基于实际道路测试的重型柴油车排放评估方法研究

李 旭 刘卫林 吴春玲,2 白晓鑫 景晓军

(1.中国汽车技术研究中心有限公司,天津 300300;2.天津大学机械工程学院,天津300072)

随着汽车工业的快速发展,汽车的生产量和保有量急剧增加,虽然重型车保有量在汽车中占比不高,但其氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)排放量巨大[1]。生态环境部发布的《中国移动源环境管理年报(2021)》显示,2020年全国柴油车CO、碳氢化合物(HC)、NOx、PM排放量分别为124.9万、19.6万、544.9万、6.4万t,分别占汽车排放总量的18.0%、11.4%、88.8%、99.0%以上[2],由此可见,柴油车是汽车NOx、PM排放的主要来源。

为进一步强化重型车排放的控制,自2021年7月1日起,我国正式实施《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(GB 17691—2018),对柴油车排放限值做了更严格的要求;另外,为解决试验室排放测试的局限性,使得车辆排放更贴近实际道路行驶水平,还增加了基于便携式排放测试系统(PEMS)的整车实际道路排放测试要求和排放限值,并将PEMS的实际道路排放测试数据纳入到对重型车排放的监管中[3]。GB 17691—2018采用功基窗口法对PEMS测试数据进行处理,并增加功率阈值不得低于10%的限制,这可能低估车辆实际道路污染物的排放量[4-5]。

目前,吕立群等[6]基于功基窗口法对车辆实际道路排放进行研究,表明功率阈值的限制导致大量发动机低功率阶段的NOx高比排放区域被剔除,低估了车辆NOx排放水平;张靳杰等[7]主要针对冷却液温度在70 ℃前的冷起动部分PEMS测试数据进行研究;崔焕星等[8]在冷起动分析的基础上,运用不同计算方法将冷启动测试数据与70 ℃后测试数据进行加权,获得整体的PEMS加权排放数据。然而,上述研究均未直观表述并详细分析功率阈值的限制对排放计算带来的影响程度以及工况点对不同窗口计算方法的贡献程度;另外,除文献[8]给出了排放评估的大致建议外,其他文献均未进一步给出针对排放后期数据处理方法的具体建议,为此开展新的车辆PEMS排放评估方法研究十分必要。

本研究以满足GB 17691—2018中6b阶段技术要求的4辆重型柴油车为研究对象,通过开展基于PEMS的实际道路排放测试,采用功基窗口法对其排放进行计算分析,确定各工况对排放的影响,同时就功基窗口法对实际道路排放评估的适应性展开研究,并提出几种PEMS排放计算方法供参考。

1 试验方案

1.1 试验车辆

选取N2类、N3类各2辆重型柴油车作为试验车辆,试验车辆均满足国六排放标准,且均采用废气再循环系统(EGR)+氧化催化器(DOC)+柴油颗粒过滤器(DPF)+选择性催化还原器(SCR)的排放控制技术路线,试验车辆基本参数见表1。

表1 测试车辆基本信息

1.2 测试设备

测试所用的PEMS由日本HORIBA公司生产,型号为OBS-ONE,该系统主要通过车载诊断系统(OBD)、排放分析仪、温湿度计以及全球定位系统(GPS)实时记录车辆在道路上行驶的速度、发动机运行参数、污染物排放、排气流量、位置及环境温湿度等。PEMS系统布置见图1,测试设备规格参数见表2。

图1 PEMS系统布置

表2 测试设备信息

1.3 试验要求

试验车辆道路测试包括市区、市郊和高速3种工况,不同类型的车辆道路工况构成要求不同,道路工况占比由行驶时间确定,详细信息见表3。在测试开始时,要求发动机冷却液温度不超过30 ℃,车辆测试道路的海拔、测试时间、NOx浓度等均需满足GB 17691—2018的PEMS测试需求。PEMS在车辆起动前开始采样,测量排气参数并记录发动机及环境参数,数据记录频率为1 Hz。

表3 测试车速和线路分配

1.4 功基窗口计算方法

1.4.1 功基窗口划分

功基窗口法是以WHTC循环功为基准,对实际道路测试数据以1 Hz的频率逐步移动窗口,将其划分为不同功基窗口,进行窗口排放污染物的移动平均计算。以第i个功基窗口划分为例,从起始点(t1,i)开始,当窗口累计循环功达到WHTC循环功的时刻为功基窗口终止点(t2,i),公式表达见式(1)、式(2)。

苏珊·巴斯奈特和安德烈·勒菲弗尔在连接翻译研究各领域以及建立翻译研究与其他学科之间起到了举足轻重的作用，并且于1990年，他们率先提出了翻译研究的文化转向。“翻译的文化转向更加强调学科的自足性，学科范式的规律性和开放性，更多地思考不同时期的价值观，意识形态，体制与对翻译研究的影响。这股浪潮随着全球化，多元化的大势，把文化因素在翻译研究中发挥得淋漓尽致。”（刘军平，2010，p.394）

W(t2,i)-W(t1,i)≥Wref

(1)

W(t2,i-Δt)-W(t1,i)

(2)

式中:W(t2,i)、W(t1,i)、W(t2,i-Δt)分别为从开始到t2,i、t1,i、t2,i-Δt时刻的发动机循环功,kW·h;Wref为发动机WHTC循环功,kW·h;Δt为数据采样周期,取1 s。

1.4.2 窗口比排放计算

以功基窗口为单元统计各种污染物排放量,根据功基窗口发动机累计循环功,计算功基窗口各污染物的比排放,计算见式(3):

(3)

式中:ep为功基窗口的污染物比排放,g/(kW·h)或个/(kW·h);mp为窗口的污染物排放量,g或个。

1.4.3 排放结果判定

计算各功基窗口平均功率,依据GB 17691—2018,首先以功率阈值(功基窗口平均功率占发动机最大功率的比例)超过20%为有效窗口判定标准,当有效窗口数量占比大于等于50%,则判定PEMS试验有效;若有效窗口占比低于50%,则按照1%的步长降低功率阈值,直至有效窗口数量占比达到50%,但功率阈值最小不能低于10%,否则试验无效。其中,90%的有效窗口污染物比排放满足GB 17691—2018的要求,则排放合格。为此,本研究采用将有效窗口污染物比排放从小到大排序,处于90%分位值的比排放数据代表污染物排放水平,若其满足GB 17691—2018限值要求,则排放合格,否则超标。

2 试验结果与分析

2.1 PEMS测试结果

4辆车不同载荷的PEMS测试均以冷却液温度大于70 ℃的数据作为有效数据参与计算,测试时长、工况占比、测试期间循环功倍数、污染物排放等测试结果见表4。

表4 PEMS测试信息

2.2 排放结果对比

以冷却液温度大于70 ℃的数据作为有效数据,分别对4辆车在不同道路工况下的NOx和PN进行分析。首先,计算4辆车不同工况条件的比排放均值,即各工况条件下污染物的累计排放量与该工况条件下发动机累计循环功的比值[9],并与功基窗口法计算得到全窗口比排放90%分位值和有效窗口比排放90%分位值进行对比,结果见图2。

由图2可知,4辆测试车辆的NOx比排放整体变化趋势为市区最高,市郊次之,高速最低。其中,3#车辆市区比排放均值高达3 925.5 mg/(kW·h),远超国六排放限值690 mg/(kW·h),高速比排放均值为54.8 mg/(kW·h),与市区相比减少98.60%,主要因为在涂敷铜基催化剂的SCR中,当喷入理论需求尿素喷射量时,在一定温度范围内,NOx的转化效率与SCR的温度呈正相关关系,且在220～450 ℃时NOx转化效率可达90%以上,因此SCR前排气温度是NOx转化效率的主要影响因素。车辆在市区工况车速较低且变化频繁,发动机负荷低,使得SCR前排气温度整体较低,导致NOx转化效率受限,进而导致市区工况NOx排放较高[10-11];而市郊和高速工况下,特别是高速工况,虽然发动机负荷大,缸内燃烧温度较高,NOx原排浓度增大[12],但由于此时SCR装置已经处于正常工作状态,NOx转化效率可高达90%以上,使得车辆NOx尾排大幅降低,所以市郊和高速工况NOx排放明显变好。由图3可见,4辆测试车辆的SCR前排放温度均值呈高速>市郊>市区的趋势,与NOx比排放整体变化趋势一致,其中3#车辆市区工况下SCR前排放温度均值仅为160 ℃,低于SCR起燃温度,使得NOx转化效率偏低,导致NOx排放偏高。

图3 SCR前排放温度对比

运用功基窗口法计算NOx比排放时,车辆窗口NOx比排放90%分位值随功率阈值的变化见图4。由图4可知,1#、2#、3#、4#车辆分别在8%、8%、12%、13%时达到全窗口功率阈值,随着功率阈值降低,窗口NOx比排放90%分位值逐渐增大,在全窗口功率阈值处达到最大,主要因为高功率阈值区域主要集中在市郊和高速工况,此时SCR温度较高,使得NOx转化效率高,NOx排放较低;但随着功率阈值降低,市区NOx高排放工况加入计算的比例增加,使得窗口NOx比排放90%分位值逐渐增加。其中,1#、2#、3#车辆变化比较明显,4#车辆变化相对平缓。相对于全窗口NOx比排放90%分位值而言,根据GB 17691—2018计算方法(功率阈值为20%)得到1#、2#、3#车辆排放数据分别降低了48.60%、92.48%、70.44%。由以上分析可知,运用现行法规功基窗口法设置功率阈值来计算排放时,剔除掉了大量低功率下的NOx高排放工况点,有效窗口NOx比排放90%分位值明显低于实际排放,不能反映车辆真实排放情况;从行程NOx比排放均值来看,4辆测试车的NOx比排放均高于有效窗口90%分位值(见图2),进一步说明有效窗口限制功率阈值的方法低估了车辆的实际排放。

图4 不同功率阈值下窗口NOx比排放90%分位值变化

不同工况下PN排放情况见图5,功率阈值对有效窗口PN比排放90%分位值的影响见图6。相比于NOx排放,PN在高速工况排放较高,主要因为高速工况下柴油机缸内混合气相对较浓,且温度较高,造成了裂解和脱氢的有利条件,使得细颗粒物生成量剧增[13-14];同时,较高的DPF床温使得碳烟氧化速率增加,提高了其被动再生的能力,进而导致PN排放增加;此外,高速运行时由于发动机转速、扭矩升高,使得燃烧不充分,随着排气量的增加DPF捕集效率降低,导致车辆实际PN排放升高[15]。此外,由图6可见,全窗口PN比排放90%分位值和功率阈值为20%的有效窗口PN比排放90%分位值差别不大,且远低于GB 17691—2018排放限值要求(1.2×1012个/(kW·h))。主要原因是重型柴油车在高速工况下的PN排放虽然高于市区和市郊工况,但差异有限;功率阈值在剔除大量低功率窗口之后,有效窗口PN比排放90%分位值稍有拉高,不过离散程度并未发生显著变化,PN比排放90%分位值无明显差别。

图6 不同功率阈值下窗口PN比排放90%分位值

2.3 瞬态数据分析

由图4、图6可知,1#车辆和2#车辆的全窗口功率阈值为8%,不满足GB 17691—2018要求的最低功率阈值10%的限值,为此对PEMS瞬态数据及各工况点对功基窗口的贡献进一步分析,结果见图7。由图7(a)可见,1#车辆有效测试时长为8 108 s,但当运用功基窗口法设置功率阈值来计算车辆排放时,整个瞬态PEMS中计入有效窗口的时段(2 962～8 068 s,共5 107 s)基本处于市郊、高速工况,占整个PEMS时长的62.99%,且对排放贡献较大的时段(3 800～7 200 s,共3 401 s)仅占整个PEMS时长的41.95%。因此,当运用功基窗口法设置功率阈值来计算车辆NOx排放时,最终结果主要取决于该区域的排放水平,而市郊和高速部分由于SCR前排气温度较高,使得SCR效能较好,NOx转化效率高达90%以上,所以最终计算NOx比排放较好,导致很大程度地低估车辆NOx排放,未能真实反映车辆的NOx排放水平。由图7(b)、图7(c)、图7(d)可见,2#、3#、4#车辆同样是市郊和高速NOx排放明显优于市区,采用GB 17691—2018设置功率阈值的有效功基窗口来计算车辆NOx排放,将严重低估车辆NOx排放情况。

若以功率阈值10%作为有效窗口判定标准时,当车辆全窗口功率阈值≥10%时,不会丢失窗口数据,如图7(c)、图7(d);但当全窗口功率阈值<10%时,会丢失部分市区高排窗口,导致最终NOx排放被低估,如图7(a)、图7(b)。因此,建议去除功率阈值的限制,研究能更真实反映车辆排放的评价方法。

对测试车辆污染物比排放的行程均值及对有效窗口有贡献的测试点求均值进行对比,结果见图8。从瞬态数据来看,有效窗口测试点基本集中在市郊、高速部分,所以有效窗口方法计算的最终排放结果主要取决于市郊、高速的排放。各车辆NOx比排放的有效窗口测试点均值相比于行程均值而言,1#车辆减少最少,为23.51%,其他3辆车减少均在55%以上,3#车辆减少甚至高达68.22%,进一步证明以有效窗口计算的结果低估了车辆NOx排放水平;由图8(b)可见,对PN而言,有效窗口测试点均值与行程均值相比差异不大,部分测试车辆有效窗口测试点均指比行程均值稍高,不过整体影响不大,基本在10%以内。

图8 计算结果对比

3 排放方法评估

按照GB 17691—2018中PEMS功基窗口法计算重型车排放时,由于功率阈值的限制,剔除掉了大量低功率的NOx高排放工况点,最终计算涉及的有效工况点主要集中在高功率的市郊和高速部分,而市区NOx排放较高但又基本未纳入计算,导致NOx排放整体被低估。为使得排放评估覆盖更多的市区高排工况,需寻找能有效反映车辆PEMS真实排放水平的评估方法。分别采用全窗口90%分位值法、行程均值法、行程时间占比加权值法计算污染物比排放量,全窗口90%分位值法仍然沿用法规采用的功基窗口法,但是去除功率阈值限制,选定全窗口比排放的90%分位值代表车辆PEMS排放,可将PEMS测试的全部数据纳入排放评估中;行程均值法直接将PEMS测试认为是一个大窗口,求该窗口的行程比排放均值来代表车辆的PEMS排放;行程时间占比加权值法分别将市区、市郊和高速工况认为是一个窗口,求各窗口的行程比排放均值,再以法规给定的工况行驶时间占比为权重(N2类非城市车辆市区、市郊、高速权重分别为0.45、0.25、0.30,N3类非城市车辆市区、市郊、高速权重分别为0.20、0.25、0.55)求出加权比排放,将3种排放计算方法和运用法规方法计算的有效窗口90%分位值进行对比,结果见图9。

图9 不同方法计算车辆排放结果对比

由图9(a)可知,相比有效窗口比排放90%分位值,由于车辆市区工况瞬态排放较高,所以其他3种涵盖市区高排工况的计算结果均有不同程度的增高。就1#车辆来看,NOx比排放的有效窗口90%分位值为470.4 mg/(kW·h),全窗口90%分位值为915.1 mg/(kW·h),增加了94.54%;行程均值为521.0 mg/(kW·h),提高了10.76%;行程时间占比均值为655.0 mg/(kW·h),提高了39.24%。

可见,3种方法所获得的NOx排放结果均比当前标准采用的有效窗口计算的结果高,增加了NOx排放达标的难度,其中全窗口90%分位值法可将全PEMS测试的测试数据纳入排放评估中,能反映车辆全工况的排放情况;行程均值法针对全工况直接求排放均值,属于当前常规计算思路,可获得车辆大致比排放;行程时间占比加权值法以法规给定的PEMS测试各工况时间占比为权重,获得加权比排放,以此来代表车辆的PEMS排放,此方法不但考虑车辆不同工况的排放,而且车辆类型的工况权重也同步考虑,可拓展到其他车型。从包含完整实测工况点和车辆实际运行路况占比的角度出发,更推荐全窗口90%分位值和行程时间占比加权值的方法来评估车辆NOx排放。

由图9(b)可见,运用功基窗口法设置功率阈值来计算PN排放时,由于对有效窗口有贡献的测试点大多位于市郊和高速工况下,所以对PN排放稍有拉高。改进后的3种方法评估PN比排放虽有差异,但离散程度并不明显,且均低于排放限值。为了更直观地反映车辆的真实PN排放,同样更推荐全窗口PN的90%分位值和行程时间占比加权值的方法来进行计算。

4 结论与建议

(1) 选取了4辆非城市车辆进行PEMS测试,根据计算结果来看,国六排放标准中采用功基窗口法设置功率阈值来评估车辆NOx排放时,剔除了大部分市区低功率高排放区域,存在严重低估车辆NOx排放的情况。

(2) 运用功基窗口法计算NOx比排放时,随着功率阈值的降低,市区高排工况参与计算的比例增加,导致窗口NOx比排放的90%分位值逐渐增大,在全窗口功率阈值处达到最大;而PN排放呈相反的关系,PN排放主要来自于高速工况,但其离散程度小于NOx。

(3) 在后续的PEMS排放评价和标准修订中,为了更真实地反映车辆全工况下的排放,实现车辆工况全覆盖评估,可考虑基于现有法规计算方法,去除功基窗口法功率阈值的限制,运用全窗口的90%分位值来表征车辆的排放水平,或通过行程时间占比加权值法计算污染物比排放,来评估车辆实际道路排放水平。