考虑实际路况下排气温度的重型柴油车NO x 排放模型

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.230197

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2024, Vol. 52 ›› Issue (2): 136-144.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.230197

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考虑实际路况下排气温度的重型柴油车NO _x 排放模型

吉喆¹^,²^,³ 王鑫⁴ 尹航³ 范鹏飞⁵ 宋国华⁵

^1.中国科学院合肥物质科学研究院，安徽合肥 230031
^2.中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽合肥 230326
^3.中国环境科学研究院国家环境保护机动车污染控制与模拟重点实验室，北京 100012
^4.山东警察学院交通管理工程系，山东济南 250200
^5.北京交通大学综合交通运输大数据应用技术交通运输行业重点实验室，北京 100044

收稿日期:2023-04-07 出版日期:2024-02-25 发布日期:2023-06-06
通信作者: 宋国华（1980-），男，博士，教授，主要从事交通污染物排放控制研究。 E-mail:Ghsong@bjtu.edu.cn
作者简介:吉喆（1983-），男，高级工程师，主要从事移动源污染防治研究。E-mail:jizhe@vecc.org.cn
基金资助:
中科院先导项目(XDA23010202)

NO _x Emission Model of Heavy-Duty Diesel Vehicles Considering Exhaust Temperature Under Real-World Driving Conditions

JI Zhe¹^,²^,³ WANG Xin⁴ YIN Hang³ FAN Pengfei⁵ SONG Guohua⁵

^1.Hefei Institutes of Physical Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，Anhui，China
^2.Science Island Branch，Graduate School，University of Science and Technology of China，Hefei 230326，Anhui，China
^3.State Environmental Protection Key Laboratory of Vehicle Emission Control and Simulation，Chinese Research Academy of Environmental Sciences，Beijing 100012，China
^4.School of Traffic Management Engineering，Shandong Police College，Jinan 250200，Shangdong，China
^5.Key Laboratory of Transport Industry of Big Data Application Technologies for Comprehensive Transport，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China

Received:2023-04-07 Online:2024-02-25 Published:2023-06-06
Contact: 宋国华（1980-），男，博士，教授，主要从事交通污染物排放控制研究。 E-mail:Ghsong@bjtu.edu.cn
About author:吉喆（1983-），男，高级工程师，主要从事移动源污染防治研究。E-mail:jizhe@vecc.org.cn
Supported by:
the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(XDA23010202)

摘要/Abstract

摘要：

选择性催化还原技术（SCR）是降低重型柴油车氮氧化物（NO _x ）排放的常用技术之一，且SCR系统内的NO _x 转化率与尾气温度密切相关。然而，现有的NO _x 排放测算模型主要考虑车辆行驶工况，缺少与排气温度的关联分析，从而增加了NO _x 排放测算结果的不确定性，对排放清单的建立和减排政策的评估提出了挑战。本研究基于车辆实际运行工况和实测排放数据，建立NO _x 排放速率库和NO _x 排放率模型。随后，建立基于机动车比功率（VSP）和热损失系数的尾气温度模型。在此基础上，根据SCR系统中的化学反应原理，建立基于尾气温度的NO _x 排放模型。最后，利用建立的NO _x 模型和MOVES模型（移动源排放测算模型）分别估算NO _x 排放量，并与实际排放情况进行比较分析。结果表明，本研究所提出的考虑实际路况下尾气温度的NO _x 排放模型可以有效提高NO _x 排放测算的准确性，在3辆重型柴油公交车上的NO _x 测算相对误差分别为9.1%、3.9%和3.3%。相较于MOVES模型，相对误差分别降低了24.0、13.1和16.3个百分点。对不同运行工况下的NO _x 排放特性分析表明，重型柴油货车的平均NO _x 转化率比柴油公交车高39.2个百分点。

关键词: 重型柴油车, NO _x 排放, Urea-SCR, 尾气温度模型, 运行工况

Abstract:

Selective catalytic reduction technology (SCR) is one of the commonly used technologies to reduce nitrogen oxide (NO _x ) emissions from heavy-duty diesel vehicles. The efficiency of NO _x conversion in the SCR system is closely related to the exhaust temperature. However, the existing NO _x emission models primarily focus on vehicle driving conditions, neglecting the correlation with exhaust temperature. Thus, it increases the uncertainty of NO _x emission measurement results, and challenges the establishment of emission inventory and the assessment of emission reduction policies. This study established a NO _x emission rate library and a model based on actual vehicle operating conditions and measured emission data. Subsequently, an exhaust temperature model utilizing vehicle specific power (VSP) and heat loss coefficient was developed. Based on this, based on the chemical reaction principle in the SCR system, a NO _x emission model incorporating exhaust temperature was derived. Finally, the proposed NO _x model and the MOVES model (MOtor Vehicle Emission Simulator) were employed to estimate NO _x emissions, which are then compared and analyzed against actual emissions. Results demonstrate the effectiveness of the proposed NO _x emission model in real-world conditions, with relative errors of 9.1%, 3.9%, and 3.3% observed across three heavy-duty diesel buses. These errors represent a reduction of 24.0, 13.1, and 16.3 percentage points, respectively, when compared to the MOVES model. Additionally, analysis of NO _x emission characteristics under different operating conditions reveals that the average NO _x conversion rate of heavy diesel trucks is 39.2 percentage points higher than that of diesel buses.

Key words: heavy-duty diesel vehicle, NO _x emission, Urea-SCR, exhaust temperature model, operating condition

中图分类号:

U473.9

吉喆, 王鑫, 尹航, 等. 考虑实际路况下排气温度的重型柴油车NO _x 排放模型[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(2): 136-144.

JI Zhe, WANG Xin, YIN Hang, et al. NO _x Emission Model of Heavy-Duty Diesel Vehicles Considering Exhaust Temperature Under Real-World Driving Conditions[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2024, 52(2): 136-144.

图/表 12

图1

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表2

表3

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参考文献 25

1	何吉成．基于车流量的京哈高速公路车辆大气污染物排放［J］．生态科学，2015，34（1）：154-157.
	HE Jicheng ．Estimation of air pollutant emission from vehicles in Beijing-Harbin highway［J］．Ecological Science，2015，34（1）：154-157.
2	ROPPERTZ A， FÜGER S， KURETI S ．Investigation of urea-SCR at low temperatures［J］．Topics in Catalysis，2017，60（3/4/5）：199-203.
3	RAUCH D， KUBINSKI D， SIMON U，et al ．Detection of the ammonia loading of a Cu chabazite SCR catalyst by a radio frequency-based method［J］．Sensors and Actuators B，2014，205：88-93.
4	NOVA I， TRONCONI E ．Urea-SCR technology for deNO _x after treatment of diesel exhausts［M］．New York：Springer New York，2014：86-88.
5	STROTS V O， SANTHANAM S， ADELMAN B J，et al ．Deposit formation in urea-SCR systems［J］．SAE International Journal of Fuels and Lubricants，2009，2（2）：283-289.
6	SCHÄR C M， ONDER C H， GEERING H P，et al ．Control-oriented model of an SCR catalytic converter system［EB/OL］．（2004-03-08）［2023-02-12］．.
7	YADAV D， KAVAIYA A R， MOHAN D，et al ．Low temperature selective catalytic reduction （SCR） of NO _x emissions by Mn-doped Cu/Al₂O₃ catalysts［J］．Bulletin of Chemical Reaction Engineering and Catalysis，2017，12（3）：415-429.
8	HSIEH M F， WANG J ．Development and experimental studies of a control-oriented SCR model for a two-catalyst urea-SCR system［J］．Control Engineering Practice，2011，19（4）：409-422.
9	LI C X， YU L， SONG G H ．Improved binning of operating modes in EPA simulator program for transit buses：case study in Beijing［J］．Transportation Research Record，2017，2627（1）：57-66.
10	ALAM A， HATZOPOULOU M ．Modeling transit bus emissions using MOVES：comparison of default distributions and embedded drive cycles with local data［J］．Journal of Transportation Engineering，Part A：Systems，2017，143（10）：04017049/1-9.
11	ALAM A， HATZOPOULOU M ．Deriving local operating distributions to estimate transit bus emissions across an urban network［J］．Transportation Research Record，2016，2570（1）：57-68.
12	胥耀方，于雷，宋国华．面向路段排放测算的车辆运行模式模型［J］．交通运输系统工程与信息，2016，16（6）：160-168，188.
	XU Yao-fang， YU Lei， SONG Guo-hua ．Modeling of operating mode for evaluation of road emissions［J］．Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology，2016，16（6）：160-168，188.
13	张双红，于雷，宋国华．基于工况分布的重型环卫货车NO _x 排放模型［J］．交通运输系统工程与信息，2019，19（3）：222-229.
	ZHANG Shuang-hong， YU Lei， SONG Guo-hua ．NO _x emission model for heavy-duty refuse trucks based on operating modes［J］．Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology，2019，19（3）：222-229.
14	束嘉威．基于实际道路工况的重型柴油车排放规律研究［D］．北京：清华大学，2013.
15	刘娟娟．基于VSP分布的油耗和排放的速度修正模型研究［D］．北京：北京交通大学，2010.
16	岳园圆，宋国华，黄冠涛，等．MOVES在微观层次交通排放评价中的应用研究［J］．交通信息与安全，2013，31（6）：47-53.
	YUE Yuanyuan， SONG Guohua， HUANG Guantao，et al ．Application of MOVES in the microscopic evaluation of traffic emissions［J］．Journal of Transportation Information and Security，2013，31（6）：47-53.
17	王志红，钱超，郑灏，等．基于PEMS的重型柴油车尾气污染物排温敏感性试验研究［J］．汽车实用技术，2017（1）：171-175.
	WANG Zhihong， QIAN Chao， ZHENG Hao，et al ．Experimental study on the exhaust temperature sensitivity of exhaust pollutants from heavy-duty diesel vehicles based on PEMS［J］．Automobile Applied Technology，2017（1）：171-175.
18	JIMÉNEZ-PALACIOS J L ．Understanding and quantifying motor vehicle emissions with vehicle specific power and TILDAS remote sensing［M］．Cambridge：Massachusetts Institute of Technology，1999：345-361.
19	SONG G， YU L， WU Y ．Development of speed correction factors based on speed-specific distributions of vehicle specific power for urban restricted-access roadways［J］．Journal of Transportation Engineering，2016，142（3）：04016001/1-8.
20	MUHAMMAD A， ZHANG Y T， LIN W ．Urea-SCR temperature investigation for NO _x control of diesel engine［J］．MATEC Web of Conferences，2015，26：03002/1-4.
21	SONG G， YU L ．Estimation of fuel efficiency of road traffic by characterization of vehicle-specific power and speed based on floating car data［J］．Transportation Research Record，2009，2139（1）：11-20.
22	FAN P F， SONG G H， ZHU Z J，et al ．Road grade estimation based on large-scale fuel consumption data of connected vehicles［J］．Transportation Research Part D，2022，106：103262/1-20.
23	DAVIDZON M I ．Newton’s law of cooling and its interpretation［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2012，55（21/22）：5397-5402.
24	FENG X， GE Y， TAN J，et al ．Effects of electrically heated catalyst on the low temperature performance of vanadium-based SCR catalyst on diesel engine［EB/OL］．［2022-10-21］．.
25	CHEN C T， TAN W L ．Mathematical modeling，optimal design and control of an SCR reactor for NO _x removal［J］．Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers，2012，43（3）：409-419.

序号	制造商	型号	年份	车辆类型	排放标准	整备质量/kg	发动机排量/L
1	东风	DFL5253XXYAX1B	2015	柴油货车	国四	10 875	6.70
2	东风	LZ5250XXYM5CA	2015	柴油货车	国四	9 920	6.70
3	东风	DFL1253AX1A	2015	柴油货车	国四	11 280	6.70
4	福田	BJ3255DLPJB-7	2015	柴油货车	国四	11 905	6.75
5	福田	BJ3255DLPHH-FA	2015	柴油货车	国四	11 405	6.50
6	福田	BJ1255VNPHE-5	2015	柴油货车	国四	8 050	6.70
7	福田	BJ6105CHEVCG	2015	柴油公交车	国四	11 050	6.50
8	福田	BJ6931C6MHB	2015	柴油公交车	国四	8 200	6.50
9	宇通	ZK6120CHEVPG21	2015	柴油公交车	国四	11 500	6.50
10	宇通	ZK6126CHEVG2	2015	柴油公交车	国四	12 500	6.50

车辆属性	属性值
制造商	福田
型号	BJ1255VNPHE-5
年份	2016
排放标准	国四
整备质量/kg	8 050
发动机排量/L	6.70
发动机型号	CA6DF4-18E4
最大扭矩/（N·m）	680
最大输出功率/kW	135
SCR系统	BOSCH-DeNOx2.2

车辆类型	A	B	C	m	f
柴油公交车	1.094 40	0	0.003 587 02	16.556 0	17.1
柴油货车	1.417 05	0	0.003 572 28	20.684 5	17.1

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