高海拔地區(qū)載荷對重型柴油車NOx排放的影響

張 寧 任振彬 郭長春

(陜西重型汽車有限公司)

0 前言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展,能源需求不斷增大,運輸業(yè)貨運量激增,由此帶來的環(huán)境問題也日趨嚴重；因此，降低汽車在運行過程中排放的污染物對保護大氣環(huán)境相當重要。高原地區(qū)十分廣闊，海拔高度超過1000 m的地區(qū)占國土面積的58%以上，海拔高度超過2000 m的地區(qū)占國土面積的33%以上。汽車在不同載荷下不僅需滿足平原地區(qū)排放要求，也應(yīng)滿足高海拔地區(qū)排放要求。由于國Ⅵ階段，對重型柴油車的NOx排放更難以控制，因此研發(fā)對象以降低NOx排放為工作重點。

本文主要利用車載排放系統(tǒng)，在高海拔為法規(guī)要求上限的地方開展整車NOx排放試驗；試驗時選擇同一車型，保持試驗環(huán)境、測試人員、車輛載荷以及行駛路線均不變，最大限度地降低其他因素對NOx排放結(jié)果的影響，研究高海拔地區(qū)不同載荷下整車NOx排放量。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試驗樣車

試驗樣車為半掛牽引車(如圖1，如表1)。試驗前確認車輛狀態(tài)，確保滿足試驗要求。此次對比試驗中，分別以最低載荷和最高載荷進行整車PEMS試驗。試驗過程中，保持車輛運行工況、行駛路線不變，為了更大程度消除2種載荷下的試驗差別，2次試驗使用同一駕駛員，環(huán)境溫度差異在±2 ℃以內(nèi)。

表1 車輛基本信息

圖1 試驗樣車

1.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備采用美國SENSORS公司的SEMTECH車載氣體排放測量系統(tǒng)。該設(shè)備主要有SCS(主控單元)模塊、GAS(氣體分析)模塊、CPN(凝結(jié)核顆粒物計數(shù)器)模塊、FID(火焰離子化分析儀)模塊及其他附件。

1.3 試驗路線的選擇

此次高原地區(qū)PEMS試驗，在青海省西寧市地區(qū)進行，由大堡子鎮(zhèn)出發(fā)，經(jīng)由柴達木路到西寧南繞城高速東行，至曹家堡機場出口處掉頭往返行駛至西寧北繞城。如果試驗過程累積里程不夠，在此路段內(nèi)往返行駛直至試驗結(jié)束。試驗過程中合理選擇工況分布，使車輛運行工況滿足市區(qū)、市郊和高速的試驗條件。

各種工況道路行駛分布組成依次為：20%市區(qū)工況、25%市郊工況、55%高速工況。各種工況的分布偏差為±5%以內(nèi)。

市區(qū)工況：車輛平均速度在15～30 km/h；

市郊工況：車輛平均速度在45～70 km/h；

高速工況：車輛平均速度在70 km/h以上。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗路線海拔分布

試驗過程中，利用GPS對試驗路段的海拔高度進行記錄；試驗路線中，最低點海拔為2186 m，最高點海拔為2464 m，平均海拔高度2337 m，滿足法規(guī)要求≤2400 m，符合此次高海拔地區(qū)載荷對排放影響的測試條件。

2.2 試驗過程

進行PEMS試驗時，在車輛啟動之前開始采樣；試驗時，測量各種排氣污染物的排放值，并記錄發(fā)動機以及環(huán)境參數(shù)。根據(jù)法規(guī)要求，當發(fā)動機的冷卻液溫度在70 ℃以上，或當冷卻液的溫度在5 min內(nèi)的變化＜2 ℃時，測試正式開始。

在試驗過程中，持續(xù)進行排氣污染物的取樣和測量(排氣參數(shù))，記錄發(fā)動機和環(huán)境數(shù)據(jù)。因行駛需要，發(fā)動機出現(xiàn)停車或重新啟動等現(xiàn)象時，排氣取樣應(yīng)持續(xù)進行。試驗過程中注意觀察各項試驗數(shù)據(jù)是否正常；試驗所需的數(shù)據(jù)采集完畢后，將設(shè)備暫停，對試驗數(shù)據(jù)進行觀察分析，確保此次試驗數(shù)據(jù)分布合理，可用于分析計算。

2.3 PEMS試驗數(shù)據(jù)分析

樣車在進行空載PEMS試驗時，總質(zhì)量為16 t，累積運行時間為9616 s，其中：市區(qū)工況占比19.7%，市郊工況占比25.3%，高速工況占比55%，滿足PEMS試驗時的工況分布要求。對試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析，按照功基窗口法進行計算。

經(jīng)對試驗結(jié)果計算得知，在空載狀態(tài)下，NOx比排放為0.242 g/kWh。由排放濃度示意圖(圖2)可知，在試驗開始階段，行駛市區(qū)工況，加減速較為頻繁，發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化較大，NOx瞬態(tài)排放值也較大；當進入市郊工況以后，車速保持較為穩(wěn)定，NOx瞬態(tài)排放值減少，僅有幾處較高，繼續(xù)對比NOx濃度與車輛其他狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)：在試驗過程中，NOx排放值最高處分別對應(yīng)后處理排氣口溫度最高處和最低處，如圖3所示。

圖2 空載狀態(tài)NOx濃度、車速和轉(zhuǎn)速時域圖

圖3 空載狀態(tài)排溫與排放示意圖

出現(xiàn)此情況符合NOx轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度的關(guān)系(圖4)。經(jīng)對比分析，NOx轉(zhuǎn)化效率最高時溫度為300～350 ℃。當排氣溫度大于350 ℃時，NOx轉(zhuǎn)化效率隨著排氣溫度的升高而降低，造成排放值較大。樣車NOx排放曲線與溫度曲線相吻合，符合NOx轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度的關(guān)系。

圖4 NOx轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度關(guān)系圖

空載試驗結(jié)束后，對樣車加載，使總質(zhì)量至46 t。按照同一方法繼續(xù)試驗，在進行滿載PEMS試驗時，累積運行時間為6338 s，市區(qū)工況占比22.8%，市郊工況占比25.1%，高速工況占比52.1%，滿足試驗要求，試驗過程見圖5。

圖5 樣車滿載狀態(tài)下NOx濃度、車速和轉(zhuǎn)速時域圖

經(jīng)對試驗結(jié)果計算得知，滿載狀態(tài)下，NOx比排放為0.762 g/kWh。繼續(xù)對比NOx濃度與排氣溫度關(guān)系，如圖6。當車輛滿載時，發(fā)動機排氣溫度升高，在排溫達到400 ℃以上時，排放值增加。

圖6 滿載狀態(tài)排溫與排放示意圖

經(jīng)過重復試驗驗證，均存在隨著車輛載荷增加，整車NOx排放量增大的情況。經(jīng)分析，在高原條件下，大氣壓力低，水的沸點下降，發(fā)動機負荷增大，冷卻系統(tǒng)能力變差；同時，因為空氣密度下降，發(fā)動機的排氣散熱效率降低。由于滿載時，車輛的負荷更大，具有更高的排氣溫度，導致后處理系統(tǒng)內(nèi)的選擇性氧化還原反應(yīng)溫度偏高，效率降低，因此，NOx排放升高。

3 結(jié)論

通過試驗可知，在高海拔地區(qū)進行PEMS試驗，樣車滿載狀態(tài)下發(fā)動機排氣溫度明顯高于空載排氣溫度。正常行駛時，當路面存在法規(guī)要求范圍內(nèi)坡度時，發(fā)動機排氣溫度能夠超過400 ℃。

根據(jù)NOx轉(zhuǎn)化效率與排氣溫度的關(guān)系，車輛滿載時，發(fā)動機排氣溫度升高明顯，直接影響到了排氣物NOx的轉(zhuǎn)化效率；因此，高海拔地區(qū)滿載時NOx排放值高于空載排放，試驗時應(yīng)優(yōu)先考慮滿載排放。