基于實際道路測試的重型柴油車排放評估方法研究

李 旭 劉衛林 吳春玲,2 白曉鑫 景曉軍

(1.中國汽車技術研究中心有限公司,天津 300300;2.天津大學機械工程學院,天津300072)

隨著汽車工業的快速發展,汽車的生產量和保有量急劇增加,雖然重型車保有量在汽車中占比不高,但其氮氧化物(NOx)和顆粒物(PM)排放量巨大[1]。生態環境部發布的《中國移動源環境管理年報(2021)》顯示,2020年全國柴油車CO、碳氫化合物(HC)、NOx、PM排放量分別為124.9萬、19.6萬、544.9萬、6.4萬t,分別占汽車排放總量的18.0%、11.4%、88.8%、99.0%以上[2],由此可見,柴油車是汽車NOx、PM排放的主要來源。

為進一步強化重型車排放的控制,自2021年7月1日起,我國正式實施《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB 17691—2018),對柴油車排放限值做了更嚴格的要求;另外,為解決試驗室排放測試的局限性,使得車輛排放更貼近實際道路行駛水平,還增加了基于便攜式排放測試系統(PEMS)的整車實際道路排放測試要求和排放限值,并將PEMS的實際道路排放測試數據納入到對重型車排放的監管中[3]。GB 17691—2018采用功基窗口法對PEMS測試數據進行處理,并增加功率閾值不得低于10%的限制,這可能低估車輛實際道路污染物的排放量[4-5]。

目前,呂立群等[6]基于功基窗口法對車輛實際道路排放進行研究,表明功率閾值的限制導致大量發動機低功率階段的NOx高比排放區域被剔除,低估了車輛NOx排放水平;張靳杰等[7]主要針對冷卻液溫度在70 ℃前的冷起動部分PEMS測試數據進行研究;崔煥星等[8]在冷起動分析的基礎上,運用不同計算方法將冷啟動測試數據與70 ℃后測試數據進行加權,獲得整體的PEMS加權排放數據。然而,上述研究均未直觀表述并詳細分析功率閾值的限制對排放計算帶來的影響程度以及工況點對不同窗口計算方法的貢獻程度;另外,除文獻[8]給出了排放評估的大致建議外,其他文獻均未進一步給出針對排放后期數據處理方法的具體建議,為此開展新的車輛PEMS排放評估方法研究十分必要。

本研究以滿足GB 17691—2018中6b階段技術要求的4輛重型柴油車為研究對象,通過開展基于PEMS的實際道路排放測試,采用功基窗口法對其排放進行計算分析,確定各工況對排放的影響,同時就功基窗口法對實際道路排放評估的適應性展開研究,并提出幾種PEMS排放計算方法供參考。

1 試驗方案

1.1 試驗車輛

選取N2類、N3類各2輛重型柴油車作為試驗車輛,試驗車輛均滿足國六排放標準,且均采用廢氣再循環系統(EGR)+氧化催化器(DOC)+柴油顆粒過濾器(DPF)+選擇性催化還原器(SCR)的排放控制技術路線,試驗車輛基本參數見表1。

表1 測試車輛基本信息

1.2 測試設備

測試所用的PEMS由日本HORIBA公司生產,型號為OBS-ONE,該系統主要通過車載診斷系統(OBD)、排放分析儀、溫濕度計以及全球定位系統(GPS)實時記錄車輛在道路上行駛的速度、發動機運行參數、污染物排放、排氣流量、位置及環境溫濕度等。PEMS系統布置見圖1,測試設備規格參數見表2。

圖1 PEMS系統布置

表2 測試設備信息

1.3 試驗要求

試驗車輛道路測試包括市區、市郊和高速3種工況,不同類型的車輛道路工況構成要求不同,道路工況占比由行駛時間確定,詳細信息見表3。在測試開始時,要求發動機冷卻液溫度不超過30 ℃,車輛測試道路的海拔、測試時間、NOx濃度等均需滿足GB 17691—2018的PEMS測試需求。PEMS在車輛起動前開始采樣,測量排氣參數并記錄發動機及環境參數,數據記錄頻率為1 Hz。

表3 測試車速和線路分配

1.4 功基窗口計算方法

1.4.1 功基窗口劃分

功基窗口法是以WHTC循環功為基準,對實際道路測試數據以1 Hz的頻率逐步移動窗口,將其劃分為不同功基窗口,進行窗口排放污染物的移動平均計算。以第i個功基窗口劃分為例,從起始點(t1,i)開始,當窗口累計循環功達到WHTC循環功的時刻為功基窗口終止點(t2,i),公式表達見式(1)、式(2)。

蘇珊·巴斯奈特和安德烈·勒菲弗爾在連接翻譯研究各領域以及建立翻譯研究與其他學科之間起到了舉足輕重的作用，并且于1990年，他們率先提出了翻譯研究的文化轉向。“翻譯的文化轉向更加強調學科的自足性，學科范式的規律性和開放性，更多地思考不同時期的價值觀，意識形態，體制與對翻譯研究的影響。這股浪潮隨著全球化，多元化的大勢，把文化因素在翻譯研究中發揮得淋漓盡致。”（劉軍平，2010，p.394）

W(t2,i)-W(t1,i)≥Wref

(1)

W(t2,i-Δt)-W(t1,i)

(2)

式中:W(t2,i)、W(t1,i)、W(t2,i-Δt)分別為從開始到t2,i、t1,i、t2,i-Δt時刻的發動機循環功,kW·h;Wref為發動機WHTC循環功,kW·h;Δt為數據采樣周期,取1 s。

1.4.2 窗口比排放計算

以功基窗口為單元統計各種污染物排放量,根據功基窗口發動機累計循環功,計算功基窗口各污染物的比排放,計算見式(3):

(3)

式中:ep為功基窗口的污染物比排放,g/(kW·h)或個/(kW·h);mp為窗口的污染物排放量,g或個。

1.4.3 排放結果判定

計算各功基窗口平均功率,依據GB 17691—2018,首先以功率閾值(功基窗口平均功率占發動機最大功率的比例)超過20%為有效窗口判定標準,當有效窗口數量占比大于等于50%,則判定PEMS試驗有效;若有效窗口占比低于50%,則按照1%的步長降低功率閾值,直至有效窗口數量占比達到50%,但功率閾值最小不能低于10%,否則試驗無效。其中,90%的有效窗口污染物比排放滿足GB 17691—2018的要求,則排放合格。為此,本研究采用將有效窗口污染物比排放從小到大排序,處于90%分位值的比排放數據代表污染物排放水平,若其滿足GB 17691—2018限值要求,則排放合格,否則超標。

2 試驗結果與分析

2.1 PEMS測試結果

4輛車不同載荷的PEMS測試均以冷卻液溫度大于70 ℃的數據作為有效數據參與計算,測試時長、工況占比、測試期間循環功倍數、污染物排放等測試結果見表4。

表4 PEMS測試信息

2.2 排放結果對比

以冷卻液溫度大于70 ℃的數據作為有效數據,分別對4輛車在不同道路工況下的NOx和PN進行分析。首先,計算4輛車不同工況條件的比排放均值,即各工況條件下污染物的累計排放量與該工況條件下發動機累計循環功的比值[9],并與功基窗口法計算得到全窗口比排放90%分位值和有效窗口比排放90%分位值進行對比,結果見圖2。

由圖2可知,4輛測試車輛的NOx比排放整體變化趨勢為市區最高,市郊次之,高速最低。其中,3#車輛市區比排放均值高達3 925.5 mg/(kW·h),遠超國六排放限值690 mg/(kW·h),高速比排放均值為54.8 mg/(kW·h),與市區相比減少98.60%,主要因為在涂敷銅基催化劑的SCR中,當噴入理論需求尿素噴射量時,在一定溫度范圍內,NOx的轉化效率與SCR的溫度呈正相關關系,且在220～450 ℃時NOx轉化效率可達90%以上,因此SCR前排氣溫度是NOx轉化效率的主要影響因素。車輛在市區工況車速較低且變化頻繁,發動機負荷低,使得SCR前排氣溫度整體較低,導致NOx轉化效率受限,進而導致市區工況NOx排放較高[10-11];而市郊和高速工況下,特別是高速工況,雖然發動機負荷大,缸內燃燒溫度較高,NOx原排濃度增大[12],但由于此時SCR裝置已經處于正常工作狀態,NOx轉化效率可高達90%以上,使得車輛NOx尾排大幅降低,所以市郊和高速工況NOx排放明顯變好。由圖3可見,4輛測試車輛的SCR前排放溫度均值呈高速>市郊>市區的趨勢,與NOx比排放整體變化趨勢一致,其中3#車輛市區工況下SCR前排放溫度均值僅為160 ℃,低于SCR起燃溫度,使得NOx轉化效率偏低,導致NOx排放偏高。

圖3 SCR前排放溫度對比

運用功基窗口法計算NOx比排放時,車輛窗口NOx比排放90%分位值隨功率閾值的變化見圖4。由圖4可知,1#、2#、3#、4#車輛分別在8%、8%、12%、13%時達到全窗口功率閾值,隨著功率閾值降低,窗口NOx比排放90%分位值逐漸增大,在全窗口功率閾值處達到最大,主要因為高功率閾值區域主要集中在市郊和高速工況,此時SCR溫度較高,使得NOx轉化效率高,NOx排放較低;但隨著功率閾值降低,市區NOx高排放工況加入計算的比例增加,使得窗口NOx比排放90%分位值逐漸增加。其中,1#、2#、3#車輛變化比較明顯,4#車輛變化相對平緩。相對于全窗口NOx比排放90%分位值而言,根據GB 17691—2018計算方法(功率閾值為20%)得到1#、2#、3#車輛排放數據分別降低了48.60%、92.48%、70.44%。由以上分析可知,運用現行法規功基窗口法設置功率閾值來計算排放時,剔除掉了大量低功率下的NOx高排放工況點,有效窗口NOx比排放90%分位值明顯低于實際排放,不能反映車輛真實排放情況;從行程NOx比排放均值來看,4輛測試車的NOx比排放均高于有效窗口90%分位值(見圖2),進一步說明有效窗口限制功率閾值的方法低估了車輛的實際排放。

圖4 不同功率閾值下窗口NOx比排放90%分位值變化

不同工況下PN排放情況見圖5,功率閾值對有效窗口PN比排放90%分位值的影響見圖6。相比于NOx排放,PN在高速工況排放較高,主要因為高速工況下柴油機缸內混合氣相對較濃,且溫度較高,造成了裂解和脫氫的有利條件,使得細顆粒物生成量劇增[13-14];同時,較高的DPF床溫使得碳煙氧化速率增加,提高了其被動再生的能力,進而導致PN排放增加;此外,高速運行時由于發動機轉速、扭矩升高,使得燃燒不充分,隨著排氣量的增加DPF捕集效率降低,導致車輛實際PN排放升高[15]。此外,由圖6可見,全窗口PN比排放90%分位值和功率閾值為20%的有效窗口PN比排放90%分位值差別不大,且遠低于GB 17691—2018排放限值要求(1.2×1012個/(kW·h))。主要原因是重型柴油車在高速工況下的PN排放雖然高于市區和市郊工況,但差異有限;功率閾值在剔除大量低功率窗口之后,有效窗口PN比排放90%分位值稍有拉高,不過離散程度并未發生顯著變化,PN比排放90%分位值無明顯差別。

圖6 不同功率閾值下窗口PN比排放90%分位值

2.3 瞬態數據分析

由圖4、圖6可知,1#車輛和2#車輛的全窗口功率閾值為8%,不滿足GB 17691—2018要求的最低功率閾值10%的限值,為此對PEMS瞬態數據及各工況點對功基窗口的貢獻進一步分析,結果見圖7。由圖7(a)可見,1#車輛有效測試時長為8 108 s,但當運用功基窗口法設置功率閾值來計算車輛排放時,整個瞬態PEMS中計入有效窗口的時段(2 962～8 068 s,共5 107 s)基本處于市郊、高速工況,占整個PEMS時長的62.99%,且對排放貢獻較大的時段(3 800～7 200 s,共3 401 s)僅占整個PEMS時長的41.95%。因此,當運用功基窗口法設置功率閾值來計算車輛NOx排放時,最終結果主要取決于該區域的排放水平,而市郊和高速部分由于SCR前排氣溫度較高,使得SCR效能較好,NOx轉化效率高達90%以上,所以最終計算NOx比排放較好,導致很大程度地低估車輛NOx排放,未能真實反映車輛的NOx排放水平。由圖7(b)、圖7(c)、圖7(d)可見,2#、3#、4#車輛同樣是市郊和高速NOx排放明顯優于市區,采用GB 17691—2018設置功率閾值的有效功基窗口來計算車輛NOx排放,將嚴重低估車輛NOx排放情況。

若以功率閾值10%作為有效窗口判定標準時,當車輛全窗口功率閾值≥10%時,不會丟失窗口數據,如圖7(c)、圖7(d);但當全窗口功率閾值<10%時,會丟失部分市區高排窗口,導致最終NOx排放被低估,如圖7(a)、圖7(b)。因此,建議去除功率閾值的限制,研究能更真實反映車輛排放的評價方法。

對測試車輛污染物比排放的行程均值及對有效窗口有貢獻的測試點求均值進行對比,結果見圖8。從瞬態數據來看,有效窗口測試點基本集中在市郊、高速部分,所以有效窗口方法計算的最終排放結果主要取決于市郊、高速的排放。各車輛NOx比排放的有效窗口測試點均值相比于行程均值而言,1#車輛減少最少,為23.51%,其他3輛車減少均在55%以上,3#車輛減少甚至高達68.22%,進一步證明以有效窗口計算的結果低估了車輛NOx排放水平;由圖8(b)可見,對PN而言,有效窗口測試點均值與行程均值相比差異不大,部分測試車輛有效窗口測試點均指比行程均值稍高,不過整體影響不大,基本在10%以內。

圖8 計算結果對比

3 排放方法評估

按照GB 17691—2018中PEMS功基窗口法計算重型車排放時,由于功率閾值的限制,剔除掉了大量低功率的NOx高排放工況點,最終計算涉及的有效工況點主要集中在高功率的市郊和高速部分,而市區NOx排放較高但又基本未納入計算,導致NOx排放整體被低估。為使得排放評估覆蓋更多的市區高排工況,需尋找能有效反映車輛PEMS真實排放水平的評估方法。分別采用全窗口90%分位值法、行程均值法、行程時間占比加權值法計算污染物比排放量,全窗口90%分位值法仍然沿用法規采用的功基窗口法,但是去除功率閾值限制,選定全窗口比排放的90%分位值代表車輛PEMS排放,可將PEMS測試的全部數據納入排放評估中;行程均值法直接將PEMS測試認為是一個大窗口,求該窗口的行程比排放均值來代表車輛的PEMS排放;行程時間占比加權值法分別將市區、市郊和高速工況認為是一個窗口,求各窗口的行程比排放均值,再以法規給定的工況行駛時間占比為權重(N2類非城市車輛市區、市郊、高速權重分別為0.45、0.25、0.30,N3類非城市車輛市區、市郊、高速權重分別為0.20、0.25、0.55)求出加權比排放,將3種排放計算方法和運用法規方法計算的有效窗口90%分位值進行對比,結果見圖9。

圖9 不同方法計算車輛排放結果對比

由圖9(a)可知,相比有效窗口比排放90%分位值,由于車輛市區工況瞬態排放較高,所以其他3種涵蓋市區高排工況的計算結果均有不同程度的增高。就1#車輛來看,NOx比排放的有效窗口90%分位值為470.4 mg/(kW·h),全窗口90%分位值為915.1 mg/(kW·h),增加了94.54%;行程均值為521.0 mg/(kW·h),提高了10.76%;行程時間占比均值為655.0 mg/(kW·h),提高了39.24%。

可見,3種方法所獲得的NOx排放結果均比當前標準采用的有效窗口計算的結果高,增加了NOx排放達標的難度,其中全窗口90%分位值法可將全PEMS測試的測試數據納入排放評估中,能反映車輛全工況的排放情況;行程均值法針對全工況直接求排放均值,屬于當前常規計算思路,可獲得車輛大致比排放;行程時間占比加權值法以法規給定的PEMS測試各工況時間占比為權重,獲得加權比排放,以此來代表車輛的PEMS排放,此方法不但考慮車輛不同工況的排放,而且車輛類型的工況權重也同步考慮,可拓展到其他車型。從包含完整實測工況點和車輛實際運行路況占比的角度出發,更推薦全窗口90%分位值和行程時間占比加權值的方法來評估車輛NOx排放。

由圖9(b)可見,運用功基窗口法設置功率閾值來計算PN排放時,由于對有效窗口有貢獻的測試點大多位于市郊和高速工況下,所以對PN排放稍有拉高。改進后的3種方法評估PN比排放雖有差異,但離散程度并不明顯,且均低于排放限值。為了更直觀地反映車輛的真實PN排放,同樣更推薦全窗口PN的90%分位值和行程時間占比加權值的方法來進行計算。

4 結論與建議

(1) 選取了4輛非城市車輛進行PEMS測試,根據計算結果來看,國六排放標準中采用功基窗口法設置功率閾值來評估車輛NOx排放時,剔除了大部分市區低功率高排放區域,存在嚴重低估車輛NOx排放的情況。

(2) 運用功基窗口法計算NOx比排放時,隨著功率閾值的降低,市區高排工況參與計算的比例增加,導致窗口NOx比排放的90%分位值逐漸增大,在全窗口功率閾值處達到最大;而PN排放呈相反的關系,PN排放主要來自于高速工況,但其離散程度小于NOx。

(3) 在后續的PEMS排放評價和標準修訂中,為了更真實地反映車輛全工況下的排放,實現車輛工況全覆蓋評估,可考慮基于現有法規計算方法,去除功基窗口法功率閾值的限制,運用全窗口的90%分位值來表征車輛的排放水平,或通過行程時間占比加權值法計算污染物比排放,來評估車輛實際道路排放水平。