道路坡度對重型車PEMS測試影響試驗研究

摘要：通過實際道路測試和試驗室底盤測功機復現(xiàn)試驗的方法，研究道路坡度對重型柴油車實際道路測試結果的影響。試驗結果表明：道路坡度直接影響發(fā)動機負載狀態(tài)，從而影響燃油消耗和污染物排放；比油耗和CO₂比排放與車輛是否處于坡路行駛無直接關聯(lián)，基于里程的油耗評估無法全面反映車輛的能效水平；NO_x排放受多種因素影響，下坡可能因排溫下降而降低選擇性催化還原系統(tǒng)效率，導致排放升高，也可能因發(fā)動機功耗降低而減少NO_x排放。道路坡度是評估重型車輛實際道路排放不可忽視的重要因素。

關鍵詞：坡度；重型車；便攜式排放測試系統(tǒng)；油耗；NO_x排放

中圖分類號：U491.92;X734.2文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）05-0030-09

引用格式：鄭志強，潘曉，賈建成，等.道路坡度對重型車PEMS測試影響試驗研究［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（5）：30-38.

ZHENG Zhiqiang，PAN Xiao，JIA Jiancheng，et al.Experimental study on the impact of road grade for a heavy-duty vehicle PEMS test［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（5）：30-38.

0 引言

自國六排放標準開始，便攜式排放測試系統(tǒng)（portable emission measurement system，PEMS）試驗測試項目成為重型車的一項重要的測試內容^[1]。PEMS試驗由于采用真實的應用場景和道路環(huán)境，能真實反映由于環(huán)境、交通、駕駛模式等現(xiàn)實因素導致的汽車排放變化，因此成為當前排放標準中用于評估重型車輛實際行駛條件下排放污染物的重要方法^[2-7]。近年來，隨著環(huán)保標準的日益嚴格，PEMS測試要求也不斷發(fā)展和升級，以滿足更高的環(huán)保要求。2024年5月推出的歐Ⅶ標準對重型車的污染物種類和限值進一步嚴格，新增了N₂O、NH₃等污染物的測量要求^[8]。

相關研究表明，道路坡度是影響車輛尾氣排放的重要因素，尤其在重型車輛上更為明顯。如果車輛的擋位固定，車速與發(fā)動機轉速直接相關，此時，道路坡度的變化將主要影響發(fā)動機負載也就是轉矩的變化；當重型車在有坡度的道路上行駛，上坡時由于需要克服重力做功，發(fā)動機需要增加供油以提供更大的功率，通常導致燃油消耗和污染物排放增加；下坡時由于負載降低和需減少或停止供油，長時間下坡導致排溫降低，進而影響選擇性催化還原（selective catalytic reduction，SCR）系統(tǒng)的轉化效率，容易導致NO_x排放增加^[9-12]。

目前關于道路坡度影響方面的研究大多基于實際道路測試開展，由于實際道路測試受交通條件、環(huán)境條件和駕駛行為等因素影響較大，很難保證試驗的重復性和一致性。基于試驗室底盤測功機測試系統(tǒng)可以保證試驗條件可控，便于開展比對研究。本文中選取一輛重型柴油貨車，采用實際道路測試與試驗室底盤測功機復現(xiàn)測試相結合的方法，研究坡度對于PEMS排放測試的影響，重點分析CO₂和NO_x排放特征，為道路坡路條件下重型車輛的排放和油耗開發(fā)標定提供參考。

1 試驗設備及方法

1.1 試驗樣車和試驗設備

試驗樣車為滿足國六排放標準的重型柴油貨車，試驗車輛基本參數(shù)如表1所示。

利用型號為OBS-ONE-GS12的車載排放測試設備對試驗樣車行駛過程中的主要氣態(tài)排放物CO₂、NO_x的體積分數(shù)進行測量；CO₂測量原理為加熱型非分散紅外技術，量程為0～20%；NO_x測量原理為加熱型化學發(fā)光檢測法，量程為0～3 000×10^-6。測試設備安裝連接示意圖如圖1所示，底盤測功機基本信息如表2所示。根據(jù)實際滑行試驗測得的阻力因數(shù)設定底盤測功機阻力因數(shù)，底盤測功機阻力設定無坡度阻力。

1.2 試驗方法

選擇一段具有典型高程起伏的試驗路線（起點為A、終點為B），駕駛員按照通常的駕駛習慣駕駛車輛，在熱車狀態(tài)下完成一次往返實際道路排放測試，試驗路線高程變化如圖2所示。由圖2可知：去程的高程上升階段是返程的高程下降階段，去程的高程下降階段是返程的高程上升階段，由于去程的高程下降階段比上升階段路程更長，終點B的海拔高度低于起點A，因此，返程的高程上升階段比下降階段路程更長。

采集此往返試驗路線的車速，采集周期為1 s，將采集的車速作為試驗室底盤測功機復現(xiàn)試驗的參考路譜。基于此路譜車速，由同一駕駛員完成底盤測功機復現(xiàn)測試。車輛實際道路測試與試驗室內測試的載荷狀態(tài)一致，底盤測功機阻力因數(shù)由同樣載荷的試驗車輛通過滑行試驗獲取，保證底盤測功機復現(xiàn)試驗時的轉鼓阻力接近實際道路行駛阻力。實際道路測試中，存在坡度阻力，為了研究有無坡度因素時，相同車速工況時的排放和油耗差異，在底盤測功機阻力設定中，未引入坡度因素。雖然滑行試驗獲取的阻力與實際道路阻力相比存在因路面和天氣因素造成的阻力差異，但相比坡度阻力，在本文的研究中可以忽略該差異的影響。車輛實際道路測試與轉鼓復現(xiàn)測試的車輛行駛工況狀態(tài)對比如圖3所示，圖中v_g為去程車速，v_r為返程車速，h_g為去程高程，h_r為返程高程，n_rg為實際道路測試中去程發(fā)動機轉速，n_rr為實際道路測試中返程發(fā)動機轉速，n_dg為轉鼓復現(xiàn)測試中去程發(fā)動機轉速，n_dr為轉鼓復現(xiàn)測試中返程發(fā)動機轉速。

由圖3可知：返程車速在高程上升階段高于去程車速，后期基本一致；因為復現(xiàn)試驗以實際道路車速為駕駛參照，因此轉鼓復現(xiàn)試驗與實際道路測試車速一致；轉鼓復現(xiàn)與實際道路試驗的去程和返程中發(fā)動機轉速基本一致，車速也一致，因此如果實際道路存在坡度影響，轉鼓復現(xiàn)試驗與實際道路試驗的發(fā)動機轉矩工況必然有所差異，從而造成油耗和排放的差異。

2 試驗結果與分析

實際道路測試與轉鼓復現(xiàn)測試的發(fā)動機水溫與SCR前排溫對比如圖4所示，圖中t_crg、t_crr分別為實際道路測試的去程與返程的發(fā)動機水溫，t_cdg、t_cdr分別為轉鼓復現(xiàn)測試的去程和返程的發(fā)動機水溫，t_srg、t_srr分別為實際道路測試的去程與返程的SCR前排溫，t_sdg、t_sdr分別為轉鼓復現(xiàn)測試的去程與返程的SCR前排溫。由圖4可知：由于實際道路存在坡度起伏，在高程上升階段，發(fā)動機水溫和SCR前發(fā)動機排溫均比高程下降階段略高，并且隨坡度的起伏明顯發(fā)生變化；轉鼓復現(xiàn)測試時，由于不存在坡度阻力的變化影響，因此沒有類似的波動變化趨勢。

發(fā)動機的排溫與SCR后處理系統(tǒng)的轉化效率直接相關，特別是SCR前排溫，直接影響SCR系統(tǒng)的轉化效率，所以實際道路運行測試時由于坡度造成的后處理排溫變化，一定程度上必然影響NO_x排放的變化。

去程和返程的功率比（瞬時功率與最大額定功率的比）分布頻數(shù)和SCR前排溫的分布頻數(shù)對比如圖5所示。由圖5可知：實際道路測試時，返程時高功率比區(qū)間（0.8附近）頻數(shù)較高，去程時較低功率比區(qū)間（0.4以下）頻數(shù)較高；與此對應，返程排溫在高溫分布出現(xiàn)較高頻數(shù)，去程排溫相對分布在較低溫度區(qū)間；雖然功率比約為0的頻數(shù)明顯高于其它功率比狀態(tài)，但此時車輛處于制動或者滑行狀態(tài)，并不是發(fā)動機驅動車輛的動力輸出狀態(tài)，因此此狀態(tài)功率比不參與后續(xù)分析。

實際道路測試去程和返程的坡度變化以及隨坡度變化的功率比和NO_x原排對比圖6、7所示。由圖6、7可知：返程的高程上升階段，大坡度爬坡工況明顯多于去程的高程上升階段，返程的高功率比狀態(tài)主要對應返程的高程上升階段，車輛在對應坡度的運行時間長。因此，返程階段的高功率比工況與其長時間的高程上升和較多的大坡度爬坡有關。去程雖然也有一定的爬坡路程，但高程上升里程相對較短和大坡度爬坡較少，以及相比返程偏低的車速，綜合表現(xiàn)為高功率比工況比例偏低。

轉鼓復現(xiàn)試驗并未引入坡度阻力，因此去、返程功率比和排溫的差異主要體現(xiàn)了由于往返車速的不同所造成的差異變化，并沒有出現(xiàn)像實際道路試驗時由于長時間大坡度爬坡所造成的高功率比工況差異和排溫差異。由于轉鼓復現(xiàn)模擬試驗沒有加載坡度阻力，因此轉鼓復現(xiàn)模擬試驗相當于同樣車速運行的平路試驗。

分別計算分析道路試驗和轉鼓復現(xiàn)模擬試驗的去程和返程以及往返全程的主要參數(shù)，得到駕駛路線有無坡度的累積功、油耗、CO₂和NO_x排放的量化差異，結果如表3～5所示。

由表3～5并結合圖5～7的往返高程和坡度帶來的車輛工況變化，可以得到以下結論。

1）去程整個行程的累計高程變化約為-52 m（上升階段高程上升105 m，下降階段高程下降157 m），高程下降里程比上升里程多；返程與之相反，高程上升里程比下降里程多。相比平路行駛，上坡行駛時，重力阻力分量做負功，車輛功耗增加，油耗增加;下坡行駛時，重力做正功，減小車輛功耗，油耗降低。

2）去程時道路試驗與轉鼓復現(xiàn)試驗的累積功和功率比差異較明顯，最大差異出現(xiàn)在行程較長的高程下降行程，最大相對偏差達到35.8%；通常車輛控制策略在下坡時采用斷噴策略，油耗減少，實際道路行駛時，高程上升時每100 km油耗為19.2 L，明顯高于高程下降時的12.4 L，而且上升行程中道路試驗油耗高于轉鼓復現(xiàn)試驗，下降行程油耗低于轉鼓復現(xiàn)試驗；以高程上升和下降階段來看，轉鼓模擬試驗相比實際道路的油耗相對偏差絕對值達到31.5%。雖然跟里程相關的油耗指標可以清晰反應由于行程上、下坡路程的影響，但是比油耗和CO₂比排放并沒有明顯表現(xiàn)出隨上、下坡行駛相關的必然趨勢規(guī)律。因為雖然上、下坡造成的發(fā)動機轉速、轉矩以及噴油量存在差異，但是發(fā)動機運行工況是否處于發(fā)動機的高效區(qū)與車輛是否處于上、下坡沒有必然聯(lián)系，也就是說，以通常的里程油耗評估由于長時間高程下降造成的節(jié)油表現(xiàn)，不能體現(xiàn)車輛的高能效特征。去程分析在返程中有同樣體現(xiàn)，不同之處在于，返程的高程上升里程高于下降里程，因此返程的爬坡工況多于去程，上坡工況的影響大于去程，下坡工況的影響小于去程。

3）分別從去程全程和返程全程看，由于整個路程均由上坡和下坡路程構成，因此上、下坡造成的影響有一定程度的折中，轉鼓復現(xiàn)試驗與實際道路試驗差異減小；從往返全程看，差異更小。因此，如果同一駕駛員以相同的駕駛習慣完成終、始點高程變化趨于0的坡度道路行駛測試，相比于平路行駛，功耗、油耗、CO₂排放的變化沒有太大差異，特別是比油耗及CO₂比排放的差異更小。

4）由于NO_x排放受多種因素影響，很難判斷坡度對NO_x排放的影響趨勢。理論上，下坡工況過多，造成排溫降低，從而影響SCR的轉化效率，造成NO_x排放升高，但下坡工況時發(fā)動機功耗降低甚至停止噴油，使得NO_x原排降低，相反上坡工況由于發(fā)動機負荷增加，排溫增加改善SCR轉化效率的同時，NO_x原排也有可能增加，因此，綜合分析，下坡工況不一定使NO_x排放升高。

去程和返程時NO_x原排和尾排隨功率比的變化如圖8～11所示。

由圖8～11可知：去程NO_x原排的體積分數(shù)為（800～1 000）×10^-6的頻數(shù)較高，此時對應的功率比約為0.4左右的爬升階段，結合圖6可知，此功率比區(qū)間處于有較高頻數(shù)的坡度為1%左右的爬坡工況區(qū)間；NO_x尾排結果與原排相對應，較高的原排造成較高的尾排排放；返程時NO_x排放結果也體現(xiàn)出類似的規(guī)律，由于存在較高頻數(shù)的坡度為1%～2%的爬坡工況，造成較多的更高功率比工況（0.8）和更高的NO_x原排（體積分數(shù)為1 000×10^-6～1 200×10^-6），較高的NO_x原排同樣產生相對較高的NO_x尾排。雖然在頻繁的上、下坡時排放波動較大，但相對平穩(wěn)的車輛運行工況并沒有使車輛較長時間在低車速或怠速下運行，所以排溫依然維持在250 ℃以上，此時SCR的轉換效率并沒有受到明顯影響，因此NO_x尾排取決于原排。

3 結論

1）車速相對穩(wěn)定的行駛工況下，道路坡度的變化會影響發(fā)動機的負載即轉矩的變化，進而影響車輛的排放；通過實際道路測試和底盤測功機復現(xiàn)測試對比，實際道路測試中因坡度變化導致發(fā)動機水溫和排溫波動明顯。

2）在一段坡度道路完成實際道路PEMS測試，如果終點和起始點海拔高度基本一致，功耗、油耗、CO₂排放的測試結果與以相同的駕駛行為在平路條件下完成相同行駛里程的PEMS測試結果沒有太大的差異。

3）每100 km的油耗可以清晰體現(xiàn)出行程中上、下坡工況對油耗的影響，但是比油耗和CO₂比排放沒有明顯表現(xiàn)出隨上、下坡行駛相關的必然趨勢，因為發(fā)動機工況點是否處于高效區(qū)與車輛是否處于上、下坡沒有必然聯(lián)系；通常的里程油耗評估可能會表現(xiàn)出由于長時間高程下降造成的節(jié)油表現(xiàn)，但并不能體現(xiàn)車輛的實際高能效特征。

4）NO_x排放具有多因素影響的復雜性，下坡工況可能因排溫下降使SCR轉化效率降低，導致NO_x排放升高，但也可能因發(fā)動機功耗降低而減少NO_x原始排放，從而使得尾排降低；上坡工況可能因發(fā)動機負荷增加使得NO_x原始排放增加，從而增加NO_x尾排，但隨著負荷增加，排溫和SCR轉化效率隨之增加，又可能改善NO_x排放。

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Experimental study on the impact of road grade for a heavy-duty vehicle PEMS test

ZHENG Zhiqiang¹， PAN Xiao¹， JIA Jiancheng²， TIAN Haoyu¹，

JIANG Honghao¹， ZHONG Xianglin^3*

1.Weichai Power Co.， Ltd.， Weifang" 261061， China;2.China National Heavy Duty Truck Group Co.， Ltd.， Jinan 250100， China;3.CATARC Automotive Test Center （Tianjin）" Co.， Ltd.， Tianjin 300300， China

Abstract：The effect of road slope is studied on PEMS testing of heavy-duty diesel vehicles through actual road testing and laboratory chassis dynamometer replication tests. The results show that changes in road slope directly affect the engine load state， thereby affecting fuel consumption and pollutant emissions. Although the mileage fuel consumption increases on uphill and decreases on downhill， the specific fuel consumption and CO₂ emissions are not directly related to whether the vehicle is driving on a slope， and mileage based fuel consumption assessment cannot fully reflect the vehicle′s energy efficiency level. NO_x emissions are influenced by various factors. Downhills may result in a decrease in SCR efficiency due to a decrease in exhaust temperature， leading to an increase in emissions， or a decrease in NO_x emissions due to a decrease in engine power consumption. In short， road slope is an important factor that cannot be ignored in evaluating the actual road emissions of heavy vehicles.

Keywords： road grade; heavy-duty vehicle; PEMS; fuel consumption; NO_x emission

（責任編輯：劉麗君）