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国Ⅵ重型车EGR和进气系统劣化后的NOx排放特征研究

2025-06-29 47 上传者：管理员

摘要：研究通过对国Ⅵ重型柴油车EGR和进气系统的不同部件开展不同劣化程度的模拟，基于车载排放测试(PEMS)和底盘测功机油耗排放测试研究国Ⅵ柴油车EGR和进气系统在不同劣化程度下的氮氧化物(NOx)排放特征。结果表明，中冷器和EGR流量劣化后均能造成发动机原始NOx排放的升高，EGR流量劣化对NOx的影响更为明显，最终的NOx排放虽有一定程度的增加，但在后处理的高效作用下，仍能将NOx排放有效控制在国Ⅵ限值内。

关键词：
EGR
中冷器
劣化程度
排放特征
柴油车
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2022年,我国机动车保有量超过4亿辆,中国已成为世界上最大的机动车生产国和消费国[1]｡机动车在方便人们出行､丰富和提高人们生活质量的同时,也带来了环境污染问题｡机动车排放的一氧化碳(CO)､碳氢化合物(HC)､氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)是形成臭氧(O3)､二次有机气溶胶(SOAs)和光化学烟雾的主要来源[2-4]｡虽然柴油车数量远低于汽油车,但其NOx和PM的排放量更大,分别占机动车NOx和PM总排放量的80%和90%,因此引起了广泛关注[1,5-6]｡

2018年生态环境部发布了重型柴油车第Ⅵ阶段排放标准,与第V阶段相比,加严了污染物排放限值,并增加整车实际道路排放测试要求和限值(PEMS)[7]｡自标准发布以来,经过几年的发展重型车排放控制技术路线已经趋于成熟稳定,最早的国Ⅵ重型车也已进入老化阶段,车辆使用条件､维护保养状况以及车辆有效寿命期内零部件的磨损和老化等因素均可能造成车辆排放关键部件的劣化,进而影响发动机污染物的生成,导致污染物排放超标[8],并有报车载诊断系统故障的风险｡一般情况下,柴油机为了提升动力通常会采用涡轮增压的方式进气,增压后的空气温度升高,需要中冷器对空气进行冷却;废气再循环(EGR)系统会将部分燃烧后的尾气导入进气系统,降低混合的氧浓度和发动机燃烧温度,从而抑制NOx的生成,两者劣化或故障都会有NOx排放超标的风险[9]｡对重型车远程监控平台的OBD报警清单进行整理汇总,不同部件对OBD报警的贡献比例如图1所示;其中EGR和进气系统及故障对OBD报警的贡献比例高达18.1%,因此本研究基于PEMS和底盘测功机排放试验,通过模拟国Ⅵ重型柴油车排放关键部件的劣化,研究进气系统在不同劣化程度下车辆的排放特征,为制定和改进柴油车相关排放控制政策提供科学依据｡

图1不同部件故障对OBD报警的贡献比例

1、试验装置和方法

1.1测试车辆及设备

研究选取一辆满足国Ⅵ排放标准的重型柴油车分别进行不同排放部件劣化试验,样车采用DOC+DPF+SCR+ASC的后处理技术路线进行尾气排放控制,具体相关参数如表1所示｡

表1试验车辆参数

研究利用PEMS测试和底盘测功机油耗排放测试对样车的排气污染物进行测量｡其中PEMS测试选用的设备为HORIBAOBSONE便携式车载排放分析仪,其采用化学发光法(CLD)对NOx进行测量;采用非分光红外(NDIR)对尾气中的CO､CO2进行测量;利用凝聚粒子计数器(CPC)对颗粒物数量(PN)进行测量｡底盘测功机油耗排放测试的排气污染物测量种类和原理与PEMS测试相同｡本研究使用的主要测试设备见表2,所有设备均符合国Ⅵ标准的测试要求｡

表2主要试验设备

1.2测试方法

研究对样车开展中冷器和EGR装置的劣化研究,包括中冷冷却效率低､EGR流量低以及EGR冷却器效率低｡中冷器的作用是给增压后的高温空气冷却,提高充气效率的同时,降低燃烧温度,从而降低NOx的生成｡管路结垢､泄露､水气相通等劣化因素都会造成中冷器冷却效率降低,中冷器冷却效率用E表示,按照公式(1)进行计算｡中冷器劣化后,不仅会影响发动机性能,造成动力减弱,也会影响发动机燃烧效率,增加发动机能耗及排放｡正常情况下,中冷冷却效率能达到80%以上,能够有效地将增压后的进气温度降低到50℃以下,本研究通过短接中冷管路,控制旁通路阀门控制进入中冷器的空气流量,来达到模拟中冷器不同劣化程度的目的,本研究通过调节阀门开度调整冷却效率,分别用进气温度65<T(劣化状态3)来模拟不同的劣化程度｡

EGR技术主要是利用热容量理论原理,通常情况下,于EGR系统通过调整EGR阀将部分废气回流到气缸中并与新鲜进气混合,降低氧气浓度,进而降低燃烧室的温度,减少NOx的生成｡但长期使用可能导致EGR管道内积聚碳垢或油渍,从而影响废气的流通造成废气流量低,影响EGR系统正常工作｡长时间使用也可能导致EGR冷却器内部堵塞或表面污物较多,使得冷却器流量降低,散热流量减少,影响EGR系统正常工作｡为了更好地量化不同劣化程度,本研究通过对EGR文丘里管后管路进行封堵来模拟EGR流量低劣化,分别用d10mm双孔(劣化状态1)､d10mm单孔(劣化状态2)和完整垫片(劣化状态3)来模拟不同的劣化程度

依据GB17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》,利用PEMS进行整车实际道路污染物排放测试,测量实际行驶中车辆排气的NOx､CO､PN以及CO2｡依据GB/T27840-2011《重型商用车燃油消耗量测量方法》和GB17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》中的相关规定,利用重型底盘测功机､环境仓及CVS进行底盘测功机排放测试[10]

2、测试数据分析

本研究采用各污染物的比排放来衡量车辆的排放水平｡基于功基窗口法对PEMS数据进行计算,使用第90百分位窗口排放结果代表车辆的实际排放水平｡底盘测功机排放油耗试验基于GB17691-2018中的比排放计算方法获得污染物的排放结果,采用碳平衡法计算车辆燃料消耗量｡两种测试方法的污染物排放限值均参照GB17691-2018中整车试验排放限值｡

2.1工况对比分析

本研究底盘测功机法测试工况采用C-WTVC工况,试验车速-时间曲线如图2所示｡PEMS测试工况由实际道路PEMS试验采集得到,试验车速-时间曲线如图3所示｡测试路线由市区､市郊和高速组成,C-WTVC工况0~900s为城市工况,900~1368s为市郊工况,1368~1800s为高速工况;PEMS工况全程5813s,市区､市郊和高速的时间分布比例分别为20%､25%和55%,两种测试均在满载的载荷状态下进行测试｡

图2C-WTVC循环曲线

图3PEMS工况曲线

根据两个工况的速度-加速度图4可以看出,C-WTVC循环工况加速度集中在[-1,1]区间范围内,相对比较集中;PEMS工况的加速度主要分布在[-3,3]区间范围内,相对比较分散｡根据加速的分布可以看出,实际道路工况较为复杂,急加减速的情况相对较多,比C-WTVC循环工况更为激烈｡

图4C-WTVC与PEMS工况的加速度分布

2.2中冷冷却效率劣化模拟

中冷器的主要作用是给增压后的高温空气进行冷却,管路结垢､泄露､水气相通等劣化因素都会造成中冷器冷却效率降低,使得排气温度升高,能耗排放增加｡三种劣化状态下中冷冷却效率不断降低,使得出气温度不断升高,在此基础上分别开展PEMS试验和转毂试验｡基于中冷后温度点在三个温度区间的分布占比最高来确定目标状态(图5):PEMS试验中,三个状态下目标温度区间占比分别为29.7%､28.9%和42.3%,平均温度分别为57℃､63℃和67℃｡转毂试验中,三个状态下目标温度区间占比分别为36.0%､37.3%和65.6%,平均温度分别为73℃､76℃和93℃｡

图5中冷后温度点分布比例及平均温度

随着中冷冷却效率降低,NOx排放升高｡三种目标状态下,随着中冷器冷却效率的降低,中冷出气温度不断升高,此时进入燃烧室的空气温度也不断升高,NOx的生成机理是“高温富氧”,温度越高,越容易促进NOx的生成,从而使得NOx原始排放升高｡PEMS试验过程中同时对前后NOx浓度进行监测,结果表明随着中冷效率的降低,前后NOx浓度均呈不断升高的趋势;NOx转化效率均在99%以上,状态2的转化效率最高为99.5%｡

PEMS试验中,中冷出气温度在75~85℃之间时,NOx转化效率最高,与此对应比排放最低为51.3mg/kWh｡转毂试验中NOx排放随着中冷器劣化程度的增加而升高,中冷出气温度高于85℃和中冷出气温度在75~85℃之间的NOx排放分别为3.91和5.25mg/kWh,相比于状态1分别升高了0.66倍和1.22倍｡

2.3EGR流量劣化模拟

正常情况下,车辆会根据不同的运行工况利用EGR阀调整不同的EGR流量｡长时间运行会使得EGR管路积碳或油渍影响EGR流量,进而降低进入发动机的再循环废气量,影响发动机燃烧｡不同劣化程度下的排放结果如图8所示｡

PEMS试验中,随着劣化程度的升高,NOx比排放不断升高｡初始状态下,NOx比排放最低为51.8mg/kWh,NOx比排放最低;劣化状态3时,NOx比排放最高为230mg/kWh,分别是初始､劣化状态1和劣化状态2下NOx排放水平的4.44倍､2.99倍和1.69倍｡从前后NOx浓度来看,随着劣化程度的升高,前后NOx浓度呈明显的升高趋势｡这是由于再次进入燃烧室的废气量降低,使得降低燃烧室内部氧气浓度和温度的效果变差,因此对NOx生成的抑制效果越差,进而导致NOx浓度不断升高[11]｡底盘测功机试验中,三种劣化状态下NOx比排放相差不大,但均显著高于初始状态｡此外,前NOx浓度与PEMS试验规律一致,均随着劣化程度的升高呈明显的升高趋势｡PEMS测试的NOx排放结果明显高于底盘测功机测试,这是由于PEMS工况较为激烈,激烈的驾驶工况促进了NOx的生成｡根据NOx比排放结果可以看出,EGR系统劣化会使得原始排气的NOx升高,但对最终排放影响较小,仍能控制在标准限值范围内｡这与传统认知有所差异,主要是因为后处理仍能保持极高的效率去除尾气中的NOx｡

图6不同劣化程度下的中冷出气温度及NOx实际排放

图7前后NOx浓度及转化效率变化趋势

图8EGR流量低各污染物排放及燃油消耗特征

图9不同EGR流量下前后NOx浓度特征

3、总结

研究选取发动机关键部件中冷器和EGR,进行不同故障､不同劣化程度的模拟,开展柴油整车的排放特征研究｡主要研究结论如下｡

(1)随着中冷器冷却效率的降低,使得发动机燃烧温度不断升高,导致发动机原始NOx生成不断增加,但最终比排放虽有增加,但仍远低于国Ⅵ排放限值｡

(2)EGR流量劣化后,NOx排放趋势与中冷较为一致,原始NOx排放随着劣化程度的增加而增加,且增加趋势更为明显,但在EGR全堵的情况下仍能有效控制排放｡

(3)发动机关键部件劣化后会导致原始排放增加,但在后处理系统的高效处理下,污染物排放仍能得到有效的控制｡

参考文献:

[1]生态环境部.中国移动源环境管理年报(2023年)[R].北京:中华人民共和国生态环境部,2023:48-62.

[7]生态环境部,国家市场监督管理总局.重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段):GB17691-2018[S].北京:中国环境科学出版社,2018.