朱升高 高東志 馮鐘輝 趙健福 李騰騰 景曉軍

（1-一汽解放青島汽車有限公司 山東 青島 266217 2-中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司）

引言

隨著各國汽車排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，排放測試技術(shù)不斷完善，歐洲第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)，美國EPA2010 排放標(biāo)準(zhǔn)和我國第五/六階段排放標(biāo)準(zhǔn)都先后引入PEMS 測試方法，作為重要的機(jī)動(dòng)車排放測試和管理手段。車載排放測試技術(shù)采用便攜式排放測量系統(tǒng)（Portable Emission Measurement System，簡稱PEMS），可以實(shí)時(shí)測量實(shí)際道路條件下的排放水平，而得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。另一方面，“大眾排放門”事件以及汽車OBD 作假事件頻發(fā)，世界各國越來越重視基于實(shí)際道路的機(jī)動(dòng)車污染物排放測試方法。

2013 年北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/965-2013《重型汽車排氣污染物排放限值及測量方法（車載法）》率先采用實(shí)際道路排放測試方法，并于2017 年進(jìn)行二次修訂，發(fā)布并實(shí)施DB11/965-2017《重型汽車排氣污染物排放限值及測量方法（車載法 第IV、V 階段）》標(biāo)準(zhǔn)。2017 年9 月生態(tài)環(huán)境部發(fā)布并于10 月實(shí)施HJ857-2017《重型柴油車、氣體燃料車排氣污染物車載測量方法及技術(shù)要求》。2016 年11 月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了關(guān)于征求國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車排氣污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）（征求意見稿）》（GB 17691）的公告，并于2018 年6 月22 日正式發(fā)布。該標(biāo)準(zhǔn)增加了整車實(shí)際道路排放測試（PEMS）要求和限值。綜上，實(shí)際道路排放測試方法成為新生產(chǎn)車型式檢驗(yàn)和在用車符合性監(jiān)管的重要手段[3-4]。

國六PEMS 排放測試方法已在國內(nèi)全面實(shí)施，為進(jìn)一步研究實(shí)際道路排放測試設(shè)備（PEMS）與試驗(yàn)室排放測試設(shè)備的差異進(jìn)行本試驗(yàn)。分別選用整車及發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架方式進(jìn)行，整車采用C-WTVC 循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用CHTC 循環(huán)，熱車狀態(tài)上分別進(jìn)行3次試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行PEMS 排放測試與試驗(yàn)室排放測試，對比分析二者之間的差異性，本研究旨在推動(dòng)排放控制技術(shù)的進(jìn)一步完善[5-6]。

1 研究方案及數(shù)據(jù)處理方法

1.1 研究方案

基于整車和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架開展PEMS 設(shè)備與固定式尾氣分析設(shè)備比對試驗(yàn)，研究PEMS 設(shè)備與試驗(yàn)室測試設(shè)備之間的差異。將PEMS 設(shè)備與固定式尾氣分析設(shè)備串聯(lián)，對同一尾氣來源進(jìn)行同時(shí)分析，PEMS 設(shè)備與發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架或重型整車底盤測功機(jī)等試驗(yàn)室排放測試設(shè)備同時(shí)進(jìn)行測試，對比其污染物測量結(jié)果差異，分析PEMS 設(shè)備的誤差。

PEMS 設(shè)備要求具備污染物測量分析單元、排氣流量計(jì)、環(huán)境溫濕度傳感器、OBD 讀取單元；測功機(jī)及固定式尾氣分析儀要求：

1）發(fā)動(dòng)機(jī)測功機(jī)、直采/稀采分析儀、CVS、PN 分析儀、進(jìn)氣流量計(jì)；2）底盤測功機(jī)、直采/稀采分析儀、CVS、PN 分析儀。

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)和樣車滿足國六（GB17691-2018）標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)運(yùn)行工況及污染物測試內(nèi)容如表1 所示。

表1 運(yùn)行工況及測試內(nèi)容

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方案：試驗(yàn)前確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)良好，發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行每次試驗(yàn)前，應(yīng)運(yùn)行一次WHTC循環(huán)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理結(jié)束后停機(jī)10 min，再運(yùn)行一次WHTC 循環(huán)作為正式試驗(yàn)，預(yù)處理循環(huán)不參與結(jié)果計(jì)算。待發(fā)動(dòng)機(jī)排放臺(tái)架和PEMS 設(shè)備采樣分析和數(shù)據(jù)下載完畢后，準(zhǔn)備進(jìn)行下一次試驗(yàn)，后兩次試驗(yàn)依然按照第一次試驗(yàn)步驟進(jìn)行。

整車試驗(yàn)方案：試驗(yàn)前確認(rèn)車輛狀態(tài)良好，車輛按照80 km/h 的速度運(yùn)行20 min 作為預(yù)處理，之后開始運(yùn)行C-WTVC 循環(huán)，需要記錄試驗(yàn)開始前的冷卻液溫度、機(jī)油溫度（如適用）等，作為第二次試驗(yàn)的參考，僅將C-WTVC 循環(huán)的數(shù)據(jù)作為比對數(shù)據(jù)。下一次試驗(yàn)在全流排放設(shè)備和PEMS 設(shè)備準(zhǔn)備完畢后進(jìn)行，若冷卻液溫度、機(jī)油溫度（如適用）符合試驗(yàn)開始的條件，則可直接開始C-WTVC 循環(huán)；否則仍需按照80km/h 進(jìn)行預(yù)處理，當(dāng)冷卻液溫度、機(jī)油溫度（如適用）等達(dá)到第一次試驗(yàn)開始前的狀態(tài)，即可進(jìn)行C-WTVC 循環(huán)。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

本研究對比分析了全流CVS 尾氣分析儀和PEMS 分析儀測量污染物瞬態(tài)排放的比較。其中P EMS 設(shè)備以1 Hz 的頻率直接采樣，瞬態(tài)結(jié)果可以由PEMS 設(shè)備直接測得。全流CVS 尾氣分析儀為稀釋后采樣，瞬態(tài)結(jié)果計(jì)算參考GB17691-2018，介紹如下：

1）轉(zhuǎn)換稀釋后的排氣流量（單位：m3/min，常溫20 ℃）到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，并將單位轉(zhuǎn)化為（m3/s）

式中：C_flow 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下排氣流量，m3/s；CVC_Flow為稀釋排氣流量，m3/min。

2）稀釋系數(shù)D 計(jì)算

對于柴油機(jī)和LPG 發(fā)動(dòng)機(jī)

式中：CCO2，e為稀釋排氣中CO2的濕基濃度，%；CHC，e為稀釋排氣中HC 濕基濃度，10-6C1；Cco，e為稀釋排氣中CO 濕基濃度，10-6；Fs為理論空然比。其中，柴油燃料為13.4，LPG 燃料為11.6，NG 燃料為9.5。

3）背景校正后稀釋濃度的確定

應(yīng)從測得的稀釋濃度中減去稀釋空氣中氣態(tài)污染物的平均背景濃度，以得到污染物的背景校正稀釋濃度。其中，背景濃度的平均值可以通過取樣袋方法或連續(xù)積分方法確定。計(jì)算公式如下：

式中：Cgas，e為稀釋排氣中測得的組分濃度，10-6；Cd為稀釋空氣中測得的組分濃度，10-6；D 為稀釋系數(shù)。

4）各污染物瞬態(tài)排放的計(jì)算，按照如下公式：

式中：Ce為瞬態(tài)排氣污染物，g/s；Cgas為背景校正后的稀釋濃度，10-6；ρgas為排氣中組分密度，kg/m3。其中，NOx為2.053 kg/m3，CO 為1.250 kg/m3，CO2為1.963 6 kg/m3。

各污染物的循環(huán)排放總量由瞬態(tài)結(jié)果按總循環(huán)時(shí)間積分得到，循環(huán)功通過ECU 讀取數(shù)據(jù)計(jì)算得到。另外發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測試過程中，循環(huán)功還可由測功機(jī)測試得到。各污染物的循環(huán)比排放即由循環(huán)排放總量除以循環(huán)功計(jì)算得到。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中PEMS 設(shè)備與CVS 設(shè)備串聯(lián)，同時(shí)測量整車或發(fā)動(dòng)機(jī)的污染物排放，每次試驗(yàn)重復(fù)3 次。將試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為g/s 瞬時(shí)值進(jìn)行對比。本研究分析了相同試驗(yàn)條件下，兩類設(shè)備PEMS 設(shè)備與CVS設(shè)備的瞬態(tài)排放（主要為CO2和NOx）比對結(jié)果。一方面將兩類設(shè)備測試結(jié)果數(shù)據(jù)對齊，對比秒采數(shù)據(jù)值的大小及趨勢；另一方面將兩種設(shè)備測得的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析，計(jì)算出線性相關(guān)系數(shù)R2，并對比分析。

2.1 整車瞬態(tài)結(jié)果對比分析

試驗(yàn)采用國六車輛在實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行整車排放測試，進(jìn)行三遍試驗(yàn)，PEMS 設(shè)備與固定式分析儀的測試結(jié)果和相關(guān)性分析如圖1 至圖12 所示。

圖1 CO2 瞬態(tài)排放比較

圖2 NOx 瞬態(tài)排放比較

圖3 CO2 相關(guān)性分析

圖4 NOx 相關(guān)性分析

圖5 CO2 瞬態(tài)排放比較

圖6 NOx 瞬態(tài)排放比較

圖7 CO2 相關(guān)性分析

圖8 NOx 相關(guān)性分析

圖9 CO2 瞬態(tài)排放比較

圖10 NOx 瞬態(tài)排放比較

圖11 CO2 相關(guān)性分析

圖12 NOx 相關(guān)性分析

1）第一遍試驗(yàn)

2）第二遍試驗(yàn)

3）第三遍試驗(yàn)

以上結(jié)果為基于整車的PEMS 設(shè)備與試驗(yàn)室設(shè)備氣態(tài)污染物排放測試比較情況，分別比較了CO2和NOx污染物瞬態(tài)排放及相關(guān)性。比較CO2排放結(jié)果可以看出，3 次試驗(yàn)條件下均表現(xiàn)出CVS 瞬態(tài)測試結(jié)果較PEMS 測試結(jié)果略高，尤其是在怠速條件下，二者差異較為明顯。對于前2 次NOx瞬態(tài)排放，相較于CO2二者之間差異性較小。第三次NOx瞬態(tài)排放，污染物排放水平較前兩次低一個(gè)數(shù)量級，使得二者之間表現(xiàn)出一定差異，但是二者之間絕對數(shù)量的差異仍然很小。以上表明，兩種測試結(jié)果排放趨勢表現(xiàn)一致，且測量結(jié)果差異不大。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架瞬態(tài)結(jié)果對比分析

試驗(yàn)采用國六柴油機(jī)在實(shí)驗(yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行排放測試，進(jìn)行三遍試驗(yàn)，PEMS 設(shè)備與固定式分析儀的測試結(jié)果和相關(guān)性分析如圖13 至圖24 所示。

圖13 CO2 瞬態(tài)排放比較

圖14 NOx 瞬態(tài)排放比較

圖15 CO2 相關(guān)性分析

圖16 NOx 相關(guān)性分析

圖17 CO2 瞬態(tài)排放比較

圖18 NOx 瞬態(tài)排放比較

圖19 CO2 相關(guān)性分析

圖20 NOx 相關(guān)性分析

圖21 CO2 瞬態(tài)排放比較

圖22 NOx 瞬態(tài)排放比較

圖23 CO2 相關(guān)性分析

圖24 NOx 相關(guān)性分析

以上結(jié)果為基于發(fā)動(dòng)機(jī)的PEMS 設(shè)備與試驗(yàn)室設(shè)備氣態(tài)污染物排放測試比較情況，分別比較了CO2和NOx污染物瞬態(tài)排放及相關(guān)性。比較排放結(jié)果可以看出，3 次試驗(yàn)條件下均表現(xiàn)出CVS 瞬態(tài)測試結(jié)果與PEMS 測試結(jié)果吻合性較好，兩種設(shè)備之間的差異較基于整車的測試更小。

2.3 相關(guān)性系數(shù)R2 統(tǒng)計(jì)分析

通過瞬態(tài)排放比較可知，CVS 與PEMS 設(shè)備CO2和NOx瞬態(tài)排放趨勢一致。其中，CO2和NOx的線性相關(guān)系數(shù)R2統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2?？梢钥闯?，PEMS 和CVS 的CO2瞬態(tài)排放（1 800 s）相關(guān)性系數(shù)R2基本維持在0.85 至0.95 之間；NOx瞬態(tài)排放的相關(guān)性系數(shù)R2平均值為0.80 至0.95 之間，表明兩種測試方法條件下，CO2的相關(guān)性較NOx略好。

表2 CO2 和NOx 的相關(guān)性系數(shù)R2 統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論

本試驗(yàn)基于整車及發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架方式進(jìn)行，整車采用C-WTVC 循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用CHTC 循環(huán)，熱車狀態(tài)分別進(jìn)行3 次試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行PEMS 排放測試與試驗(yàn)室排放測試，對比分析二者之間的差異性，得出如下結(jié)論：

1）PEMS 和CVS 的CO2瞬態(tài)排放（1 800s）相關(guān)性系數(shù)R2基本維持在0.85 至0.95 之間；NOx瞬態(tài)排放的相關(guān)性系數(shù)R2波動(dòng)略大，范圍在0.80 至0.95之間。原因分析如下：CVS 為全流稀釋尾氣分析儀，尾氣稀釋后進(jìn)行濃度（10-6）測試，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，通過去背景濃度、稀釋系數(shù)、溫度修正等得到瞬時(shí)濃度（g/s）；PEMS 設(shè)備為直采儀器，尾氣未進(jìn)行稀釋直接測量得到瞬時(shí)濃度（g/s）。稀釋采樣和直采，采樣方式存在差異，且二者取樣點(diǎn)的位置不同，均會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)結(jié)果存在一定差異。

2）本次試驗(yàn)由2 個(gè)實(shí)驗(yàn)室獨(dú)立完成并計(jì)算數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果的平均值一定程度上能反映CVS 設(shè)備與PEMS 設(shè)備偏差水平。由于稀釋采樣和直接采樣方法的不同、數(shù)據(jù)對齊存在誤差，使得比對結(jié)果存在偏差的可能性。尤其稀釋采樣后，再通過稀釋比計(jì)算瞬態(tài)濃度（g/s）與PEMS 直采結(jié)果存在一定偏差。