基于道路法與底盤測功機法的重型汽車污染物排放對比研究

楊聰，徐達，張凱，田健維

摘? 要：為探究采用底盤測功機法進行道路試驗的可能性與可行性，選擇一臺重型汽車進行實際道路PEMS排放測試，并將道路工況在底盤測功機上復現。對比道路法與底盤測功機法的排放測試結果，并結合試驗工況數據分析原因。結果表明：兩種試驗方法下，CO、NOx和CO2的排放結果偏差較小，PN排放結果偏差較大;車速及加速度的提升、行駛工況的突變、怠速及起停工況分別為CO、NOx和PN排放變差的原因。

關鍵詞：重型汽車;PEMS;底盤測功機;排放

中圖分類號：U473.9? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1005-2550（2021）04-0048-06

Comparative Study on Pollutant Emissions of Heavy-duty Vehicle Road Method and Chassis Dynamometer

YANG Cong， XU Da， ZHANG Kai ， TIAN Jian-wei

（ CATARC Automotive Test Center （Wuhan） Co.，Ltd ，Wuhan 430000， China ）

Abstract： In order to explore the possibility and feasibility of road test using chassis dynamometer method，a heavy-duty vehicle was selected for the actual road PEMS emission test， and the road conditions were reproduced on the chassis dynamometer. Compare the emission test results of road method and chassis dynamometer method， and analyze the reasons based on the test condition data. The results show that under the two test methods， the deviation of CO， NOx and CO2 emission results is small， and the deviation of PN emission results is large; the increase of vehicle speed and acceleration， sudden changes in driving conditions， idle speed and start-stop conditions are reasons for the deterioration of CO、NOx and PN emissions.

前? ?言

重型汽車因其貨運量大、行駛里程長而在汽車產業中占有很大保有量，同時也是機動車排放的主要來源。為此，世界主要國家和地區相繼制定并加嚴法規來限制重型車排氣污染，然而試驗室工況認證的排放情況卻與汽車實際道路排放存在較大差異[1-6]。為此2018年生態環境部發布的GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中，重型汽車實際道路排放測試（PEMS）試驗成為重型車排放的主要檢測手段。研究表明，道路交通的復雜性、車輛負載以及環境影響等均可對PEMS試驗的結果產生影響，從而增加試驗的不確定性，降低試驗結果的重復性[7-13]。而轉鼓上的試驗環境條件可控，工況穩定，因此試驗重復性高。如果采用底盤測功機法模擬PEMS試驗，將實際道路測試在試驗室內進行，結合轉鼓試驗的穩定性與道路試驗的實際性，就能提高PEMS試驗結果的重復性，從而提高試驗效率。另外，本文從車速-時間和坡度-時間兩個維度模擬道路試驗，提高復現試驗的真實性。

本文選取一臺滿足國六排放標準的重型柴油車，分別采用滿載和半載進行PEMS試驗，并將采集的道路工況在試驗室進行復現試驗，以驗證采用底盤測功機法進行PEMS試驗的可行性，并對其排放特性進行研究。

1? ? 試驗方案

1.1? ?試驗車輛與測試設備

本試驗選取一臺滿足國六排放標準的綠化噴灑車，PEMS車輛類型為城市車輛，車輛的主要技術參數見表1：

實際道路PEMS試驗與試驗室內的底盤測功機法試驗的排放數據均采用同一套PEMS設備進行采集測試，PEMS測試系統主要包括排氣流量計模塊、氣體分析儀、顆粒物排放分析儀、OBD采集模塊與控制單元幾個部分。試驗前車輛加載通過稱重儀測量進行控制。本試驗主要測試設備見圖1，主要參數見表2：

1.2? ?試驗工況

底盤測功機法測試工況與實際道路試驗采用同一工況，均由實際道路PEMS試驗采集得到。測試路線由市區和市郊兩部分組成。本試驗選擇在武漢市經濟技術開發區內完成道路排放測試，試驗車速-時間曲線如圖2所示。道路試驗流程及方法依據GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》附錄K進行。為減少環境及交通因素的影響，PEMS試驗不考慮累積功倍數要求，從而降低試驗的不確定性。

1.3? ?工況模型

為更真實地在底盤測功機法試驗中模擬實際道路測試，在車速-時間維度基礎上建立了坡度-時間的轉鼓動態加載模型。坡度-時間模型通過測試設備的車速-時間通道和海拔-時間通道采集數據計算得到，其計算方法為：

（1）

其中，i為坡度，單位為%;Δh為海拔增量，單位為m;ΔV為車速，單位為m/s;Δt為時間，單位為s。

1.4? ?試驗條件及數據處理

試驗按照滿載道路試驗-滿載底盤測功機法試驗-半載道路試驗-半載底盤測功機法試驗的順序進行。為控制變量對試驗結果的影響，同載荷下的道路法試驗與底盤測功機法試驗前的發動機冷卻水溫、設備熱機時間和環境平均溫度均保持一致。

車輛的排放采用排放因子進行評價，其計算方法為：

（2）

其中，Ej為污染物j的排放因子，單位為g/km;Mj為污染物j的排放總質量，單位為g;L為試驗總里程，單位為km。

2? ? 結果分析

2.1? ?排放結果對比

圖3和圖4分別為兩種載荷下CO和NOx的排放結果。滿載狀態下底盤測功機法的CO排放略高于道路法，半載狀態下低于道路法。滿載狀態下兩種試驗方法的CO排放結果偏差為2.91%，半載狀態下的偏差為13.46%。滿載狀態下底盤測功機法的NOx排放高于道路法，半載狀態下略低于道路法。滿載狀態下兩種試驗方法的NOx排放結果偏差為35.28%，半載狀態下偏差為2.89%。

圖5為兩種載荷下CO2的排放結果。由圖可知，滿載與半載狀態下兩種測試方法的排放結果都比較接近，偏差較小。滿載狀態下底盤測功機法與道路法的CO2排放結果偏差為0.92%，半載狀態下兩種試驗方法的偏差為0.29%。

圖6為兩種載荷下PN的排放結果。由圖可知，滿載與半載下兩種測試方法的排放結果均有較大偏差，其原因為PN排放受瞬態因素影響較大[14]。滿載狀態下底盤測功機法與道路法的PN排放結果偏差為133.38%，半載狀態下兩種試驗方法的偏差為292.82%。

復現試驗的誤差來源主要是測試系統的測量重復性誤差，以及轉鼓和道路試驗的環境條件偏差。本文中轉鼓與道路試驗為連續進行，且底盤測功機法試驗過程中試驗室未封閉，環境條件基本一致，因此本文忽略環境條件引起的試驗結果偏差。為計算測試系統的測量重復性偏差，在復現試驗后進行連續兩次C-WTVC循環工況試驗采集排放數據，測量重復性偏差結果與復現試驗偏差結果匯總見表3。

由表3可知，滿載下CO和半載NOx的復現試驗偏差均小于重復性偏差，半載下CO和滿載下NOx復現試驗偏差均大于重復性偏差但差異較小，無論何種狀態下CO2偏差均較小，PN偏差均偏大。

2.2? ?行駛特征對排放的影響

本文以滿載狀態下實際道路試驗為例，分析行駛特征對車輛排放的影響。圖7、圖8、圖9為CO、NOx和PN三種排氣污染物隨車輛加速度、速度的變化，圖中氣泡的大小代表三種排氣污染物的瞬時排放速率大小。污染物排放主要集中于車速20-30km/h和50-60km/h兩個速度區間內，且集中于低加速度的區域，這是由于法規規定城市車輛PEMS試驗的工況組成為70%市區路和30%市郊路，市區路車輛平均車速應為15-30km/h，市郊路的平均車速應為45-70km/h。而本試驗對于市區段和市郊段的目標車速為25km/h和55km/h，并盡量保持勻速行駛。

圖7顯示試驗過程中CO排放總體變化較小，分布均勻。隨著車速的提升，以及加速度的增大，CO的排放速率略有提高。這是由于隨著發動機負荷的提升，氧氣供應不足，空燃比下降而燃燒不充分導致的。

圖8顯示NOx與車速相關性較小，高排放點集中于車速30-50km/h的速度段，且隨著加速度的增大排放速率有所提高。由上文可知試驗主要工況為25km/h和55km/h下的勻速行駛，因此NOx高排放點為主要為車輛加速工況點，可見造成NOx排放變大的原因為工況的突變。

圖9顯示PN與車速相關性較小，PN高排放點主要集中于速度低于20 km/h的速度段，且低加速度工況相比于高加速度工況PN排放速率略大，說明車輛的怠速以及起停工況為PN排放變大的原因。

結合車速、加速度與坡度，利用機動車比功率[15]（VSP，Vehicle Specific Power）對滿載狀態下PEMS試驗結果進行排放特性分析。VSP計算公式為：

（2）

其中，v 為車速，單位m/s;a為加速度，單位m/s2，θ 為坡度。

圖10、圖11、圖12為CO、NOx和PN三種排氣污染物的排放因子隨VSP的變化。其中，圖10和圖11顯示CO和PN的排放多為低排放點，個別高排放工況點集中于VSP值為0kW/t的區域附近。由于VSP是結合了車輛加速度和速度的參數，VSP值越大表明駕駛工況越激烈，車速越高或加速度越大，因此說明按照國六法規進行的重型車PEMS試驗工況較為平和。

圖12為NOx排放因子隨VSP的變化，NOx排放多為低排放點，但隨著VSP值的增大，NOx高排放點有所增加，說明行駛工況激烈程度的增加會一定程度地導致NOx排放的提高，前文得到的結論也得以印證。

3? ? 結論

1）基于車速-時間和坡度-時間兩個維度在試驗室內采用底盤測功機法模擬重型汽車實際道路PEMS試驗，滿載下CO、NOx和CO2兩種試驗方法排放結果偏差分別為2.91%、35.28%和0.92%，半載下偏差分別為13.46%、2.89%和0.29%，具有一定可行性;

2）滿載狀態下兩種試驗方法PN排放偏差分別為133.38%，半載下為292.82%，偏差較大，可行性差;

3）重型汽車道路PEMS試驗行駛工況平和，排放相對穩定。車速及加速度的提升導致的發動機負荷增大、行駛工況的突變、怠速及車輛起停工況分別為導致CO、NOx和PN排放變差的原因。

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楊? ?聰

畢業于武漢理工大學，本科學歷，現任職于中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司節能排放試驗研究部部長，主要從事汽車及發動機排放、能耗相關領域測試工作，已發表論文數篇。