國六重型柴油車NH3排放特征分析

張靳杰，徐 達，李 鑫，田健維，胡克容，楊 聰

（中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司，湖北 武漢 430056）

氨是一種無色有強烈刺激性氣味的氣體，易損傷人體的黏膜、呼吸道等組織器官[1]。氨等氣態物質，在空氣中進行二次化學反應，生成二次無機離子，進而生成顆粒物，影響空氣質量[2]。“十三五”生態環境規劃中對大氣氨排放的控制提出了要求，各地也積極響應開展氨排放清單及特征的研究。相關研究表明，農業源是氨排放的最大來源[3]，但是隨著城市化進程的加快，城市機動車保有量的增多，機動車產生的氨的貢獻呈明顯上漲趨勢[4-5]。隨著國六標準的實施，重型柴油車為了抑制NOX的排放，加裝了選擇性催化還原技術（Selective Catalytic Reduction, SCR）系統，這也成了重型柴油車 NH3排放的來源。對于重型車NH3排放的大部分研究都集中于重型柴油發動機臺架試驗[6-8]，對于重型整車的NH3排放研究較少。本文選取了一輛國六重型柴油車，在底盤測功機上進行試驗，研究重型柴油車的NH3排放特征。

1 試驗方案

1.1 試驗樣車和設備

選取了一臺重型國六柴油車，在轉轂上進行等速和C-WTVC工況的試驗，試驗樣車的基本信息如表 1所示。試驗過程中使用底盤測功機模擬車輛實際行駛的阻力；使用 PEMS測量排氣流量和氣態污染物（CO、CO2、NOX），并且連接車載自動診斷系統（On Board Diagnostics, OBD）接口讀取車輛發動機信息，如發動機轉速、扭矩、水溫等參數；使用FTIR測量尾氣中NH3和NOX的排放。設備的安裝連接示意圖如圖1所示。

圖1 設備連接示意圖

表1 試驗車輛基本信息

試驗從冷啟動階段開始，先進行速度分別為10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h的等速工況試驗，每個速度點持續時間為 5 min。緊接著進行C-WTVC工況試驗。試驗過程中按照1 Hz的頻率對排氣流量、發動機數據、NOX和NH3的排放濃度進行采集。

1.2 試驗數據對齊

由于PEMS和FTIR設備是分別單獨記錄數據的，需要對兩個設備采集到數據進行對齊 PEMS和 FTIR設備均能測量 NOX的瞬時排放濃度，故選擇NOX的測量結果作為兩個設備測得數據對齊的依據。在正式試驗開始前，進行一個預實驗，驗證PEMS設備和FTIR設備NOX測量的相關性。圖2和表2為NOX測量的相關性結果。

圖2 FTIR和PEMS設備測量NOx的相關性

表2 FTIR和PEMS設備測量NOx的相關性結果

由圖2和表2可以看出，FTIR和PEMS設備測量NOX的相關性很好，可以使用NOX濃度作為數據對齊的依據。

2 數據分析與討論

2.1 等速工況下氨排放特征

圖3為等速工況下各個速度段下的瞬時排放濃度。由圖可以看出，在等速10 km/h的工況中，氨排放濃度一直為0，是因為車輛在常溫冷啟動狀態下開始試驗，此時車輛排溫較低，SCR反應器沒有被激活，尿素完全不噴射，沒有氨產生。在除了10 km/h的其他等速工況內，氨的瞬時排放值表現出相同的排放趨勢，在工況開始的前一段時間，氨排放迅速出現一個峰值，之后排放濃度緩慢下降。這說明每次速度的提升，有更多的 NH3發生泄漏，SCR系統噴射了更多的尿素，而達到反應平衡后，NH3的泄漏逐漸減少。

圖3 等速工況下氨排放濃度

圖4是等速工況下氨平均排放濃度和NOX平均排放濃度。由圖可以看出，平均氨排放濃度最高的是在等速30 km/h工況下，為24.36 ppm，最低的為等速10 km/h的工況下，氨排放為0，隨著速度的增大，呈現先增大后減小再增大的變化趨勢，在70 km/h的工況下達到次低的5.60 ppm。而NOX的平均濃度變化趨勢是隨著速度的增大先減小后增大。在低速階段，由于SCR系統沒有工作，NOX排放濃度高達213.20 ppm，之后隨著SCR系統開始工作，NOX排放濃度迅速下降到10 ppm以下，最低平均濃度為60 km/h工況下的1.15 ppm。在70 km/h和80 km/h的工況下，NOX的平均排放濃度又有所上升。

圖4 等速工況下氨和NOx的平均排放

2.2 C-WTVC工況下氨排放特征

圖5為C-WTVC工況下氨的瞬時排放濃度。由圖可以看出，市區和市郊階段的氨排放濃度相對較低，基本都在20 ppm以下，氨排放濃度隨著速度的增減有明顯的變化，在急加速后出現明顯的氨濃度的上升，減速氨濃度也會明顯下降。整個C-WTVC工況中氨濃度峰值出現在高速階段，在高速階段剛開始的急加速后，氨濃度迅速達到峰值，在一個小的減速后，氨濃度也隨之下降，在最后的勻速階段，氨濃度呈現緩慢增長的趨勢。

圖5 C-WTVC工況下氨排放濃度

圖6為C-WTVC工況下氨和NOX的平均排放濃度。由圖可以看出，從市區到高速，氨排放濃度是呈現上漲的趨勢，市區和市郊的平均排放濃度相差不多，都在10 ppm以下，高速的氨平均濃度遠大于市區和市郊的平均濃度。而對于NOX來說，市區、市郊和高速的平均濃度都相差不大，都在5 ppm以下，說明SCR系統對于NOX排放的控制做得比較好。

圖6 C-WTVC工況下氨和NOx的平均排放

2.3 氨排放因子

圖7為不同工況下的氨排放因子，由圖可以看出，等速工況下的氨排放因子和氨的平均濃度趨勢一樣，在 30 km/h的工況下排放因子最大為276.35 mg/kWh。C-WTVC工況下氨排放因子變化趨勢也和氨的平均排放濃度一致，市區階段的排放因子最小為36.53 mg/kWh，高速階段的排放因子最大為187.98 mg/kWh。

圖7 不同工況下氨排放因子

3 結論

等速工況下，每個速度點剛開始階段都會出現NH3排放的峰值，各速度點的平均NH3排放濃度是隨速度增加先減小后增大，平均NOX排放濃度隨速度先增大后減小再增大；等速工況下NH3排放因子在30 km/h的速度點下最大，為276.35 mg/kWh。行駛過程中避免急加速可以減少NH3的排放。

C-WTVC工況下，急加速后導致NH3濃度的增加，NH3平均排放濃度在高速階段最大，在市區階段最小；NOX的平均排放濃度在市區、市郊和高速階段均較低，高速階段的 NH3排放因子最大為187.98 mg/kWh。高速階段稍微減少尿素的噴射可以減少NH3的排放。