马成功 李 梁 张 凡 于津涛
(中国汽车技术研究中心有限公司,北京 100176)
近年来,大气污染加剧,雾霾天气频发,严重影响了人们的身心健康和生活质量,引起了社会各界的广泛关注[1]。柴油车由于排放污染严重,一直是汽车排放领域关注的焦点[2]。柴油车氮氧化物(NOx)排放量超过汽车排放总量的80%,颗粒物(PM)超过90%[3],因此有效控制柴油车污染物排放是控制机动车排放的关键任务。
生态环境部发布了《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(GB 17691—2018)(即国六排放标准),相对于国五排放标准,新增了车载排放测试(PEMS)要求、限值及车载诊断系统(OBD)检查。在用车的排放监督主要依据《柴油车污染物排放限值及测量方法(自由加速法及加载减速法)》(GB 3847—2018)进行环保定期检验监督,其中对于柴油车主要使用加载减速法(Lugdown)测试的结果进行判定,因此机动车年检是保证在用车排放达标的主要措施[4]。
国六排放标准更严格,因此整车及发动机厂家不得不采取更复杂的技术路线来达到降低排放的目的[5-7]。目前满足国六排放标准的柴油车常用的技术有废气再循环(EGR)、选择性催化还原(SCR)、催化氧化器(DOC)和颗粒捕集器(DPF)等。排放控制技术路线可根据EGR和SCR利用率的不同分为3种：无EGR+高SCR、低(中)EGR+SCR和高EGR+无SCR,目前国内主流的技术路线为低(中)EGR+SCR[8]。随着车辆使用年限和行驶里程的增加,各排放部件的劣化风险也逐渐升高[9]。本研究通过模拟重型国六在用柴油车排放部件劣化,采用PEMS和Lugdown试验研究部件劣化后车辆的排放特性,为在用柴油车排放监管和标准修订提供一定的科学依据。
1.1 测试车辆及设备
本研究选取一辆N2类、采用EGR结合DOC+DPF+SCR技术路线的国六在用柴油车,样车及发动机主要参数见表1。
表1 样车及发动机主要参数Table 1 Main parameters of prototype and engine
PEMS设备为HORIBA OBS-ONE便携式车载排放分析仪;Lugdown测试采用的是FLN-210汽车NOx分析仪及FLB-100透射式烟度计组成的加载减速测试系统,测试过程使用声光法烟度计(AVL483)对样车排放的碳烟(Soot)浓度进行测量记录、使用OBD诊断软件(Silver Scan-Tool)读取车辆OBD信息。
1.2 测试方法
本研究分别对EGR、DPF和SCR不同劣化程度的车辆进行PEMS和Lugdown测试,同时对样车进行OBD检查。其中,EGR劣化通过更换卡滞的EGR阀劣化件。DPF劣化研究分为载体泄露和载体移除两种,其中载体泄露是将壁流式载体部分通道破坏,破坏的通道能直通,以此来达到载体泄露的目的[10],其漏气量使用载体破损率表示,载体破损率=破损通道数/全部通道数,本研究的载体通道破损率为35%。SCR部件劣化程度难以控制,因此通过降低尿素浓度来达到降低SCR转化效率的目的。车辆正常使用的尿素为32.5%(质量分数),该车最小可接受的尿素浓度(CDmin)为28.5%,根据劣化程度的不同,本研究分别使用尿素为0(即水)、22.9%、28.7%、32.5%(即正常)的溶液来模拟SCR不同程度的劣化。
每次PEMS严格按照GB 17691—2018进行,以此来保证数据的真实可靠。为降低随机性因素的影响,每次试验重复多次,结果取平均值。
2.1 工况对比分析
根据PEMS和Lugdown测试的OBD数据,对比研究不同测试方法对应的发动机运行工况,结果如图1所示。PEMS工况点较分散,由于PEMS过程需要车辆在实际道路上行驶,因此其工况分布更接近实际。Lugdown测试主要采集实测最大轮边功率时的转鼓线速度(VelMaxHP)点和80% VelMaxHP点的排放数据,因此其对应的工况点更集中,主要分布在转速为2 400、3 000 r/min对应的外特性曲线点附近。
图1 PEMS和Lugdown测试工况点分布Fig.1 Operating point distribution of PEMS and Lugdown tests
李琳琳[11]研究表明,由于在高负荷工况下发动机喷油量增加,缸内燃烧不充分,在高负荷工况下的PM排放要高于较低负荷工况;同样在高负荷工况下,缸内燃烧温度增加,发动机原始排气的NOx增加,但由于排气温度的升高,SCR的转化效率更高,使得柴油车尾气中的NOx排放反而低于低负荷工况[12]。因此,从两者的工况点分布可看出,Lugdown测试更偏向于高负荷工况,使用该方法得到的PM结果偏高,而NOx结果偏低。相对来说,PMES结果更能反映车辆的实际排放水平。
2.2 排放数据分析
PEMS数据使用功基窗口法进行计算,使用第90%位窗口排放结果进行数据分析;Lugdown测试结果使用GB 3847—2018规定的转鼓速度稳定后9 s内的算术平均值,两种测试方法的法规限值如表2所示。AVL483记录的Soot浓度同样使用对应9 s内的算术平均值进行分析;使用Silver Scan-Tool读取车辆OBD信息,验证发动机故障报出情况。
表2 柴油车PEMS和Lugdown测试法规限值Table 2 Regulatory limits for diesel vehicel under PEMS and Lugdown tests
2.2.1 EGR阀卡滞
对EGR阀卡滞前后的测试结果进行整理计算,PEMS和Lugdown测试结果如图2所示。正常状态下,PEMS和Lugdown测试的排放结果均低于法规限值。EGR阀卡滞后,两种测试的PM排放相差不大,但NOx均有明显增加,且劣化后PEMS的结果远超其法规限值,但Lugdown测试结果仍在其法规限值内。
图2 EGR阀卡滞前后测试结果Fig.2 Test results before and after EGR valve stuck
AVL483测量的Soot排放和OBD检查结果如表3所示。EGR阀卡滞前后Soot平均排放浓度基本不变;EGR阀卡滞后,OBD根据EGR流量传感器和后处理NOx传感器的异常信号报出相应的A类故障。
表3 EGR阀卡滞前后Soot排放及OBD检查结果Table 3 Soot emission and OBD inspection results before and after EGR valve stuck
2.2.2 DPF劣化
模拟载体泄露和载体移除两种劣化,对不同劣化程度的测试结果进行整理计算,测试结果如图3所示。DPF劣化后,两种测试的NOx结果相差不大,但PM结果均有明显增加,且随着劣化程度的增加,排放逐渐升高。不同的是PEMS的PN结果在DPF轻微劣化时(即载体泄露)就已远超其法规限值,而Lugdown测试结果在载体移除后仍在其法规限值内。通过测试结果可以看出,DPF劣化后无法对全部PM进行有效捕捉,使得部分发动机原排直接通过DPF,导致PM排放增加。
图3 不同劣化程度DPF的测试结果Fig.3 Test results of DPF with different degradation degree
AVL483测量的Soot排放和OBD检查结果如表4所示。DPF劣化后,AVL483测量的Soot排放浓度明显增加。OBD根据DPF前后的压差传感器来判断DPF是否正常工作。在载体泄露的情况下,OBD未能有效识别到DPF故障;但载体移除后,OBD可识别并报出A类故障。
表4 DPF在不同劣化程度下的Soot排放及OBD检查结果Table 4 Soot emission and OBD inspection results of DPF under different degrees of deterioration
2.2.3 SCR转换效率低
通过降低尿素浓度进行模拟,对不同劣化程度的测试结果进行整理计算,结果如图4所示。SCR劣化后,两种测试的PM排放结果相差不大,但NOx排放均随着劣化程度的增加(即尿素浓度的降低)而升高。在尿素为0、22.9%时,PEMS的NOx排放结果超过其法规限值,而Lugdown测试结果虽有增加,但均在其法规限值内。
图4 不同劣化程度的SCR测试结果Fig.4 Test results of SCR with different degradation degree
为进一步比较EGR和SCR的净化效果,对PEMS测试中不同路况下的NOx排放进行分析,结果见图5。EGR阀卡滞后各路况下NOx排放均明显增加,主要是因为EGR阀卡滞后导致原排NOx排放增加,但随着车速增加,排温升高,市区、市郊、高速NOx排放逐渐降低,其与SCR对NOx的转换效率相关。SCR劣化后各路况下NOx排放均随着劣化程度的增加而升高。SCR未完全失效时,市区NOx排放最高,市郊和高速工况相差不多;尿素换水后,SCR完全失效,NOx排放趋势与EGR失效不同,高速NOx排放最高、市郊最低。该状况下决定NOx排放的除发动机运行工况外,只有EGR对NOx生成有抑制作用,而且抑制效果与EGR率相关。
AVL483测量的Soot排放和OBD检查结果如表5所示。不同劣化程度下的Soot平均排放浓度的变化进一步验证SCR转化效率低对PM的排放影响较小。OBD在尿素浓度高于CDmin时没有故障报出。当尿素为22.9%时,报出尿素品质相关的A类故障;尿素换水后,OBD报出尿素品质和NOx超标两种A类故障。
2.3 结果汇总及建议
本研究共进行了7种不同部件、不同劣化程度的项目研究,所有测试的判定结果汇总如表6所示。PEMS对国六柴油车劣化最灵敏,OBD检查次之,Lugdown测试最差。采用EGR结合DOC+DPF+SCR技术路线的国六柴油车在排放部件劣化后,污染物排放升高。但由于其燃烧较优化,排放水平接近甚至优于低排放阶段柴油车。因此,Lugdown对不同排放阶段的柴油车采用相同的法规限值不太合理。金博强等[13]的研究同样表明,Lugdown测试限值太高,现行法规限值无法对国六柴油车进行有效监督。为此本研究提出以下建议：(1)建议对排放水平较高的柴油车提前实施排放限值b或针对不同排放阶段的柴油车分别制定Lugdown排放限值。(2)建议国六柴油车Lugdown测试深入结合OBD,提高检测准确率。(3)建议使用AVL483、AVL439等精确度更高的设备代替烟度计对柴油车进行PM排放监督,使用NOx快速检测仪等设备对柴油车NOx进行排放监督。
图5 不同路况下的NOx排放Fig.5 NOx emission under different road conditions
表 5 SCR在不同劣化程度下的Soot排放及OBD检查结果Table 5 Soot emission and OBD inspection results of SCR under different degrees of deterioration
(1) 采用EGR结合DOC+DPF+SCR技术路线的国六柴油车,EGR、SCR劣化均能导致NOx排放结果升高,NOx无法满足PEMS的法规限值,OBD也均能报出故障警示,Lugdown测试结果虽有升高,但无法判定排放超限。
表6 测试结果汇总1)Table 6 Summary of test results
(2) 采用EGR结合DOC+DPF+SCR技术路线的国六柴油车,随着DPF劣化程度的增加,PN排放明显升高,超出PEMS的法规限值,OBD系统仅在载体移除后报出故障,而Lugdown测试结果同样无法判定排放超限。
(3) Lugdown测试总通过率远高于PEMS和OBD测试,难以对国六在用柴油车排放进行有效监督,建议对高排放标准的Lugdown限值进行加严,或使用精确度更高的测试设备进行测量。
(4) 由于重型柴油车存在多种技术路线,本研究样本单一,研究结论对于其他技术路线的国六柴油车适用性还需进一步验证。
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