基于PEMS的重型柴油車低負荷和冷起動工況排放特性研究

摘要： 使用便攜式排放測試系統（portable emission measurement system，PEMS）對3輛重型柴油車進行道路排放測試，以發動機負荷率及CO2排放率作為發動機低負荷或高負荷工況劃分依據，結合比排放、瞬態排放等對低負荷工況CO，CO2，NO_x和PN23及冷起動過程排放特性進行分析，并探究低負荷工況下PN10比排放變化規律。研究結果表明：使用CO2排放率作為劃分依據的低負荷工況更具代表性，低負荷工況下CO，CO2，NO_x和PN23比排放值較高，CO，NO_x和PN23易超出標準限值，冷起動過程存在大量高CO和NO_x比排放的低負荷工況點，且將PN計數粒徑范圍下限由23 nm降低至10 nm后低負荷工況下PN10比排放將會翻倍。

關鍵詞： 重型柴油車； 低負荷； 冷起動； 便攜式排放測試系統； 排放測量； 顆粒

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.06.007

中圖分類號： TK421.5" 文獻標志碼： B" 文章編號： 1001-２２２２（２０24）０6-００45-０7

汽車尾氣排放是大氣污染物的主要來源之一，其中重型柴油車NO_x排放占比超過80%，PM排放占比超過90%［1］。便攜式車載排放測試系統（portable emission measurement system，PEMS） 的測試結果可以真實反映車輛在實際行駛過程中的排放特性［2-4］，主要汽車市場都相繼將PEMS納入到排放標準體系，成為控制重型車實際道路排放的重要舉措。

中國在2013年前后首先在北京規定了對車輛進行PEMS測試的要求［5］。2018年PEMS測試在全國的國六重型車認證中生效，在國六法規中將PEMS測試的NO_x限值從國五階段的4 g/（kW·h）進一步降低到690 mg/（kW·h），并增加顆粒物排放的限值（1.2×1012 個/（kW·h））要求［6］。2022年，美國環保署（Environmental Protection Agency，EPA）發布《控制新型機動車的空氣污染：重型發動機和車輛標準》，進一步加嚴NO_x排放限值，同時提出2區移動平均窗口法（2 bin-moving average window，2B-MAW），依據CO2排放率劃分不同bin區間，實現了對低負荷工況的排放評價［7］。2024年5月8日，歐7排放法規正式發布，下階段排放標準將實際道路排放（real driving emissions，RDE）顆粒物數量（particle number，PN）計數粒徑范圍下限由23 nm降低至10 nm，同時M2，M3，N2，N3類車輛PN10排放限值降低至9×1011 個/km［8］。

我國國六排放法規標準中，重型柴油車的實際道路排放結果采用功基窗口法進行處理。功基窗口法以時間順序劃分功基窗口，并計算窗口的平均功率和比排放。若窗口平均功率大于發動機最大功率的20%，窗口為有效窗口。有效窗口占比應大于50%，若有效窗口少于50%，則將窗口平均功率閾值以1%步長減小，直至滿足有效窗口占比50%要求。若功率閾值為10%時有效窗口仍不能達到50%，則試驗失敗［6］。功基窗口法僅考察有效窗口的比排放情況，而功率閾值的設定將大量低負荷窗口數據剔除，使得低負荷工況下的污染物排放被忽視［9-10］。

國內外學者針對PEMS試驗排放特性開展了較多深入的研究，諸多研究表明，重型柴油車在低負荷工況下的排放控制表現較差［11］。王志紅等［12］以發動機負荷率為不同負荷工況劃分依據，選取3輛城市類車輛研究PEMS低負荷工況排放特性，研究表明重型柴油車低負荷工況下排放占比均在50%以上。李旭等［13］發現國六功基窗口法計算過程中，超25%數據被剔除，導致大量高排放低功率的窗口被忽略，國六標準下的功率閾值下調將會使排放結果急劇增加。許丹丹等［14］通過對比美國加州聯合美國西南研究院低負荷循環（LLC）與C-WTVC、CHTC-HT循環下的排放結果，證明負荷降低對重型柴油車CO2，NO_x和PN排放結果影響較大。文獻［15-17］發現，發動機WHTC循環工況下PN10測量結果較PN23增加25%以上，PN23與PN10瞬態排放的變化規律基本一致。文獻［18-22］研究發現，重型柴油車冷起動過程的NO_x和CO排放遠大于熱運行過程。綜上所述，現有研究主要沿用功基窗口法的負荷率評價標準，針對低負荷工況和冷起動工況的PEMS試驗研究較少，且缺乏PN10排放的相關研究。

本研究選取3輛國六b重型柴油車開展PEMS試驗，參考美國EPA提出的依據CO2排放率劃分工況的思路，以CO2排放率作為發動機低負荷或高負荷工況劃分依據，針對重型柴油車低負荷工況排放特性進行分析，并考慮冷起動過程對排放結果的影響及PN10排放特征，旨在為下階段標準研究提供數據參考。

1 試驗設計

1.1 試驗樣車

本研究選取了3輛國六b重型柴油車進行PEMS試驗，3輛樣車的排放后處理技術均包括氧化催化器（DOC）、顆粒捕集器（DPF）、選擇性催化還原技術（SCR）和氨逃逸催化器（ASC）。試驗車輛基本情況見表1。

1.2 試驗設備及方法

本研究使用兩套HORIBA OBS-ONE便攜式排放測試系統，兩套系統同時運行。其中，一套用來測量CO，CO2，NO_x濃度及粒徑大于23 nm的顆粒物數量（PN23），另一套用來測量粒徑大于10 nm的顆粒物數量（PN10）。

按照GB 17691—2018附錄K［6］正文內容所述方法開展試驗。試驗前，發動機水溫應低于30 ℃，若環境溫度大于30 ℃，發動機水溫不應高于環境溫度2 ℃。本研究試驗路線滿足標準要求的時間比例，其中，3號車為城市類車輛，高速階段比例為0。3輛樣車的試驗情況見表2。

2 數據處理方法

1） 比排放

比排放計算方法見式（1）。

e=mW。（1）

式中：e為比排放；m為排放質量或數量；W為發動機總功。

2） 發動機負荷率

發動機負荷率是發動機輸出扭矩值與當前轉速下最大扭矩的比值，是表征發動機運行狀態的重要指標。國六PEMS試驗中，依據最大發動機負荷率的偏差檢查ECU扭矩信號的一致性。同時，發動機負荷率與車輛排放特征有著密切聯系，研究表明，發動機負荷率小于20%時對應的低負荷運行狀態的排放情況較差。發動機負荷率計算公式見式（2）。

α_engie=TTn，max。（2）

式中：αengie為發動機負荷率；T為發動機當前扭矩；Tn，max為發動機在當前轉速n下的最大扭矩。

3） CO2排放率

美國環保署（EPA）提出的2B-MAW方法將CO2排放率作為劃分bin區間的依據，CO2排放率低于20%時，發動機處于低負荷運行狀態。本研究中，CO2排放率計算方法見式（3）。

α_{CO2=3 600·}m_CO2e_CO2·P_{max。（3）}

_式中：αCO2為CO2排放率；mCO2為CO2排放質量；eCO2為現行標準中C-WTVC工況下的CO2平均比排放；Pmax為發動機標定最大功率。

3 試驗結果及分析

3.1 負荷工況劃分依據分析

將3輛樣車剔除冷起動過程的數據，分別按照發動機負荷率以及CO2排放率劃分低負荷或高負荷工況。若負荷評價結果低于20%，則車輛處于低負荷工況；相反，若負荷評價結果大于20%，則車輛處于高負荷工況。3輛樣車在不同劃分依據下低負荷工況數據特征如圖1和表3所示。

根據圖1和表3對比分析得到，3輛樣車采用CO2排放率劃分低負荷工況的低負荷工況點數均會增加，其中1號車低負荷工況點數增加31.31%。圖1中箱型圖左側為正態分布曲線及散點圖，經CO2排放率劃分后的低負荷工況數據點分布頻率特征基本與其正態分布曲線重合，其中位數與平均數之差的絕對值分別為0.004，0.004，0.001，而經發動機負荷率劃分后的低負荷工況發動機負荷率中位數與平均數之差分別為0.018，0.005，0.008。以CO2排放率劃分后的低負荷工況點數據中位數更加接近平均數，以CO2排放率作為劃分依據的低負荷工況更加趨近于正態分布。因此，采用CO2排放率作為劃分依據的低負荷工況具有更好的代表性。

3輛樣車高負荷工況下數據特征如圖2和表4所示。可見，高負荷工況數據分布表現出相似的分布特征，無論是哪種劃分依據，同一樣車高負荷工況點數據中位數及平均值之差絕對值都很接近，其中2號車CO2排放率中位數較發動機負荷率中位數相差最小，為-1.39%。

3.2 低負荷工況排放特性分析

以2號車為例，不同CO2排放率下的CO，CO2，NO_x和PN23比排放見圖3至圖6。4種污染物的高比排放工況點主要分布在低負荷工況。CO比排放超出現行標準限值6 000 mg/（kW·h）的工況點數與NO_x比排放超過現行標準限值690 mg/（kW·h）的工況點數均占低負荷工況點總數2%左右，其最大比排放值分別超出限值7.14倍和2.34倍。PN23超出現行標準限值1.2×1012 個/（kW·h）的工況點數高達956，占比為39.22%，最大PN23比排放值為4.28×1013 個/（kW·h），超出限值一個數量級。但在高負荷工況下，鮮有上述3種排放污染物比排放值超過標準限值的工況點出現，CO，NO_x和PN23比排放超出限值的工況點占比分別為0.04%，0.72%，6.25%，其占比較低負荷工況降低98%，64%，84%。現行國六標準未對CO2限值提出要求，但低負荷工況同樣存在著大量的高CO2比排放點。

美國EPA標準提出，怠速工況（CO2排放率小于等于6%）下NO_x排放限值為10 g/h或15 g/h，本研究中3輛樣車在怠速工況下的平均NO_x排放量分別為0.65 g/h，0.43 g/h，3.83 g/h，現行標準試驗方法下的NO_x排放值可以滿足EPA怠速NO_x排放限值要求。

由以上數據可知，低負荷工況下CO，CO2，NO_x，PN23比排放值相比高負荷工況更高，低負荷工況排放控制應當作為下階段重型車發展的重點方向。現行國六標準的怠速工況NO_x排放可以滿足美國EPA限值要求，可能原因是，在國六標準測試過程中并未設置怠速階段，按照CO2排放率確定的怠速工況下后處理系統已經進入良好工作狀態。

3.3 低負荷工況PN10排放特性分析

3輛樣車不同負荷工況下PN23及PN10比排放情況見圖7。

3輛樣車低負荷工況PN10比排放較PN23比排放出現較大增長。2號車低負荷工況下PN10比排放值為2.43×1012 個/（kW·h），是PN23比排放的1.92倍，遠超現行標準PN23限值。3輛樣車低負荷工況PN10比排放與PN23比排放平均比值為2.19。基于現行標準規定的功基窗口法計算，2號車第90百分位PN23比排放為6.73×1011 個/（kW·h），第90百分位PN10比排放為1.94×1012 個/（kW·h），PN10比排放較PN23增加188.26%，3輛樣車PN10比排放與PN23比排放的平均比值為2.63。

3.4 冷起動過程影響分析

國六PEMS試驗中，剔除了發動機水溫低于70 ℃的數據，但在試驗過程中，發動機水溫低于70 ℃的冷起動過程往往與市區工況保持相似的駕駛特征，存在大量的低負荷工況數據，2號車冷起動過程中，低負荷占比達56.54%。冷起動過程中，由于后處理系統溫度較低，排放控制情況往往較差。下面以發動機水溫高于70 ℃作為冷起動過程的結束點，對冷起動過程的影響進行分析。

3.4.1 冷起動瞬態數據分析

以3號樣車為例，CO，CO2，NO_x，PN23瞬態比排放見圖8至圖11。冷起動過程中，CO和NO_x瞬態比排放值高的工況點較多，但未出現比排放值超出限值的工況點，在此階段下，無論車輛處于何種負荷狀態，CO和NO_x比排放值均會有所增加，可能由于冷起動過程中發動機負荷較低，局部燃燒不充分，CO和NO_x排放增多，且排氣溫度較低，DOC和SCR未能達到理想效果。CO2和PN23瞬態比排放未表現出明顯的冷起動過程排放值升高特征，故本部分不進行PN10瞬態排放分析。

3.4.2 冷起動低負荷工況比排放分析

3輛樣車冷起動過程低負荷工況占比分別為75.92%，83.99%，92.51%，均超過75%。冷起動過程作為熱運行前的必經之路，其低負荷工況排放特性不容忽視。冷起動過程低負荷工況CO，CO2，NO_x，PN23比排放見圖12至圖15，圖中比較了剔除冷起動低負荷工況、包含冷起動低負荷工況和冷起動低負荷工況3種情況下的排放數據。

對CO2排放率低于20%的低負荷工況下4種排放污染物比排放值進行分析：

1號車與3號車冷起動過程低負荷工況下CO比排放分別為912.60，1 434.15 mg/（kW·h），較剔除冷起動過程后的低負荷工況CO比排放分別增加41.37倍和3.71倍。1號車與3號車包含冷起動過程的低負荷工況CO比排放較剔除冷起動過程的低負荷工況CO比排放分別增加4.53倍和0.72倍。2號車冷起動過程低負荷工況CO比排放值較小，可能原因是不同駕駛習慣導致的冷起動過程高負荷工況占比較高。

3輛樣車冷起動過程低負荷工況NO_x比排放均超出標準限值，其中3號車冷起動過程低負荷工況NO_x比排放值最大，為11 959.79 mg/（kW·h），超限比例為1 633.30%，1號車冷起動過程低負荷工況NO_x比排放值最小，但仍超出限值420.26%。2號車與3號車包含冷起動過程的低負荷工況NO_x比排放均超出標準限值要求，2號車超出標準限值149.96%，1號車雖未超限，但與限值十分接近。

冷起動過程低負荷工況CO2比排放值較剔除冷起動的熱運行過程低負荷工況CO2比排放值和包含冷起動過程的試驗全程低負荷工況CO2比排放值有著小幅度增加，其中3號車冷起動過程低負荷工況CO2比排放值較剔除冷起動過程后的低負荷工況CO2比排放值增加28.22%。同時，3輛樣車冷起動過程低負荷工況PN23比排放未呈現明顯變化特征。

綜上，冷起動過程包含大量低負荷工況點，冷起動過程低負荷工況下CO和NO_x比排放較熱運行過程出現大幅增加，CO2比排放出現小幅增加。冷起動過程低負荷工況下的CO和NO_x排放測量應當引起廣泛重視。

4 結論

a） 以CO2排放率低于20%劃分低負荷工況可以使低負荷工況點更具代表性；

b） 低負荷工況下CO，CO2，NO_x，PN23比排放值較高，是CO，NO_x，PN23超出標準限值工況點的集中分布區；

c） 冷起動過程包含大量低負荷工況點，存在高CO和NO_x比排放區域，同時冷起動過程也會導致CO2比排放小幅增加；

d） 在低負荷工況下，PN10比排放值約為PN23比排放的2.19倍；功基窗口法下，PN10比排放值為PN23比排放的2.63倍。

參考文獻：

［1］ 中國移動源環境管理年報（2023年）［J］.環境保護，2024，52（2）：48-62.

［2］ VARELLA R A，GIECHASKIEL B，SOUSA L，et al.Comparison of portable emissions measurement systems（PEMS） with laboratory grade equipment［J］.Applied Sciences，2018，8（9）：1633.doi：https：//doi.org/10.3390/app8091633.

［3］ 白偉超，肖宇，董慶奇，等.基于GAM模型分析環境因素對重型柴油車NO_x排放的影響［J］.內燃機與配件，2024（10）：39-41.

［4］ GIECHASKIEL B，CASADEI S，ROSSI T，et al.Measurements of the emissions of a \"Golden\" vehicle at seven laboratories with portable emission measurement systems （PEMS）［J］.Sustainability，2021，13（16）：8762.doi：https：//doi.org/10.3390/su13168762.

［5］ 北京市環境保護局，北京市質量技術監督局.重型汽車排氣污染物排放限值及測量方法（車載法）：DB 11/965—2013［S］.北京：中國標準出版社，2013.

［6］ 生態環境部，國家市場監督管理總局.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［S］.北京：中國環境出版社，2018.

［7］ Environmental Protection Agency．Control of air pollution from new motor vehicles：heavy-duty engine and vehicle standards：EPA-HQ-OAR-2019-0055［S］．Washington D C：EPA，2022.

［8］ European Union.Regualation（EU）2024/1257 of the European Parliament and of the Council on type-approval of motor vehicles and engines and of systems，components and separate technical units intended for such vehicles，with respect to their emissions and battery durability（Euro 7），amending Regulation （EU）2018/858 of the European Parliament and of the Council and repealing Regulations（EC）No 715/2007 and （EC）No 595/2009 of the European Parliament and of the Council，Commission Regulation（EU）No 582/2011，Commission Regulation（EU）2017/1151，Commission Regulation（EU） 2017/2400 and Commission Implementing Regulation（EU） 2022/1362［S］.Brussels：Oficial Journal of the European Union，2024.

［9］ 梁昌水，盧吉國，趙建永，等.國六重型商用車PEMS重復性試驗研究［J］.內燃機與配件，2023（6）：29-31.

［10］ 高旺，楊永真，鄭春芳.關于功率閾值對PEMS試驗結果影響的研究［J］.內燃機與配件，2022（10）：1-6.

［11］ LIU C，PEI Y，WU C，et al.Novel insights into the NO_x emissions characteristics in PEMS tests of a heavy-duty vehicle under different payloads［J］.Journal of Environmental Management，2023，348：119400.

［12］ 王志紅，龐博，張遠軍，等.低負荷工況下城市類重型柴油車的實際道路排放特性研究［J］.內燃機工程，2022，43（4）：84-90.

［13］ 李旭，白曉鑫，吳春玲，等.功率閾值對重型柴油車實際道路排放結果的影響研究［J］.內燃機，2023，39 （5）：16-21.

［14］ 許丹丹，高東志，趙健福，等.基于比功率的重型車低負荷工況排放特性研究［J］.小型內燃機與車輛技術，2022，51（3）：35-40.

［15］ 王鳳濱，廖清睿，于曉洋.WHTC工況下PN10和PN23計數器粒子數排放測量差異分析［J］.安全與環境學報，2023，23（11）：4108-4114.

［16］ 汪曉偉，凌健，景曉軍，等.重型國六發動機細顆粒物數量排放特性［J］.內燃機工程，2022，43（6）：78-83.

［17］ 侯宇旭，葛蘊珊，王欣，等.增壓直噴汽油機細小顆粒物排放特性研究［J］.內燃機工程，2021，42（4）： 24-29.

［18］ 張靳杰，楊聰，徐達，等.基于PEMS試驗的重型柴油車冷起動排放特征研究［J］.汽車實用技術，2021，46（17）：54-58.

［19］ TANG G，WANG S，WANG R，et al.Research on PEMS test data processing method and cold start emission evaluation method of heavy-duty diesel vehicles［J］.Water，Air and Soil Pollution，2022，233（8）：334.doi：https：//doi.org/10.1007/s11270-022-05816-1.

［20］ 孫城，趙朕，黃金秋，等.不同噴油嘴的PEMS試驗排放特性研究［J］.農業裝備與車輛工程，2024，62（3）：164-168.

［21］ 李旭，郭亞辰，吳春玲，等.基于PEMS測試的重型柴油非城市車輛冷起動NO_x排放特征研究［J］.內燃機，2024，40（2）：9-14.

［22］ 胡明飛，張學芳.重型商用車車載法排放影響因素研究［J］.內燃機與配件，2024（10）：141-143.

Emission Characteristics of Heavy-Duty Diesel Vehicles under Low Load and Cold Start Conditions Based on PEMS

LIU Dongwei1，2，XU Xiaowen2，ZHU Qinggong2，ZHANG Kai2，ZHANG Jinjie2，JIAO Wenjian2

（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China;2.CATARC Automotive Test Center（Wuhan） Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China）

Abstract： By using a portable emission measurement system（PEMS）， the road-based emission tests were conducted on three heavy-duty diesel vehicles. The engine load rate and CO2 emission rate were used as the reference for dividing the engine into low load or high load conditions. Combined with specific emissions， transient emissions and etc， the emission characteristics of CO， CO2， NO_x， PN23 under low load conditions and during cold start process were analyzed， and the variation law of PN10 specific emissions under low load conditions was explored. The research results indicate that the low load condition based on CO2 emission rate is more representative. Under low load conditions， the specific emissions of CO， CO2， NO_x， and PN23 are higher， and CO， NO_x， and PN23 are prone to exceed the standard limits. There are a large number of low load working points with high CO and NO_x specific emissions during the cold start process. Furthermore， reducing the lower limit of PN counting particle size from 23 nm to 10 nm will result in a doubling of PN10 specific emissions under low load conditions.

Key" words： heavy-duty diesel vehicle；low load；cold start；PEMS；emission measurement；particle

［編輯： 潘麗麗］

作者簡介： 柳東威（1985—），男，博士，主要研究方向為機動車排放測試及虛擬標定技術；liudongwei@catarc.ac.cn。