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--> --> --> 近年来, 京津冀及周边、汾渭平原、长三角北部地区等重点区域大气污染严重, 随着汽车行业的发展和国内人均汽车保有量持续增加, 移动源排放造成的大气污染进一步显现。柴油车排放的污染物主要包括CO、HC、SO2、NOx和PM等, 其中NOx和PM主要排放污染物对人体健康和生活环境危害巨大。虽然柴油车只占我国机动车保有量不足10%, 但其NOx排放量接近机动车排放总量的70%, PM排放量占比超过90%[1]。因此, 柴油车的NOx和PM排气污染物成为今后机动车污染源控制的主要内容。柴油车严格执行国Ⅵ排放法规成为打赢蓝天保卫战的关键。目前, 国内外都开展了PEMS技术相关研究。我国的研究人员在PEMS测试方面也做了很多工作。葛蕴珊等[2]基于PEMS测试了5辆轻型柴油车和6辆城市公交车的实际道路排放, 分别测量了在空调打开与关闭状态下的公交车的实际排放。申现宝等[3]利用SEMTECH-DS车载测试系统, 选择3辆农用运输车进行实际道路车载测试。得到了HC、NOx、CO和CO2基于油耗的平均排放因子。郭勇等[4]使用便携式车载排放测试系统测试了2辆国Ⅳ公交车燃用不同燃料的实际道路排放特性和经济性。张静等[5]采用便携式排放测试系统(PEMS)跟踪检测3辆分别加装DOC、CDPF与DOC-CDPF的柴油公交车。YU等[6]在环境室中使用不同的PEMS研究了重型柴油车排放结果的一致性。
西弗吉尼亚大学(WVU)使用PEMS对3辆在用柴油车进行排放测试[7]。JACEK等[8]基于便携式排放测量系统(PEMS)对1辆符合欧-Ⅴ排放标准的汽油-天然气双燃料车在不同路况、不同环境条件下的尾气排放进行了测量。LEE等[9]选取了12辆符合欧-Ⅲ、欧-Ⅳ和欧-Ⅴ排放标准的轻型柴油车, 在实验室底盘测功机上测量了轻型柴油车NEDC循环的NOx排放。KEAN等[10]根据燃油消耗量对加州的非道路机械排放进行研究。估计了加州地区PM和NOx的排放情况。
通过研究国内外文献可知, 我国的整车PEMS测试的相关研究虽然取得了一定的进展, 但是, 对国Ⅵ技术法规的车辆实际道路行驶排放的相关研究还缺乏, 特别是基于国Ⅵ发动机的整车污染物排放特征的分析尚需进一步研究。本研究重点分析国Ⅵ重型车PEMS排放特征, 根据国Ⅵ排放标准制定测试方案, 并分析基于单位质量燃油、单位行驶里程、单位时间的排放因子, 监控排气后处理系统及控制策略在实际道路上的运行情况, 研究结果可为国Ⅵ柴油车污染物控制与监测提供参考依据。
1.1. 国Ⅵ排放标准
针对日趋严重的机动车尾气污染问题, 北京于2016年初执行京Ⅴ阶段的排放法规, 对在北京市内运行的7类车辆要求必须加装颗粒捕集器(diesel particulate filter, DPF), 这有效地降低了市内柴油车尾气颗粒物(PM)排放污染。2018年6月, 国务院印发《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的通知, 要求从2019年7月1日起, 重点区域、珠三角地区、成渝地区提前执行国Ⅵ排放法规。2018年7月, 生态环境部宣布自2020年7月1日起, 所有生产、进口、销售和注册登记的城市车辆应符合国Ⅵ排放法规要求; 自2021年7月1日起, 所有生产、进口、销售和注册登记的重型柴油车应符合国Ⅵ排放法规要求。国Ⅵ法规分为2个阶段, 国Ⅵ-b阶段在2023年7月1日全面执行, 国Ⅵ-b在国Ⅵ-a阶段的基础上增加了PEMS车载法PN的限值和远程排放管理车载终端数据发送的要求。重型车国Ⅵ排放法规内容基本沿用欧Ⅵ排放法规。国Ⅵ排放法规与国Ⅴ相比, NOx限值降低77%, 颗粒物质量(PM)限值降低67%, 并引入颗粒数量的限值要求, 同时加严了排放耐久性、车载自动诊断系统(on board diagnostics, OBD)等相关要求, 引入实际驾驶排放(PEMS)测试要求[11-12]。基于发动机台架测试循环排放结果不能真实反映整车实际排放的现象, 对此欧美等国提出利用便携式排放测试系统(PEMS)测量整车的实际行驶排放, 以弥补发动机台架检测循环测试的不足, 可以更加全面、真实地反映整车的实际排放水平[13-14]。PEMS技术并不需要将被测试发动机拆卸后进行实验室检测, 而是仅需要将相关的测试仪器装配到指定的车辆上进行实际驾驶排放测试, 这样不仅节约大量的时间和资源, 而且能够第一时间得到所需实时排放数据。随着PEMS技术的广泛应用, 机动车排放将从单一的台架测试向台架与PEMS技术相结合的方向发展[15-16]。1.2. 污染物控制技术
图 1是重型柴油机国Ⅵ常见的选择性催化还原(selective catalytic reduction, SCR)与DPF集成方案, SCR是降低柴油机排气中NOx污染物最有效的技术之一, DPF是目前国际上公认的最为有效的柴油机排气颗粒捕集技术。在国Ⅵ阶段, DPF安装在SCR上游, 其优点是上游的DPF可以利用DOC转化的NO2实现连续被动再生, 降低DPF主动再生的频率, 进而提升柴油机燃油经济性。一般SCR的平均转化效率须达到90%~95%左右, 下游的SCR可以利用上游DOC转化的NO2提升SCR快速反应的比例, 进而提升SCR低温转化效率, 该技术方案主要应用于城市与高速工况相结合的车辆。
2.1. 仪器与实验方案
选择带有国Ⅵ发动机及后处理系统实验车辆, 并加装美国Sensors公司生产的SEMTECH-DS (sensor emission technology)车载排放测试仪进行柴油车实际道路排放测试。SEMTECH-DS能够使用相应的测量模块测量气体污染物(如CO2、CO、HC和NOx)的瞬时排放。还能测量环境湿度、温度、压力以及其他相关参数。SEMTECH-DS带全球卫星定位系统(global positioning system, GPS), 可以测量车速和海拔, 并通过数据线传送给计算机。此外, 在每次测试之前, 分别用纯氮和标准气体对SEMTECH-DS进行校零和校准, 以确保测量结果的准确性。整车的总体布置如图 2所示, 主要包括测试车辆、排放测试设备和油耗仪等。实验用整车主要参数如表 1所示, 实验用SEMTECH-DS排放测试设备测量范围如表 2所示。
图 3为车辆道路PEMS排放测试中测试路况的构成情况, 实验路段接近于国Ⅵ车载排放法规要求的道路运行路况的分布, 车辆运行路况包括市区路、市郊路、高速路段, 全程45.9 km。根据车辆行驶速度划分车辆运行道路属性, 市区路段车辆行驶平均速度为0~50 km·h-1, 市郊路段车辆行驶平均速度为50~70 km·h-1, 高速路段车辆行驶平均速度 > 75 km·h-1。为获取不同的整车行驶工况对应的柴油车辆实时排放情况, 国Ⅵ标准对M3类型车辆要求70%市区, 30%市郊和高速路段, 各段路偏差控制在±10%以内。
2.2. 数据处理方法
为了更直观地描述排放污染物, 使用排放因子表达污染物的排放情况, 排放因子包括如下3种形式。第1种是基于燃油消耗的排放因子, 即车辆消耗单位质量燃油排放污染物的量, 计算见式(1)。采用碳平衡法计算基于燃油的排放因子, 该方法假定所有碳排放为HC、CO和CO2。颗粒物中的碳元素与排气中的气态碳元素相比比重极小[17], 可以忽略不计。
式中:QEF为基于燃油消耗的排放因子, g·kg-1; ρP为标准条件下的排气密度, g·m-3; Q为标准条件下的排气流量, m3·s-1; RFC燃油消耗率, L·s-1; ρD为燃油密度, g·m-3; Y为排气体积分数, HC、CO、CO2体积分数分别为0.866、0.429和0.273。
式中:QVF表示排气体积流量, L·s-1; RCWF表示碳在柴油中的质量分数, 87.98%;ρ为标准气体密度, 取值0.996 kg·L-1。
第2种是基于行驶里程的排放因子[18], 即车辆行驶单位距离排放污染物的质量, 计算见式(3)。
式中:QEFt基于行驶里程的排放因子; RED为车辆排放的某种污染物逐秒排放速率; D为该工况下的逐秒的速度, km·s-1。
第3种是基于时间的排放因子[19], 即车辆行驶单位时间排放污染物的量, 也就是瞬时排放, 是某种污染物在某一工况下逐秒污染物排放速率。
误差分析[20]采用标准偏差公式, 见式(4)。
式中:σ为标准差; N为样本总数; i为样本序列号; Xi为第i个样本的值; μ为算术平均值。
3.1. 基于燃油消耗的排放因子
表 3为市内、市郊、高速3种工况基于燃油消耗的排放因子。从表 3可以看出, CO、HC气态污染物基于燃油消耗的排放因子随车速的增加而降低, 主要原因是随着车速的增加, 发动机转速和负荷也相应增加, 排气温度可以保持在较高水平, 后处理装置DOC可以高效地氧化尾气中的CO、HC污染物。NOx气态污染物基于燃油消耗的排放因子随行驶路况变化先降低后增加, 主要原因是市内路况整车排气温度较低, 部分低负荷工况SCR不能正常工作导致NOx污染物排放相对较高。市郊和高速路况下的NOx污染物排放量较大, 但该路况发动机工作在高转速高负荷区间, 排气温度维持在较高水平, SCR催化剂工作在高效区间, 可以有效地降低尾气中的NOx污染物。3.2. 基于行驶里程的排放因子
基于行驶里程的排放因子对车速采用等间隔划分, 以10 km·h-1为划分间隔。将速度分为(0, 10]、(10, 20]、(20, 30]、(30, 40]、(40, 50]、(50, 60]、(60, 70]、(70, 80]、(> 80)共9个车速区间。通过对各车速区间内的排放因子加权平均处理, 计算得出各车速区间对车辆排放因子的总体影响。图 4给出了不同车速区间内NO、NOx、CO和HC基于行驶里程的平均排放因子。可以看出, NO、NOx、CO和HC在(0, 10]速度段的基于行驶里程排放因子最高。当车速增大时, 污染物的排放因子总体呈快速下降趋势。而当速度达到(20, 30]速度段以后, 排放因子保持相对稳定。另外, 改造后安装国Ⅵ发动机及后处理系统车辆污染物排放量明显低于改造前安装国Ⅴ发动机车辆, 其中NOx平均下降88%, CO平均下降98%, HC平均下降62.7%。其中NOx和CO较大下降幅度, HC下降幅度相对小, 其原因是在车速(0, 10]区间, 车辆起步加速, 瞬间喷入气缸的燃油较多, 未完全燃烧随尾气排出, 此时后处理排气温度较低, 污染物转化效率不高。该区间污染物排放量加权后占比重较大。当车速 > 20 km·h-1, HC污染物排放量降低幅度较大, 排放趋近与零。
3.3. 基于单位时间的排放因子
为了全面了解国Ⅵ柴油车的瞬时排放特征, 图 5分别给出了汽车在市区、市郊、高速的车速和NOx、CO、HC污染物的瞬时排放速率。比较3种不同的道路类型的车速可以发现, 市内道路测试车辆的行驶速度相对较慢并且经常启停。而在市郊道路上, 车速平均能达到50 km·h-1以上, 高速平均车速 > 75 km·h-1。由于国Ⅵ发动机增加了氧化催化器、颗粒捕集器、选择性催化还原系统、氨捕集器等后处理系统, NOx、CO、HC污染物排放整体水平较低, NOx、CO瞬态污染物趋势随车速的增加而增加, 但HC在市郊和高速路段污染物排放趋于0, 分析其主要原因为, 在市郊和高速路段车辆运行相对平稳, 发动机缸内燃烧比较充分, HC排放量较低, 再加上后处理系统排气温度相对较高, 可以高效地氧化发动机排出的HC。市内路段各种气态污染物瞬时排放速率随车速的急剧变化呈现剧烈的波动。市郊、高速道路车辆启停相对较少, 其中HC和CO的排放高峰多出现在启停加速工况点。这2种污染物都是燃油不完全燃烧的产物, 在车辆加速过程中, 喷油量瞬间增加, 使得空燃比下降, 导致燃烧不充分造成的污染物排放增多。对于NOx在高速路段排放较多, 车辆在高速行驶过程中, 柴油机运转在高转速高负荷工况, 发动机的燃烧温度也会随之上升, 高温富氧环境下促进了NOx的生成。
3.4. 功基窗口排放因子
图 6、图 7、图 8为基于功基窗口法加权得到的NOx、CO、HC瞬时排放因子。可以看出, NOx整体排放水平高于HC和CO, 特别是在市区道路部分工况, NOx排放水平较高, 主要因为市区整车经常起停, 后处理系统排气温度较低, 导致SCR部分区域转化效率低。HC和CO整体排放水平非常低, 特别是在市郊和高速段, HC排放趋近于0。
功基窗口法测量排气污染物如表 4所示, NOx测量结果为460 mg·(kWh)-1, CO测量结果为192 mg·(kWh)-1, HC测量结果为37.5 mg·(kWh)-1。各气体污染物均低于PEMS国Ⅵ限值, 测试结果符合国Ⅵ车载法规要求。
2) 国Ⅵ整车CO、HC、NOx气态污染物较国Ⅴ大幅度降低, NOx、HC、CO气态污染物较国Ⅴ重型柴油车下降幅度较大, 3种气态污染物分别下降88%、98%、62.7%。
3) 基于功基窗口法对数据进行整理分析, NOx测量结果为460 mg·(kWh)-1, CO测量结果为192 mg·(kWh)-1, HC测量结果为37.5 mg·(kWh)-1, 该整车PEMS测试结果符合国Ⅵ法规要求。
参考文献
