NOx传感器测量实际道路NOx排放的试验研究

许雪利，司福帅，马雁，刘伟达，杨立云，史美丽

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061； 2.潍柴动力股份有限公司 发动机研究院，山东 潍坊 261061

0 引言

近年来，人们环保意识逐步加强，为改善大气质量，进一步控制机动车排气污染物，针对内燃机，特别是重型柴油机，国家排放标准越来越严格，文献[1-3]对整车排放限值也提出了要求。国家相关部门针对道路和非道路车辆均要求对车辆在实际行驶过程中的排气污染物进行测量[4-8]，即需要将便携式排放测试系统 (portable emission measure system,PEMS)安装在被测车辆上，测量车辆的排放污染物，但是PEMS设备价格昂贵，并且需要为每辆测试车辆配备一套设备，缺乏灵活性[9-10]；此外非道路内燃机的工况较为恶劣，PEMS设备安装需要保证设备的牢固、稳定、可靠，在测试过程中应避免出现大震动而影响尾气排放分析结果[11]，所以PEMS设备在非道路工况中测量常常不准确。本文中使用NOx传感器测量车辆在实际道路上的排放，能够真实反映机动车在实际道路上的排放特征，为道路和非道路车辆在实际行驶过程中测量NOx排放污染物提供一种切实可行的方法。

1 NOx传感器测量PEMS试验方法

1.1 NOx传感器工作原理及整车排放测量

1.1.1 NOx传感器主要结构及工作原理

图1 NOx传感器测量原理

NOx传感器包括有2个室、3个泵(主泵、辅助泵、测量泵)，其测量原理如图1所示。由图1可知：1)将部分尾气导入NOx传感器第一室，通过主泵将这部分尾气中的O2泵出，阻止化学反应NOx→N2+O2的进行，相当于对尾气进行除氧处理，同时HC、CO、H2在Pt材料上被氧化；2)NOx传感器第二室中，在辅助泵的作用下，进一步去除尾气中的O2，同时在催化作用下，将NOx转化为N2和O2，相当于对NOx进行还原反应；3)测量第二室中NOx还原反应后生成的O2含量，根据此计算出排气中NOx的含量。

发动机冷启动时，后处理系统中常有冷凝水集结，此时需要进行露点检测。露点检测的算法有2种：1)比较尾气释放的热量与露点检测门限值的大小，确定露点检测状态；2)通过标定选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)催化温度门限值，累积SCR催化温度超过此门限值的时间，当时间达到露点检测时间门限值时，确定露点检测状态。

排放试验过程中，完成热车后，建议直接使用标定手段放宽门限值，强制NOx传感器露点检测释放，以保证整个试验期间内NOx传感器准确测量。

1.2 NOx传感器计算原理

NOx传感器接到自带的测试管路上，将NOx传感器安装在排气尾管直管段，距排气口的距离为排气管直径3倍以上，NOx传感器安装完成后，确认整车配置、发动机配置，连接标定软件，确认后处理状态、尿素浓度液位、NOx传感器露点检测释放状态等，启动车辆，完成车辆热车后开始记录试验数据，当露点检测完成后开始计算有效试验时间，N类车型有效试验时间建议不低于120 min。试验结束后保存数据，导出计算用变量，利用INCA软件采集发动机转速(r/min)、曲轴输出扭矩(N·m)、氮氧质量分数(1×10-6)、废气流量(kg/h)信息和整车运行信息，采用功基窗口法计算，得到整车NOx排放结果。在排放结果中，收集气体排放信息，发动机瞬时排放流量、发动机其他信息和整车运行信息，这些信息能够覆盖车辆使用的整车使用工况，所以得到的整车NOx排放结果可以真实反映车辆在实际道路的排放状况[12]。

发动机瞬时功率

P=Tn/9550，

(1)

式中：T为发动机扭矩，N·m；n为发动机转速，r/min。

NOx瞬时排放质量流量

m=0.001 587ρG/3600，

(2)

式中：m为NOx瞬时排放质量流量，g/s；ρ为NOx瞬时排放质量分数，1×10-6；G为发动机废气质量流量，kg/h。

1.3 试验条件

试验时相对大气湿度小于80%；气温为-7～38 ℃；大气压力为75～101 kPa；发动机温度为70 ℃以上。根据文献[3]规定的排气污染物车载测量方法及技术要求进行测试，试验项目主要为在整车满载下，计算车辆运行综合工况(包括10%市区工况、10%市郊工况、80%高速工况)的NOx排放。

此外，在Ⅲ度及以上白细胞、中性粒细胞、血小板减少、贫血、恶心呕吐、口腔炎、食欲减退、肝功能异常、腹痛、乏力等10个指标上，替吉奥组和卡培他滨组结果无明显差异，无统计学意义。见表2。

1.4 数据处理与结果

使用数据处理软件MDA将数据导出，导出时设定导出频率为1 Hz，自定义计算模板，试验结果如表1所示。

表1 试验结果

由表1可知，有效功基窗口比排放为2.37 g/(kW·h)，有效窗口数为8508个，窗口有效率为100%。整车实际道路的NOx排放结果满足有关排放标准要求。

2 PEMS试验结果

2.1 试验用主要仪器设备

图2 设备安装示意图

气态污染物及颗粒物测量设备采用AVL MOVE设备，主要由主控电脑、gas气体分析仪模块、颗粒数量(particle number，PN)模块、电源管理模块E-BOX、流量计及控制模块、逆变器、温湿度传感器、GPS等组成。设备安装示意如图2所示[13]。试验所用的测试设备、仪器、仪表，应校验合格，并在有效期内。试验车辆同NOx传感器测量时相同。

2.2 试验结果

通过排气污染物实时测量值、发动机控制器局域网总线(controller area network, CAN)和整车诊断CAN总线得到的信息，如发动机冷却液温度、发动机瞬时油耗率、发动机转速、发动机实际扭矩百分比、发动机摩擦扭矩百分比、车速等信号计算得到整车NOx排放结果。整车排放结果采用功基窗口法来计算。

图3 功基窗口示意图

功基窗口法是通过比较各功基窗口比排放与发动机型式核准比排放的复合性评价车辆排放的方法。功基窗口大小为发动机瞬态循环功，按照采样时间序列积累每个采样点的瞬时功达到功基窗口，计算功基窗口内所有采样点的平均比排放，移动平均计算功基窗口至所有采样点结束，得到一系列功基窗口平均比排放，功基窗口移动间隔为1 s。功基窗口比排放则是功基窗口内发动机NOx排放总质量与窗口内功的比值，相应的功基窗口平均功率百分比为功基窗口内发动机平均功率占该发动机的最大功率的百分比[14-15]，功基窗口如图3所示。

设备采集完数据后使用AVL提供的数据处理软件CONCERTO进行数据处理，得到试验报告。试验数据分析流程如图4所示，试验结果如表2所示。

图4 数据分析流程图

表2 试验结果

由表2可知，整车试验负载、整车运行工况及环境满足要求，90%NOx有效功基窗口比排放2.23 g/(kW·h)，满足国五排放标准要求。

2.3 结果对比

对比NOx传感器与PEMS设备测试的NOx排放结果，如图5所示。

图5 NOx排放测试结果对比

由图5可知，2种测试方法得到的NOx有效功基窗口比排放基本一致，因此可以利用NOx传感器来代替PEMS设备进行整车排放试验。

3 非道路车辆排放试验

3.1 试验车辆、设备

通过上述排放试验结果对比，对非道路车辆进行测试，选取某矿区某矿车为试验车辆，由于工作环境和路况均较为恶劣，在矿区进行PEMS试验对PEMS设备可靠性要求较高，所以通过在排气尾管直管段加装NOx传感器测量NOx排放不但可以避免风险，而且结果可信，NOx传感器安装在排气管后3倍管径处，试验车辆按照排放标准要求在实际典型工况中进行正常作业。

3.2 试验结果

利用功基窗口法进行整车PEMS试验，试验结果见表3。

表3 整车测试PEMS试验结果

由表3可知，典型作业工况下，通过功基窗口法计算，90%窗口NOx排放为2.07 g/(kW·h)，满足中国非道路四阶段排放限值要求，且裕量较大。

4 结论

提出了一种简易测量整车实际作业过程中氮氧污染物排放的试验方法，通过分析研究，得出以下结论。

1)利用NOx传感器测量整车实际道路NOx排放结果，可以真实反映车辆在实际道路的排放状况。

2)整车道路实际NOx排放试验可以由NOx传感器测量方式来代替昂贵的车载排放试验设备，能够提高排放测试效率，降低成本。

3)对于非道路车辆，NOx传感器测试方法在整车排放试验中是一种切实可行的方法。