重型柴油車NOx排放遠程監測準確性研究

劉寶利，甄凱，包俊江，任爍今，楊邢子，劉麟

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

1 引言

據統計機動車 NOx排放占全國已統計量的 32%，而其中重型車的NOx排放占NOx排放占所有汽車排放的 84%[1]，為了治理日益嚴重的重型車排氣污染，國六重型車法規要求采用遠程排放監測平臺（下文簡稱平臺）對重型車遠程排放管理車載終端所發送的數據進行收集、處理、展示和管理[2]。

然而，數據篡改和傳感器精度導致的數據質量問題有可能導致遠程排放監測的不準確。中國汽車技術研究中心的孫一龍等[3]對某國六重型車遠程排放管理車載終端發送給在線監控平臺的數據一致性進行了研究，通過比較車輛上傳到重型車遠程監控平臺數據與高精度儀器測量數據的差異來對車載終端品質進行評估。認為通過遠程排放管理車載終端獲取的車速、燃油流量及NOx排放值與通過CVS全流排放分析儀獲取的整車數據一致性較好。Shaojun Zhang等[4～5]人對8輛車的前1000秒數據一致性進行了60秒移動窗口平均測試，其中6輛車NOx傳感器輸出表現強相關性（皮爾森系數0.9以上）。以上學者的研究主要集中在對排放管理車載終端上傳遠程排放管理平臺排放相關數據與標準儀器同步采集數據的相關性研究，對NOx排放監測準確性以及NOx排放超標識別的準確性研究相對較少。

便攜式排放測試系統（PEMS）是重型車實際道路排放測試的標準設備，PEMS試驗程序是國內外排放標準認可的重型車實際道路排放測試及評價方法。本文采用質量濃度0%、25%、32.5%的尿素溶液模擬NOx排放嚴重超標、臨界超標及正常狀態，在底盤測功機上進行 100%載荷條件下的PEMS測試程序，同步采集車載終端發送給遠程監測平臺的數據流及PEMS設備采集的排放計算相關數據，進而模擬重型國六柴油車NOx排放嚴重超標、排放臨界超標及正常排放行駛狀態下，遠程排放監測平臺采集實際道路排放與標準排放設備采集數據及計算結果的差異，為遠程排放監測平臺對重型國六柴油車實際道路行駛 NOx排放超標識別能力提供參考。

2 試驗對象及測試儀器

2.1 試驗驗車及車載終端信息

本試驗樣車為某N2類國六載貨汽車，技術參數如表1，本次試驗使用的燃油、反應劑均符合國六標準。

表1 整車技術參數

樣車搭載遠程排放管理車載終端用于將整車排放控制信息體傳輸給遠程排放管理平臺（圖1），其技術參數如表2。

表2 遠程排放管理車載終端技術參數

2.2 測試儀器及精度

試驗采用HORIBA公司生產的型號為OBS ONE車載排放測試設備對試驗樣車行駛過程中的主要排氣污染物進行測試，其測試精度如表3，采用底盤測功機對整車PEMS測試工況程序進行模擬。

圖1 重型柴油車排放相關數據流遠程傳輸示意圖

表3 OBS ONE車載排放測試設備測試精度

3 數據處理及方法

3.1 功基窗口法計算整車NOx排放

第i個平均窗口周期（t2,i- t2,i）由式（1）決定：

式中，W(t2,i)為從開始到時間tj,i內的發動機循環功，kW·h；

Wref為WHTC的循環功，kW·h；

式（1）中的t2,i由式（2）選擇：

式中，Δt為數據采樣周期，1s；

第i個窗口的NOx排放質量計算公式如（3）所示：

式中，uNOx為排氣中NOx組分密度與排氣密度之比，值為0.001587；

CNOx,j為第i個功基窗口第j秒的NOx瞬時濃度，10-6；

qmew,j為第i個功基窗口第j秒的排氣質量流量，kg/s；

第i個窗口的NOx比排放值為：

PEMS試驗程序NOx平均窗口比排放的確定：

nvalid為有效窗口的個數，有效窗口的確定方法參見文獻[2]。

3.2 平臺與PEMS采集數據的一致性評價方法

平臺與PEMS采集數據的一致性通過平臺采集的用于計算窗口平均比排放所需的數據流與PEMS設備采集的相關數據的相關性進行確認，利用平臺采集的數據與PEMS采集的對應數據進行線性回歸判定。使用最小二乘法，用一下公式達到最好的擬合：

式中：

y為平臺采集的數據流；

m為回歸線斜率；

x為PEMS設備采集的數據流；

b為回歸線y的截距；

計算斜率 m和相關系數 R2，當 0.9＜m＜1.1，R2＞0.9時可以認為一致性符合要求。

4 試驗結果

表4為不同尿素質量濃度下車載終端發送給遠程監測平臺的數據流（平臺數據）及PEMS設備采集的排放計算相關數據（PEMS數據）采用功基窗口法計算得到的NOx平均比排放，試驗車輛在尿素正常（32.5%質量濃度）的情況下，平臺數據與PEMS數據NOx比排放未超過排放限值，但平臺數據與PEMS數據平均比排放計算結果偏差達480.7%；在尿素質量濃度25%狀態下，平臺數據與PEMS數據NOx窗口平均比排放均略超排放限值，符合模擬預期，相對誤差為4.7%；尿素質量濃度0%狀態下，平臺數據與PEMS數據NOx窗口平均比排放嚴重超過了國六重型車排放限值，相對誤差-2.1%。

表4 不同尿素質量濃度下的NOx平均窗口比排放（mg/kW·h）

5 分析與討論

5.1 平臺數據與PEMS數據一致性分析

為了研究導致試驗車輛在標準濃度尿素狀態下，平臺數據與PEMS數據平均比排放計算結果偏差較大原因，對用于功基窗口法計算PEMS窗口比排放所必需的數據流的一致性進行了分析（表5），分析結果表明，車速、排氣流量、NOx濃度、發動機指示扭矩百分比、發動機摩擦扭矩百分比在不同尿素質量濃度下，平臺數據與PEMS數據一致性均符合要求，NOx濃度平臺數據與PEMS數據在0%和25%尿素質量濃度下一致性良好，而在標準尿素濃度下，平臺數據與PEMS數據相關系數R2僅為0.0438，一致性較差。從圖3可以看出，平臺與PEMS設備采集的NOx體積濃度在PEMS試驗程序的前1000秒表現高度一致，而在1000秒到9300秒平臺采集的NOx體積濃度與PEMS設備采集的NOx體積濃度出現嚴重偏離，最高偏差達90×10-6，而在經過車輛短暫停車的9300秒之后，平臺與PEMS設備采集的NOx體積濃度逐漸趨于接近一致。

表5 不同尿素質量濃度下平臺數據與PEMS數據一致性

圖3 標準尿素濃度狀態下平臺與PEMS采集的NOx數據

5.2 標準尿素質量濃度下NOx采集結果差異原因

位于SCR下游的車載NOx傳感器原本為了滿足 Urea-SCR系統精確控制和車載診斷的功能，遠程排放監測平臺收集的整車NOx排放主要來源于該位置的NOx傳感器，而研究結果表明[6-9]，NOx傳感器對 NH3的顯著交叉感應特性使得位于SCR下游的車載NOx傳感器在NH3逃逸時的讀數偏高。

為了研究NH3泄露對平臺收集NOx數據準確性的影響，采用標準尿素在底盤測功機上進行連續 C-WTVC循環模擬整車實際道路隨機行駛工況，同步采用監測平臺及PEMS設備采集排氣尾管處 NOx體積濃度值，同時，采用 HORIBA公司MEXA-6000FT-E尾氣分析儀采集SCR下游NH3排放體積濃度。試驗結果如圖4，第一個C-WTVC工況循環，前1200秒 NH3排放接近于 0×10-6，1200秒至工況循環結束（1800秒），NH3排放體積流量逐漸增加，最高值不足 10×10-6，監測平臺采集的NOx體積濃度與PEMS設備采集結果基本一致；第二個C-WTVC 工況循的市區工況（1800秒～2200秒）NH3排放較低，不足5×10-6，監測平臺采集的NOx體積濃度與PEMS設備采集結果基本一致，市郊工況開始至工況循環結束（2200秒～3600秒），監測平臺采集的NOx體積濃度與PEMS設備采集結果出現偏離，而與NH3排放的趨勢表現強相關性，經計算皮爾森相關系數達0.92。

圖4 NH3泄露對平臺收集NOx準確性的影響

6 結論

（1）試驗樣車在NOx臨界超標及嚴重超標狀態下，監測平臺采集數據與PEMS設備采集數據計算NOx實際道路排放結果基本一致，該結果為基于 OBD遠程在線監測技術能對重型國六柴油車NOx超排進行有效識別提供有力依據。

（2）NH3與 NOx傳感器的交叉感應效應會影響出現NH3逃逸后的SCR下游NOx傳感器識別NOx排放的精度，進而影響車載終端上傳排放監測平臺的NOx排放準確性，為確保車載終端上傳排放監測平臺的數據質量，建議進行兩次以上的C-WTVC循環工況來評判車輛數據一致性。