柴油车固体SCR系统运行及NOx排放特性研究

刘明，何超，李加强，刘学渊，彭琪凯，邹浪

(西南林业大学汽车与交通学院,云南 昆明 650224)

柴油机因为其经济性好、扭矩大、可靠耐用等优点被普遍用作重型车的动力。同时，柴油车的排放也越来越受到各界的关注[1-3]。柴油发动机本身压缩着火、扩散燃烧、总体稀燃等特点使得其NOx排放较高，而NOx对人类健康有损害，并会导致严重的环境问题[4-6]。随着排放标准的日趋严格，选择性催化还原(Selctive Cataiytic Reduction，SCR)、颗粒捕集器(Diesel Particulate Filter，DPF)、氧化催化器(Diesel Oxidation Catalyst，DOC)等先进后处理装置开始应用于柴油车上[7]。SCR具有油耗低、发动机结构及其电控系统功能改变小、对燃油中的硫含量不敏感等技术特点，因此SCR成为降低柴油车NOx排放的重要技术路线[8-10]。使用尿素SCR系统能够在一定程度上降低柴油车的NOx排放，但是在道路交通不畅，柴油车的平均车速和负载相对较低、排气温度低时，尿素SCR系统无法正常工作，从而导致实际 NOx排放高于排放限值[11-12]。尿素SCR系统存在低温结冰、低温下排气管路中尿素结晶、低温下SCR系统活性不足等缺陷[13]，因此尿素SCR系统在实际使用过程中具有一定的局限性。

固体SCR(Solid SCR)技术以化合物的形式将 NH3以固体氨络合物(简称氨盐)的形式储存起来，并保存在密闭的容器中，加热到 80 ℃以上时，固体氨盐会重新把储存的NH3释放出来，根据发动机工况要求，定量进行NH3喷射控制[14]。因此固体SCR对降低柴油车NOx排放具有重要意义。

汽车尾气监控平台利用通用分组无线业务技术(General Packet Radio Service，GPRS)可以实时接收并保存车辆运行工况数据(如发动机转速、水温、车速、油耗、排放等)，可用于长期监测柴油机后处理器的使用状况。本研究旨在通过汽车尾气监控平台研究装配固体SCR系统柴油车的NOx排放，同时评估固体SCR系统在排气温度较低时对NOx的减排效果。

1 试验方法

1.1 汽车尾气监控平台功能简介

汽车尾气监控平台监控的汽车共11辆，主要分布在北京、上海两地。监控平台监测的车辆状态参数有车速、发动机转速、油门踏板开度等，监测的固体SCR系统状态参数有出入温度、出入口NOx浓度、发动机排气流量等。通过该平台可以实时观察到车辆与固体SCR的最新状态，其主要功能包括：车辆最新状态列表、历史数据查询、轨迹回放、报警设置、车辆管理、统计报表。

1.2 测试车辆

本研究采用的试验车辆为1辆总质量16 t的柴油环卫车，该车为汽车尾气监控系统监控车辆中的一辆，且装配有固体SCR系统，固体SCR系统主要参数如表1所示。该车在监控平台下已运行2年。试验车辆安装的发动机为ISDe230 40柴油机，其主要参数如表2所示。

表1 固体SCR系统主要参数

表2 试验车辆发动机主要参数

1.3 数据处理方法

采集的数据越多，结果越准确。但是由于客观条件的限制，采集数据不可能无穷大。M.Andre研究表明，当采集的数据量达到一定值后，即使增加数据量，准确性也不会有很大提高[15]。本研究从监控平台共获得了试验柴油车38天的工况有效数据1 350 343个，累计行驶里程 1 009.6 km，测量数据包括速度、加速度等重要参数。

1) 数据对正：在Excel中使用offset函数将污染物浓度、排气流量、车速等实测数据对齐。

2) 剔除发动机熄火数据：剔除排气质量流量小于5 kg/h，或者排气流量率测量值小于怠速稳定排气流量率20%时的数据。

3) 利用公式(1)计算得到NOx瞬时质量排放。

(1)

式中：NOx,m为NOx瞬时质量排放；Pg,x为排气污染物NOx的密度；Pg,e为排气污染物密度；Cg,x为排气中测得的污染物NOx的体积分数；Qm,x为测得的排气质量流量；g为相应的污染物；x为测量值编号。

4) 基于里程的瞬时排放因子

利用公式(2)得到基于里程的瞬时排放因子。

(2)

式中：V为车速。

5) 利用算术平均法计算污染物排放因子

在步骤3)中已得到车辆的瞬时质量污染物排放，把瞬时污染物排放进行累加得到总的污染物排放量，然后除以车辆在实际试验时行驶里程，即可得到污染物排放因子，计算公式如下：

(3)

式中：NOx,m1为NOx的排放因子；S为行驶里程。

算术平均法计算得到的污染物排放因子能反映车辆在试验过程中的整体排放水平，但忽略了局部的排放，基于里程的瞬时排放因子能较好反映局部的排放，因而两者结合能较好地反映其实际的排放。

6) NOx转化效率计算

NOx转化效率表示NOx进入SCR前后其体积分数的变化率，其计算公式为

(4)

式中：ηNOx为NOx的转化效率；C(NOx)in为入口NOx的体积分数；C(NOx)out为出口NOx的体积分数。

7) 对上面得到的数据后续主要用主成分分析法和分区间处理法进行处理，具体分析方法见参考文献[16]。

2 结果分析及讨论

2.1 试验车辆行驶特征参数与排放特征参数

计算统计得到的柴油环卫车速度分布见图1，加速度分布见图2，工况分布见表3。结果显示，该柴油车在整个监测期间，90%以上的加速度点在±1.5 m/s2范围内波动，平均车速为13.45 km/h，最高车速为75 km/h，车速20 km/h以下的行驶时间比例为70%，50 km/h以下的比例占98%，大于60 km/h的比例不足0.5%，可知试验车整体行驶速度偏低。因为环卫车要在固定位置作业，使得该柴油车怠速比例高达20.7%。该柴油车加速和减速比例分别为 35.8%和 32.2%，可知在整个过程中试验车加减速较频繁。

图1 柴油车速度分布情况

图2 加速度分布情况

平均速度/km·h-1怠速时间比例/%加速时间比例/%减速时间比例/%等速时间比例/%13.4520.735.832.211.3

由分天统计得到的38天排放特征参数可知：在整个38天的测试过程中NOx平均质量浓度最高为0.044 g/s，最低为0.017 g/s；89%的NOx平均质量浓度数据低于0.040 g/s，92%的NOx平均质量浓度数据在0.020 g/s周围波动；NOx平均排放因子最高为6.71 g/km，最低为1.71 g/km，92%的NOx平均排放因子数据低于6.00 g/km，82%的NOx平均排放因子数据在3 g/km周围波动。

2.2 高速工况与低速工况NOx排放特性

用主成分分析法对38天数据进行处理，得到柴油车实际道路数据，现分别选取其中的低速工况和高速工况数据以分析NOx排放速率随交通状况变化的情况，两段工况时长均为2 238 s。图3、图4分别示出低速工况和高速工况的NOx排放率变化趋势。由图可知，工况变化时NOx排放率变化明显，怠速时NOx排放率较稳定，柴油车加速时NOx排放速率有一定的增大；柴油车加速结束或柴油车减速时会导致NOx排放率降低，并有一定幅度波动。

图3 低速工况下NOx的瞬时质量排放

图4 高速工况下NOx的瞬时质量排放

由表4可以看出，高速工况与低速工况的平均速度分别为37.33 km/h，9.19 km/h，基于里程的NOx排放因子分别为2.70 g/km，5.40 g/km，低速工况排放因子约为高速工况排放因子的2倍，可知工况是影响排放的重要原因。

表4 高速工况和低速工况的特征参数

2.3 不同速度下NOx排放特性

该柴油车怠速工况时平均NOx转化率为33.25%，最高为55.68%。26.30%的NOx转化率数据大于40.00%。

为分析不同速度下的NOx排放特性，将(0，5]，(5，10]，(10，15]，…(40，45]共9个速度区间的NOx排放因子和NOx转化率进行平均处理，代表不同速度下NOx排放特性，结果见图5。由图可知，柴油车NOx排放因子随着速度增加逐渐降低，在9个速度区间的NOx排放因子均小于6.30 g/km。柴油车NOx转化率随着速度的增加逐渐升高，NOx转化率整体大于30%。

图5 NOx排放因子、转化率随速度变化关系

综上可知，在实际道路行驶时装配固体SCR系统的柴油车在较低速度时NOx转化率大于30%，平均转化率为61%，NOx平均质量浓度为0.023 g/s，NOx排放因子低于6.30 g/km，NOx的平均排放因子为4.17 g/km。可知装配有固体SCR系统的柴油车在较低的速度也能获得良好的NOx排放，优化了柴油车低速时排放性能。该系统可以长时间稳定有效地使柴油车获得较低的NOx排放。

2.4 装配固体SCR的柴油车NOx排放与排气温度的关系

图6示出该柴油车排气温度分布情况直方图。由图可知，该柴油车在测试中平均排气温度低于150 ℃，200 ℃及以上温度仅占9.72%左右，300 ℃及以上温度仅占0.9%。排气温度较低的主要原因为该柴油车在道路上行驶时加减速频繁，平均车速低，怠速比例高。

按数据比例权重将排气温度分为30个区间，对每个区间的转化率求平均值代表实际转化率，再对数据进行拟合(见图7)。结果显示，随着温度升高NOx转化率逐渐升高，慢慢趋于平稳。排气温度低于150 ℃时NOx转化率高于30%，排气温度∈[150 ℃，200 ℃)时NOx转化率高于45%，当排气温度∈[200 ℃，250 ℃)时NOx转化率高于75%，排气温度∈[250 ℃，300 ℃)时NOx转化率高于85%，排气温度高于300 ℃时NOx转化率接近100%。

图6 柴油车排气温度分布情况

图7 NOx转化率与排气温度的关系

郭佳栋等[1]、李孟良等[17]、李家强[18]研究表明，装配尿素SCR系统柴油车NOx转化率随温度呈向下的抛物线变化趋势。即当温度小于350 ℃时，随温度的上升转化率增加；当排气温度在360 ℃左右时，NOx转化率最高，约为97%，然后随着温度的继续增加，转化率开始减小，且排气温度∈[260 ℃，450 ℃]时,转化率高于80%；当排气温度为150 ℃时，转化率低于20%。由此可知，较高的排气温度对于尿素SCR降低NOx排放至关重要，采用固体SCR系统能够提高NOx在低排气温度时的转化效率，相比于尿素SCR系统，其在250 ℃以下的低排气温度段平均效率提高了10%，在250～350 ℃的中高排气温度段平均效率提高了5%，当排气温度升至350 ℃以上时尿素基本完全分解，此时固体SCR系统与尿素SCR系统的转化效率基本相同。

图8示出固体SCR不同温度下NOx转化率的分布情况。由图可知，NOx转化率在30%～40%所占比例为12%，NOx转化率在40%～60%所占比例为45%，NOx转化率在60%～80%所占比例为21.4%，NOx转化率在80%～100%所占比例为22.1%。

图8 NOx转化率分布情况

综上可知，在平均排气温度低于150 ℃时，装配固体SCR系统的柴油车NOx最低转化率高于30%，NOx平均转化率为61%，当排气温度高于300 ℃时NOx转化率接近100%。因此装配有固体SCR系统的柴油车在较低的温度也能获得较高的氮氧化物转化率，固体SCR具有良好的低温转化效率。

3 结论

a) 通过汽车尾气监控平台能方便快捷地获得不同道路类型、不同时间段、不同交通状况下NOx排放数据，能更好地反映车辆在实际道路长期行驶时NOx排放特性；

b) 实际道路交通条件与行驶工况变化对柴油车的NOx排放因子与NOx转化率影响显著，改善交通状况，适度提高车辆平均运行速度可以显著降低NOx排放量；

c) 装配固体SCR系统的柴油车NOx平均转化率为61%，NOx平均质量浓度为0.023 g/s，NOx平均排放因子为4.17g/km，优化了柴油车低速时NOx排放性能；

d) 装配有固体SCR系统的柴油车在较低的温度也能获得较高的NOx转化率，固体SCR具有良好的低温转化效率。