黄标车辆升级改造绿标车技术方案研究

于全顺，王 微，郭 勇，徐军辉，许丹丹，马居宇

(中国汽车技术研究中心有限公司,天津市 东丽区 300300)

随着中国经济的不断发展，机动车的保有量迅速增长，截至2017年底，全国机动车保有量达3.10亿辆，其中载货汽车达到2341万辆，新注册登记310万辆，创历史新高[1]。汽车工业的发展给人们带来生活便利的同时也给人们带来了环境问题，民众对PM2.5和PM10的认识越来越深[2-4]。在用柴油车正是城市污染的重要来源之一，排放的污染物对人体有较大的危害[5-6]。

为了保护环境卫生和保护人体健康安全，世界各国纷纷出台机动车排放控制相关政策法规，2008年欧美就对小汽车、卡车实施欧V排放标准[7-10]，限定汽车最大颗粒排放量为0.005g/km，氮氧化物排放量为0.2g/km,颗粒物捕集器(diesel particulate filter，DPF)和柴油氧化催化剂(diesel oxidation catalyst，DOC)已被要求作为柴油动力的标准配置。发达国家如美国，其环保法越来越严格,中国也提出多种治理柴油车排放的措施，如改善油品，淘汰老旧车辆，限制黄标车通行以及黄标车升级改造等。中国计划2020年柴油车开始执行国VI标准，标准日益严苛[6,11-12]。

本文选用经过后处理改造后的车辆进行前后对比测试，通过转股和实际道路测试两种方式计算后处理系统改造对颗粒污染物和CO、NOX等气态污染物影响，为黄标车升级改造提供数据依据。

1 研究方案

1.1 实验设备

实验用测试系统主要由底盘测功机、测功机控制装置及数据采集系统、测量设备等部件组成。实验采用的颗粒物测量设备为Testo公司生产的Nanomet3，采用DC测量方法对颗粒物进行采集测量，可用于测10～700nm粒径范围的颗粒物数量

浓度及平均粒径大小；气态物质测量设备为德国德图Testo AG公司生产的Testo350。Testo350基于定位电解法测量CO、NO、NO2等污染物，基于不分光红外法(NDIR)测量CO2气体的浓度。所有传感器即插即用，装载后无须再标定。

1.2 DPF和车辆信息

试验样车选用10辆长途大巴和10辆城市公交车，车辆均为国II阶段，车辆改造选用壁流式颗粒物捕集器，车辆和DPF信息如表1所示。

表1 DPF和车辆信息

试验所选取的车型均为目前在国内具有较大市场占有率和保有量的车型，具有比较大的代表性。选用的DPF再生方式为主动再生和被动再生并存，其中被动再生方式为燃油添加剂FBC方法。

1.3 实验方法

本次实验中，在后处理系统前后各应用一套便携式颗粒物测试系统Nanomet3及气体测量设备Testo350同时进行采样测试，

设备搭建示意图如图1所示。为保证测试结果的准确性，实验前已确认两台Nanomet3和两台Testo350的一致性，两类设备同时对一辆车进行测试，分析测试结果，两台Nanomet3的测量误差为2%，两台Testo350的测量误差为3%。为了提高测试结果的可信性，测试重复进行三次，并取3次测试结果的平均值作为最终测试结果。

图1 设备搭建示意图

选定合适的车辆进行测试，主要的测试内容有：

1)通过加载减速法对排放尾气进行测试，将被检车辆置于底盘测功机上，由测功机给车辆施加一定的载荷，让车辆按照一定的车速工况运行，模拟车辆实际行驶时的车况；

2)将便携式车载尾气测试系统安装在被检车辆上，进行实际道路测试，测量不同工况下的尾气排放，两种测量方法的结果进行对比。

整车排放测试系统主要由双滚筒式底盘测功机、测功机控制装置及数据采集系统、气态和颗粒物测量设备等组成；车载排放测试系统主要由气态和颗粒物测量设备组成，可以逐秒记录被检车辆在行驶过程中的各个目标污染物的排放值。

加载减速法按照“GB3847-2005车用压燃式发动机和压燃式发动机汽车排气烟度排放限值及测量方法”[13]中的规定进行试验。根据实验规程的规定，排气管应直接与测试系统相连。实际检测过程中，被测车辆需要进行一段时间的热车，使水温达到规程的要求，同时，颗粒物测量设备也要提前进行预热，启动和预热测试设备至可用状态需要40min左右。

1.4 计算方法

对于颗粒污染物，通过对转股和道路两种测试方案比较，根据改造前后颗粒物数量PN的变化计算PN平均过滤效率来反映后处理系统改造的效果：

PN平均过滤效率=(改造前PN值-改造后PN值)/改造前PN值

对于气态污染物，只对转股测试进行了计算，计算改造前后各气态污染物的排放浓度来反映后处理改造的效果：

ψ=-改造后排放浓度/改造前排放浓度

2 结果与讨论

2.1 颗粒物测试结果比对

计算每一辆目标车辆的颗粒物PN平均过滤效率，取每一组的平均值。如图2所示是四组目标车辆颗粒物PN平均过滤效率比较图，可以看出，柴油机在加装DPF之后，无论实验是在底盘测功机上进行还是车载实际道路试验，四组测试车辆的PN平均过滤效率都达到了95%以上，均满足法规中对于DPF有效效率的要求(>85%)，进行车载试验PN过滤效率最低95.5%，最高可以达到99.1%；在进行底盘测功机上进行试验PN，平均过滤效率最低为95.2%，最高为98.3%。

图2 四组柴油机颗粒物平均过滤效率比较

原因是当排气流经DPF时，排气从一个过滤孔道流入后穿过多孔性壁面，从相邻孔道流出，滤芯内会对颗粒物进行捕集，排气中的颗粒物就会沉积在孔道的壁面上，从而达到对排气过滤的目的，减少炭烟的排放。

2.2 气态污染物测试结果对比

2.2.1CO分析

对20辆车改造前后的CO测量值进行分析，根据计算方法计算得出后处理对CO排放浓度的影响，按照分组计算平均值如图3所示。

图3目标车辆改造前后CO浓度比值

从图中可以看出，第一组和第三组排放前后浓度差别较大，改造前后浓度比为0.133和0.141；第二组和第四组改造前后浓度比分别为1.03和1.05，改造前后差别不大。结合表1中后处理形式可以分析得出：第一组和第三组较第二组和第四组多装备了DOC，第一组和第三组改造之后CO分别降低了86.7%和85.9%，而第二组和第四组较之改造前CO排放增加了3%和5%，原因是DPF在对颗粒物的捕集过程中，一段时间的累积后会伴随着再生过程的发生，这个过程中，捕集的颗粒物进行氧化燃烧，但是燃烧过程中含氧量较低，部分颗粒污染物未能氧化成CO2，而是以CO的形式排出。因此第二组和第四组会有不同程度的增加，而装备DOC后，对DPF再生过程中产生的CO和车辆自身排出的CO转化成CO2排出，因此有较大幅度降低。

2.2.2NO2分析

对20辆车改造前后的NO2测量值进行分析，根据计算方法计算得出后处理对NO2排放浓度的影响，按照分组计算平均值如图4所示。

图4 目标车辆改造前后NO2浓度比值

从图中可以看出，经过改造后，NO2的排放浓度得以明显下降，四组车NO2排放均低于改造前排放的50%，分别降至原来改造前的0.458，0.448，0.442和0.425，平均降低了0.437。因为柴油机装备了DPF后，发动机的排气流经DPF时，燃油添加剂FBC降低了颗粒物的燃点，在高温环境下NO2与颗粒物发生氧化还原反应，使得NO2会有不同程度的降低。

2.2.3NOX分析

对20辆车改造前后的NOX测量值进行分析，根据计算方法计算得出后处理对NOX排放浓度的影响，按照分组计算平均值如图5所示。从图中可以看出，车辆经改造前后排放浓度比位于0942～0.965之间，趋近于1，可以看出改造前后对于NOX影响较小，结合对于NO2的影响分析原因得

图5 目标车辆改造前后NOX浓度比值

出，当排气流经DPF时，DPF中的贵重金属氧化催化剂对排气中的NOX的净化效果极其微弱，只是将一部分的NOX的存在形式进行了转换，主要是NO2与颗粒物发生氧化反应，生成NO，使得NOX浓度基本不发生变化。

3 结束语

通过对柴油机在用道路机械加装DPF和DOC，对比柴油机改造后排放污染物与改造前污染物排放情况的变化，研究表明：

1)无论实验是在底盘测功机上进行还是进行车载实际道路试验，四组测试车辆的PN平均过滤效率都达到了95%以上，进行车载试验PN过滤效率最低95.5%，最高可以达到99.1%；在底盘测功机上进行试验PN平均过滤效率最低95.2%，最高98.3%；

2)柴油机同时加装DPF和 DOC的两组车辆，改造后与改造前CO排放浓度比分别是0.133和0.141，CO降低了86.7%和85.9%；而柴油机仅加装DPF的两组车辆，改造后与改造前CO排放浓度比分别是1.03和1.05，CO增加了3%和5%，；

3)对于NOX，改造前后之比趋近1，基本没有变化，只是其中的部分形式发生了转化，NO2降至改造前的43.7%。