重型柴油车NOx 排放影响因素研究

陈仁庆，赵波，肖明知，田伟建

（山东汽车制造有限公司，山东 莱阳 265200）

引言

随着我国公路交通网络越来越发达，汽车行业也在迅速发展。研究表明，汽车排放已成为城市大气污染的重要来源，虽然重型柴油车辆在整个汽车产业中占有量不高，但是其氮氧化合物排放量巨大，其排放量占汽车总排放量的70%，所以重型柴油车排放污染的研究及控制要极为重视[1-2]。针对日益严峻的汽车排放污染问题，国家环保部门不断制定新的控制措施、排放法规，进行新车型环保检测以及在用车符合性检查，以期在用车与新车达到环保一致性要求。

目前，整车排放测试方法主要有实际道路法和底盘测功机法两种。实际道路法使用一套便携式排放测试系统（PEMS），其精度和可靠性能够较好满足整车道路测试环境要求[3]。由于环境和路况等因素影响，底盘测功机法的排放结果和实际道路法排放结果存在较大差异，实际道路法更接近车辆实际运行工况[4]。本文主要针对国五货车进行整车实际道路法排放测试，研究发动机与排气系统对整车排放的影响。

1 试验设备及方法

1.1 试验样车

试验选用两台同型号重型货车，车辆类型为N2。除搭载发动机不同外，其他整车及后处理配置均相同。两台试验车后处理系统均为SCR（选择性还原），具体样车参数信息见表1。

表1 试验样车基本参数

1.2 试验设备

试验采用AVL 公司生产的一套便携式车载排放测试系统，主要由排气流量计（EFM）、气体采集分析模块（AVL492 GAS PEMS iS）、电源分配模块（E-BOX）、电源模块（ChargeMaster）、主机电脑（SC）、锂电池以及GPS 和温湿度传感器组成。

1.3 试验方案

两台试验样车安装的均为国V 发动机，所以试验方法按照《HJ857-2017 重型柴油车、气体燃料车排气污染物车载测量方法及技术要求》进行。试验载荷为整车荷载质量的75%，试验工况分配比例为城市路况20%，郊区路况25%，高速路况55%，试验按市区-郊区-高速行驶顺序连续进行[5]。

试验分两组进行，第一组#1 与#2 样车分别按照同一试验路线进行PEMS 试验，第二组对#1 样车后处理系统前端排气管增加一层隔热棉保温材料，按照相同路线再进行一次PEMS 试验。记录每次试验的发动机转速、扭矩、排气温度及NOx 瞬时排放等数据。具体试验情况见表2。

表2 两组PEMS 试验道路工况表

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

表3 为三台试验样车排气污染物（CO、NOx）的比排放结果，从排放结果可以看出，CO 比排放#1 样车加保温材料与正常状态结果相差156.55mg/kWh，#2 样车比排放与#1 样车两种状态结果分别相差519.13mg/kWh、675.68mg/kWh，且三次试验CO 比排放结果都远小于法规限值，因此本文对CO 排放不做详细讨论；NOx 比排放#1 样车加保温材料与正常状态相差346.37mg/kWh，#2 样车比排放与#1 样车两种状态结果分别相差1695.44mg/kWh、1349.06mg/kWh。

表3 样车比排放试验结果

2.2 发动机工况

图1和图2是两组试验过程中发动机的运行工况分布图，从图1 可见，#1 样车与#2 样车的发动机工况点基本相同，#2样车在2500rpm转速下最大扭矩比#1样车同转速工况下扭矩高，这与两台车发动机最大扭矩有关；工况点主要集中在1800rpm 和2500rpm 左右，低转速工况点较少。从图2 可见，#1 样车两次试验发动机工况点分布基本相同，同样在1800rpm 和2500rpm 转速左右工况点最集中，低转速工况点较少。由此可见，两台样车三次试验的发动机运行工况基本相同，具有较好的工况相关性。

图1 第一组试验发动机工况分布图

图2 第二组试验发动机工况分布图

2.3 试验结果分析

2.3.1 发动机气门数量与排气管保温效果对NOx 排放的影响

图3 和图4 分别是两组试验的NOx 瞬时排放统计图。由图3 可见，两台样车NOx 瞬时排放数值总体呈现先高后低趋势，在市区工况（2000s 之前）NOx 排放均处在高值，在此时段内#1 样车在部分时段NOx 瞬时排放已超法规限值900ppm，#2 样车NOx 瞬时排放均在法规限值以下；在郊区和高速工况内，#1 样车NOx 瞬时排放值有所下降，基本降至600ppm 之内，#2 样车NOx 瞬时排放已降至较低水平，且基本保持稳定状态，中间出现一段排放较高时段，此时段为出进高速收费站，车辆为怠速或启停状态。结合2.1 的NOx 比排放结果可知，4 气门发动机比2 气门发动机NOx排放低。

图3 #1、#2 样车NOx 瞬时排放

图4 为#1 样车原始状态与后处理前排气管加保温材料的NOx 瞬时排放统计图。由图4 可见，加保温前后NOx 瞬时排放趋势都是先高后低，各时段的NOx 瞬时排放相差不大，在市区工况（2000s 之前）NOx 瞬时排放极值有所降低，郊区和高速工况NOx 瞬时排放基本一致。结合2.1 的NOx 比排放结果可以看出，后处理前端排气管加保温材料后能够降低部分NOx 排放，但是效果不够明显。

图4 #1、#1（加保温）样车NOx 瞬时排放

2.3.2 排气温度对NOx 排放的影响

已知柴油车降低NOx 排放的主要措施是通过SCR 喷射尿素与NOx 进行反应，反应化学式如下[6]：

尿素分解成氨气、二氧化碳和水：

氨气与NO 作用生成氮气和水：

氨气与NO2 作用生成氮气和水：

图5、图6、图7 分别为三次试验排气温度与NOx 瞬时排放关系图。由图可以看出，排气温度与NOx 排放数值成负相关关系。以图6 为例，在车辆刚进入郊区工况后，随着车速增加排气温度急速升高到230℃以上，NOx 浓度立刻降低到一个较低水平，说明此时SCR 开始起显著作用，之后平均排气温度在250℃以上，达到以上化学反应催化剂的最佳催化温度。在收费站掉头时，由于车辆启停导致排气温度下降出现一个短时的NOx 浓度高峰。

图5 #1 样车排温与NOx 瞬时排放

图6 #2 样车排温与NOx 瞬时排放

比较图5 与图7 排气温度，排气管增加保温材料后市区工况的平均排气温度比原始状态高10℃左右，且两次都未达到SCR 最佳工作温度，所以此时NOx 排放受发动机机内净化能力影响。可见增加隔热棉保温的效果不够明显，正是两次试验排放结果差值较小的原因。更换不同隔热材料或者在设计中尽量缩短后处理前端排气管长度等措施是否有助于降低排放还有待于进一步验证。

图7 #1（加保温）样车排温与NOx 瞬时排放

比较图5 和图6 排气温度，市区工况下#2 样车比#1 样车平均排气温度高20℃左右，#2 样车市区排气温度已接近SCR最佳工作温度，但是SCR 转化效率较低导致NOx 浓度还是一个较高水平。由此可见，四气门发动机由于进排气量增大，使燃烧更充分，从而提高了排气温度，有利于SCR 快速进入催化转化状态。

3 结论

本文通过两台国五排放标准货车的两组PEMS 试验，对三次试验的排气污染物NOx 进行采样分析，得出以下结论：

（1）国五排放实际道路法的发动机工况点主要集中在中高转速，本文三次试验的实际道路运行工况以及发动机运行工况基本相同，具有良好的工况相关性。

（2）排气温度对NOx 排放的影响较大，排温与NOx 排放成负相关。主要表现为随着排气温度升高，SCR 的催化效率逐渐增大，当排气温度在250℃-500℃时，SCR 具有最佳催化效率，能够有效减少发动机燃烧产生的氮氧化合物。

（3）发动机的机内净化技术对发动机排放具有直接影响，四气门发动机由于比两气门发动机具有更好的进排气性能以及缸内混合气更充分，使缸内燃烧更充分，从而降低碳氢化合物及CO 的排放；另外有利于提升排气温度，使SCR更快进入催化转化状态而降低氮氧化合物浓度。

（4）后处理前端排气管的保温性能对NOx 排放有一定影响，单纯增加保温棉等隔热措施不能起到显著效果，在整车布置发动机与后处理时应该考虑缩短该段距离或用更有效的隔热保温方式进行保温处理。