基于車載傳感器數(shù)據(jù)的車輛氮氧化合物排放水平研究方法

中圖分類號：U467.48 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）23-0066-04

Abstract：Inorder tostudythenitrogen oxideemission levelof heavydieselvehicles，anOBDcodereaderwasused to readnitrogenoxideconcentrationdatafromon-boardsensorsandconductactualroad tests.Theresultsshowthatthenitrogen oxideemisionlevelofdieselvehiclescanbequantitativelyevaluatedusingthenitrogenoxideconcentrationdatafromon-board sensors，providingaconvenient and low-cost method for studying thenitrogenoxide emision levelof diesel vehicles.

Keywords：diesel vehicle;vehicle-mounted sensor;nitrogen oxide;emission level; road test

按照《中國移動源環(huán)境管理年報（2023年）》的數(shù)據(jù)，2022年，全國機動車一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）氮氧化合物 Δ?NOx. ）顆粒物（PM排放量分別為743.0萬 t，191.2 萬 t.526.7 萬 t，5.3 萬 t 汽車是污染物排放總量的主要貢獻者，其排放的 _{C0，HC，NOx} 和PM超過機動車排放總量的 90% 。2022年，全國汽車CO、HC、NOx，PM 排放量分別為669.0萬 t，172.6 萬t515.9萬t5.0萬 t 其中，柴油車 CO，HC，NOx，PM 排放量分別為103.6萬 t，15.3 萬 t.456.1 萬 t，5.0 萬t，占汽車排放總量的 15.5%.8.9%.88.4%.99% 以上。因此，開展柴油車的氮氧化合物水平研究性試驗，降低柴油車的氮氧化合物排放水平，對改善我國空氣質(zhì)量有極大的意義。

柴油車具有運行車速區(qū)間大、載荷變化區(qū)間大等特點，柴油車的氮氧化合物水平與其運行車速、加載載荷直接關(guān)聯(lián)，在實際研發(fā)工作中需要進行大量重復(fù)性的研究性試驗。針對柴油車氮氧化合物測試方法，文獻[2]要求了試驗設(shè)備和試驗方法，但文獻[2]要求的便攜式排放測試系統(tǒng)（PortableEmissionMeasurementSystem，PEMS）具有體積質(zhì)量大、安裝復(fù)雜和耗材昂貴等特點，同時PEMS設(shè)備數(shù)量較少，具有相關(guān)操作資質(zhì)的人員數(shù)量也較少。因此，使用PEMS設(shè)備開展柴油車氮氧化合物的研究試驗具有低效、高成本和設(shè)備周期緊張的缺點，試驗設(shè)備及人員資源的缺乏成為了制約柴油車氮氧化合物研究試驗進度的關(guān)鍵因素。

本文提出一種創(chuàng)新性的計算方法，僅利用OBD讀碼器采集的數(shù)據(jù)即可計算氮氧化合物的質(zhì)量。依據(jù)文獻[2]要求的工況特點，開展實車道路試驗，并按照功基窗口法評估車輛氮氧化合物排放水平，驗證了計算方法的有效性。同時OBD讀碼器具有成本低、安裝簡單快捷、設(shè)備數(shù)量較多、操作人員無需特殊資質(zhì)等特點。本文提出的試驗方法，在降低了試驗成本的同時，縮短了試驗設(shè)備的準(zhǔn)備時間，為研究柴油車的氮氧化合物排放水平提供一種高效低成本的計算方法。

1試驗方法

1.1 試驗車輛

試驗車輛為某M3類非城市車輛，發(fā)動機為柴油機，后處理方式為氧化催化器（DieselOxidationCata-lyst，DOC）-顆粒捕集器（DieselParticulateFilter，DPF）-選擇性催化還原（SelectiveCatalyticReduc-tion，SCR）-氨逃逸催化器（Ammonia Slip Catalyst，ASC），添加的燃油、反應(yīng)劑均符合文獻[2]要求，車輛累計行駛里程 11200km 。試驗車輛參數(shù)見表1。

表1試驗車輛參數(shù)

按照車輛加載質(zhì)量 （5000kg） 的 50% 進行加載，使用沙袋模擬載荷，將沙袋固定于行李艙中。試驗時，包含駕駛員、試驗員和試驗設(shè)備的車輛總質(zhì)量為 17500kg

1.2試驗設(shè)備和試驗參數(shù)

本文的OBD讀碼器的硬件為KvaserLeafv3，軟件為SilverScanTool診斷軟件，通過車輛的OBD端口，選擇通信協(xié)議為SAEJ1939，按照 1Hz 的采樣頻率讀取并記錄試驗參數(shù)。試驗參數(shù)見表2。

速為 45～70km/h ，最高車速應(yīng)不超過 75km/h ;高速路的要求為平均車速大于 70km/h 。

表2試驗參數(shù)

為保證試驗安全，在封閉路段開展市區(qū)路和市郊路工況試驗，在高速路開展高速路工況試驗。結(jié)合客運車輛的實際道路運行工況特點，市區(qū)路工況過程中車輛行駛約 2km 停車1次，車輛穩(wěn)定運行車速約 40km/h 平均車速為 29km/h ;市郊路工況過程中車輛行駛約5km 停車1次，車輛穩(wěn)定運行車速約 73km/h ，平均車速為 64km/h ；高速路工況過程中，開啟定速巡航功能，車輛穩(wěn)定運行車速約 90km/h ，平均車速為 86km/h 。

1.3 試驗工況

按照文獻[2要求，非城市車輛試驗時的運行道路組成應(yīng)為： 45% 的市區(qū)路、 25% 的市郊路和 30% 的高速路。市區(qū)路的要求為車輛平均車速 15～30km/h ，最高車速應(yīng)不超過 55km/h ；市郊路的要求為車輛平均車

試驗持續(xù)時間約為 2.6h ，試驗車輛車速和發(fā)動機后氮氧濃度如圖1所示，試驗工況特征見表3。

2 計算方法

2.1計算發(fā)動機瞬時扭矩

依據(jù)文獻[2]中的表K.1要求，發(fā)動機扭矩應(yīng)該為發(fā)動機凈扭矩或由發(fā)動機實際扭矩百分比、摩擦扭矩和參考扭矩計算而得的凈扭矩，凈扭矩 參考扭矩 × （實際扭矩百分比-摩擦扭矩百分比），如式（1）所示。

式中： T_t 為瞬時扭矩， N?m;T 為發(fā)動機瞬時扭矩百分 比， %;T_fr 為發(fā)動機瞬時摩擦扭矩百分比， % 5 T_ref 為發(fā) 動機參考扭矩，固定值為 1960N?m 。

圖1試驗車輛車速和發(fā)動機后氮氧濃度

表3試驗工況特征

2.2 計算發(fā)動機瞬時功和累計功

依據(jù)文獻[3]B.5.1.2中公式B.2，計算得到發(fā)動機輸出功率，并與時間相乘后得到發(fā)動機瞬時功，計算方法如式（2）所示。

式中： 為瞬時功， kW?h;T_t 為瞬時扭矩， N?_m;nt 為瞬

時轉(zhuǎn)速， r/min;π 取 3.14 。

發(fā)動機瞬時功累計相加，可得到發(fā)動機累計功為106.5kW?h ，約為發(fā)動機WHTC循環(huán)功的5倍，符合文獻[2]試驗時間長度的要求。

2.3計算氮氧化合物瞬時排放質(zhì)量

依據(jù)文獻[3]B.5.1.1中公式B.3，計算氮氧化合物瞬時排放質(zhì)量需利用發(fā)動機瞬時排氣流量和氮氧化合物瞬時濃度，但發(fā)動機廠家未標(biāo)定發(fā)動機瞬時排氣流量，OBD讀碼器無法獲得發(fā)動機瞬時排氣流量。OBD讀碼器可以讀取發(fā)動機進氣流量和瞬時油耗量，本文創(chuàng)新性地利用發(fā)動機進氣流量和瞬時油耗量相加估算發(fā)動機瞬時排氣流量，計算方法如式（3）所示。

G_exh=G_in+F_fuel×3600000，

式中： G_exh 為發(fā)動機瞬時排氣流量， kg/h;G_in 為發(fā)動機瞬時進氣量， kg/h;F_fuel 為發(fā)動機瞬時燃油消耗量， g/s 。

參考文獻[3]B.5.1.1中公式B.3，計算氮氧化合物瞬時排放質(zhì)量。假設(shè)排氣在 273K（0°C） 和 101.3kPa 下的密度為 1.293kg/m³ ，計算方法如式（4）所示。

式中： NO_Xt 為氮氧化合物瞬時排放質(zhì)量， g/s;NOx_conc 為后氮氧傳感器讀取的氮氧化合物瞬時濃度， ppm;G_exh 為發(fā)動機瞬時排氣流量， kg/h 。

計算所得試驗車輛的發(fā)動機瞬時功率和發(fā)動機氮氧化合物瞬時排放質(zhì)量如圖2所示。

圖2試驗車輛發(fā)動機瞬時功率和發(fā)動機氮氧化合物瞬時排放質(zhì)量

2.4計算氮氧化合物功基窗口

保留發(fā)動機冷卻液溫度 70^qC 以上時的試驗數(shù)據(jù)作為有效試驗數(shù)據(jù)，按照發(fā)動機在臺架瞬態(tài)試驗循環(huán)（WorldHarmonized TransientCycle，WHTC）所做的功把有效試驗數(shù)據(jù)劃分為不同窗口計算的方法即為文獻[2]要求的功基窗口法。其基本原理為：以WHTC瞬態(tài)循環(huán)功為基準(zhǔn)，將試驗有效數(shù)據(jù)劃分為不同窗口子集，將窗口按與數(shù)據(jù)采集頻率相等的時間步長進行平移劃分，按文獻[2]要求，窗口平均功率百分比（窗口平均功率與發(fā)動機最大功率的比值）大于 20% 的窗口為有效窗口，有效窗口占窗口總數(shù)的比例應(yīng)控制在 50% 以上，若不滿足可降低功率閾值，但最小不能低于10% ，如果在最低功率閾值下，有效窗口的比例仍小于50% ，則判定試驗無效。依據(jù)文獻[2]要求的功基窗口法，按照發(fā)動機WHTC循環(huán)功，將本文的試驗有效數(shù)據(jù)劃分為多個功基窗口。按照時間順序，用時間正向和反向2種方式計算功基窗口。氮氧化合物窗口比排放如圖3所示。

依據(jù)文獻[2]要求的功基窗口法，反向計算時的功基窗口數(shù)量為5586個，功率閾值為 17% ，有效功基窗口比例為 63% ，正向計算時的功基窗口數(shù)量為7911個，功率閾值為 16% ，有效功基窗口比例為 52% ，符合文獻要求的功率閾值不能小于 10% ，試驗有效。功基窗口統(tǒng)計結(jié)果見表4。

表4功基窗口統(tǒng)計結(jié)果

高速路時發(fā)動機瞬時功率較高，反向計算時高速路末端數(shù)據(jù)僅使用1次，導(dǎo)致反向計算功基窗口數(shù)量比正向計算功基窗口數(shù)量較少。

通過統(tǒng)計有效功基窗口的氮氧化合物比排放數(shù)據(jù)，可定量地評價車輛的氮氧化合物排放水平。有效功基窗口氮氧化合物比排放統(tǒng)計結(jié)果見表5。

圖3試驗車輛氮氧化合物窗口比排放

表5有效功基窗口比排放統(tǒng)計結(jié)果

2.5計算方法的缺陷性

發(fā)動機缸內(nèi)的燃油混合氣理論上不能充分燃燒，部分燃油混合氣燃燒后生成固體顆粒物，這些顆粒物附著在發(fā)動機排氣系統(tǒng)內(nèi)部，如顆粒捕集器（DPF）上，不會從排氣尾管排出；同時選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）中的尿素作為還原劑配噴入排氣中，在催化劑的作用下與氮氧化物反應(yīng)，生成氮氣和水，隨發(fā)動機尾氣一起排出4。發(fā)動機后氮氧數(shù)據(jù)來源為發(fā)動機自帶的后氮氧傳感器，該傳感器為大批量生產(chǎn)的車用傳感器，其測試精度低于PEMS設(shè)備的測試精度。因此，按照本文提出方法計算所得的發(fā)動機瞬時排氣流量與PEMS設(shè)備的流量計測量所得的發(fā)動機瞬時排氣流量具有一定的差異。

3結(jié)論

1）本文不使用PEMS，僅使用OBD讀碼器讀取車輛工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，開展柴油車實際道路試驗，使用發(fā)動機進氣流量和瞬時油耗量相加估算發(fā)動機瞬時排氣流量，替代了PEMS設(shè)備的流量計，使用發(fā)動機后氮氧濃度數(shù)據(jù)替代了PEMS設(shè)備的氮氧化合物模塊數(shù)據(jù)，參考相關(guān)公式，計算氮氧化合物瞬時質(zhì)量，建立了一種利用車載傳感器數(shù)據(jù)直接計算氮氧化合物排放水平的方法，為高效低成本開展柴油車氮氧化合物排放水平研究試驗提供了參考。

2）利用發(fā)動機進氣流量和瞬時油耗量相加估算發(fā)動機瞬時排氣流量的方法與排氣流量的真實值之間存在未知的差異，在后續(xù)研究中，需對比驗證本文計算方法的結(jié)果與PEMS設(shè)備測試結(jié)果的差異。

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