国六柴油车PEMS与Lug-Down排放测试对比研究

马成功 李梁 张凡 母金伟 于津涛

中国汽车技术研究中心有限公司 北京市 100176

1 引言

当前，我国移动源污染问题日益突出，已经成为空气污染的重要来源。尤其是大中型城市，移动污染源主要集中在市区内，相对于主要集中在郊区的固定污染源，其对人类身体的健康和危害程度更大。因此，对于机动车的排放的控制及污染治理已经成为现在环境治理的首要任务。柴油发动机因为其热效率高、动力性强等优点而被广泛用于交通运输行业。但由于其排放污染严重，也一直是汽车排放领域关注的重点。生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报(2021)》表明，2020 年柴油车对汽车NO排放总量的贡献率在80%以上，对颗粒物排放的贡献率在90%以上。面对日益严峻的机动车排放形势，世界各个国家相继出台愈来愈严格的机动车排放法规来控制机动车排放。

目前，我国已经全面进入重型车国六排放阶段，依据GB17691-2018对重型车进行型式认证、生产一致性检查等，其中对于重型车排放的测试方法包含PEMS 测试。同时依据GB3847-2018对重型在用柴油车进行排放定期检验监督，其排放测试方法主要为Lug-Down 测试。金博强等研究表明现行Lug-Down 测试限值不合理；Zhang Nina等利用PEMS 和Lug-Down 对国五柴油车进行排放测试对比，发现两者测试结果不一致。保证不同方法测试结果的一致性才能实现对重型柴油车排放的有效控制和监督。本文选取一辆满足国六排放标准的重型柴油车，通过更换劣化件来模拟不同的车辆排放水平，并使用PMES 和Lug-Down 车辆进行排放对比测试，根据测试方法和结果分析不同测试手段的差异。

2 试验装置和方案

2.1 测试样车信息

本次研究选取了一辆满足国六排放标准的N2 类在用柴油车，装配涡轮增压柴油发动机，车辆及发动机主要参数见表1。

表1 样车及发动机主要参数

2.2 测试仪器及精度

PEMS 试验采用的测试设备为日本HORIBA 公司生产的OBS-ONE 便携式车载排放分析仪，可对机动车尾气中的CO、CO、NO和PN 以及环境条件、海拔、车速等参数进行实时的采集和记录，同时可以通过OBD 诊断接口对发动机运行参数进行读取记录。Lug-Down 测试使用的是广州福立分析仪器有限公司生产的FLN-210 汽车NO分析仪以及FLB-100 透射式烟度计。测试设备的量程和精度如表2，两种测试的设备分别能够满足GB17691-2018 与GB3847-2018 对重型车排气测量的要求。

表2 测试设备参数

2.3 试验方案

本次研究分别使用PMES 和Lug-Down对被测车辆进行排放测试，测试完成后通过更换EGR、DPF 和SCR 的劣化件改变车辆排放水平，再重复测试，具体研究项目如表3所示，由于SCR 劣化程度难以控制，本次研究通过采用不同质量浓度的尿素溶液来模拟不同程度的SCR 转换效率。

表3 试验方案

每次更换劣化件后使用Silver Scan-Tool 对车辆进行OBD 检查，验证发动机故障报出情况。每次PEMS 测试严格按照GB17691-2018 规定的车载排放测试方法进行，以此来保证数据的真实可靠。对每个项目的加载加速法测试前均对车辆进行充分的热车，以减小试验误差。同时每次更换尿素后对车辆进行预处理，保障没有其余浓度的尿素残留，避免对测试结果造成影响。为了降低随机性因素的影响，每辆车试验重复3次，试验结果取平均值。

3 测试方法及数据对比分析

3.1 测试流程对比

PEMS 测试是将车载排放测试系统安装在被测车辆上，车辆按照正常驾驶特征、行驶条件和载荷在实际道路上运行，系统实时测量被测车辆的污染物排放，试验路线应包含市区路、市郊路和高速路，不同行驶工况按照占总行驶的时间比例进行分配，如表4所示。测试最短时间需要达到至少4 ～7 倍的发动机WHTC 循环功。

表4 PEMS 测试工况分布

Lug-Down 测试是将待测车辆固定在底盘测功机上，按照规定的加载减速检测程序进行测试，测试过程中，首先进行功率扫描来确定真实的VelMaxHP 值。在结束功率扫描后，控制系统控制车辆分别达到真实的80% 的VelMaxHP 点 和VelMaxHP 点，分别检测两个检测点的光吸收系数k 及80%的VelMaxHP 点NO浓度，测试过程如图1所示。

图1 Lug-Down 测试流程

根据两种测试流程对比可以得出，PEMS测试时间长，数据量大，且运行工况更加贴近车辆的实际运行工况，因此PMES 试验的测试结果更能反映车辆的实际排放水平，该测试方法用于型式认证等试验更能保证测试的精确性。Lug-Down测试时间短，数据量小，测试便捷，结合我国柴油车保有量大的现状，使用加载减速法进行在用车定期排放监督更为合理。

3.2 测试工况对比

两种测试方法的发动机工况点分布如图2所示：

图2 PEMS 和Lug-Down 测试工况点分布

根据两种测试方法的发动机运行工况分布图可以看出，PEMS 试验车辆按照正常行驶特征行驶，因此其工况点分布更为接近实际。Lug-Down 测试主要采集VelMaxHP 点和80% VelMaxHP 点的排放数据，因此其对应的发动机工况点主要集中在转速为2400rpm对应的外特性曲线点附近和3000rpm 对应的外特性曲线点附近。

李琳琳等研究表明，由于在高负荷工况下发动机喷油量增加，缸内燃烧不充分，在高负荷工况下的颗粒物排放较高；同样在高负荷工况下，缸内燃烧温度增加，发动机原始排气的NO增加，但是由于排气温度的升高，SCR 的转化效率更高，使得柴油车尾气中的NO排放反而低于低负荷工况。因此从二者的工况点分布可以看出，Lug-Down测试更偏向于高负荷工况，使用该方法得到的颗粒物结果偏高，而NO结果偏低。因此PEMS 测试工况接近实际，结果更为精准，Lug-Down 测试工况较为单一，不能全面代表车辆实际排放水平。

3.3 计算方法对比

PEMS 测试数据采用功基窗口法计算。功基窗口法是将测试数据分成一系列子集，每个子集就是一个平均窗口，从有效数据起始点开始，当累计功达到发动机WHTC 循环功时这部分数据组成一个窗口，下一个窗口采样周期Δt 的时间间隔继续累积，依次类推。第i 个窗口的的长度由式（1）决定：

式中：( )为从数据起始点至 内的发动机累计功，kWh； W为WHTC 循环功，kWh；的选择由式（2）决定：

使用式（3）确定每一个窗口内的各污染物比排放e（mg/kWh 或个/kWh）：

式中：m 为此窗口内的各污染物排放总量，单位为mg 或个。

窗口平均功率大于发动机最大功率20%的窗口为有效窗口，有效窗口的数量要不低于总窗口数量的50%。若不能达到50%的要求应将窗口平均功率阈值以1%的步长逐渐降低，直至满足要求。阈值最低不能小于10%，否则试验无效。最后计算所有有效窗口的各污染物比排放，如果各污染物均有90%以上的有效窗口比排放小于限值，则判定被测车辆排放合格。

Lug-Down 使用测试数据的排放的平均值来代表车辆的排放水平，每个检测点读数之前应至少稳定3s，稳定之后测量9s 内光吸收系数k 和NO浓度的平均值。

Lug-Down 测试NO排放结果应进行湿度修正，计算连续9s 的算术平均值。测量结果按照式（4）进行计算：

式中：C 为第i 秒的NO测量浓度，10；k ()为第i 秒的湿度修正系数。湿度修正系数按照式（5）计算：

式中：H 为绝对湿度，g 水/kg 干空气。

对比2.2.1 和2.2.2 两种计算方法可以看出，功基窗口法计算较为复杂，数据参与度较高，抗干扰能力较强，即使存在个别异常数据整体上也不会对测量结果又较大的影响，计算结果更加具有代表性。Lug-Down测试使用平均值计算方便快捷，对异常数据的抗干扰性能力较低，只能在一定程度上代表车辆排放水平。

3.4 结果汇总及分析

汇总所有项目的PEMS 测试的试验结果，由于Lug-Down 测试只关注车辆的NO和颗粒物排放，因此本节使用PEMS 测试的NO和PN 结果进行对比分析。

图3 PEMS 测试结果汇总

根据PEMS 测试结果可以看出，项目1和项目5 进行PEMS 测试的NO和PN 结果均小于法规限值，排放合格。项目2、6、7测试的NO结果高于法规限值，项目3、4 测试的PN 结果高于法规限值。根据项目1、5、6、7 的NO测试结果可以看出，随着尿素溶液质量浓度的下降，NO排放升高，当尿素溶液质量浓度低于车辆最低接受的反应剂浓度（CDmin）28.5%时，车辆NO排放超过法规限值。根据项目1、3、4的测试结果可以看出，当DPF 载体破损或移除后，其PN 排放水平远高于正常状态。

汇总所有项目的Lug-Down 测试的试验结果，如图4 所示。根据Lug-Down 测试结果可以看出，不同项目的测试结果变化趋势同PEMS 测试基本一致，但所有测试结果均低于法规限值。项目1、5、6、7 随着尿素溶液质量浓度的降低，80%VelMaxHP 点的NO结果虽有升高，除项目7 外，其余项目变化并不明显。对比项目1、3、4烟度测试结果，随着DPF 劣化程度的增加，烟度排放升高，可以看出虽然整体烟度变化趋势同PMES 测试一致。

图4 Lug-Down 测试结果汇总

从两种测试的数据计算结果对比分析可以看出，两种测试方法计算结果虽然在变化趋势上有较好的一致性，但两种测试方法的综合通过率相差较大，7 种项目中PEMS 测试的综合通过率为28.6%，Lug-Down 测试的综合通过率为100.0%，且Lug-Down 测试的烟度结果的重复率较差。主要原因分析如下：

1)法规排放限值不同。GB17691-2018中规定的PEMS 排放限值针对的国六排放水平重型车，而GB3847-2018 中规定的Lug-Down 测试是针对所有在用重型柴油车，包括低排放水平的重型车，因此其排放限值较高，国六柴油车在排放部件劣化后，污染物排放升高。但由于其燃烧较为优化，排放水平接近甚至优于低排放阶段柴油车，因此Lug-Down 测试的结果通过率较高。

2) 测试设备原理不同。PEMS 设备采用化学发光法（CLD）原理测量NO，激光计数（CPC）原理测量颗粒物数量，设备精度较高，对排放变化更为敏感。Lug-Down 测试设备采用光吸收原理测量NO，光透射原理测量烟度，设备精度要低于PEMS 设备，因此Lug-Down 测试设备对于低排放水平车辆排放变化敏感性较差，且重复性较差。

3)测试方法不同。PEMS 测试时间长，数据量大，且计算方法会降低异常数据对整体结果的影响，试验重复性较好。Lug-Down 测试时间短，数据量较少，计算方法简单，测试结果易受异常数据影响，试验重复性较差。

通过PEMS 和Lug-Down 两种测试方法和结果的对比可以看出，Lug-Down 测试相对于PEMS 测试方便快捷，用于在用车定期排放检验更加合理。但两种测试结果通过率相差较多，说明Lug-Down 测试对于国六排放水平的车辆存在监控盲区，无法对国六在用车排放进行有效监督，为此本文提出以下几点建议：

1)建议对不同排放阶段的柴油车分别制定Lug-Down 测试排放限值，尤其是国六柴油车，需要对标准限值加严。

2)建议更新Lug-Down 测试设备，使用高精度的颗粒物设备对国六车进行测试，如AVL483、AVL489 等设备，避免由设备精度造成的试验结果不一致。

3) 建议对国六车进行在用车定期排放监督测试时深度结合OBD 检查，确保被测车辆不存在故障，避免故障漏检影响排放。

4 结论

本文通过对GB3847-2018 中Lug-Down测试及GB17691-2018 中规定的PEMS 两种测试方法及计算进行对比研究，并使用两种测试方法对一辆国六重型车及其更换不同劣化件后进行排放测试，分析比较测试结果，得出以下结论：

1)PEMS 测试时间长，数据处理方法科学，测试工况更加接近车辆实际运行工况，测试结果更加具有代表性。Lug-Down 测试快速便捷，其用于在用车排放监督更为合理。

2)PEMS 与Lug-Down 测试在不同项目下对应的排放值变化趋势基本相同，但判定结果相差较大。

3)Lug-Down 测试对于已无法对国六在用柴油车进行有效的排放监督，本文建议修改法规限值、更新测试设备及深度结合OBD检查等三个方面提高监督能力。