国六重型柴油车NH3排放特征分析

张靳杰，徐 达，李 鑫，田健维，胡克容，杨 聪

（中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司，湖北 武汉 430056）

氨是一种无色有强烈刺激性气味的气体，易损伤人体的黏膜、呼吸道等组织器官[1]。氨等气态物质，在空气中进行二次化学反应，生成二次无机离子，进而生成颗粒物，影响空气质量[2]。“十三五”生态环境规划中对大气氨排放的控制提出了要求，各地也积极响应开展氨排放清单及特征的研究。相关研究表明，农业源是氨排放的最大来源[3]，但是随着城市化进程的加快，城市机动车保有量的增多，机动车产生的氨的贡献呈明显上涨趋势[4-5]。随着国六标准的实施，重型柴油车为了抑制NOX的排放，加装了选择性催化还原技术（Selective Catalytic Reduction, SCR）系统，这也成了重型柴油车 NH3排放的来源。对于重型车NH3排放的大部分研究都集中于重型柴油发动机台架试验[6-8]，对于重型整车的NH3排放研究较少。本文选取了一辆国六重型柴油车，在底盘测功机上进行试验，研究重型柴油车的NH3排放特征。

1 试验方案

1.1 试验样车和设备

选取了一台重型国六柴油车，在转毂上进行等速和C-WTVC工况的试验，试验样车的基本信息如表 1所示。试验过程中使用底盘测功机模拟车辆实际行驶的阻力；使用 PEMS测量排气流量和气态污染物（CO、CO2、NOX），并且连接车载自动诊断系统（On Board Diagnostics, OBD）接口读取车辆发动机信息，如发动机转速、扭矩、水温等参数；使用FTIR测量尾气中NH3和NOX的排放。设备的安装连接示意图如图1所示。

图1 设备连接示意图

表1 试验车辆基本信息

试验从冷启动阶段开始，先进行速度分别为10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h的等速工况试验，每个速度点持续时间为 5 min。紧接着进行C-WTVC工况试验。试验过程中按照1 Hz的频率对排气流量、发动机数据、NOX和NH3的排放浓度进行采集。

1.2 试验数据对齐

由于PEMS和FTIR设备是分别单独记录数据的，需要对两个设备采集到数据进行对齐 PEMS和 FTIR设备均能测量 NOX的瞬时排放浓度，故选择NOX的测量结果作为两个设备测得数据对齐的依据。在正式试验开始前，进行一个预实验，验证PEMS设备和FTIR设备NOX测量的相关性。图2和表2为NOX测量的相关性结果。

图2 FTIR和PEMS设备测量NOx的相关性

表2 FTIR和PEMS设备测量NOx的相关性结果

由图2和表2可以看出，FTIR和PEMS设备测量NOX的相关性很好，可以使用NOX浓度作为数据对齐的依据。

2 数据分析与讨论

2.1 等速工况下氨排放特征

图3为等速工况下各个速度段下的瞬时排放浓度。由图可以看出，在等速10 km/h的工况中，氨排放浓度一直为0，是因为车辆在常温冷启动状态下开始试验，此时车辆排温较低，SCR反应器没有被激活，尿素完全不喷射，没有氨产生。在除了10 km/h的其他等速工况内，氨的瞬时排放值表现出相同的排放趋势，在工况开始的前一段时间，氨排放迅速出现一个峰值，之后排放浓度缓慢下降。这说明每次速度的提升，有更多的 NH3发生泄漏，SCR系统喷射了更多的尿素，而达到反应平衡后，NH3的泄漏逐渐减少。

图3 等速工况下氨排放浓度

图4是等速工况下氨平均排放浓度和NOX平均排放浓度。由图可以看出，平均氨排放浓度最高的是在等速30 km/h工况下，为24.36 ppm，最低的为等速10 km/h的工况下，氨排放为0，随着速度的增大，呈现先增大后减小再增大的变化趋势，在70 km/h的工况下达到次低的5.60 ppm。而NOX的平均浓度变化趋势是随着速度的增大先减小后增大。在低速阶段，由于SCR系统没有工作，NOX排放浓度高达213.20 ppm，之后随着SCR系统开始工作，NOX排放浓度迅速下降到10 ppm以下，最低平均浓度为60 km/h工况下的1.15 ppm。在70 km/h和80 km/h的工况下，NOX的平均排放浓度又有所上升。

图4 等速工况下氨和NOx的平均排放

2.2 C-WTVC工况下氨排放特征

图5为C-WTVC工况下氨的瞬时排放浓度。由图可以看出，市区和市郊阶段的氨排放浓度相对较低，基本都在20 ppm以下，氨排放浓度随着速度的增减有明显的变化，在急加速后出现明显的氨浓度的上升，减速氨浓度也会明显下降。整个C-WTVC工况中氨浓度峰值出现在高速阶段，在高速阶段刚开始的急加速后，氨浓度迅速达到峰值，在一个小的减速后，氨浓度也随之下降，在最后的匀速阶段，氨浓度呈现缓慢增长的趋势。

图5 C-WTVC工况下氨排放浓度

图6为C-WTVC工况下氨和NOX的平均排放浓度。由图可以看出，从市区到高速，氨排放浓度是呈现上涨的趋势，市区和市郊的平均排放浓度相差不多，都在10 ppm以下，高速的氨平均浓度远大于市区和市郊的平均浓度。而对于NOX来说，市区、市郊和高速的平均浓度都相差不大，都在5 ppm以下，说明SCR系统对于NOX排放的控制做得比较好。

图6 C-WTVC工况下氨和NOx的平均排放

2.3 氨排放因子

图7为不同工况下的氨排放因子，由图可以看出，等速工况下的氨排放因子和氨的平均浓度趋势一样，在 30 km/h的工况下排放因子最大为276.35 mg/kWh。C-WTVC工况下氨排放因子变化趋势也和氨的平均排放浓度一致，市区阶段的排放因子最小为36.53 mg/kWh，高速阶段的排放因子最大为187.98 mg/kWh。

图7 不同工况下氨排放因子

3 结论

等速工况下，每个速度点刚开始阶段都会出现NH3排放的峰值，各速度点的平均NH3排放浓度是随速度增加先减小后增大，平均NOX排放浓度随速度先增大后减小再增大；等速工况下NH3排放因子在30 km/h的速度点下最大，为276.35 mg/kWh。行驶过程中避免急加速可以减少NH3的排放。

C-WTVC工况下，急加速后导致NH3浓度的增加，NH3平均排放浓度在高速阶段最大，在市区阶段最小；NOX的平均排放浓度在市区、市郊和高速阶段均较低，高速阶段的 NH3排放因子最大为187.98 mg/kWh。高速阶段稍微减少尿素的喷射可以减少NH3的排放。