基于實際道路測試的在用重型柴油車排放因子研究

摘要：依據GB 17691—2018規定的車載排放測試方法，開展實際道路的重型車PEMS試驗。選取MOVES 模型作為初始模型，對重型在用車的PEMS實際測量數據依據STP與速度進行統計分析，并將所有PEMS試驗工況“映射”到同一種標準循環工況下，得到不同車輛種類不同排放標準的重型車各類污染物排放因子。結果表明，貨車類中重型貨車的CO和NOx排放因子均高于其他類貨車，同時隨著排放階段的升級排放因子值在不斷下降。隨著平均車速的增加，CO、NOx和PN的排放速率均呈現增加的趨勢，而排放因子則呈現相反的趨勢。車輛排放隨平均車速的變化在低車速時較為激烈，在高車速時則逐漸變緩。針對重型貨車（總質量≥12 t），車企還需要通過加強后處理系統熱管理、優化尿素噴射策略、提高催化器轉化效率等技術來進一步降低排放。特別是在車型低于40 km/h時，車速的上下波動對車輛的CO、NOx和PN的排放因子影響明顯，司機的駕駛習慣對排放結果有較大影響。

關鍵詞：在用柴油車；實際道路測試；排放因子；排放標準；比功率

中圖分類號：U467.5 收稿日期：2024-10-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.005

1 前言

我國對機動車尾氣控制排放法規不斷嚴格化，特別是對于排放污染比重最大的重型柴油機動車持續更新相關環保標準[1-3]。《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[4]增加了整車實際道路測試等內容，對重型柴油車的排放水平要求不斷加嚴。隨著排放標準的升級，機動車排放凈化裝置也隨之升級，機動車結構得到了優化，車輛使用強度及道路交通也發生了變化，機動車排放因子將相應產生變化，以往的排放因子研究成果已經不能完全真實地反映現階段機動車排放狀況。

機動車排放因子模型關心的是車的排放特征，它給出單車或車隊單位里程、單位時間或單位油耗的排放水平，即排放因子（常用單位為g/km和g/kg）或排放速率（g/s）。重型車在實際道路行駛時的駕駛工況、超載情況等因素[5-8]對重型車排放產生關鍵的影響。機動車排放模型 MOVES（Motor Vehicle Emission Simulator）可以估算移動源的污染物排放。國內研究機構利用實測排放數據和機動車活動水平數據驗證了MOVES模型在我國的適用性，并開展了北京、深圳等城市的機動車排放清單研究工作[9-11]。

本文依據GB 17691—2018規定的車載排放測試方法，開展實際道路的重型車PEMS試驗。選取MOVES 模型作為初始模型，對重型在用車的PEMS實際測量數據依據STP與速度進行統計分析，并將所有PEMS試驗工況“映射”到同一種標準循環工況下，得到不同車輛種類不同排放標準的重型車各類污染物排放因子。

2 試驗內容及方法

2.1 測試車輛

本次研究依據GB 17691—2018規定的車載排放測試方法，共計完成217輛重型車的PEMS試驗，按車型作為一級分類，排放階段作為二級分類，完成試驗的車輛分布如表1所示。試驗車輛所用燃料為車輛自帶的市售國六柴油。

本次研究的試驗車輛主要為進行新車生產一致性和在用車符合性檢查的重型柴油車，按照表2給出的汽車分類方法分為輕型貨車、中型貨車、重型貨車、中型客車、大型客車等5類。依據GB 17691—2005、GB—2018標準進行劃分，國Ⅲ、國Ⅳ、國Ⅴ和國Ⅵ階段的試驗車輛分別為14輛、15輛、42輛和146輛。

試驗車輛裝配的發動機排量涵蓋2.8～11.6 L，包含大、中、小排量，試驗車輛的最大總質量涵蓋4.5～49.0 t。國三車輛基本上沒有后處理，國四車輛部分車型選擇EGR+POC技術路線，部分使用SCR，DPF基本沒有應用；國五車輛淘汰了EGR+POC的技術路線，SCR應用比例進一步提升，小部分輕型車輛選用EGR+DPF技術路線；隨著國六標準的實施，SCR和DPF均成為重型柴油車的標準配置，同時EGR應用比例也繼續提升。

2.2 測試方法

試驗車輛分別加載不同的載荷質量，依據GB 17691—2018附錄K的測試規范進行整車道路排放試驗，試驗數據采集頻率為1 Hz。整車排放試驗運行工況滿足GB 17691—2018附錄K中不同車輛類型的工況比例構成要求，同一車輛的試驗路線和車輛速度在不同載荷比例條件下盡量保持一致。

試驗中所采用的主要測試儀器為HORIBA公司的OBS—ONE—G12型車載排放分析系統，該系統集成了OBD診斷讀取設備、GPS測量設備與排放測量設備，分別使用化學發光分析儀測量NOx，不分光紅外線吸收型分析儀測量CO、CO2以及凝縮離子法測量顆粒物PN。

2.3 排放因子計算模型

本研究基于重型車Pems試驗瞬態數據，參考MOVES模型的構建方法，建立重型車排放因子計算模型。建模過程中主要步驟如下：

a.確定比功率計算式。

機動車比功率定義為機動車的單位質量的瞬時輸出功率，參考美國環境保護署（EPA）在MOVES模型中給出的針對重型車的比功率簡化計算式，利用下式計算重型車比功率：

STP=1/f[Mv]（a+gsinθ）+Av+Bv²+Cv³ （1）

式中，STP為重型車比功率，kW/t；fscale為固定質量因子，t；v為瞬時車速，m/s；M為機動車質量，t；a為瞬時車輛加速度，m/s2；g為重力加速度，9.8 m/s2；sinθ為道路坡度；A為滾動阻力系數，kW·s/m；B為轉動阻力系數，kW·s2/m2；C為空氣動力學阻力系數，kW·s3/m3。

表3列出了5個總車重區間內的STP計算式各系數值。實際計算中，只需要根據實際總車重位于哪個總車重區間，即可根據表3得到STP計算式各系數值。道路的坡度在實際測量中難以獲得，為了簡化計算，參考其他研究人員在計算時的做法，將坡度sinθ取為0。

b.Pems試驗瞬態數據網格化。

為將Pems試驗中不同工況下的排放速率（CO2、CO、PN和NOx）瞬態數據進行聚類，需要根據瞬時車速和瞬時機動車比功率等參數劃分Bin網格，對歸屬于同一Bin網格中的工況下的排放速率瞬態數據求算數平均值作為該Bin網格的平均排放速率。Moves模型中根據瞬時車速和瞬時機動車比功率，將Bin網格劃分為23個。文獻針對大型客車，輕型、中型、重型貨車共幾種重型車型，共選取30輛車，根據瞬時車速和比功率的分布，將Bin網格劃分為22個。本研究參考MOVES模型中瞬時比功率區間劃分方法和文獻對車速區間劃分的方法，將Bin網格劃分為23個，各網格定義如表4所示。

劃分Bin網格之后根據重型車Pems試驗瞬態數據，計算每個Bin網格內的CO2、CO、PN和NOx平均排放速率，計算式如下：

c.數據歸一化處理。

Pems試驗中每輛車的試驗工況均不相同，不同的試驗結果之間不能直接進行對比與分析，若要對比不同試驗中車輛的排放大小，需要將所有Pems試驗工況“映射”到同一種標準循環工況下，即Pems試驗結果進行數據歸一化處理。數據歸一化主要分為以下步驟：

選取標準循環工況時，根據劃分的Bin格，統計標準循環工況在各個Bin網格中的頻數，進而得到標準循環在各個Bin網格中的頻率，作為加權系數。

根據標準循環在各Bin網格中的加權系數與各Bin網格中的平均排放速率，將PEMS試驗實測排放因子換算為標準循環下的綜合排放因子：首先各Bin網格內的CO2、CO、PN和NOx平均排放速率分別與各Bin網格的標準循環加權系數相乘，求和，最后與標準循環平均車速相除，換算為Pems試驗“映射”到標準循環下的綜合排放因子。計算公式如下：

3 試驗結果

3.1 不同排放標準車輛的微觀工況排放速率

依據上述測試方法和計算模型，分別計算每輛車輛不同污染物的排放速率，然后根據不同排放標準分別計算平均值，得到不同排放標準車輛不同污染物的微觀工況排放速率曲線如圖1所示。

依據中國工況得到的重型車典型運行工況，選擇8種不同的工況（對應0～10 km/h、10～20 km/h、20～30 km/h、30～40 km/h、40～50 km/h、50～60 km/h、60～70 km/h和70～80 km/h），平均車速分別為5.1 km/h、15.1 km/h、23.2 km/h、34.6 km/h、46.4 km/h、57.8 km/h、63.2 km/h、74.6 km/h。

分別計算8種不同的典型工況在各Bin網格中的加權系數，按照上述的數據歸一化處理，分別得到不同排放標準車輛在不同平均車速工況條件下的排放速率和排放因子（如圖2和圖3所示）。從圖中可以看出，隨著平均車速的增加，CO、NOx和PN的排放速率均呈現增加的趨勢，而排放因子則呈現相反的趨勢。車輛排放隨平均車速的變化在低車速時較為激烈，在高車速時則逐漸變緩。

3.2 實際道路排放因子總體情況

依據上述給出的研究方法，通過PEMS試驗得到的實測排放因子，再經過歸一化處理，得到了不同排放階段不同車型標準狀態下的綜合排放因子，如圖4和圖5所示。

通過圖5可以看出，隨著排放階段的升級，CO的排放因子總體下降。總體來看重型貨車均高于其他車型，這是因為重型貨車平時駕駛時負荷比較大，燃燒不完全，而且燃料消耗量也大。

通過圖5可以看出，貨車類中重型貨車的NOx排放因子均高于其他類貨車，同時隨著排放階段的升級排放因子值在不斷下降。NOx的生成機理為高溫富氧，重型貨車由于長期處于高負荷狀態，因此造成的NOx排放量比較高。

4 結語

a.貨車類中重型貨車的CO和NOx排放因子均高于其他類貨車，同時隨著排放階段的升級排放因子值在不斷下降。因此針對重型貨車（總質量≥12 t），車企還需要通過加強后處理系統熱管理、優化尿素噴射策略、提高催化器轉化效率等技術來進一步降低排放。

b.隨著平均車速的增加，CO、NOx和PN的排放速率均呈現增加的趨勢，而排放因子則呈現相反的趨勢。在行駛里程相同的條件下，在駕駛過程中提高車輛的平均車速，能夠起到降低總排放量的效果。

c.車輛排放隨平均車速的變化在低車速時較為激烈，在高車速時則逐漸變緩。特別是在車型低于40 km/h時，車速的上下波動對車輛的CO、NOx和PN的排放因子影響明顯，司機的駕駛習慣對排放結果有較大影響。

參考文獻：

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作者簡介：

張凡，男，1982年生，高級工程師，研究方向為重型車、發動機能耗及排放檢驗。