CNG重型車排氣含水量對CO2測量的影響

摘 要：為研究不同干濕基修正方法對壓縮天然氣（compressed natural gas， CNG）重型車冷起動階段CO2排放測量結果的影響，在底盤測功機上對某國六CNG車輛進行不同試驗循環下冷起動測試，分別采用國六標準中推薦的干濕基修正法和排氣中水的體積分數濕基修正法計算車輛冷起動階段的CO2排放。結果表明：車輛冷起動階段，采用國六標準推薦的干濕基修正法計算的CO2排放結果偏差較大；充分熱機后，2種方法的計算結果趨于一致；采用國六推薦方法修正時，相比直接濕基測量結果，冷起動熱機階段的排放中CO2體積分數偏低約14%。對于排氣中水的體積分數較大的燃用CNG、甲醇、汽油等燃料的車輛的冷起動階段CO2排放計算，采用排氣中水的體積分數計算CO2濕基修正因子，結果更準確。

關鍵詞：CNG；重型車；冷起動；干濕基修正

中圖分類號：X734.2;U491.92文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2024）04-0041-07

引用格式：鐘祥麟，李彤，黃鵬程，等. CNG重型車排氣含水量對CO2測量的影響［J］.內燃機與動力裝置，2024，41（4）：41-47.

ZHONG Xianglin，LI Tong，HUANG Pengcheng，et al.Effect of exhaust water content of a CNG heavy-duty vehicle on CO2 measurement［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（4）：41-47.

0 引言

為了更好地監管和考核車輛的真實排放，我國第六階段排放標準要求，便攜式排放測試系統（portable emission measurement system，PEMS）試驗測試成為重型車的一項重要的測試內容［1］。大多數PEMS設備使用與試驗室設備相同的原理測量車輛的排放，按相關要求，排氣在干、濕狀態下均可測定，但排放計算以濕基結果為準，因此，試驗室內通常采用干基測量保證測試結果的準確性，然后參照文獻［2］中的干濕基換算方法對干基結果進行濕基修正［3-4］。文獻［2］中規定的干濕基校正因子基于燃燒產物（主要是CO2和CO）的氣態干基濃度和燃料特性得到，其前提為假設測試管道中既不發生冷凝也不發生蒸發。

對于水干擾比較敏感的測量成分，必須考慮排放中含水量的影響。試驗室中采用不分光紅外吸收法（non-dispersive infrared absorption，NDIR）測量CO和CO2時，直采設備通常對廢氣干燥后測量，避免排氣中的水對CO和CO2產生干擾效應。考慮到設備便攜性和設備成本等原因，也可以采用PEMS 測試設備通過濕基測量方法進行測試，可同時檢測排氣多種化學組分的傅里葉紅外光譜分析儀也采用濕基測量方法［5-6］。

相關研究表明，當管道或后處理裝置的溫度低于廢氣的露點溫度時，廢氣中的水蒸氣和其他可冷凝半揮發性成分會發生冷凝［7］，當發動機冷起動時，水在后處理系統和排氣管道中的冷凝不可避免，使得采樣管路中瞬時排氣中的含水量與實際燃燒產生的出現偏差，導致該階段的CO2和CO最終計算結果不準確。主要原因為：基于文獻［2］中的計算方法得到的干濕基校正因子與實際排氣不一致，因此干基測量后并基于干濕基校正系數計算得到的濕基結果與直接濕基測量結果產生偏差。國外基于輕型車標準試驗循環對輕型車冷起動測試時的CO2排放結果進行研究，結果表明，在后處理系統達到露點溫度之前，由于水的冷凝效應，使用干濕基校正系數計算的CO2體積分數和排放質量比直接測量低5%～13%；如果基于整個測試周期（20～30 min），該效應因為降幅較?。╨t;1%）可以忽略不計［8］。該文獻僅對輕型車的CO2排放進行了系統研究，考慮到重型車后處理和排氣系統與輕型車不同，影響規律是否一致，需要進一步研究確認。

目前，我國現行的重型車排放標準關于冷起動排放未作明確要求，未考慮PEMS測試時水溫低于70 ℃的車輛排放，但已有相關研究表明，冷起動階段的排放不可忽視［9-13］。2019年，歐盟委員會（European commission，EU） 發布的No.582/2011標準的修訂稿（歐Ⅵe階段）中新增了關于重型車的冷起動排放測試要求［14］。CO2作為一種受歐盟監管的溫室氣體， 2019 年 6 月，歐盟通過了第一個重型車CO2排放標準 ［15］。由此可見，未來關于重型車整車排放測試中，冷起動階段的CO2排放測試必然是重要的測試內容。

盡管重型車冷起動排放已得到廣泛關注，但針對不同的測量技術，以及干濕基校正因子對測量結果的影響研究很少，本文中重點針對排氣含水量較高的壓縮天然氣（compressed natural gas， CNG）重型車開展冷起動階段的CO2排放研究，利用PEMS測試設備和直采測試設備的測試結果，明確和量化測試結果差異，為我國下一階段重型車整車排放測試標準的制定提供技術參考。

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CNG重型車，試驗車輛基本參數如表1所示，2種測試方法的試驗設備基本信息如表2所示。

采用PEMS和直采測試設備同時對試驗樣車行駛過程中的CO2進行測試，其中PEMS設備的CO2測試為濕基測量，直采設備的CO2測試為干基測量。測試設備與整車的連接方式如圖1所示。

1.2 試驗方法

在試驗室內的底盤測功機上進行試驗，試驗工況循環選擇穩態試驗循環、中國重型商用車測試工況 （China heavy-duty commercial vehicle test cycle，CHTC）瞬態試驗循環以及一條實際PEMS試驗道路路譜做為底盤測功機復現試驗循環。

按照文獻［2］要求，排放中CO2體積分數的干濕基轉換式為：

φw=kwφd，（1）

式中：φw為CO2濕基體積分數；φd為CO2干基體積分數；kw為干濕基校正因子，kw有2種計算方法。

1）根據文獻［2］，kw的計算式為：

kw=1.008{1/ ［1+0.005a（φ（CO2）+φ（CO））］ －kw1}，（2）

式中：a為燃料中氫、碳物質的量的比，參考文獻［2］，對于壓縮天然氣，a=4；φ（CO2）為CO2干基體積分數；φ（CO）為CO干基體積分數；kw1=1.608Ha/1000+1.608Ha，其中Ha為車輛進氣絕對濕度，g/kg，Ha根據測試車輛所處環境倉的溫濕度計算得到，本文中Ha由PEMS設備獲取。

2）對于采用濕基原理測量的設備，如PEMS設備、傅里葉變換紅外光譜分析儀等，可測量獲取排氣中水的體積分數φ（H2O）。

基于排放中測量水體積分數的干濕基校正因子計算式為：

kw2=1- φ（H2O）/100。（3）

根據文獻［2］，CO2排放的質量流量qm（CO2）由CO2濕基體積分數φw（CO2）和排氣質量流量qm，exh計算，CO2排放質量流量的數值

{qm（CO2）}=10 000uφw（CO2）{qm，exh}，（4）

式中：{qm（CO2）}為以kg/s為單位的qm（CO2）的數值；u為CO2密度與排氣總密度之比，參考文獻［2］，對于壓縮天然氣，u=0.001 551；{qm，exh}為以kg/s為單位的qm，exh的數值；排氣流量由PEMS設備的排氣流量計獲取。

2 試驗結果及分析

2.1 不同濕基校正特征分析

不同冷起動試驗循環、不同計算方法得到的濕基校正因子及不同濕基修正計算得到的排放中CO2體積分數對比如圖2所示，圖中φd、φp、φk1、φk2分別為直采、PEMS測量、kw修正、kw2修正的CO2的體積分數。由圖2可知：1）與基于CO2和CO排放得到的kw相比，基于水的體積分數得到的kw2曲線整體更平滑；從冷起動開始，kw2先逐漸降低，大約在第500秒左右，kw2與kw曲線交叉，隨后略低于kw，直至第1 800秒左右，kw2與kw基本趨于一致。2）CO2干基體積分數與濕基相差較大， CO2干基體積分數比濕基平均偏高約25%；在冷起動后約500 s內，由于kw2與kw明顯差異，采用不同的修正方法獲得的CO2濕基體積分數存在明顯差異， kw2修正獲得的濕基體積分數更接近PEMS測量結果，經過500 s后，由于kw2與kw基本趨于一致，2種方法修正得到的CO2體積分數逐漸一致，但由于PEMS設備的測試偏差，PEMS測得CO2濕基體積分數略高。

不同冷起動試驗循環，排氣中水的體積分數變化與車速及排溫的關系如圖3所示。由圖3可知：1）車輛冷起動后，排氣中水的體積分數逐漸升高，經過500 s后趨于穩定，隨后至第1 500 秒左右，水的體積分數略高于穩定狀態，在第1 500 秒后，水的體積分數基本穩定，試驗過程中出現的水的體積分數急劇回落主要是由于車輛滑行時的斷油造成的。2）CHTC瞬態試驗循環和實際PEMS試驗道路路譜下，水的體積分數在第500 秒左右上升達到基本穩定，此時對應的排溫約為150 ℃；穩態試驗循環，水的體積分數上升達到基本穩定的時間略長，約為550 s，對應的排溫也偏低，約為108 ℃。原因為穩態試驗的前600 s，車輛運行速度為20 km/h，速度較低，負荷較低，排氣流量較小，排氣后處理系統中吸附的水累積上升較慢，排溫升溫較慢，因此與后2組瞬態試驗循環的差異較大。

2.2 不同濕基校正差異分析

為了進一步明確測得的排氣中水的體積分數變化與車輛排溫的關系，基于CHTC試驗循環，對車輛進行相同負載條件下的冷、熱起動試驗對比。熱起動試驗為車輛通過高速運行預熱，水溫、油溫、排氣后處理溫度均達到穩定狀態后，停車熄火后再進行起動試驗。冷、熱起動時的排溫、水的體積分數與車速的關系對比如圖4所示，圖中， Tc、Th分別為冷、熱起動時車輛發動機催化器前排溫，即車輛原始排溫， Tc-PEM、Th-PEM分別為冷、熱起動時PEMS設備測得的車輛排氣管末端排溫，φc（H2O）、φh（H2O）分別為冷、熱起動時排氣中水的體積分數。由圖4可知：1）CNG車輛原始排溫升溫很快，不到60 s基本達到對應工況的穩定排溫，熱起動試驗時，PEMS設備排溫測試由于與原始排溫測點不同，PEMS設備測得的車輛排氣管末端排溫與原始排溫存在相對穩定的溫度差，但由于后處理系統的溫升過程比較緩慢，直到約第1 300秒時，冷起動時PEMS設備測得的車輛排氣管末端排溫才與熱起動試驗趨于一致。2）熱起動試驗排氣中水的體積分數基本穩定，但冷起動試驗水的體積分數隨時間逐漸增大，到約第500秒時與熱起動試驗基本一致，之后略高于熱起動試驗，隨后逐漸回落并與熱起動水的體積分數趨于一致。這是因為冷起動試驗時，試驗初期后處理系統溫度低于露點溫度，尾氣中的水冷凝以及后處理系統的吸附效應，造成排氣中的水無法完全隨排氣排出，排氣中水的體積分數與實際燃燒產生的不一致，隨著排氣后處理系統溫度升高，高于露點溫度以及后處理系統吸附逐漸飽和，水的冷凝和吸附不再是主要因素，排氣中水的體積分數逐漸與實際燃燒產生的一致（約第500秒）；當排氣后處理系統中的排溫高于100 ℃時，后處理系統中冷凝和吸附的水受熱蒸發，一段時間內排氣中水的體積分數略高于實際燃燒，排氣中水的體積分數逐漸回落達到穩定平衡狀態。

冷起動后的前500 s，是排氣中水的體積分數逐漸增大并達到與實際燃燒產物中水的體積分數一致的階段；500 ～1 800 s，是排氣中水的體積分數基本達到穩定的過渡階段；這2個階段的kw和kw2明顯不同；第1 800秒后的熱機狀態，排氣中水的體積分數基本穩定，不同濕基修正系數計算方法得到的kw和kw2基本一致。由于不同的干濕基修正計算方法造成冷起動過程的干濕基修正系數不同，影響CO2干基測量的修正結果，因此，為量化其影響，分別使用kw和kw2作為濕基修正因子計算直采CO2比排放，并以PEMS測量的濕基CO2比排放作為基準，計算相對偏差，以測試的前500 s、前1 800 s、試驗總時間作為CO2平均比排放計算時間，對比不同測試時間下CO2比排放。

不同的冷起動試驗循環，采用kw和kw2作為修正因子計算直采CO2比排放以及相對PEMS測量的CO2濕基比排放的差異如表3、4所示。

由表3、4可知：1）前500 s，是水的冷凝吸附為主的階段，采用kw濕基修正方法，相對偏差的絕對值為10.4%～14.2%，濕基修正后的CO2比排放明顯低估；采用kw2濕基修正方法，相對偏差的絕對值為3.0%～6.8%，采用kw2濕基修正的CO2比排放明顯優于采用kw修正。2）前1 800 s，采用kw濕基修正方法，CO2比排放相對偏差的絕對值為2.7～5.5%；采用kw2濕基修正方法，CO2比排放相對偏差絕對值為3.6～5.7%，2種方法基本相當。3）在總試驗時間，CO2比排放計算結果與前1 800 s類似，采用kw濕基修正方法，CO2比排放相對偏差的絕對值為5.9%，采用kw2濕基修正方法，CO2比排放相對偏差的絕對值為5.8%。由此可見，不同的濕基修正方法，對測試計算結果影響較大階段主要在起動后的冷凝吸附階段，該階段隨發動機燃料屬性、排氣流量、后處理系統構型、季節冷熱環境等因素以及時間有所不同，在此階段，采用文獻［2］推薦的式（2）計算干濕基修正因子產生的偏差較大，采用水的體積分數計算干濕基修正因子更合理。測試時間增加，不同干濕基修正因子計算方法的差異減小，得到的CO2排放趨于一致，并且理論上其與濕基測量結果也基本一致。在本研究中，充分熱機后的階段，相對PEMS測量的CO2比排放偏差（約為-6%）主要是由PEMS設備測試偏差造成的，這在圖2f）中有所體現。

3 結論

1）車輛冷起動時，CO2排放測點之前的排放后處理和排氣管路需要一定時間才能超過露點溫度并逐步達到平衡，隨著系統溫度升高，排氣中水的體積分數逐漸增大并達到基本穩定。

2）冷起動冷機階段，采用文獻［2］中的推薦公式，直采時CO2干基測試結果的濕基修正結果產生較大偏差，使用水的體積分數作為濕基修正計算依據更符合實際。

3）采用排氣中水的體積分數計算CO2濕基修正系數，更符合冷起動階段的濕基修正，因此無論是干基測量還是濕基測量，必須保證水濃度測量準確。

4）對于燃燒后排氣中水的體積分數較大的CO2排放測試，如CNG、汽油、甲醇、氫燃料，需要注意由于干濕基修正方法的不同造成的測試結果偏差，特別是冷起動階段，由于不同的干濕基修正計算方法造成的CO2排放結果差異不可忽視，而且CO采用同樣的測試修正原理，也存在同樣的修正計算偏差問題。

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Effect of exhaust water content of a CNG heavy-duty vehicle on

CO2 measurement

ZHONG Xianglin， LI Tong， HUANG Pengcheng， MENG Qingliang

CATARC Automotive Test Center （Tianjin） Co.， Ltd.， Tianjin 300300， China

Abstract：To investigate the influence of different dry-wet correction methods on the measurement results of CO2 emissions during the cold start phase of a compressed natural gas （CNG） heavy-duty vehicle， cold start tests are conducted on a CHINA 6 CNG vehicle under different test cycles using a chassis dynamometer. The CO2 emissions during the cold start phase of the vehicle are calculated using the dry-wet correction method recommended by CHINA 6 regulations and the dry-based correction method based on the volume fraction of H2O in the exhaust gas. The results indicate that during the cold start phase of vehicles， the CO2 emissions calculated using the dry-wet correction method recommended by CHINA 6 have a significant deviation. After sufficient heating， the calculation results of the two methods tend to be consistent. When using the recommended method of China 6 for correction， compared to direct wet-based measurement results， the CO2 emissions during the cold start are about 14% lower. For the calculation of CO2 emissions during the cold start phase of CNG， methanol， gasoline and other vehicles with high exhaust water content， using the volume fraction of H2O in the exhaust to calculate the CO2 dry-wet correction factor yields more accurate results.

Keywords：CNG; heavy duty vehicle; cold start; dry-wet correction

（責任編輯：劉麗君）