重型柴油車NOx 排放因子與其濃度相關(guān)性研究

劉樹成，張 曉，劉加昂，楊保華，紀(jì)少波，蒲雨新，崔煥星

1. 山東省機(jī)動(dòng)車排氣污染監(jiān)控中心，山東 濟(jì)南 250000

2. 濟(jì)南汽車檢測(cè)中心有限公司，山東 濟(jì)南 250000

3. 山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000

近年來，機(jī)動(dòng)車排氣污染已經(jīng)成為影響環(huán)境空氣質(zhì)量的重要因素，其中氮氧化物(NOx)是機(jī)動(dòng)車主要排氣污染物之一[1]，嚴(yán)重危害了人類身體健康，加劇了全球氣候變暖趨勢(shì). 我國道路交通運(yùn)輸業(yè)發(fā)達(dá)，2021 年公路貨運(yùn)量超過391×104t，占全國貨運(yùn)總量的72%，公路貨運(yùn)在我國道路運(yùn)輸業(yè)中處于主導(dǎo)地位[2]. 2021 年，我國機(jī)動(dòng)車NOx排放量為582.1×104t，重型貨車排放的NOx占機(jī)動(dòng)車排放總量的74.3%[3]，是機(jī)動(dòng)車NOx排放的主要貢獻(xiàn)者. 山東省是重型柴油車保有量大省，重型柴油車排氣污染治理任務(wù)艱巨[4]，重型柴油車NOx排氣污染狀況監(jiān)測(cè)成為山東省移動(dòng)源環(huán)境管理的重點(diǎn)工作之一.

重型柴油車的排氣污染物監(jiān)測(cè)多基于固定工況和特定環(huán)境情況[5-6]，不能直接反映重型柴油車實(shí)際道路行駛過程中污染物排放狀況[7-10]. 當(dāng)前多采用PMES 試驗(yàn)方法研究重型柴油車實(shí)際道路污染物排放，但是PMES 試驗(yàn)存在流程復(fù)雜、價(jià)格高、耗時(shí)長等問題，加上重型柴油車實(shí)際運(yùn)行累積功率和窗口較多，車速分布較為復(fù)雜，利用PEMS 試驗(yàn)方法計(jì)算重型柴油車實(shí)際運(yùn)行NOx排放因子較為困難[11-13]，因此迫切需要一種新型的重型柴油車NOx排放因子遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法.

孫一龍等[14]研究了車載終端采集數(shù)據(jù)的一致性，結(jié)果表明，NOx排放等數(shù)據(jù)項(xiàng)的一致性滿足重型柴油車國六排放標(biāo)準(zhǔn)要求. 許雪利等[15]采用NOx傳感器測(cè)量車輛在實(shí)際道路上的NOx排放情況，認(rèn)為可以利用NOx傳感器測(cè)量整車實(shí)際道路的NOx排放. 劉寶利等[16]分析認(rèn)為，通過遠(yuǎn)程排放管理平臺(tái)采集的重型柴油車的NOx排放與PEMS 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致. 但是，鮮有文獻(xiàn)揭示重型柴油車NOx排放因子與NOx濃度之間的聯(lián)系. 如何篩選重型柴油車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)[17]數(shù)據(jù)、利用遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)計(jì)算重型柴油車NOx排放因子，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在移動(dòng)源環(huán)境監(jiān)管上的應(yīng)用，仍有待進(jìn)一步研究.

針對(duì)在用重型柴油車排放狀況評(píng)估難的問題，筆者研究了重型柴油車OBD 系統(tǒng)測(cè)試的NOx濃度與NOx排放因子的相關(guān)性，據(jù)此提出了一種重型柴油車NOx排放因子遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法，以期為重型柴油車實(shí)際道路排放監(jiān)管提供技術(shù)支撐.

1 研究方法

首先，基于發(fā)動(dòng)機(jī)排放臺(tái)架瞬態(tài)循環(huán)與實(shí)際道路行駛(PEMS)工況分析NOx濃度與NOx排放因子的相關(guān)性；其次，分析對(duì)比車載NOx傳感器輸出值與分析儀NOx測(cè)量值的關(guān)系；再次，基于NOx平均濃度與標(biāo)準(zhǔn)排放循環(huán)排放因子相關(guān)性的研究，制定遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)NOx有效數(shù)據(jù)分析方法，進(jìn)一步分析山東省遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的NOx排放因子與其平均濃度的關(guān)系；最后，通過NOx濃度篩選遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)重型柴油車.研究思路如圖1 所示.

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)NOx 濃度與排放因子相關(guān)性研究框架Fig.1 Frame diagram of correlation research between NOx concentrations value and emission factor of remote monitoring platform

1.1 試驗(yàn)方法與設(shè)備

該研究采用的發(fā)動(dòng)機(jī)排放臺(tái)架由測(cè)試控制臺(tái)(PUMA OPEN，奧地利AVL 公司)、測(cè)功機(jī)(型號(hào)INDY S66-4，奧地利AVL公司)、油耗儀(型號(hào)7351 CST，奧地利AVL 公司)、排放測(cè)試設(shè)備(型號(hào)MEXA-7100DEGR，日本HORIBA 公司)等試驗(yàn)設(shè)備組成，臺(tái)架布置示意如圖2 所示.

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)排放臺(tái)架示意Fig.2 Schematic diagram of engine emission bench test

按照GB 17 691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》標(biāo)準(zhǔn)要求，第五排放階段重型柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx污染物排放限值為2.0 g/(kW·h)[18].

通過發(fā)動(dòng)機(jī)排放臺(tái)架實(shí)際測(cè)量的排氣質(zhì)量流量、功率結(jié)果，逆推計(jì)算重型柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)在European Stationary Cycle (ESC)[12]穩(wěn)態(tài)不同工況下的NOx排放濃度.

式中：ENOx,gas為NOx排放因子，g/(kW·h)；ENOx為瞬時(shí)NOx排氣質(zhì)量流量，g/h；GEXH為穩(wěn)態(tài)排氣質(zhì)量流量，kg/h；P為發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算功率，kW；CNOx,cal為逆推計(jì)算的NOx體 積 濃 度，10-6；0.001 587 為 基 于GB 17691-2005 中附件BA.4 條原始排氣U值和排氣密度計(jì)算得到的NOx的U值(NOx密度與空氣密度的比值)；Kh,D為柴油機(jī)NOx濕度校正系數(shù)，默認(rèn)為1[19].

考慮到European Transient Cycle (ETC)[18]和World Harmonized Transient Cycle (WHTC)[19]瞬態(tài)循環(huán)工況更接近整車運(yùn)行工況[20]，為進(jìn)一步研究NOx濃度與排放因子的關(guān)系，選取17 臺(tái)(發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1)第五、第六排放階段的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，瞬態(tài)循環(huán)NOx濃度通過瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)(1 800 s)過程中直采尾氣分析儀測(cè)量NOx濃度(循環(huán)測(cè)量過程中測(cè)量濃度不低于1 Hz)的平均值獲得，排放因子為瞬態(tài)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)比排放[18]結(jié)果. 為確保試驗(yàn)結(jié)果的一致性，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)時(shí)的進(jìn)氣溫度、壓力、濕度等參數(shù)均保持一致.

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架/PEMS 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)Table 1 Engine parameters for engine bench/PEMS test

PEMS 試驗(yàn)采用日本HORIBA 公司生產(chǎn)的OBS ONE 系列設(shè)備進(jìn)行. 試驗(yàn)設(shè)備的主要性能指標(biāo)如表2 所示. PEMS 試驗(yàn)分別按照GB 17691-2005 中附錄B 和GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第六階段)》中附錄K 的要求進(jìn)行. NOx濃度平均值通過計(jì)算整個(gè)PEMS 循環(huán)試驗(yàn)中分析儀測(cè)量的濃度平均值獲得；PEMS 排放因子通過計(jì)算整個(gè)循環(huán)中累積NOx排放量(g)與整個(gè)循環(huán)功(kW·h)(功率的獲取通過OBD 系統(tǒng)以不低于1 Hz的頻率讀取ECU 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、基準(zhǔn)扭矩與計(jì)算負(fù)荷計(jì)算獲得)相除獲得.

表2 PEMS 試驗(yàn)設(shè)備的性能指標(biāo)Table 2 Performance metrics of PEMS experiment equipment

式中：CNOx,cycle為循環(huán)測(cè)量的平均體積濃度，10-6；CNOx,conc為瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)中瞬時(shí)體積濃度，10-6；t1、t2為瞬態(tài)循環(huán)的運(yùn)行起止時(shí)間，s；ENOx,gas為循環(huán)計(jì)算的NOx排放因子，g/(kW·h)；ENOx為瞬時(shí)NOx排氣質(zhì)量流量[18]，g/s；Pact為瞬態(tài)循環(huán)實(shí)際循環(huán)功[18]，kW·h.

通過瞬態(tài)臺(tái)架測(cè)試循環(huán)，選取多款國內(nèi)主流的重型柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)，采用發(fā)動(dòng)機(jī)排放臺(tái)架試驗(yàn)瞬態(tài)循環(huán)工況，使用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架排放測(cè)試設(shè)備(日本HORIBA公司)對(duì)車載NOx傳感器的輸出值進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架分析儀及車載NOx傳感器參數(shù)如表3所示.

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架分析儀與車載NOx 傳感器參數(shù)Table 3 Parameters of engine bench analyzer and vehicle NOx sensor

1.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析方法

該研究提出了基于車載NOx傳感器的整車排放因子遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法，并將其應(yīng)用到山東省重型車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)重型柴油車NOx排放因子[21-25]，實(shí)現(xiàn)了重型柴油車整體排放狀況評(píng)估. 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的應(yīng)用框架如圖3 所示.

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)用框架Fig.3 Application frame diagram of heavy-duty vehicle remote monitoring platform

1.2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)NOx有效數(shù)據(jù)分析方法

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)應(yīng)用，首先需要對(duì)采集到的NOx傳感器輸出值進(jìn)行質(zhì)量控制. 通過數(shù)據(jù)清洗、缺失值處理、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化等方式，獲取可用于研究的有效數(shù)據(jù).

基于重型柴油車當(dāng)日實(shí)際運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，選取一個(gè)自然日的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究最小運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、NOx傳感器正常工作區(qū)間等特點(diǎn)，考慮到實(shí)際工況作業(yè)點(diǎn)的影響，需要對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選. 主要包括以下6 項(xiàng)篩選原則：①重型柴油車連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間大于0.5 h. ②水溫高于70 ℃并且NOx傳感器能正常露點(diǎn)釋放的數(shù)據(jù)(見圖4). ③重型柴油車每天運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長大于1 h 的數(shù)據(jù). 根據(jù)重型柴油車的實(shí)際使用工況，統(tǒng)計(jì)整車每天最小運(yùn)行時(shí)長，調(diào)研了遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)獲取的某城市的7 085 輛車在5 月的上線時(shí)長. 由表4 可知，運(yùn)行時(shí)長在1 h 以上的上線重型柴油車占比為73.6%. ④對(duì)于滿足NOx傳感器露點(diǎn)釋放之后的數(shù)據(jù)，剔除NOx傳感器濃度大于3 012.75×10-6(測(cè)量允許最大值) 和測(cè)量數(shù)據(jù)小于等于0(零點(diǎn)漂移)的數(shù)據(jù). ⑤剔除遠(yuǎn)程平臺(tái)監(jiān)控中NOx傳感器濃度保持不變超過3 min 的數(shù)據(jù)(傳感器異常數(shù)據(jù)). ⑥計(jì)算重型柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)功率時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)反拖點(diǎn)功率取0.

表4 某城市重型柴油車上線時(shí)長占比Table 4 Proportion of HDDVs online time in a certain city

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作和NOx 傳感器正常露點(diǎn)釋放時(shí)間區(qū)間Fig.4 Time interval between normal engine operation and normal release of NOx sensor

1.2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)NOx排放因子分析方法

因整車的運(yùn)轉(zhuǎn)工況、負(fù)荷、使用時(shí)間均不同，為更好地體現(xiàn)重型柴油車實(shí)際道路排放情況，單車的實(shí)際道路NOx排放因子通過當(dāng)天運(yùn)行的有效累積NOx排放量除以當(dāng)天的累積功率獲得(計(jì)算有效時(shí)間段內(nèi)NOx的排放情況). 同時(shí)，基于單日時(shí)間尺度(滿足篩選有效數(shù)據(jù)原則)計(jì)算的NOx排放值更加穩(wěn)健，因此確定整車日運(yùn)行情況作為一個(gè)周期，計(jì)算單車每日的NOx排放因子.

重型柴油車當(dāng)日NOx排放因子的計(jì)算方法：

NOx日均濃度的計(jì)算方法：

式中：E為單車每日NOx排放因子，g/(kW·h)；Trq,act為遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)讀取的發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩百分比，%；Trq,fri為遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)讀取的發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩百分比，%；n為遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)讀取的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Nref為該 款 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 的 基 準(zhǔn) 扭矩(reference torque)，N·m；GNOx,mass為瞬時(shí)NOx的排氣質(zhì)量流量，g/h；GEXHW為遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)讀取的瞬時(shí)排氣質(zhì)量流量，kg/h；Gairmass為遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)讀取的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)進(jìn)氣質(zhì)量流量，kg/h；Vfuel為遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)讀取的瞬時(shí)油耗量，L/h；ρfuel為標(biāo)準(zhǔn)燃油密度，kg/L；Kh,D為壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)NOx濕度校正系數(shù)，實(shí)際運(yùn)行中無法測(cè)量進(jìn)氣溫度、濕度等參數(shù)默認(rèn)為1(由PEMS 測(cè)量得到的NOx濃度不進(jìn)行環(huán)境大氣溫濕度校正[19])；DNOx,day為日均體積濃度，10-6；CNOx為遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)讀取的瞬時(shí)NOx體積濃度，10-6.

2 結(jié)果與討論

2.1 相關(guān)性研究

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)/PEMS 試驗(yàn)NOx排放因子與濃度的相關(guān)性

通過選取12 臺(tái)第五排放階段發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行ESC穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)，利用36 個(gè)穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)通過標(biāo)準(zhǔn)限值逆推發(fā)動(dòng)機(jī)NOx濃度，分析ESC 穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)中第5、6、7 工況點(diǎn)，NOx逆推濃度中有20 個(gè)工況點(diǎn)的濃度集中分布在200×10-6左右，線性擬合線截距為207.58(見圖5). 由此表明，NOx逆推濃度與排放標(biāo)準(zhǔn)限值〔2.0 g/(kW·h)〕乘以100 之間呈現(xiàn)出明顯的線性相關(guān)性.

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)排放臺(tái)架穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)?zāi)嫱芅Ox 濃度Fig.5 Reversal of NOx concentrations value from engine emission bench steady-state tests

第五排放階段重型柴油車的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染控制手段分為機(jī)內(nèi)控制和機(jī)外控制. 機(jī)內(nèi)控制大多采用高壓共軌技術(shù)、增壓中冷技術(shù)，機(jī)外控制(后處理)基本采用選擇性催化還原(SCR)技術(shù). 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染控制路線相同時(shí)，制造商和研發(fā)團(tuán)隊(duì)會(huì)采用相似的標(biāo)定方法和策略以減少不同機(jī)型間的差異，確保相同技術(shù)路線下的發(fā)動(dòng)機(jī)在排放表現(xiàn)上具有一致性.

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架ETC/WHTC 瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示. 由圖6 可見，瞬態(tài)循環(huán)NOx排放因子與NOx濃度平均值的變化趨勢(shì)相近，兩種試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)(R2)為0.99，這表明兩種試驗(yàn)結(jié)果間存在較強(qiáng)的相關(guān)性.

圖6 瞬態(tài)循環(huán)試驗(yàn)中NOx 排放因子與濃度平均值的關(guān)系Fig.6 Relationship between NOx emission factor and average concentrations in transient cyclic test

隨機(jī)抽取7 輛重型柴油車，按照《重型柴油車、氣體燃料車排氣污染物車載測(cè)量方法及技術(shù)要求》(HJ 857-2017)和GB 17691-2018 第六排放階段標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行PEMS 試驗(yàn)[19,26]，研究PEMS 試驗(yàn)中NOx排放因子與濃度平均值的關(guān)系，為使PEMS 試驗(yàn)更加貼近重型柴油車實(shí)際道路行駛情況，PEMS 試驗(yàn)數(shù)據(jù)包含了發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)數(shù)據(jù)[27](發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后直至冷卻液溫度達(dá)到70 ℃或冷卻液溫度5 min 內(nèi)變化不超過2 ℃的數(shù)據(jù)). 對(duì)比結(jié)果(見圖7)顯示，PEMS 試驗(yàn)中NOx排放因子與濃度平均值的變化趨勢(shì)一致.NOx分析儀測(cè)量平均濃度與PEMS 排放因子乘以100之間的R2為0.993 5，這表明PEMS 試驗(yàn)時(shí)，兩種測(cè)試結(jié)果同樣呈現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性.

圖7 PEMS 試驗(yàn)中NOx 排放因子與測(cè)量平均濃度的對(duì)比Fig.7 Comparison of PEMS emission factor and measured NOx average concentrations

2.1.2 車載NOx傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架分析儀NOx濃度測(cè)量值相關(guān)性研究

重型柴油車OBD 系統(tǒng)通過讀取車載NOx傳感器的輸出結(jié)果，按照標(biāo)定的判定模型，得到NOx污染物排放狀況. 車載NOx傳感器輸出信號(hào)受到傳感器工作原理、性能、數(shù)量、安裝位置、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)分析方式等因素的影響. 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架分析儀通常用于排放標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)室研究等領(lǐng)域，因此對(duì)測(cè)量精度有更高的要求. 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架分析儀化學(xué)分析方法已經(jīng)存在多年，經(jīng)過長期的研究和改進(jìn)，因此具有較高的技術(shù)成熟度和可靠性. 車載NOx傳感器技術(shù)相對(duì)較新，尚在不斷發(fā)展和改進(jìn)中，因此可能存在一些性能上的局限性[27]. 對(duì)比排放測(cè)試設(shè)備NOx測(cè)量值與車載NOx傳感器輸出數(shù)值(OBD 系統(tǒng)讀取). 如圖8 所示，兩種試驗(yàn)結(jié)果的擬合線斜率為1.049，R2為0.990 1，兩種結(jié)果具有強(qiáng)相關(guān)性. 由此表明，OBD 系統(tǒng)得到的車載NOx傳感器結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架分析儀的測(cè)量值基本一致，可以用來表征重型柴油車在實(shí)際運(yùn)行過程中NOx濃度.

圖8 車載NOx 傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架分析儀NOx濃度的對(duì)比Fig.8 Comparison chart of NOx concentrations between on-board sensors and emission test equipment

2.2 山東省遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)NOx 排放監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

上述研究表明，重型柴油車NOx濃度平均值可以用來定量表征整車NOx排放因子. 為了進(jìn)一步驗(yàn)證該研究提出的通過日均NOx排放濃度反映NOx排放因子的有效性，基于山東省重型柴油車遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，隨機(jī)選取93 輛第五排放階段的重型柴油車，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)讀取重型柴油車實(shí)際運(yùn)行的進(jìn)氣量、油耗量、轉(zhuǎn)速、扭矩、NOx濃度等參數(shù)，分析兩個(gè)參數(shù)間的關(guān)系. 如圖9 所示，NOx排放因子乘以100 與NOx日均濃度的擬合線斜率為1.240，R2為0.938 8，p＜0.01. 由圖9 可知，NOx日均濃度低于200×10-6的重型柴油車占20.4%，日均濃度為200×10-6～500×10-6的重型柴油車占60.2%，日均濃度在500×10-6以上的重型柴油車占19.4%. 從離散程度方面分析，NOx日均濃度高于500×10-6的重型柴油車離散系數(shù)較大，為0.36，分布情況差異較大. 在SCR 系統(tǒng)未按照系統(tǒng)標(biāo)定程序控制反應(yīng)劑噴射、排氣后處理系統(tǒng)異常劣化、電器故障等情況下，重型柴油車排放水平較高，導(dǎo)致離散系數(shù)較大.

圖9 第五排放階段重型柴油車NOx 排放因子與NOx 日均濃度的關(guān)系Fig.9 Relationship between the NOx emission factor of heavy-duty diesel vehicles and daily average NOx concentrations in China-Ⅴ emission stage

另外，隨機(jī)選取27 輛第六排放階段的重型柴油車，采用相同方法研究排放因子與NOx日均濃度之間的關(guān)系. 如圖10 所示，NOx排放因子乘以100 與NOx日均濃度的擬合線斜率為1.295，R2為0.933 7，p＜0.01. NOx日均濃度低于50×10-6的重型柴油車占37.0%，日均濃度為50×10-6～200×10-6的重型柴油車占33.3%，日均濃度在200×10-6以上的重型柴油車占29.7%. 從離散程度來分析，NOx日均濃度高于200×10-6的重型柴油車離散系數(shù)較大，為0.77，分布情況差異較大. 相比于第五階段排放重型柴油車，第六階段重型柴油車排放控制策略更加復(fù)雜，相應(yīng)的后處理故障(如結(jié)晶、SCR 轉(zhuǎn)換效率低等)[28]指數(shù)更高，發(fā)生故障后排放水平較高，導(dǎo)致離散系數(shù)更大.

圖10 第六排放階段的重型柴油車NOx 排放因子與NOx 日均濃度的關(guān)系Fig.10 Relationship between the NOx emission factor of heavy-duty diesel vehicles and daily average NOx concentrations in China-Ⅵ emission stage

上述兩種排放階段的重型柴油車的NOx排放因子乘以100 與NOx日均濃度的變化趨勢(shì)表明，二者存在較強(qiáng)的相關(guān)性，計(jì)算的線性擬合線斜率在1.2～1.3之間，R2大于0.90. 因此，通過分析遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)讀取的NOx濃度值，可以對(duì)不同運(yùn)行狀態(tài)下的重型柴油車的排放狀況進(jìn)行評(píng)估，且該評(píng)估結(jié)果更加貼近于整車實(shí)際污染物排放水平，有利于重型柴油車排放氮氧化物污染的實(shí)時(shí)監(jiān)管.

2.3 山東省重型車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)NOx 污染物監(jiān)測(cè)應(yīng)用

根據(jù)NOx平均濃度與排放因子乘以100 的研究結(jié)果，按照GB 17691-2005 和GB 17691-2018[18-19]限值的要求，將遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)中NOx日均濃度超過表5 所示判定值的重型柴油車標(biāo)記為高排放車輛，將NOx日均濃度低于表5 所示判定值的重型柴油車為排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的車輛.

表5 高排放與排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)重型柴油車NOx 日均濃度Table 5 The daily average NOx concentrations value of high-emission and stable emission HDDVs

為驗(yàn)證上述定義的高排放重型柴油車和排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)重型柴油車判定標(biāo)準(zhǔn)可行，隨機(jī)選取山東省重型柴油車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)41 輛重型柴油車(第五排放階段21 輛，第六排放階段20 輛)進(jìn)行日均濃度分析.如圖11 所示，高排放重型柴油車共4 輛，占總樣本的9.8%，其中，第五排放階段柴油車共2 臺(tái)，占第五排放階段樣本的9.5%；第六排放階段重型柴油車共2 臺(tái)，占第六排放階段樣本的10%. 經(jīng)與機(jī)動(dòng)車定期排放檢驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，4 輛高排放重型柴油車近一次定期排放檢驗(yàn)均采用加載減速法[29-30]檢測(cè)，NOx濃度分別為1 273×10-6、978×10-6、912×10-6、1 240×10-6，均處于較高NOx排放水平. 排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)重型柴油車占總樣本的46.3%，其中，第五排放階段重型柴油車共7 輛，占第五排放階段樣本的33.3%；第六排放階段重型柴油車共12 輛，占第六排放階段樣本的57.1%. 上述21 輛穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放重型柴油車近一次定期排放檢驗(yàn)結(jié)果均合格. 因此，定義的判定標(biāo)準(zhǔn)可以有效篩選高排放重型柴油車和排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)重型柴油車，可為監(jiān)管部門和車輛生產(chǎn)企業(yè)提供技術(shù)支持.

圖11 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)篩選重型柴油車NOx 日均濃度Fig.11 Remote monitoring platform screens daily average NOx concentrations of HDDVs

3 結(jié)論

a) 驗(yàn)證了第五和第六排放階段發(fā)動(dòng)機(jī)排放臺(tái)架瞬態(tài)循環(huán)、PEMS 試驗(yàn)NOx排放因子與NOx濃度平均值的相關(guān)性，R2均為0.99.

b) 驗(yàn)證了車載NOx傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架分析儀NOx濃度測(cè)量值的相關(guān)性，R2為0.99. 車載NOx傳感器能夠表征重型柴油車實(shí)際運(yùn)行中的NOx排放情況.

c) 通過有效數(shù)據(jù)篩選，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)計(jì)算的重型柴油車NOx排放因子與NOx日均濃度有一定相關(guān)性，第五排放階段重型柴油車擬合得到的R2為0.94，擬合線斜率為1.240；第六排放階段重型柴油車擬合得到的R2為0.93，擬合線斜率為1.295.

d) 基于遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)相關(guān)性研究，第五排放階段重型柴油車NOx日均濃度低于200×10-6判定為穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，高于900×10-6判定為高排放；第六排放階段重型柴油車NOx日均濃度低于50×10-6判定為穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，高于500×10-6判定為高排放.