高海拔地区载荷对重型柴油车NOx排放的影响

张 宁 任振彬 郭长春

(陕西重型汽车有限公司)

0 前言

随着我国经济建设的飞速发展,能源需求不断增大,运输业货运量激增,由此带来的环境问题也日趋严重；因此，降低汽车在运行过程中排放的污染物对保护大气环境相当重要。高原地区十分广阔，海拔高度超过1000 m的地区占国土面积的58%以上，海拔高度超过2000 m的地区占国土面积的33%以上。汽车在不同载荷下不仅需满足平原地区排放要求，也应满足高海拔地区排放要求。由于国Ⅵ阶段，对重型柴油车的NOx排放更难以控制，因此研发对象以降低NOx排放为工作重点。

本文主要利用车载排放系统，在高海拔为法规要求上限的地方开展整车NOx排放试验；试验时选择同一车型，保持试验环境、测试人员、车辆载荷以及行驶路线均不变，最大限度地降低其他因素对NOx排放结果的影响，研究高海拔地区不同载荷下整车NOx排放量。

1 试验设备及方法

1.1 试验样车

试验样车为半挂牵引车(如图1，如表1)。试验前确认车辆状态，确保满足试验要求。此次对比试验中，分别以最低载荷和最高载荷进行整车PEMS试验。试验过程中，保持车辆运行工况、行驶路线不变，为了更大程度消除2种载荷下的试验差别，2次试验使用同一驾驶员，环境温度差异在±2 ℃以内。

表1 车辆基本信息

图1 试验样车

1.2 试验设备

试验设备采用美国SENSORS公司的SEMTECH车载气体排放测量系统。该设备主要有SCS(主控单元)模块、GAS(气体分析)模块、CPN(凝结核颗粒物计数器)模块、FID(火焰离子化分析仪)模块及其他附件。

1.3 试验路线的选择

此次高原地区PEMS试验，在青海省西宁市地区进行，由大堡子镇出发，经由柴达木路到西宁南绕城高速东行，至曹家堡机场出口处掉头往返行驶至西宁北绕城。如果试验过程累积里程不够，在此路段内往返行驶直至试验结束。试验过程中合理选择工况分布，使车辆运行工况满足市区、市郊和高速的试验条件。

各种工况道路行驶分布组成依次为：20%市区工况、25%市郊工况、55%高速工况。各种工况的分布偏差为±5%以内。

市区工况：车辆平均速度在15～30 km/h；

市郊工况：车辆平均速度在45～70 km/h；

高速工况：车辆平均速度在70 km/h以上。

2 试验结果及分析

2.1 试验路线海拔分布

试验过程中，利用GPS对试验路段的海拔高度进行记录；试验路线中，最低点海拔为2186 m，最高点海拔为2464 m，平均海拔高度2337 m，满足法规要求≤2400 m，符合此次高海拔地区载荷对排放影响的测试条件。

2.2 试验过程

进行PEMS试验时，在车辆启动之前开始采样；试验时，测量各种排气污染物的排放值，并记录发动机以及环境参数。根据法规要求，当发动机的冷却液温度在70 ℃以上，或当冷却液的温度在5 min内的变化＜2 ℃时，测试正式开始。

在试验过程中，持续进行排气污染物的取样和测量(排气参数)，记录发动机和环境数据。因行驶需要，发动机出现停车或重新启动等现象时，排气取样应持续进行。试验过程中注意观察各项试验数据是否正常；试验所需的数据采集完毕后，将设备暂停，对试验数据进行观察分析，确保此次试验数据分布合理，可用于分析计算。

2.3 PEMS试验数据分析

样车在进行空载PEMS试验时，总质量为16 t，累积运行时间为9616 s，其中：市区工况占比19.7%，市郊工况占比25.3%，高速工况占比55%，满足PEMS试验时的工况分布要求。对试验结果进行数据分析，按照功基窗口法进行计算。

经对试验结果计算得知，在空载状态下，NOx比排放为0.242 g/kWh。由排放浓度示意图(图2)可知，在试验开始阶段，行驶市区工况，加减速较为频繁，发动机转速变化较大，NOx瞬态排放值也较大；当进入市郊工况以后，车速保持较为稳定，NOx瞬态排放值减少，仅有几处较高，继续对比NOx浓度与车辆其他状态，发现：在试验过程中，NOx排放值最高处分别对应后处理排气口温度最高处和最低处，如图3所示。

图2 空载状态NOx浓度、车速和转速时域图

图3 空载状态排温与排放示意图

出现此情况符合NOx转化效率与排气温度的关系(图4)。经对比分析，NOx转化效率最高时温度为300～350 ℃。当排气温度大于350 ℃时，NOx转化效率随着排气温度的升高而降低，造成排放值较大。样车NOx排放曲线与温度曲线相吻合，符合NOx转化效率与排气温度的关系。

图4 NOx转化效率与排气温度关系图

空载试验结束后，对样车加载，使总质量至46 t。按照同一方法继续试验，在进行满载PEMS试验时，累积运行时间为6338 s，市区工况占比22.8%，市郊工况占比25.1%，高速工况占比52.1%，满足试验要求，试验过程见图5。

图5 样车满载状态下NOx浓度、车速和转速时域图

经对试验结果计算得知，满载状态下，NOx比排放为0.762 g/kWh。继续对比NOx浓度与排气温度关系，如图6。当车辆满载时，发动机排气温度升高，在排温达到400 ℃以上时，排放值增加。

图6 满载状态排温与排放示意图

经过重复试验验证，均存在随着车辆载荷增加，整车NOx排放量增大的情况。经分析，在高原条件下，大气压力低，水的沸点下降，发动机负荷增大，冷却系统能力变差；同时，因为空气密度下降，发动机的排气散热效率降低。由于满载时，车辆的负荷更大，具有更高的排气温度，导致后处理系统内的选择性氧化还原反应温度偏高，效率降低，因此，NOx排放升高。

3 结论

通过试验可知，在高海拔地区进行PEMS试验，样车满载状态下发动机排气温度明显高于空载排气温度。正常行驶时，当路面存在法规要求范围内坡度时，发动机排气温度能够超过400 ℃。

根据NOx转化效率与排气温度的关系，车辆满载时，发动机排气温度升高明显，直接影响到了排气物NOx的转化效率；因此，高海拔地区满载时NOx排放值高于空载排放，试验时应优先考虑满载排放。