楊保華1，杜騫2，崔煥星2，陸憲忠2，王明達(dá)

(1.山東省機(jī)動(dòng)車排污監(jiān)控中心，濟(jì)南 250000；2.濟(jì)南汽車檢測中心有限公司，濟(jì)南 250102； 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

近年來，隨著車輛保有量增加，機(jī)動(dòng)車排放對(duì)大氣環(huán)境的污染也愈發(fā)顯著。雖然柴油車市場保有量占比較小，但其氮氧化物(NOx)的排放量接近汽車總排放量的70%[1]。公交車作為城市通勤的主要交通工具，燃料類型多為柴油，通行于人群密集的城市區(qū)域，其污染物排放直接影響城市空氣質(zhì)量和人群身體健康。此前已有多位研究者采用不同的手段對(duì)城市公交車污染物排放水平進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)公交車在擁堵路段的一氧化碳(CO)、總碳?xì)?THC)和NOx排放較順暢路段明顯增加，而不帶后處理的國III車輛NOx排放比國III的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測試排放限值分別高出60%和120%，而帶有后處理的國IV車輛NOx排放更是高出200%[2-9]。

利用便捷式排放測試系統(tǒng)(Portable Emission Measurement System, PEMS)對(duì)整車進(jìn)行排放評(píng)估，評(píng)估主要采用平均窗口法。該方法是將整車實(shí)際道路行駛時(shí)的污染物排放在一個(gè)移動(dòng)的、基于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)測試的循環(huán)功(功基窗口法)或循環(huán)二氧化碳(CO2)排放量(CO2窗口法)的窗口中進(jìn)行累積，以污染物比排放量滿足限值要求的窗口占總窗口的比例判定整車實(shí)際道路行駛時(shí)的污染物排放達(dá)標(biāo)與否。目前，我國重型柴油車、氣體燃料車排氣污染物車載測量方法均采用功基窗口法。該方法需依賴OBD(On-board Diagnostic System)讀取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)，計(jì)算車輛實(shí)際行駛過程中發(fā)動(dòng)機(jī)做功[10-11]。目前的在用公交車存在設(shè)備陳舊、年久失修等問題，導(dǎo)致無OBD端口或OBD端口無數(shù)據(jù)發(fā)出，無法利用功基窗口法對(duì)排放進(jìn)行評(píng)價(jià)。為解決上述問題，本文探索采用CO2窗口法，無需OBD讀數(shù)，對(duì)采用實(shí)際道路排放測試方法測得的在用公交車的NOx排放結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

試驗(yàn)采用美國Sensors公司型號(hào)為SEMTECH-LDV的車載排放測試系統(tǒng)。其主要由排氣污染物測量單元、排氣流量測量單元、行駛工況測量單元等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)排氣污染物體積濃度、排氣質(zhì)量流量、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況等參數(shù)的實(shí)時(shí)測量和記錄。測試設(shè)備性能參數(shù)如表1所示。

表1 測試設(shè)備性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)車輛

本次選取3輛相同的國IV在用公交車作為測試對(duì)象，車型為XML6700J18C，其發(fā)動(dòng)機(jī)為2015年5月生產(chǎn)的YC4FA130-40柴油機(jī)。

1.3 試驗(yàn)方法

將PEMS測試系統(tǒng)安裝在待測車輛上，按載重量的50%加載，測試路線為公交車實(shí)際運(yùn)營路線，測試按照“始發(fā)站-終點(diǎn)站-始發(fā)站”順序進(jìn)行。測試過程中車輛正常到站停車，行駛車速、停站時(shí)間等均按實(shí)際運(yùn)營中情況確定，其間實(shí)時(shí)記錄測量數(shù)據(jù)。每個(gè)樣本測試時(shí)間約1.5 h，行駛里程30～40 km。測試實(shí)車如圖1～2所示，測試路線如圖3所示。

試驗(yàn)中，按1 Hz記錄并處理測量數(shù)據(jù)，包括排氣污染物體積濃度、排氣質(zhì)量流量、車速等。

2 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算及評(píng)價(jià)

利用CO2窗口法對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2.1 CO2窗口法

CO2窗口法是以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架瞬態(tài)測試循環(huán)(European transient cycle，ETC)的CO2排放量代替循環(huán)功對(duì)整車測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。CO2窗口如圖4所示。

CO2窗口大小計(jì)算公式如下：

mCO2(t2,i)-mCO2(t1，i)≥mCO2,ref

(1)

式中：mCO2(tj,i)是指從測試開始到時(shí)間tj,i之間發(fā)動(dòng)機(jī)所排出的CO2總質(zhì)量，kg；mCO2,ref是指發(fā)動(dòng)機(jī)在瞬態(tài)測試循環(huán)(ETC)中所排出的CO2質(zhì)量，kg。

基于CO2質(zhì)量的每個(gè)窗口的污染物窗口排放量計(jì)算公式如下：

egas=m/(mCO2(t2,i)-mCO2(t1，i))

(2)

每一單獨(dú)的平均窗口和每一單獨(dú)的污染物都應(yīng)按照下式計(jì)算在用符合性因子：

FCO2=egas,i/(mL/mCO2,ref)

(3)

式中：FCO2為在用符合性系數(shù)；egas,i為i類污染物基于CO2窗口的排放量，mL為ETC循環(huán)適用限值一致的氣體污染物排放質(zhì)量，g。

2.2 CO2在用符合性系數(shù)計(jì)算

利用CO2窗口法計(jì)算公交車的NOx排放。首先通過查閱發(fā)動(dòng)機(jī)型式檢驗(yàn)報(bào)告獲取被測發(fā)動(dòng)機(jī)ETC測試的循環(huán)功和CO2排放質(zhì)量，NOx在國IV階段的瞬態(tài)循環(huán)排放限值為3.5 g/(kW·h)。3輛車所需的基本參數(shù)和計(jì)算結(jié)果相同：發(fā)動(dòng)機(jī)功率為90 kW，ETC循環(huán)功為16.5 kW·h，ETC循環(huán)下CO2排放量為12.1 kg，NOx限值為3.5 g/(kW·h)。

利用公式(1)、(2)和(3)計(jì)算在用符合性系數(shù)FCO2，結(jié)果如圖5所示。

通過計(jì)算， 3輛公交車的NOx排放在用符合性系數(shù)FCO2為3.56～5.78。

2.3 結(jié)果評(píng)價(jià)方法

目前我國沒有國Ⅳ及以前在用車輛排放限值，基于上述方法和計(jì)算結(jié)果對(duì)在用車輛排放進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先要確定FCO2限值。

對(duì)基于功基窗口法的整車NOx排放限值和基于ETC循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架NOx限值做一個(gè)比較，在此定義兩者的比值為功基符合性系數(shù)Fwork。

Fwork=mwork,i/md

(4)

式中：mwork,i為第i個(gè)功基窗口的污染物排放因子，g/(kW·h)；md為ETC循環(huán)下d類污染物的限值，g/(kW·h)。

利用3輛國IV公交車的數(shù)據(jù)分別計(jì)算Fwork和FCO2。2種符合性系數(shù)比較結(jié)果見圖6～8。

對(duì)我國現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)中的NOx限值進(jìn)行比較，如表2所示。表2中的WHTC為世界統(tǒng)一瞬態(tài)測試循環(huán)(World harmonized transient cycle)。

表2 各類標(biāo)準(zhǔn)中功基符合性系數(shù)比較[12-15]

可見，不同排放階段的功基符合性系數(shù)Fwork為1.5～2.5，其中第Ⅳ階段Fwork為2.0。2種符合性系數(shù)置信水平計(jì)算值如表3所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，F(xiàn)work與FCO2在置信水平為0.95時(shí)，其置信區(qū)間為0.98～1.12，均值為1.05，得到如下關(guān)系：

Fwork=1.05FCO2

(4)

從而第Ⅳ階段FCO2為1.9。利用這個(gè)限值對(duì)所測3輛國IV車進(jìn)行排放評(píng)價(jià)，結(jié)果見表4。其中，在用90%值為90%窗口滿足的符合性系數(shù)。

表3 兩種符合性系數(shù)置信水平計(jì)算值

表4 實(shí)測車輛排放評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)

3結(jié)論

現(xiàn)階段，平均窗口法廣泛應(yīng)用于整車的排放評(píng)估，其計(jì)算方法可分別基于功的窗口法或基于CO2的窗口法。本文依據(jù)整車PEMS測試規(guī)程，基于CO2窗口法評(píng)估整車NOx排放狀況，通過與功基窗口法評(píng)估結(jié)果對(duì)比，確定CO2窗口法符合性因子。

基于車載排放測試數(shù)據(jù)采用CO2窗口法對(duì)3輛在用公交車進(jìn)行排放評(píng)估，計(jì)算得到其NOx排放在用符合性系數(shù)在3.56～5.78之間，通過統(tǒng)計(jì)得出功基符合性系數(shù)Fwork與CO2符合性系數(shù)FCO2之間的關(guān)系，得出Ⅳ階段新車限值FCO2為1.9。利用該限值，可基于CO2窗口法對(duì)在用車排放達(dá)標(biāo)情況進(jìn)行判定。

本文給出的基于CO2窗口的在用車輛排放的測試和評(píng)價(jià)方法，為未來相關(guān)研究和政策標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了可參考依據(jù)。