重型柴油車NOx 排放檢測現狀及方法

劉宗昊 劉樹成 劉加昂 苗壯

摘要： 以山東省在用重型柴油車為研究對象，調研定期排放檢驗、遙感監測和遠程監控在重型柴油車 NO ?x 排放監管中的應用現狀，采用恒定轉速法和自由加速法試驗研究重型柴油車的 NO ?x 排放規律。調研結果表明：定期排放檢驗和遙感檢測2種方法測得的車輛 NO ?x 排放與重型柴油車實際 NO ?x 排放情況不符，遠程監控形式測得的 NO ?x 排放與實際情況相符。試驗結果表明：恒定轉速法和自由加速法測得的重型柴油車 NO ?x 體積分數能夠真實反映重型柴油車 NO ?x 的排放規律，都可用于重型柴油車 NO ?x 排放的快速檢測。

關鍵詞： 重型柴油車； NO ?x 排放；檢測方法

中圖分類號：U491.92 文獻標志碼：A 文章編號：1673-6397（2024）01-0035-07

引用格式： ?劉宗昊，劉樹成，劉加昂，等.重型柴油車NO ?x 排放檢測現狀及方法［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（1）：35-41.

LIU Zonghao， LIU Shucheng， LIU Jiaang， et al. Detection status and detection methods of NO ?x ?emission for heavy-duty diesel vehicles［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：35-41.

0 引言

化石燃料燃燒產生的污染物排放不僅危害人類健康，還造成嚴重的大氣污染[1-3]，NO ?x 是大氣中二次細粒子與臭氧的前驅體，會引起區域性灰霾[4]。國家已經制定了現階段固定污染源超低排放的相關標準及監管政策，例如，為持續改善京津冀及周邊地區空氣質量，文獻[5]要求因地制宜推動北方地區清潔取暖、工業窯爐治理、非電行業超低排放改造，加快揮發性有機物排放綜合整治， NO ?x 和揮發性有機物排放總量分別下降10%以上。近年來，汽車等移動污染源的數量快速增長，移動源污染是我國空氣污染的重要來源之一[6-7]。2021年，全國機動車 NO ?x 排放約為5821萬t，其中柴油車 NO ?x 排放已經超過機動車排放的80%[8]。因此，加強柴油車超標排放治理，特別是對重型柴油車 NO ?x 排放的監管十分必要。

Carslaw等[9]采用遙感檢測技術對車輛的NO、NO 2排放進行測量，結果表明該方法能夠快速進行整車道路排放測試，但駕駛員的駕駛習慣對車輛排放的影響較大；馬帥等[10]利用便攜式尾氣測量系統測量國六重型柴油車實際道路 NO ?x 排放，結果表明，國六重型柴油車實際道路排放控制效果良好，較高的 NO ?x 排放主要集中在急加速階段，并在長下坡結束時出現峰值；趙琛[11]采用整車實際道路車載法、遠程車載診斷系統和道路遙感測試3種方法分別分析國六重型柴油車在實際道路行駛下的 NO ?x 排放特性，結果表明，3種測試方法在排放評價中具有良好的互補性。上述研究中，采用了不同檢測方法分析柴油車的 NO ?x 排放特性，但這些方法均需要車輛上路行駛一段距離，檢測空間和時間范圍較大。

目前，山東省沒有重型柴油車 NO ?x 排放快速檢測方法，無法對重型柴油車 NO ?x 排放進行有效監管，不利于 NO ?x 減排。因此，重型柴油車NO ?x 排放快速檢測方法的提出已經迫在眉睫。

1 重型柴油車NO ?x 排放檢測現狀

目前，山東省采用定期排放檢驗、遙感監測和遠程監控3種方式對重型柴油車NO ?x 排放進行監管。

1.1 定期排放檢驗

定期排放檢驗是按照國家、地方有關規定，由機動車排放檢驗機構對在用機動車進行排放檢驗，檢驗合格方可上路行駛[12]。山東省重型柴油車定期排放檢驗執行國標《柴油車污染物排放限值及測量方法（自由加速法及加載減速法）》，其中規定柴油車尾氣中 NO ?x 最大體積分數為15×10-3[13]。2022年1—10月，山東省機動車定期排放檢驗機構按照該標準共檢測柴油車2 314 337輛（次），其中 NO ?x 排放不合格113 291輛（次），合格率為951%。

1.2 遙感監測

遙感監測是一種不影響道路正常通行的機動車尾氣檢測方式，適用于在用車排放監督抽檢[14]。山東省執行國標《在用柴油車污染物測量方法及技術要求（遙感檢測法）》，標準中規定裝用壓燃式發動機的汽車尾氣中，NO的最大體積分數為1500×10-3，該限值僅用于篩查高排放車[15]。2022年1—10月，山東省已建成的174套遙感監測設備共檢測柴油車2 682.16萬輛（次），NO排放不合格2746萬輛（次），合格率為99%。

1.3 遠程監控

遠程監控是通過安裝車載終端，利用控制器局域網總線通信協議實時采集車輛發動機控制單元中的車速、發動機轉速、發動機燃料流量、發動機凈輸入轉矩、行駛里程、進氣量等信息和選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）系統的牽引控制單元的SCR下游 NO ?x 的體積分數，對重型柴油車的NO ?x 排放進行監控[16]。2022年1—10月，山東省遠程監控的重型柴油車尾氣中 NO ?x 平均體積分數為513×10-4，但有15%的重型柴油車尾氣中 NO ?x 體積分數大于10×10-3。

上述3種重型柴油車 NO ?x 排放監管方法中，定期排放檢驗和遙感監測的柴油車 NO ?x 排放合格率較高，均達到了95%以上，與重型柴油車 NO ?x 排放對環境造成的污染現狀不符；遠程監控形式雖然能夠客觀反映重型柴油車的實際 NO ?x 排放狀況，但其本身只是一種直接采集運行車輛數據的手段，尚未頒布專門針對NO ?x 排放遠程監控的標準，無法設定 NO ?x 排放最高限值，因此遠程監控不能判定車輛排放是否合格。

2 重型柴油車 NO ?x 排放檢測方法

2.1 檢測儀器及SCR系統工作原理

2.1.1 檢測儀器工作原理

基于重型柴油車 NO ?x 排放監管現狀，參照文獻[13]，采用便攜式五項污染物快速檢測儀，利用紫外差分吸收光譜技術對重型柴油車靜態排放的NO和NO 2 2種污染物進行檢測。紫外差分吸收光譜技術主要利用空氣分子對柴油車尾氣的選擇吸收特性（NO ?x 與其它氣體的吸收波段不同）對NO ?x 進行檢測。紫外差分吸收光譜技術的理論基礎是比爾-朗伯定律，光被吸收的量正比于光程中產生光吸收的分子數目[17]。比爾-朗伯定律適用于所有的吸光物質，包括氣體、固體、液體等。根據比爾-朗伯定律，某物質的吸光度

A= lg （ I 0 I ） lg （ 1 T ）=c ?m aL=aφL M V m ?， ?（1）

式中： I 0 為入射光的強度，cd； I 為透射光的強度，cd； T 為透射比； c ?m為物質的量濃度，mol/L； L 為光程，cm； a 為物質的吸光系數，L/（g · cm）; φ 為物質的體積分數； M 為物質的摩爾質量，g/mol； V m 為物質的摩爾體積，L/mol。

2.1.2 SCR系統工作原理

目前，重型柴油車一般采用SCR系統降低發動機NO ?x 排放。SCR系統主要由尿素水溶液儲存罐、尿素噴射系統和催化器組成，其減排原理為：利用噴射的尿素與水反應產生二氧化碳和氨氣，氨氣在催化器中與柴油車尾氣中的 NO ?x 發生化學反應，生成氮氣和水[18]。該過程的主要化學反應如式為：

（NH 2） 2CO+H 2O CO 2+2NH 3 ， ?（2）

2NO 2+2NO+4NH 3 4N 2+6H 2O ， ?（3）

4NO+4NH 3+O 2 4N 2+6H 2O 。 ?（4）

催化器效率受排氣溫度的影響較大，當排氣溫度為250～500 ℃時，催化器對 NO ?x 的轉換效率可以達到90%以上；溫度過低時， NO ?x 的還原反應不能有效進行。

2.2 NO ?x 排放檢測方法

2.2.1 恒定轉速法

恒定轉速法測量重型柴油車在靜態運行時不同轉速下NO ?x 的穩定排放。在道路上隨機選取4輛重型柴油車，依次檢測發動機轉速分別為750（怠速）、1 000、1 500、2 000 r/min 時車輛的 NO ?x 排放規律。采用恒定轉速法檢測的重型柴油車基本信息如表1所示，其發動機轉速和尾氣中NO ?x 體積分數隨時間變化曲線如圖1所示。

由圖1可知：4輛柴油車的 NO ?x 排放規律相似，在怠速轉速時，車輛尾氣中 NO ?x 體積分數最高，隨著發動機轉速依次增加至1 000、1 500、2 000 r/min， NO ?x 體積分數呈階梯狀下降并趨于穩定，且每次發動機轉速轉換時，均出現 NO ?x 體積分數的峰值。分析原因為：滿足國五及以上排放標準的車輛普遍采用SCR后處理系統，當車輛處于怠速狀態時排氣溫度較低，SCR尿素噴射系統不噴射尿素，車輛 NO ?x 排放較高；車輛充分預熱后，催化器處于合適的工作溫度，尿素噴射系統正常工作，使得車輛的 NO ?x 排放不斷下降。

采用恒定轉速法測定的重型柴油車 NO ?x 體積分數均處于正常水平（2×10-4～8×10-4），能夠真實反映重型柴油車的 NO ?x 排放規律，該方法可用于重型柴油車正常工況下的 NO ?x 排放檢測。

2.2.2 自由加速法

自由加速法是在車輛在靜態運行時將油門踏板快速、連續、完全踩到底，檢測重型柴油車在自由加速狀態下的 NO ?x 瞬時排放。

在道路上隨機選取8輛重型柴油車，其基本信息如表2所示。

將8輛重型柴油車充分預熱，在怠速狀態下，1 s內將油門踏板快速完全踩到底并穩定，使發動機轉速達到額定轉速，然后松開油門踏板，等待至少10 s，確保發動機穩定在怠速轉速后重復操作。

采用自由加速法檢測的重型柴油車發動機轉速和尾氣中NO ?x 體積分數隨時間變化曲線如圖2所示。由圖2可知：8輛重型柴油車的 NO ?x 排放均呈周期性變化；以一個周期為例，開始踩踏油門踏板，發動機轉速立即增加， NO ?x 體積分數隨之極速增加，這是由于重型柴油車開始進入正常沖程循環，柴油以霧化狀態被高速噴入燃燒室，柴油中的含氮化合物與參與燃燒的氮氣和氧氣迅速反應生成大量的 NO ?x ， NO ?x 的生成速度遠大于SCR系統的響應處理速度；完全將油門踏板踩到底，使發動機轉速快速增加至額定轉速附近并保持不變，此時 NO ?x 體積分數達到本周期內的峰值并迅速下降至較低穩定水平。

結合式（3）（4）可知，反應物濃度的增加有利于氧化還原反應的快速正向進行，SCR系統將車輛排放的 NO ?x 持續轉化為氮氣，便攜式五項污染物快速檢測儀采集的 NO ?x 體積分數為后處理系統處理后的數據，不是發動機原始排放數據。

采用自由加速法測定的8輛重型柴油車 NO ?x 體積分數均處于正常水平，能夠真實反映重型柴油車的 NO ?x 排放規律，該方法也能夠檢測重型柴油車正常工況下的 NO ?x 排放。

3 結論

在調研山東省在用重型柴油車 NO ?x 排放的3種監管方法的實際情況基礎上，分析恒定轉速法和自由加速法的重型柴油車的 NO ?x 排放規律和可行性。

1）定期排放檢驗和遙感檢測2種方法測得的車輛 NO ?x 排放合格率均達到95%以上，與重型柴油車實際 NO ?x 排放狀況不符；遠程監控形式測得的重型柴油車 NO ?x 排放與實際情況相符，但該方法沒有 NO ?x 排放的國標限值，不能直接判斷車輛排放是否超標。

2）恒定轉速法檢測重型柴油車 NO ?x 排放，發動機轉速變化時， NO ?x 體積分數先快速增長隨后減少并趨于穩定；轉速越高，車輛 NO ?x 排放越低。

3）自由加速法檢測重型柴油車 NO ?x 排放，車輛發動機轉速與 NO ?x 體積分數呈現周期性變化，每次快速將油門踏板踩到底，發動機轉速快速增加至額定轉速附近并保持不變， NO ?x 體積分數呈現極速增加，達到本周期內的峰值后迅速下降。

4）恒定轉速法和自由加速法能夠真實反映重型柴油車NO ?x 排放規律，都可用于重型柴油車 NO ?x 排放檢測。

5）在路檢、路查檢測重型柴油車排氣煙度的同時，可使用五項污染物分析儀通過恒定轉速法或自由加速法檢測車輛 NO ?x 排放，實現對重型柴油車 NO ?x 排放的快速有效檢測。

6）在恒定轉速法和自由加速法的基礎上，山東省進一步抽取大量重型柴油車樣本，采集 NO ?x 排放數據，與大數據分析交叉融合確定 NO ?x 排放限值，可提出適用于山東省省情的重型柴油車 NO ?x 排放快速檢測方法及標準限值。

參考文獻：

[1] ?VAN OEVER A E M， COSTA D， MESSAGIE M. Prospective life cycle assessment of alternatively fueled heavy-duty trucks[J].Applied Energy， 2023， 336：120834.

[2] ?孫世達，張改革，孫露娜，等.河北省2013—2020年大氣污染治理進程中的減污降碳協同效益[J].環境科學，2023，44（10）：5431-5442.

[3] ?張碩，張春梅，蔡旭，等.面向2035年的氫燃料與柴油重型商用車全生命周期環境影響預測研究[J].環境科學研究，2023，36（10）：1892-1904.

[4] ?周磊，王伯光，湯大鋼.重型柴油車對空氣質量的影響及其排放的控制[J].環境科學，2011，32（8）：2177-2183.

[5] ?中國共產黨第十九屆中央委員會. 中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十四個規劃和二〇三五年遠景目標的建議[Z/OL].（2020-10-29）[2021-12-09].https：//www.gov.cn/zhengce/2020-11/03/content_5556991.htm.

[6] ?JANG S， SONG K H， KIM D.Road-section-based analysis of vehicle emissions and energy consumption[J].Sustainability，2023，15（5）：4421.

[7] ?劉瑞媛，曹聰聰，郭棟，等.城市移動源排放特征及減排對策[J].交通科技與經濟， 2023， 25（4）：62-67.

[8] ?中華人民共和國生態環境部.中國移動源環境管理年報[R].北京：中華人民共和國生態環境部， 2022.

[9] ?CARSLAW D C， RHYSTYLER G. New insights from comprehensive on-road measurements of ?NO ?x ， NO 2 and NH 3 from vehicle emission remote sensing in London， UK[J].Atmospheric Environment， 2013，81（2）：339-347.

[10] ?馬帥，黃志輝，紀亮，等.基于車載測試的國VI重型柴油車CO 2和NO ?x 排放研究[J].環境科學學報， 2022， 42（2）：341-350.

[11] ?趙琛. 國Ⅵ重型車 NO ?x 排放特征及評價方法研究[D].北京：中國環境科學研究院， 2023.

[12] ?山東省人民代表大會常務委員會辦公廳.山東省人民代表大會常務委員會關于修改《山東省機動車排氣污染防治條例》等十四件地方性法規的決定[J].山東省人民代表大會常務委員會公報， 2022（2）：353-388.

[13] ?生態環境部. 柴油車污染物排放限值及測量方法（自由加速法及加載減速法）：GB 3847—2018[S].北京：中國環境科學出版社，2018.

[14] ?王孟昊， 黃成， 任洪娟， 等.基于遙感尾氣監測的柴油車氣態污染物排放因子計算方法研究[J].環境科學學報， 2020， 40（11）：4156-4161.

[15] ?環境保護部.在用柴油車污染物測量方法及技術要求（遙感檢測法）：HJ 845—2017[S].北京：中國環境科學出版社，2017.

[16] ?鄧明星，歐陽含笑，錢楓，等.基于改進LSTM的重型柴油車遠程監測 NO ?x 濃度缺失數據填補[J].環境科學學報，2023，43（11）：245-257.

[17] ?劉加昂，張妮，劉樹成，等.重型柴油車排放遠程監控系統設計與應用[J].內燃機與動力裝置， 2023， 40（3）：39-43.

[18] ?PRAVEENA V， MARTIN M L J.A review on various after treatment techniques to reduce ?NO ?x ?emissions in a CI engine[J].Journal of the Energy Institute， 2018， 91（5）：704-720.

Detection status and detection methods of NO ?x ??emission for

heavy-duty diesel vehicles

LIU Zonghao1， LIU Shucheng1*， LIU Jiaang1， MIAO Zhuang2

1．Shandong Motor Vehicle Exhaust Pollution Monitoring Center， Jinan 250102， China;

2. Qingdao Car-free Transportation Service Center Co. ， Ltd. ， Qingdao 266000， China

Abstract： Taking heavy-duty diesel vehicles in use in Shandong Province as the research object， this study investigated the application status of regular emission inspection， remote sensing monitoring， and remote monitoring in the regulation of NO ?x ?emissions from heavy-duty diesel vehicles. The constant speed method and free acceleration method are used to experimentally study the NO ?x ?emission characteristics of heavy-duty diesel vehicles. The results show that the NO ?x ?emissions measured by two methods， regular emission inspection and remote sensing detection， do not match the actual NO ?x ?emissions of heavy-duty diesel vehicles. The NO ?x ?emissions measured by remote monitoring are consistent with the actual situation. It is also show that the volume fraction of NO ?x ?measured by the constant speed method and the free acceleration method can truly get the emission characteristics of NO ?x ?from heavy-duty diesel vehicles， and both can be used for rapid detection of NO ?x ?emissions from heavy-duty diesel vehicles.

Keywords： heavy-duty diesel vehicle；NO ?x ?emission；detection method

（責任編輯：郎偉鋒）