劉寶利，甄凱，包俊江，任爍今，楊邢子，劉麟

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300）

1 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)機(jī)動(dòng)車(chē) NOx排放占全國(guó)已統(tǒng)計(jì)量的 32%，而其中重型車(chē)的NOx排放占NOx排放占所有汽車(chē)排放的 84%[1]，為了治理日益嚴(yán)重的重型車(chē)排氣污染，國(guó)六重型車(chē)法規(guī)要求采用遠(yuǎn)程排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)平臺(tái)）對(duì)重型車(chē)遠(yuǎn)程排放管理車(chē)載終端所發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、處理、展示和管理[2]。

然而，數(shù)據(jù)篡改和傳感器精度導(dǎo)致的數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題有可能導(dǎo)致遠(yuǎn)程排放監(jiān)測(cè)的不準(zhǔn)確。中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心的孫一龍等[3]對(duì)某國(guó)六重型車(chē)遠(yuǎn)程排放管理車(chē)載終端發(fā)送給在線監(jiān)控平臺(tái)的數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行了研究，通過(guò)比較車(chē)輛上傳到重型車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)數(shù)據(jù)與高精度儀器測(cè)量數(shù)據(jù)的差異來(lái)對(duì)車(chē)載終端品質(zhì)進(jìn)行評(píng)估。認(rèn)為通過(guò)遠(yuǎn)程排放管理車(chē)載終端獲取的車(chē)速、燃油流量及NOx排放值與通過(guò)CVS全流排放分析儀獲取的整車(chē)數(shù)據(jù)一致性較好。Shaojun Zhang等[4～5]人對(duì)8輛車(chē)的前1000秒數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行了60秒移動(dòng)窗口平均測(cè)試，其中6輛車(chē)NOx傳感器輸出表現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性（皮爾森系數(shù)0.9以上）。以上學(xué)者的研究主要集中在對(duì)排放管理車(chē)載終端上傳遠(yuǎn)程排放管理平臺(tái)排放相關(guān)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)儀器同步采集數(shù)據(jù)的相關(guān)性研究，對(duì)NOx排放監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性以及NOx排放超標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確性研究相對(duì)較少。

便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）是重型車(chē)實(shí)際道路排放測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，PEMS試驗(yàn)程序是國(guó)內(nèi)外排放標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可的重型車(chē)實(shí)際道路排放測(cè)試及評(píng)價(jià)方法。本文采用質(zhì)量濃度0%、25%、32.5%的尿素溶液模擬NOx排放嚴(yán)重超標(biāo)、臨界超標(biāo)及正常狀態(tài)，在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行 100%載荷條件下的PEMS測(cè)試程序，同步采集車(chē)載終端發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)流及PEMS設(shè)備采集的排放計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而模擬重型國(guó)六柴油車(chē)NOx排放嚴(yán)重超標(biāo)、排放臨界超標(biāo)及正常排放行駛狀態(tài)下，遠(yuǎn)程排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)采集實(shí)際道路排放與標(biāo)準(zhǔn)排放設(shè)備采集數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果的差異，為遠(yuǎn)程排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)重型國(guó)六柴油車(chē)實(shí)際道路行駛 NOx排放超標(biāo)識(shí)別能力提供參考。

2 試驗(yàn)對(duì)象及測(cè)試儀器

2.1 試驗(yàn)驗(yàn)車(chē)及車(chē)載終端信息

本試驗(yàn)樣車(chē)為某N2類(lèi)國(guó)六載貨汽車(chē)，技術(shù)參數(shù)如表1，本次試驗(yàn)使用的燃油、反應(yīng)劑均符合國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)。

表1 整車(chē)技術(shù)參數(shù)

樣車(chē)搭載遠(yuǎn)程排放管理車(chē)載終端用于將整車(chē)排放控制信息體傳輸給遠(yuǎn)程排放管理平臺(tái)（圖1），其技術(shù)參數(shù)如表2。

表2 遠(yuǎn)程排放管理車(chē)載終端技術(shù)參數(shù)

2.2 測(cè)試儀器及精度

試驗(yàn)采用HORIBA公司生產(chǎn)的型號(hào)為OBS ONE車(chē)載排放測(cè)試設(shè)備對(duì)試驗(yàn)樣車(chē)行駛過(guò)程中的主要排氣污染物進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試精度如表3，采用底盤(pán)測(cè)功機(jī)對(duì)整車(chē)PEMS測(cè)試工況程序進(jìn)行模擬。

圖1 重型柴油車(chē)排放相關(guān)數(shù)據(jù)流遠(yuǎn)程傳輸示意圖

表3 OBS ONE車(chē)載排放測(cè)試設(shè)備測(cè)試精度

3 數(shù)據(jù)處理及方法

3.1 功基窗口法計(jì)算整車(chē)NOx排放

第i個(gè)平均窗口周期（t2,i- t2,i）由式（1）決定：

式中，W(t2,i)為從開(kāi)始到時(shí)間tj,i內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功，kW·h；

Wref為WHTC的循環(huán)功，kW·h；

式（1）中的t2,i由式（2）選擇：

式中，Δt為數(shù)據(jù)采樣周期，1s；

第i個(gè)窗口的NOx排放質(zhì)量計(jì)算公式如（3）所示：

式中，uNOx為排氣中NOx組分密度與排氣密度之比，值為0.001587；

CNOx,j為第i個(gè)功基窗口第j秒的NOx瞬時(shí)濃度，10-6；

qmew,j為第i個(gè)功基窗口第j秒的排氣質(zhì)量流量，kg/s；

第i個(gè)窗口的NOx比排放值為：

PEMS試驗(yàn)程序NOx平均窗口比排放的確定：

nvalid為有效窗口的個(gè)數(shù)，有效窗口的確定方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

3.2 平臺(tái)與PEMS采集數(shù)據(jù)的一致性評(píng)價(jià)方法

平臺(tái)與PEMS采集數(shù)據(jù)的一致性通過(guò)平臺(tái)采集的用于計(jì)算窗口平均比排放所需的數(shù)據(jù)流與PEMS設(shè)備采集的相關(guān)數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行確認(rèn)，利用平臺(tái)采集的數(shù)據(jù)與PEMS采集的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸判定。使用最小二乘法，用一下公式達(dá)到最好的擬合：

式中：

y為平臺(tái)采集的數(shù)據(jù)流；

m為回歸線斜率；

x為PEMS設(shè)備采集的數(shù)據(jù)流；

b為回歸線y的截距；

計(jì)算斜率 m和相關(guān)系數(shù) R2，當(dāng) 0.9＜m＜1.1，R2＞0.9時(shí)可以認(rèn)為一致性符合要求。

4 試驗(yàn)結(jié)果

表4為不同尿素質(zhì)量濃度下車(chē)載終端發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)流（平臺(tái)數(shù)據(jù)）及PEMS設(shè)備采集的排放計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)（PEMS數(shù)據(jù)）采用功基窗口法計(jì)算得到的NOx平均比排放，試驗(yàn)車(chē)輛在尿素正常（32.5%質(zhì)量濃度）的情況下，平臺(tái)數(shù)據(jù)與PEMS數(shù)據(jù)NOx比排放未超過(guò)排放限值，但平臺(tái)數(shù)據(jù)與PEMS數(shù)據(jù)平均比排放計(jì)算結(jié)果偏差達(dá)480.7%；在尿素質(zhì)量濃度25%狀態(tài)下，平臺(tái)數(shù)據(jù)與PEMS數(shù)據(jù)NOx窗口平均比排放均略超排放限值，符合模擬預(yù)期，相對(duì)誤差為4.7%；尿素質(zhì)量濃度0%狀態(tài)下，平臺(tái)數(shù)據(jù)與PEMS數(shù)據(jù)NOx窗口平均比排放嚴(yán)重超過(guò)了國(guó)六重型車(chē)排放限值，相對(duì)誤差-2.1%。

表4 不同尿素質(zhì)量濃度下的NOx平均窗口比排放（mg/kW·h）

5 分析與討論

5.1 平臺(tái)數(shù)據(jù)與PEMS數(shù)據(jù)一致性分析

為了研究導(dǎo)致試驗(yàn)車(chē)輛在標(biāo)準(zhǔn)濃度尿素狀態(tài)下，平臺(tái)數(shù)據(jù)與PEMS數(shù)據(jù)平均比排放計(jì)算結(jié)果偏差較大原因，對(duì)用于功基窗口法計(jì)算PEMS窗口比排放所必需的數(shù)據(jù)流的一致性進(jìn)行了分析（表5），分析結(jié)果表明，車(chē)速、排氣流量、NOx濃度、發(fā)動(dòng)機(jī)指示扭矩百分比、發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩百分比在不同尿素質(zhì)量濃度下，平臺(tái)數(shù)據(jù)與PEMS數(shù)據(jù)一致性均符合要求，NOx濃度平臺(tái)數(shù)據(jù)與PEMS數(shù)據(jù)在0%和25%尿素質(zhì)量濃度下一致性良好，而在標(biāo)準(zhǔn)尿素濃度下，平臺(tái)數(shù)據(jù)與PEMS數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)R2僅為0.0438，一致性較差。從圖3可以看出，平臺(tái)與PEMS設(shè)備采集的NOx體積濃度在PEMS試驗(yàn)程序的前1000秒表現(xiàn)高度一致，而在1000秒到9300秒平臺(tái)采集的NOx體積濃度與PEMS設(shè)備采集的NOx體積濃度出現(xiàn)嚴(yán)重偏離，最高偏差達(dá)90×10-6，而在經(jīng)過(guò)車(chē)輛短暫停車(chē)的9300秒之后，平臺(tái)與PEMS設(shè)備采集的NOx體積濃度逐漸趨于接近一致。

表5 不同尿素質(zhì)量濃度下平臺(tái)數(shù)據(jù)與PEMS數(shù)據(jù)一致性

圖3 標(biāo)準(zhǔn)尿素濃度狀態(tài)下平臺(tái)與PEMS采集的NOx數(shù)據(jù)

5.2 標(biāo)準(zhǔn)尿素質(zhì)量濃度下NOx采集結(jié)果差異原因

位于SCR下游的車(chē)載NOx傳感器原本為了滿(mǎn)足 Urea-SCR系統(tǒng)精確控制和車(chē)載診斷的功能，遠(yuǎn)程排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)收集的整車(chē)NOx排放主要來(lái)源于該位置的NOx傳感器，而研究結(jié)果表明[6-9]，NOx傳感器對(duì) NH3的顯著交叉感應(yīng)特性使得位于SCR下游的車(chē)載NOx傳感器在NH3逃逸時(shí)的讀數(shù)偏高。

為了研究NH3泄露對(duì)平臺(tái)收集NOx數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，采用標(biāo)準(zhǔn)尿素在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行連續(xù) C-WTVC循環(huán)模擬整車(chē)實(shí)際道路隨機(jī)行駛工況，同步采用監(jiān)測(cè)平臺(tái)及PEMS設(shè)備采集排氣尾管處 NOx體積濃度值，同時(shí)，采用 HORIBA公司MEXA-6000FT-E尾氣分析儀采集SCR下游NH3排放體積濃度。試驗(yàn)結(jié)果如圖4，第一個(gè)C-WTVC工況循環(huán)，前1200秒 NH3排放接近于 0×10-6，1200秒至工況循環(huán)結(jié)束（1800秒），NH3排放體積流量逐漸增加，最高值不足 10×10-6，監(jiān)測(cè)平臺(tái)采集的NOx體積濃度與PEMS設(shè)備采集結(jié)果基本一致；第二個(gè)C-WTVC 工況循的市區(qū)工況（1800秒～2200秒）NH3排放較低，不足5×10-6，監(jiān)測(cè)平臺(tái)采集的NOx體積濃度與PEMS設(shè)備采集結(jié)果基本一致，市郊工況開(kāi)始至工況循環(huán)結(jié)束（2200秒～3600秒），監(jiān)測(cè)平臺(tái)采集的NOx體積濃度與PEMS設(shè)備采集結(jié)果出現(xiàn)偏離，而與NH3排放的趨勢(shì)表現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性，經(jīng)計(jì)算皮爾森相關(guān)系數(shù)達(dá)0.92。

圖4 NH3泄露對(duì)平臺(tái)收集NOx準(zhǔn)確性的影響

6 結(jié)論

（1）試驗(yàn)樣車(chē)在NOx臨界超標(biāo)及嚴(yán)重超標(biāo)狀態(tài)下，監(jiān)測(cè)平臺(tái)采集數(shù)據(jù)與PEMS設(shè)備采集數(shù)據(jù)計(jì)算NOx實(shí)際道路排放結(jié)果基本一致，該結(jié)果為基于 OBD遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能對(duì)重型國(guó)六柴油車(chē)NOx超排進(jìn)行有效識(shí)別提供有力依據(jù)。

（2）NH3與 NOx傳感器的交叉感應(yīng)效應(yīng)會(huì)影響出現(xiàn)NH3逃逸后的SCR下游NOx傳感器識(shí)別NOx排放的精度，進(jìn)而影響車(chē)載終端上傳排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)的NOx排放準(zhǔn)確性，為確保車(chē)載終端上傳排放監(jiān)測(cè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，建議進(jìn)行兩次以上的C-WTVC循環(huán)工況來(lái)評(píng)判車(chē)輛數(shù)據(jù)一致性。