

選取圖1 所示的典型路譜，通過控制中冷器冷卻水循環(huán)流量調節(jié)進氣溫度，進氣溫度的最大控制范圍為20~70 ℃。在同一路譜下分別進行進氣溫度為20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃的PEMS 循環(huán)試驗。

不同進氣溫度下NOx發(fā)動機原始排放試驗結果如圖2所示，尾氣排放試驗結果如圖3所示。

圖2 不同進氣溫度下NOx原始排放濃度變化情況

圖3 不同進氣溫度下NOx尾氣排放濃度變化情況

由圖2、圖3 可知，NOx原始排放和尾氣排放濃度（體積分數(shù)）隨進氣溫度升高而升高，在進氣溫度從20 ℃到70 ℃的變化過程中，NOx原始排放濃度增加約30%，NOx尾氣排放濃度增加約350%，進氣溫度每提高10 ℃，NOx原始排放濃度平均增加約5%，尾氣排放濃度平均增加約36%。

由圖3 可知，進氣溫度每提高10 ℃，NOx尾氣排放濃度的變化范圍為19%~44%，相對原始排放增加范圍更大，且不穩(wěn)定，主要原因是進氣溫度發(fā)生變化時，排氣溫度也發(fā)生較大變化，而排氣溫度影響尿素對NOx的轉化效率，氧化還原反應過程受廢氣量、排氣溫度、空速（單位時間內(nèi)流過后處理的廢氣體積）和一致性的影響因素較多，同時因NOx尾氣排放量較小，且測試設備存在測量誤差，導致NOx尾氣排放的變化波動較大，但整體變化規(guī)律與原始排放相同。

3.2 道路工況對NOx排放的影響

選取不同地區(qū)的典型路譜進行試驗，包括濰坊、重慶、北京、西寧、格爾木、海拉爾，如圖4 所示。將不同地區(qū)路譜通過標定和設置輸入五軸動力總成臺架運行，臺架的其他環(huán)境控制邊界與3.1節(jié)相同。分別在不同地區(qū)路譜下進行PEMS 循環(huán)試驗。

圖4 不同地區(qū)路譜

道路工況對NOx排放的影響研究主要基于國六法規(guī)的實際道路PEMS 試驗，重點評價第90 百分位的NOx功基窗口比排放，因此主要分析第90 百分位NOx比排放與道路工況的關系。

試驗控制進氣溫度為50 ℃，不同道路工況的試驗結果如表3 所示。濰坊1-N3 路譜為一種常用的整車PEMS 試驗路譜，將該路譜作為基準路譜，計算其他路譜與該路譜比排放的比值。

表3 不同路譜NOx排放結果

由表3可以看出，不同道路工況下差異較大，最惡劣工況路譜重慶2-N2 的第90 百分位NOx功基窗口比排放是基準路譜的2.66倍。

由以上測試結果可知，路況變化越劇烈，NOx排放結果越差。路譜變化的劇烈程度主要體現(xiàn)在停車時間、停車次數(shù)、起步加速的初始速度等方面。停車時間越長、停車次數(shù)越多、起步加速的初始速度越低，其表征的路譜工況越劇烈。

4 結束語

本文主要研究了整車NOx排放與進氣溫度和道路工況的關系。試驗結果表明：NOx原始排放濃度和尾氣排放濃度隨進氣溫度提高而增大；第90百分位NOx功基窗口比排放受道路工況影響差異較大，最惡劣道路工況是基準道路工況的2.6倍以上。