任憲豐，閆立冰，鹿文慧，趙周輝，郝利君

(1.濰柴動力股份有限公司 內燃機可靠性國家重點實驗室，濰坊261061；2.北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081)

柴油車在實際道路行駛條件下污染物排放比實驗室認證循環(huán)工況排放更多，甚至達到型式認證排放限值的數(shù)倍[1-2].一方面原因是排放標準規(guī)定的臺架測試循環(huán)不能完全代表車輛的實際行駛工況；另一方面原因可能是車輛在型式檢驗的排放測試循環(huán)使用了應對尾氣排放檢驗的控制策略，而在實際行駛條件下，以降低油耗為控制目標而導致污染物排放增加.因此,車輛實際道路行駛排放測試的必要性日益凸顯.實際道路排放測試是將便攜式排放測量系統(tǒng)(Portable Emission Measurement System，PEMS)安裝在被測車輛上，實現(xiàn)對車輛排放的實時采集測量[3].不同于法規(guī)規(guī)定的臺架工況法，實際道路排放測試可采集到的是汽車在使用時的真實排放數(shù)據(jù)，能夠反映外界環(huán)境條件變化對車輛排放的影響，得到汽車所有運行工況下的排放數(shù)據(jù)，在研究汽車實際運行排放特征方面具有很大優(yōu)勢.同時柴油車排放劣化狀況還與車輛和發(fā)動機其它部件磨損和老化狀況、維修保養(yǎng)狀況、及行駛條件等都有關系.)現(xiàn)代柴油車排放耐久性，即排放劣化狀況評價需要研究一種方便、適用、可靠，且能反映正常使用條件的柴油車排放耐久性試驗評價方法.

文中研究采用實際道路排放檢測方法，跟蹤測試一輛正常使用的N2柴油車排放，按照法規(guī)規(guī)定的柴油車排放耐久性試驗里程間隔，開展柴油車實際道路排放測試，分別采用單位行駛里程排放因子分析方法和基于功基窗口法得到的單位功率排放因子分析方法研究分析該N2柴油車排放劣化特性，并進行對比分析.

1 研究方法

1.1 測試車輛

文中測試的N2國五柴油車詳細參數(shù)見表1，其配備的DOC和SCR系統(tǒng)代表了國五柴油機后處理系統(tǒng)的典型配置.

表1 N2國五柴油車技術參數(shù)

注:N2指最大設計總質量超過3 500 kg，但不超過12 000 kg的載貨車輛.

國五法規(guī)要求N2柴油車耐久壽命為20萬公里，排放耐久性測試所需的最短測試里程為12.5萬公里[4].文章研究通過跟蹤測試該N2柴油車排放，研究其排放耐久性，該車輛處于正常使用過程且按期進行正常維護和保養(yǎng).測試里程間隔不超過3萬公里，排放測試不少于5個測試點，每次測試結束后，計算單位行駛里程排放因子和單位功率排放因子，使用最小二乘法建立線性回歸方程，分析該N2柴油車排放劣化特性.

1.2 檢測設備

采用SEMTECH-DS便攜式排放測量系統(tǒng)測試該N2柴油車排放，PEMS測試系統(tǒng)布置如圖1所示.SEMTECH-DS使用不分散紅外(NDIR) 檢測方法測量CO；采用不分散紫外(NDUV)檢測方法測量NOx濃度；O2濃度采用電化學方法檢測.利用全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System，GPS))實時測量車輛所處的緯度、經度和海拔，以計算車輛的速度、加速度和道路坡度；環(huán)境壓力、溫度和相對濕度采用氣象站測量；車輛排氣流量通過排氣流量計實時測量；PEMS檢測系統(tǒng)通過OBD與發(fā)動機電子控制單元(ECU)進行通訊，以獲取車速、發(fā)動機轉速、燃油流量、參考扭矩、摩擦扭矩、發(fā)動機負載等參數(shù).

圖1 PEMS測試系統(tǒng)布置

1.3 排放檢測及數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 排放檢測

為了反映通常情況下測試車輛實際道路運行條件，車輛載荷通過裝載桶裝礦泉水使車輛有效載荷達到車輛最大載荷的50%左右.排放測試前，啟動PEMS設備進行預熱，熱機完成后進行標定，標定結束后即可開始進行車輛實際道路排放測試.

依據(jù)車輛實際道路行駛排放(RDE)測試法規(guī)[5]，每次排放測試路線包括城市道路(車速≤50 km/h，平均車速15～30 km/h)、郊區(qū)道路(車速≤75 km/h，平均車速45～70 km/h)和高速公路(車輛速度>70 km/h)3種不同道路類型組成.對應N2車輛類型，車輛測試道路組成依次為：45%的市區(qū)路、25%的市郊路和30%的高速路，實測道路行駛循環(huán)的發(fā)動機累計功應達到發(fā)動機ETC循環(huán)功的4～7倍.

從所選N2車輛投入使用后開始，以不超過3萬公里的測試里程間隔選擇6個測試點，分別計算每次實際道路排放測試循環(huán)的單位行駛里程排放因子和基于功基窗口法的柴油車單位功率排放因子，將6次排放測試結果，運用最小二乘法建立線性回歸方程，得到車輛使用壽命起始點和結束點的排放數(shù)據(jù)，通過公式(1)計算排放劣化系數(shù)[6].

(1)

式中:Fi為排放成分i的劣化系數(shù)；M0i、M1i為車輛有效壽命起始點和結束點的排放成分i的排放因子，g/(kW·h)或g/km.

1.3.2 排放數(shù)據(jù)處理方法

車載排放測量是通過PEMS對車輛排氣進行直接采集測試，實時測量車輛排氣流量和排氣中各種排放物的體積濃度.排氣中氣態(tài)排放物的質量排放速率可通過下式計算.

(2)

(1)單位行駛里程排放因子

對于車輛整個駕駛行程內各種氣態(tài)排放物的總排放量計算，采用瞬時污染物排放速率進行積分計算：對于車輛整個駕駛行程內各種氣態(tài)排放物的總排放量計算，采用瞬時污染物排放速率進行積分計算.

(3)

式中：mi為排放物i的質量排放，g；t1為實際駕駛循環(huán)開始時間，s；t2為實際駕駛循環(huán)結束時間，s.

同樣，我們通過以下方式計算車輛的總行駛里程.

(4)

式中：S為實際駕駛循環(huán)總行駛里程，km；v為車速，m/s.

通過以下方式計算排放物i的單位行駛里程排放因子.

Esi=mi/S

(5)

式中：Esi為實際駕駛循環(huán)的單位里程排放因子，g/km.

(2)單位功率排放因子

在車輛測試過程中，發(fā)動機負荷(發(fā)動機扭矩與最大參考扭矩的百分比)、發(fā)動機轉速、發(fā)動機冷卻液溫度、瞬時燃料消耗量和發(fā)動機最大參考扭矩等數(shù)據(jù)流信息，通過OBD系統(tǒng)以1 Hz的頻率實時記錄采集.因此，輸出扭矩可由ECU內置程序通過計算發(fā)動機產生的扭矩和摩擦扭矩來進行估算，則可計算車輛實際道路行駛過程中發(fā)動機輸出瞬時功率.

(6)

式中：p為發(fā)動機瞬時功率，kW；Tt為發(fā)動機瞬時轉矩，N·m；n為發(fā)動機瞬時轉速，r/min.

從車輛開始測試到時間t時刻的發(fā)動機累積做功為

(7)

式中:W為發(fā)動機從t1到t2的循環(huán)功，kW·h；t1為實際駕駛循環(huán)開始時間，s；t2實際駕駛循環(huán)結束時間，s.

整個車輛駕駛行程內排放物i的單位功率排放因子為

EWi=mi/W，

(8)

式中:EWi為實際駕駛循環(huán)的單位功率排放因子，g·(kW·h)-1.

為使RDE測試程序具有較強可操作性和規(guī)范性，排放法規(guī)規(guī)定了RDE測試的一系列測試要求和邊界條件，并開發(fā)了與之相匹配的數(shù)據(jù)評估方法，即通過功基窗口法計算單位功率排放因子[7].

依據(jù)發(fā)動機ETC循環(huán)的循環(huán)功，將整個行程測得的車輛排放數(shù)據(jù)劃分為不同的窗口，稱為“平均窗口”，第j個移動平均窗口內的發(fā)動機循環(huán)功為

Wj=W(t2,j)-W(t1,j),

(9)

式中:W(t1,j)和W(t2,j)分別為從開始到t1,j和t2,j時刻發(fā)動機循環(huán)功，kW·h.

t1,j和t2,j滿足式(10).

W(t2,j-Δt)-W(t1,j)

(10)

式中:Δt為時間增量，s；Wref為發(fā)動機ETC循環(huán)功，kW·h.

第j個窗口內排放物i總質量為

(11)

第j個窗口內排放物i的單位功率排放因子可以計算如下.

(12)

式中:eWij為第j個窗口內排放物i的單位功率排放因子，g·(kW·h)-1.

計算車輛測試行程中的排放物i的單位功率排放因子為

(13)

式中:EWi為車輛排放測試循環(huán)中尾氣排放物的單位功率排放因子，g/(kW·h)-1，n為整個測試循環(huán)中有效窗口的個數(shù).

2 結果與分析

不同行駛里程下N2柴油車的單位里程排放因子和單位功率排放因子如表2所示.

表2 不同行駛里程下N2柴油車的排放因子

表2顯示了N2柴油車不同里程條件下CO和NOx的單位里程排放因子和單位功率排放因子隨著車輛行駛里程增加，呈現(xiàn)出上升趨勢.利用最小二乘法建立了排放因子的線性回歸方程如下.

yi=axi+b，

(14)

式中：xi為每次排放測試時車輛行駛里程，km；yi為每次測試排放物i的單位里程排放因子(g·km-1)和單位功率排放因子(g·(kW·h)-1).

采用公式(1)計算排放物i劣化系數(shù)Fi.如果Fi小于1，則視為1.回歸方程和排放劣化系數(shù)計算結果見表3.

表3 回歸方程和排放劣化系數(shù)計算結果

按照單位里程排放因子計算得出的N2柴油車CO和NOx排放劣化系數(shù)分別為1.184和1.296；按照基于功基窗口法得到的單位功率排放因子,計算得出的N2柴油車CO和NOx排放劣化系數(shù)分別為1.172和1.256，結果接近，均大于HJ 438-2008排放標準推薦的劣化系數(shù)[6]，該推薦劣化系數(shù)是基于柴油機臺架ETC試驗循環(huán)排放結果給出的推薦值，對于實際道路排放測試仍有參考價值.

依據(jù)基于功基窗口法得到的單位功率排放因子變化趨勢，在N2柴油車有效壽命期終點時，CO和NOx排放量分別增加17.2%和25.6%，但仍滿足HJ857—2017標準中規(guī)定的國五柴油車RDE排放限值.CO排放量增加表明DOC有劣化趨勢，同樣，NOx排放量增加也反映了SCR的劣化特性.

由表3所示的排放劣化系數(shù)計算結果對比可以看出，依據(jù)單位里程排放因子的排放劣化系數(shù)計算值略高于單位功率排放因子的計算值.主要原因在于本研究計算的單位里程排放因子是基于車輛整個測試行程計算的平均值，包含了測試行程中所有的測試工況.而基于功基窗口法得到的單位功率排放因子計算過程中對計算數(shù)據(jù)進行了篩選，依據(jù)RDE標準規(guī)定有效的平均移動窗口數(shù)據(jù)一般要求窗口的功率最低不低于發(fā)動機最大功率的10%，實際上是濾掉了很多低負荷工況點，導致獲得的單位功率排放因子與單位里程排放因子存在差異.

單位里程排放因子為車輛單位行駛里程的比排放量，會隨車輛種類、車輛總質量變化而變化.而基于功基窗口法得到的單位功率排放因子，是相對車輛發(fā)動機功率進行歸一化，因而，單位功率排放因子適用于對不同種類、不同總質量車輛間的排放進行比較，適用于對重型柴油車排放水平評價.

3 結 論

本研究跟蹤一輛國五N2柴油車，按照法規(guī)規(guī)定的里程間隔進行RDE排放測試，考察其排放劣化程度.排放數(shù)據(jù)處理分別采用柴油車單位行駛里程排放因子和基于功基窗口法的單位功率排放因子計算方法，兩種計算結果接近.

單位里程排放因子為車輛單位里程的比排放量，隨車輛種類、車輛總質量會變化很大.而基于功基窗口法得到的單位功率排放因子，對車輛發(fā)動機功率進行歸一化，因而，單位功率排放因子適用于對不同種類、不同總質量車輛間的排放水平比較，因而適用于對重型柴油車排放水平評價.

依據(jù)基于功基窗口法得到的單位功率排放因子變化趨勢，在N2柴油車有效壽命期終點時，CO和NOx排放量分別增加17.2%和25.6%，滿足HJ857—2017標準中規(guī)定的國五柴油車RDE排放限值，但排放劣化系數(shù)大于HJ 438-2008排放標準推薦的基于柴油機臺架ETC試驗循環(huán)排放結果給出的劣化系數(shù)推薦值.車輛排放劣化特性與車輛部件磨損老化、車輛使用狀況和實際行駛條件有關，有必要對柴油車排放耐久性進行實際道路試驗研究.