國六柴油車PEMS與Lug-Down排放測試對比研究

馬成功 李梁 張凡 母金偉 于津濤

中國汽車技術研究中心有限公司 北京市 100176

1 引言

當前，我國移動源污染問題日益突出，已經成為空氣污染的重要來源。尤其是大中型城市，移動污染源主要集中在市區內，相對于主要集中在郊區的固定污染源，其對人類身體的健康和危害程度更大。因此，對于機動車的排放的控制及污染治理已經成為現在環境治理的首要任務。柴油發動機因為其熱效率高、動力性強等優點而被廣泛用于交通運輸行業。但由于其排放污染嚴重，也一直是汽車排放領域關注的重點。生態環境部發布的《中國移動源環境管理年報(2021)》表明，2020 年柴油車對汽車NO排放總量的貢獻率在80%以上，對顆粒物排放的貢獻率在90%以上。面對日益嚴峻的機動車排放形勢，世界各個國家相繼出臺愈來愈嚴格的機動車排放法規來控制機動車排放。

目前，我國已經全面進入重型車國六排放階段，依據GB17691-2018對重型車進行型式認證、生產一致性檢查等，其中對于重型車排放的測試方法包含PEMS 測試。同時依據GB3847-2018對重型在用柴油車進行排放定期檢驗監督，其排放測試方法主要為Lug-Down 測試。金博強等研究表明現行Lug-Down 測試限值不合理；Zhang Nina等利用PEMS 和Lug-Down 對國五柴油車進行排放測試對比，發現兩者測試結果不一致。保證不同方法測試結果的一致性才能實現對重型柴油車排放的有效控制和監督。本文選取一輛滿足國六排放標準的重型柴油車，通過更換劣化件來模擬不同的車輛排放水平，并使用PMES 和Lug-Down 車輛進行排放對比測試，根據測試方法和結果分析不同測試手段的差異。

2 試驗裝置和方案

2.1 測試樣車信息

本次研究選取了一輛滿足國六排放標準的N2 類在用柴油車，裝配渦輪增壓柴油發動機，車輛及發動機主要參數見表1。

表1 樣車及發動機主要參數

2.2 測試儀器及精度

PEMS 試驗采用的測試設備為日本HORIBA 公司生產的OBS-ONE 便攜式車載排放分析儀，可對機動車尾氣中的CO、CO、NO和PN 以及環境條件、海拔、車速等參數進行實時的采集和記錄，同時可以通過OBD 診斷接口對發動機運行參數進行讀取記錄。Lug-Down 測試使用的是廣州福立分析儀器有限公司生產的FLN-210 汽車NO分析儀以及FLB-100 透射式煙度計。測試設備的量程和精度如表2，兩種測試的設備分別能夠滿足GB17691-2018 與GB3847-2018 對重型車排氣測量的要求。

表2 測試設備參數

2.3 試驗方案

本次研究分別使用PMES 和Lug-Down對被測車輛進行排放測試，測試完成后通過更換EGR、DPF 和SCR 的劣化件改變車輛排放水平，再重復測試，具體研究項目如表3所示，由于SCR 劣化程度難以控制，本次研究通過采用不同質量濃度的尿素溶液來模擬不同程度的SCR 轉換效率。

表3 試驗方案

每次更換劣化件后使用Silver Scan-Tool 對車輛進行OBD 檢查，驗證發動機故障報出情況。每次PEMS 測試嚴格按照GB17691-2018 規定的車載排放測試方法進行，以此來保證數據的真實可靠。對每個項目的加載加速法測試前均對車輛進行充分的熱車，以減小試驗誤差。同時每次更換尿素后對車輛進行預處理，保障沒有其余濃度的尿素殘留，避免對測試結果造成影響。為了降低隨機性因素的影響，每輛車試驗重復3次，試驗結果取平均值。

3 測試方法及數據對比分析

3.1 測試流程對比

PEMS 測試是將車載排放測試系統安裝在被測車輛上，車輛按照正常駕駛特征、行駛條件和載荷在實際道路上運行，系統實時測量被測車輛的污染物排放，試驗路線應包含市區路、市郊路和高速路，不同行駛工況按照占總行駛的時間比例進行分配，如表4所示。測試最短時間需要達到至少4 ～7 倍的發動機WHTC 循環功。

表4 PEMS 測試工況分布

Lug-Down 測試是將待測車輛固定在底盤測功機上，按照規定的加載減速檢測程序進行測試，測試過程中，首先進行功率掃描來確定真實的VelMaxHP 值。在結束功率掃描后，控制系統控制車輛分別達到真實的80% 的VelMaxHP 點 和VelMaxHP 點，分別檢測兩個檢測點的光吸收系數k 及80%的VelMaxHP 點NO濃度，測試過程如圖1所示。

圖1 Lug-Down 測試流程

根據兩種測試流程對比可以得出，PEMS測試時間長，數據量大，且運行工況更加貼近車輛的實際運行工況，因此PMES 試驗的測試結果更能反映車輛的實際排放水平，該測試方法用于型式認證等試驗更能保證測試的精確性。Lug-Down測試時間短，數據量小，測試便捷，結合我國柴油車保有量大的現狀，使用加載減速法進行在用車定期排放監督更為合理。

3.2 測試工況對比

兩種測試方法的發動機工況點分布如圖2所示：

圖2 PEMS 和Lug-Down 測試工況點分布

根據兩種測試方法的發動機運行工況分布圖可以看出，PEMS 試驗車輛按照正常行駛特征行駛，因此其工況點分布更為接近實際。Lug-Down 測試主要采集VelMaxHP 點和80% VelMaxHP 點的排放數據，因此其對應的發動機工況點主要集中在轉速為2400rpm對應的外特性曲線點附近和3000rpm 對應的外特性曲線點附近。

李琳琳等研究表明，由于在高負荷工況下發動機噴油量增加，缸內燃燒不充分，在高負荷工況下的顆粒物排放較高；同樣在高負荷工況下，缸內燃燒溫度增加，發動機原始排氣的NO增加，但是由于排氣溫度的升高，SCR 的轉化效率更高，使得柴油車尾氣中的NO排放反而低于低負荷工況。因此從二者的工況點分布可以看出，Lug-Down測試更偏向于高負荷工況，使用該方法得到的顆粒物結果偏高，而NO結果偏低。因此PEMS 測試工況接近實際，結果更為精準，Lug-Down 測試工況較為單一，不能全面代表車輛實際排放水平。

3.3 計算方法對比

PEMS 測試數據采用功基窗口法計算。功基窗口法是將測試數據分成一系列子集，每個子集就是一個平均窗口，從有效數據起始點開始，當累計功達到發動機WHTC 循環功時這部分數據組成一個窗口，下一個窗口采樣周期Δt 的時間間隔繼續累積，依次類推。第i 個窗口的的長度由式（1）決定：

式中：( )為從數據起始點至 內的發動機累計功，kWh； W為WHTC 循環功，kWh；的選擇由式（2）決定：

使用式（3）確定每一個窗口內的各污染物比排放e（mg/kWh 或個/kWh）：

式中：m 為此窗口內的各污染物排放總量，單位為mg 或個。

窗口平均功率大于發動機最大功率20%的窗口為有效窗口，有效窗口的數量要不低于總窗口數量的50%。若不能達到50%的要求應將窗口平均功率閾值以1%的步長逐漸降低，直至滿足要求。閾值最低不能小于10%，否則試驗無效。最后計算所有有效窗口的各污染物比排放，如果各污染物均有90%以上的有效窗口比排放小于限值，則判定被測車輛排放合格。

Lug-Down 使用測試數據的排放的平均值來代表車輛的排放水平，每個檢測點讀數之前應至少穩定3s，穩定之后測量9s 內光吸收系數k 和NO濃度的平均值。

Lug-Down 測試NO排放結果應進行濕度修正，計算連續9s 的算術平均值。測量結果按照式（4）進行計算：

式中：C 為第i 秒的NO測量濃度，10；k ()為第i 秒的濕度修正系數。濕度修正系數按照式（5）計算：

式中：H 為絕對濕度，g 水/kg 干空氣。

對比2.2.1 和2.2.2 兩種計算方法可以看出，功基窗口法計算較為復雜，數據參與度較高，抗干擾能力較強，即使存在個別異常數據整體上也不會對測量結果又較大的影響，計算結果更加具有代表性。Lug-Down測試使用平均值計算方便快捷，對異常數據的抗干擾性能力較低，只能在一定程度上代表車輛排放水平。

3.4 結果匯總及分析

匯總所有項目的PEMS 測試的試驗結果，由于Lug-Down 測試只關注車輛的NO和顆粒物排放，因此本節使用PEMS 測試的NO和PN 結果進行對比分析。

圖3 PEMS 測試結果匯總

根據PEMS 測試結果可以看出，項目1和項目5 進行PEMS 測試的NO和PN 結果均小于法規限值，排放合格。項目2、6、7測試的NO結果高于法規限值，項目3、4 測試的PN 結果高于法規限值。根據項目1、5、6、7 的NO測試結果可以看出，隨著尿素溶液質量濃度的下降，NO排放升高，當尿素溶液質量濃度低于車輛最低接受的反應劑濃度（CDmin）28.5%時，車輛NO排放超過法規限值。根據項目1、3、4的測試結果可以看出，當DPF 載體破損或移除后，其PN 排放水平遠高于正常狀態。

匯總所有項目的Lug-Down 測試的試驗結果，如圖4 所示。根據Lug-Down 測試結果可以看出，不同項目的測試結果變化趨勢同PEMS 測試基本一致，但所有測試結果均低于法規限值。項目1、5、6、7 隨著尿素溶液質量濃度的降低，80%VelMaxHP 點的NO結果雖有升高，除項目7 外，其余項目變化并不明顯。對比項目1、3、4煙度測試結果，隨著DPF 劣化程度的增加，煙度排放升高，可以看出雖然整體煙度變化趨勢同PMES 測試一致。

圖4 Lug-Down 測試結果匯總

從兩種測試的數據計算結果對比分析可以看出，兩種測試方法計算結果雖然在變化趨勢上有較好的一致性，但兩種測試方法的綜合通過率相差較大，7 種項目中PEMS 測試的綜合通過率為28.6%，Lug-Down 測試的綜合通過率為100.0%，且Lug-Down 測試的煙度結果的重復率較差。主要原因分析如下：

1)法規排放限值不同。GB17691-2018中規定的PEMS 排放限值針對的國六排放水平重型車，而GB3847-2018 中規定的Lug-Down 測試是針對所有在用重型柴油車，包括低排放水平的重型車，因此其排放限值較高，國六柴油車在排放部件劣化后，污染物排放升高。但由于其燃燒較為優化，排放水平接近甚至優于低排放階段柴油車，因此Lug-Down 測試的結果通過率較高。

2) 測試設備原理不同。PEMS 設備采用化學發光法（CLD）原理測量NO，激光計數（CPC）原理測量顆粒物數量，設備精度較高，對排放變化更為敏感。Lug-Down 測試設備采用光吸收原理測量NO，光透射原理測量煙度，設備精度要低于PEMS 設備，因此Lug-Down 測試設備對于低排放水平車輛排放變化敏感性較差，且重復性較差。

3)測試方法不同。PEMS 測試時間長，數據量大，且計算方法會降低異常數據對整體結果的影響，試驗重復性較好。Lug-Down 測試時間短，數據量較少，計算方法簡單，測試結果易受異常數據影響，試驗重復性較差。

通過PEMS 和Lug-Down 兩種測試方法和結果的對比可以看出，Lug-Down 測試相對于PEMS 測試方便快捷，用于在用車定期排放檢驗更加合理。但兩種測試結果通過率相差較多，說明Lug-Down 測試對于國六排放水平的車輛存在監控盲區，無法對國六在用車排放進行有效監督，為此本文提出以下幾點建議：

1)建議對不同排放階段的柴油車分別制定Lug-Down 測試排放限值，尤其是國六柴油車，需要對標準限值加嚴。

2)建議更新Lug-Down 測試設備，使用高精度的顆粒物設備對國六車進行測試，如AVL483、AVL489 等設備，避免由設備精度造成的試驗結果不一致。

3) 建議對國六車進行在用車定期排放監督測試時深度結合OBD 檢查，確保被測車輛不存在故障，避免故障漏檢影響排放。

4 結論

本文通過對GB3847-2018 中Lug-Down測試及GB17691-2018 中規定的PEMS 兩種測試方法及計算進行對比研究，并使用兩種測試方法對一輛國六重型車及其更換不同劣化件后進行排放測試，分析比較測試結果，得出以下結論：

1)PEMS 測試時間長，數據處理方法科學，測試工況更加接近車輛實際運行工況，測試結果更加具有代表性。Lug-Down 測試快速便捷，其用于在用車排放監督更為合理。

2)PEMS 與Lug-Down 測試在不同項目下對應的排放值變化趨勢基本相同，但判定結果相差較大。

3)Lug-Down 測試對于已無法對國六在用柴油車進行有效的排放監督，本文建議修改法規限值、更新測試設備及深度結合OBD檢查等三個方面提高監督能力。