摘 要:為研究不同干濕基修正方法對(duì)壓縮天然氣(compressed natural gas, CNG)重型車(chē)?yán)淦饎?dòng)階段CO2排放測(cè)量結(jié)果的影響,在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上對(duì)某國(guó)六CNG車(chē)輛進(jìn)行不同試驗(yàn)循環(huán)下冷起動(dòng)測(cè)試,分別采用國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)中推薦的干濕基修正法和排氣中水的體積分?jǐn)?shù)濕基修正法計(jì)算車(chē)輛冷起動(dòng)階段的CO2排放。結(jié)果表明:車(chē)輛冷起動(dòng)階段,采用國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)推薦的干濕基修正法計(jì)算的CO2排放結(jié)果偏差較大;充分熱機(jī)后,2種方法的計(jì)算結(jié)果趨于一致;采用國(guó)六推薦方法修正時(shí),相比直接濕基測(cè)量結(jié)果,冷起動(dòng)熱機(jī)階段的排放中CO2體積分?jǐn)?shù)偏低約14%。對(duì)于排氣中水的體積分?jǐn)?shù)較大的燃用CNG、甲醇、汽油等燃料的車(chē)輛的冷起動(dòng)階段CO2排放計(jì)算,采用排氣中水的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算CO2濕基修正因子,結(jié)果更準(zhǔn)確。
關(guān)鍵詞:CNG;重型車(chē);冷起動(dòng);干濕基修正
中圖分類(lèi)號(hào):X734.2;U491.92文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1673-6397(2024)04-0041-07
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0 引言
為了更好地監(jiān)管和考核車(chē)輛的真實(shí)排放,我國(guó)第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)要求,便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(portable emission measurement system,PEMS)試驗(yàn)測(cè)試成為重型車(chē)的一項(xiàng)重要的測(cè)試內(nèi)容[1]。大多數(shù)PEMS設(shè)備使用與試驗(yàn)室設(shè)備相同的原理測(cè)量車(chē)輛的排放,按相關(guān)要求,排氣在干、濕狀態(tài)下均可測(cè)定,但排放計(jì)算以濕基結(jié)果為準(zhǔn),因此,試驗(yàn)室內(nèi)通常采用干基測(cè)量保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性,然后參照文獻(xiàn)[2]中的干濕基換算方法對(duì)干基結(jié)果進(jìn)行濕基修正[3-4]。文獻(xiàn)[2]中規(guī)定的干濕基校正因子基于燃燒產(chǎn)物(主要是CO2和CO)的氣態(tài)干基濃度和燃料特性得到,其前提為假設(shè)測(cè)試管道中既不發(fā)生冷凝也不發(fā)生蒸發(fā)。
對(duì)于水干擾比較敏感的測(cè)量成分,必須考慮排放中含水量的影響。試驗(yàn)室中采用不分光紅外吸收法(non-dispersive infrared absorption,NDIR)測(cè)量CO和CO2時(shí),直采設(shè)備通常對(duì)廢氣干燥后測(cè)量,避免排氣中的水對(duì)CO和CO2產(chǎn)生干擾效應(yīng)??紤]到設(shè)備便攜性和設(shè)備成本等原因,也可以采用PEMS 測(cè)試設(shè)備通過(guò)濕基測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)試,可同時(shí)檢測(cè)排氣多種化學(xué)組分的傅里葉紅外光譜分析儀也采用濕基測(cè)量方法[5-6]。
相關(guān)研究表明,當(dāng)管道或后處理裝置的溫度低于廢氣的露點(diǎn)溫度時(shí),廢氣中的水蒸氣和其他可冷凝半揮發(fā)性成分會(huì)發(fā)生冷凝[7],當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)時(shí),水在后處理系統(tǒng)和排氣管道中的冷凝不可避免,使得采樣管路中瞬時(shí)排氣中的含水量與實(shí)際燃燒產(chǎn)生的出現(xiàn)偏差,導(dǎo)致該階段的CO2和CO最終計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。主要原因?yàn)椋夯谖墨I(xiàn)[2]中的計(jì)算方法得到的干濕基校正因子與實(shí)際排氣不一致,因此干基測(cè)量后并基于干濕基校正系數(shù)計(jì)算得到的濕基結(jié)果與直接濕基測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。國(guó)外基于輕型車(chē)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)循環(huán)對(duì)輕型車(chē)?yán)淦饎?dòng)測(cè)試時(shí)的CO2排放結(jié)果進(jìn)行研究,結(jié)果表明,在后處理系統(tǒng)達(dá)到露點(diǎn)溫度之前,由于水的冷凝效應(yīng),使用干濕基校正系數(shù)計(jì)算的CO2體積分?jǐn)?shù)和排放質(zhì)量比直接測(cè)量低5%~13%;如果基于整個(gè)測(cè)試周期(20~30 min),該效應(yīng)因?yàn)榻捣^?。╨t;1%)可以忽略不計(jì)[8]。該文獻(xiàn)僅對(duì)輕型車(chē)的CO2排放進(jìn)行了系統(tǒng)研究,考慮到重型車(chē)后處理和排氣系統(tǒng)與輕型車(chē)不同,影響規(guī)律是否一致,需要進(jìn)一步研究確認(rèn)。
目前,我國(guó)現(xiàn)行的重型車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于冷起動(dòng)排放未作明確要求,未考慮PEMS測(cè)試時(shí)水溫低于70 ℃的車(chē)輛排放,但已有相關(guān)研究表明,冷起動(dòng)階段的排放不可忽視[9-13]。2019年,歐盟委員會(huì)(European commission,EU) 發(fā)布的No.582/2011標(biāo)準(zhǔn)的修訂稿(歐Ⅵe階段)中新增了關(guān)于重型車(chē)的冷起動(dòng)排放測(cè)試要求[14]。CO2作為一種受歐盟監(jiān)管的溫室氣體, 2019 年 6 月,歐盟通過(guò)了第一個(gè)重型車(chē)CO2排放標(biāo)準(zhǔn) [15]。由此可見(jiàn),未來(lái)關(guān)于重型車(chē)整車(chē)排放測(cè)試中,冷起動(dòng)階段的CO2排放測(cè)試必然是重要的測(cè)試內(nèi)容。
盡管重型車(chē)?yán)淦饎?dòng)排放已得到廣泛關(guān)注,但針對(duì)不同的測(cè)量技術(shù),以及干濕基校正因子對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響研究很少,本文中重點(diǎn)針對(duì)排氣含水量較高的壓縮天然氣(compressed natural gas, CNG)重型車(chē)開(kāi)展冷起動(dòng)階段的CO2排放研究,利用PEMS測(cè)試設(shè)備和直采測(cè)試設(shè)備的測(cè)試結(jié)果,明確和量化測(cè)試結(jié)果差異,為我國(guó)下一階段重型車(chē)整車(chē)排放測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的制定提供技術(shù)參考。
1 試驗(yàn)設(shè)備及方法
1.1 試驗(yàn)樣車(chē)和試驗(yàn)設(shè)備
試驗(yàn)樣車(chē)為滿(mǎn)足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)CNG重型車(chē),試驗(yàn)車(chē)輛基本參數(shù)如表1所示,2種測(cè)試方法的試驗(yàn)設(shè)備基本信息如表2所示。
采用PEMS和直采測(cè)試設(shè)備同時(shí)對(duì)試驗(yàn)樣車(chē)行駛過(guò)程中的CO2進(jìn)行測(cè)試,其中PEMS設(shè)備的CO2測(cè)試為濕基測(cè)量,直采設(shè)備的CO2測(cè)試為干基測(cè)量。測(cè)試設(shè)備與整車(chē)的連接方式如圖1所示。
1.2 試驗(yàn)方法
在試驗(yàn)室內(nèi)的底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)工況循環(huán)選擇穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán)、中國(guó)重型商用車(chē)測(cè)試工況 (China heavy-duty commercial vehicle test cycle,CHTC)瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)以及一條實(shí)際PEMS試驗(yàn)道路路譜做為底盤(pán)測(cè)功機(jī)復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)循環(huán)。
按照文獻(xiàn)[2]要求,排放中CO2體積分?jǐn)?shù)的干濕基轉(zhuǎn)換式為:
φw=kwφd,(1)
式中:φw為CO2濕基體積分?jǐn)?shù);φd為CO2干基體積分?jǐn)?shù);kw為干濕基校正因子,kw有2種計(jì)算方法。
1)根據(jù)文獻(xiàn)[2],kw的計(jì)算式為:
kw=1.008{1/ [1+0.005a(φ(CO2)+φ(CO))] -kw1},(2)
式中:a為燃料中氫、碳物質(zhì)的量的比,參考文獻(xiàn)[2],對(duì)于壓縮天然氣,a=4;φ(CO2)為CO2干基體積分?jǐn)?shù);φ(CO)為CO干基體積分?jǐn)?shù);kw1=1.608Ha/1000+1.608Ha,其中Ha為車(chē)輛進(jìn)氣絕對(duì)濕度,g/kg,Ha根據(jù)測(cè)試車(chē)輛所處環(huán)境倉(cāng)的溫濕度計(jì)算得到,本文中Ha由PEMS設(shè)備獲取。
2)對(duì)于采用濕基原理測(cè)量的設(shè)備,如PEMS設(shè)備、傅里葉變換紅外光譜分析儀等,可測(cè)量獲取排氣中水的體積分?jǐn)?shù)φ(H2O)。
基于排放中測(cè)量水體積分?jǐn)?shù)的干濕基校正因子計(jì)算式為:
kw2=1- φ(H2O)/100。(3)
根據(jù)文獻(xiàn)[2],CO2排放的質(zhì)量流量qm(CO2)由CO2濕基體積分?jǐn)?shù)φw(CO2)和排氣質(zhì)量流量qm,exh計(jì)算,CO2排放質(zhì)量流量的數(shù)值
{qm(CO2)}=10 000uφw(CO2){qm,exh},(4)
式中:{qm(CO2)}為以kg/s為單位的qm(CO2)的數(shù)值;u為CO2密度與排氣總密度之比,參考文獻(xiàn)[2],對(duì)于壓縮天然氣,u=0.001 551;{qm,exh}為以kg/s為單位的qm,exh的數(shù)值;排氣流量由PEMS設(shè)備的排氣流量計(jì)獲取。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 不同濕基校正特征分析
不同冷起動(dòng)試驗(yàn)循環(huán)、不同計(jì)算方法得到的濕基校正因子及不同濕基修正計(jì)算得到的排放中CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)比如圖2所示,圖中φd、φp、φk1、φk2分別為直采、PEMS測(cè)量、kw修正、kw2修正的CO2的體積分?jǐn)?shù)。由圖2可知:1)與基于CO2和CO排放得到的kw相比,基于水的體積分?jǐn)?shù)得到的kw2曲線整體更平滑;從冷起動(dòng)開(kāi)始,kw2先逐漸降低,大約在第500秒左右,kw2與kw曲線交叉,隨后略低于kw,直至第1 800秒左右,kw2與kw基本趨于一致。2)CO2干基體積分?jǐn)?shù)與濕基相差較大, CO2干基體積分?jǐn)?shù)比濕基平均偏高約25%;在冷起動(dòng)后約500 s內(nèi),由于kw2與kw明顯差異,采用不同的修正方法獲得的CO2濕基體積分?jǐn)?shù)存在明顯差異, kw2修正獲得的濕基體積分?jǐn)?shù)更接近PEMS測(cè)量結(jié)果,經(jīng)過(guò)500 s后,由于kw2與kw基本趨于一致,2種方法修正得到的CO2體積分?jǐn)?shù)逐漸一致,但由于PEMS設(shè)備的測(cè)試偏差,PEMS測(cè)得CO2濕基體積分?jǐn)?shù)略高。
不同冷起動(dòng)試驗(yàn)循環(huán),排氣中水的體積分?jǐn)?shù)變化與車(chē)速及排溫的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知:1)車(chē)輛冷起動(dòng)后,排氣中水的體積分?jǐn)?shù)逐漸升高,經(jīng)過(guò)500 s后趨于穩(wěn)定,隨后至第1 500 秒左右,水的體積分?jǐn)?shù)略高于穩(wěn)定狀態(tài),在第1 500 秒后,水的體積分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定,試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的水的體積分?jǐn)?shù)急劇回落主要是由于車(chē)輛滑行時(shí)的斷油造成的。2)CHTC瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)和實(shí)際PEMS試驗(yàn)道路路譜下,水的體積分?jǐn)?shù)在第500 秒左右上升達(dá)到基本穩(wěn)定,此時(shí)對(duì)應(yīng)的排溫約為150 ℃;穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)循環(huán),水的體積分?jǐn)?shù)上升達(dá)到基本穩(wěn)定的時(shí)間略長(zhǎng),約為550 s,對(duì)應(yīng)的排溫也偏低,約為108 ℃。原因?yàn)榉€(wěn)態(tài)試驗(yàn)的前600 s,車(chē)輛運(yùn)行速度為20 km/h,速度較低,負(fù)荷較低,排氣流量較小,排氣后處理系統(tǒng)中吸附的水累積上升較慢,排溫升溫較慢,因此與后2組瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)的差異較大。
2.2 不同濕基校正差異分析
為了進(jìn)一步明確測(cè)得的排氣中水的體積分?jǐn)?shù)變化與車(chē)輛排溫的關(guān)系,基于CHTC試驗(yàn)循環(huán),對(duì)車(chē)輛進(jìn)行相同負(fù)載條件下的冷、熱起動(dòng)試驗(yàn)對(duì)比。熱起動(dòng)試驗(yàn)為車(chē)輛通過(guò)高速運(yùn)行預(yù)熱,水溫、油溫、排氣后處理溫度均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,停車(chē)熄火后再進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)。冷、熱起動(dòng)時(shí)的排溫、水的體積分?jǐn)?shù)與車(chē)速的關(guān)系對(duì)比如圖4所示,圖中, Tc、Th分別為冷、熱起動(dòng)時(shí)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)催化器前排溫,即車(chē)輛原始排溫, Tc-PEM、Th-PEM分別為冷、熱起動(dòng)時(shí)PEMS設(shè)備測(cè)得的車(chē)輛排氣管末端排溫,φc(H2O)、φh(H2O)分別為冷、熱起動(dòng)時(shí)排氣中水的體積分?jǐn)?shù)。由圖4可知:1)CNG車(chē)輛原始排溫升溫很快,不到60 s基本達(dá)到對(duì)應(yīng)工況的穩(wěn)定排溫,熱起動(dòng)試驗(yàn)時(shí),PEMS設(shè)備排溫測(cè)試由于與原始排溫測(cè)點(diǎn)不同,PEMS設(shè)備測(cè)得的車(chē)輛排氣管末端排溫與原始排溫存在相對(duì)穩(wěn)定的溫度差,但由于后處理系統(tǒng)的溫升過(guò)程比較緩慢,直到約第1 300秒時(shí),冷起動(dòng)時(shí)PEMS設(shè)備測(cè)得的車(chē)輛排氣管末端排溫才與熱起動(dòng)試驗(yàn)趨于一致。2)熱起動(dòng)試驗(yàn)排氣中水的體積分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定,但冷起動(dòng)試驗(yàn)水的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間逐漸增大,到約第500秒時(shí)與熱起動(dòng)試驗(yàn)基本一致,之后略高于熱起動(dòng)試驗(yàn),隨后逐漸回落并與熱起動(dòng)水的體積分?jǐn)?shù)趨于一致。這是因?yàn)槔淦饎?dòng)試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)初期后處理系統(tǒng)溫度低于露點(diǎn)溫度,尾氣中的水冷凝以及后處理系統(tǒng)的吸附效應(yīng),造成排氣中的水無(wú)法完全隨排氣排出,排氣中水的體積分?jǐn)?shù)與實(shí)際燃燒產(chǎn)生的不一致,隨著排氣后處理系統(tǒng)溫度升高,高于露點(diǎn)溫度以及后處理系統(tǒng)吸附逐漸飽和,水的冷凝和吸附不再是主要因素,排氣中水的體積分?jǐn)?shù)逐漸與實(shí)際燃燒產(chǎn)生的一致(約第500秒);當(dāng)排氣后處理系統(tǒng)中的排溫高于100 ℃時(shí),后處理系統(tǒng)中冷凝和吸附的水受熱蒸發(fā),一段時(shí)間內(nèi)排氣中水的體積分?jǐn)?shù)略高于實(shí)際燃燒,排氣中水的體積分?jǐn)?shù)逐漸回落達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)。
冷起動(dòng)后的前500 s,是排氣中水的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大并達(dá)到與實(shí)際燃燒產(chǎn)物中水的體積分?jǐn)?shù)一致的階段;500 ~1 800 s,是排氣中水的體積分?jǐn)?shù)基本達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)渡階段;這2個(gè)階段的kw和kw2明顯不同;第1 800秒后的熱機(jī)狀態(tài),排氣中水的體積分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定,不同濕基修正系數(shù)計(jì)算方法得到的kw和kw2基本一致。由于不同的干濕基修正計(jì)算方法造成冷起動(dòng)過(guò)程的干濕基修正系數(shù)不同,影響CO2干基測(cè)量的修正結(jié)果,因此,為量化其影響,分別使用kw和kw2作為濕基修正因子計(jì)算直采CO2比排放,并以PEMS測(cè)量的濕基CO2比排放作為基準(zhǔn),計(jì)算相對(duì)偏差,以測(cè)試的前500 s、前1 800 s、試驗(yàn)總時(shí)間作為CO2平均比排放計(jì)算時(shí)間,對(duì)比不同測(cè)試時(shí)間下CO2比排放。
不同的冷起動(dòng)試驗(yàn)循環(huán),采用kw和kw2作為修正因子計(jì)算直采CO2比排放以及相對(duì)PEMS測(cè)量的CO2濕基比排放的差異如表3、4所示。
由表3、4可知:1)前500 s,是水的冷凝吸附為主的階段,采用kw濕基修正方法,相對(duì)偏差的絕對(duì)值為10.4%~14.2%,濕基修正后的CO2比排放明顯低估;采用kw2濕基修正方法,相對(duì)偏差的絕對(duì)值為3.0%~6.8%,采用kw2濕基修正的CO2比排放明顯優(yōu)于采用kw修正。2)前1 800 s,采用kw濕基修正方法,CO2比排放相對(duì)偏差的絕對(duì)值為2.7~5.5%;采用kw2濕基修正方法,CO2比排放相對(duì)偏差絕對(duì)值為3.6~5.7%,2種方法基本相當(dāng)。3)在總試驗(yàn)時(shí)間,CO2比排放計(jì)算結(jié)果與前1 800 s類(lèi)似,采用kw濕基修正方法,CO2比排放相對(duì)偏差的絕對(duì)值為5.9%,采用kw2濕基修正方法,CO2比排放相對(duì)偏差的絕對(duì)值為5.8%。由此可見(jiàn),不同的濕基修正方法,對(duì)測(cè)試計(jì)算結(jié)果影響較大階段主要在起動(dòng)后的冷凝吸附階段,該階段隨發(fā)動(dòng)機(jī)燃料屬性、排氣流量、后處理系統(tǒng)構(gòu)型、季節(jié)冷熱環(huán)境等因素以及時(shí)間有所不同,在此階段,采用文獻(xiàn)[2]推薦的式(2)計(jì)算干濕基修正因子產(chǎn)生的偏差較大,采用水的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算干濕基修正因子更合理。測(cè)試時(shí)間增加,不同干濕基修正因子計(jì)算方法的差異減小,得到的CO2排放趨于一致,并且理論上其與濕基測(cè)量結(jié)果也基本一致。在本研究中,充分熱機(jī)后的階段,相對(duì)PEMS測(cè)量的CO2比排放偏差(約為-6%)主要是由PEMS設(shè)備測(cè)試偏差造成的,這在圖2f)中有所體現(xiàn)。
3 結(jié)論
1)車(chē)輛冷起動(dòng)時(shí),CO2排放測(cè)點(diǎn)之前的排放后處理和排氣管路需要一定時(shí)間才能超過(guò)露點(diǎn)溫度并逐步達(dá)到平衡,隨著系統(tǒng)溫度升高,排氣中水的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大并達(dá)到基本穩(wěn)定。
2)冷起動(dòng)冷機(jī)階段,采用文獻(xiàn)[2]中的推薦公式,直采時(shí)CO2干基測(cè)試結(jié)果的濕基修正結(jié)果產(chǎn)生較大偏差,使用水的體積分?jǐn)?shù)作為濕基修正計(jì)算依據(jù)更符合實(shí)際。
3)采用排氣中水的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算CO2濕基修正系數(shù),更符合冷起動(dòng)階段的濕基修正,因此無(wú)論是干基測(cè)量還是濕基測(cè)量,必須保證水濃度測(cè)量準(zhǔn)確。
4)對(duì)于燃燒后排氣中水的體積分?jǐn)?shù)較大的CO2排放測(cè)試,如CNG、汽油、甲醇、氫燃料,需要注意由于干濕基修正方法的不同造成的測(cè)試結(jié)果偏差,特別是冷起動(dòng)階段,由于不同的干濕基修正計(jì)算方法造成的CO2排放結(jié)果差異不可忽視,而且CO采用同樣的測(cè)試修正原理,也存在同樣的修正計(jì)算偏差問(wèn)題。
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Effect of exhaust water content of a CNG heavy-duty vehicle on
CO2 measurement
ZHONG Xianglin, LI Tong, HUANG Pengcheng, MENG Qingliang
CATARC Automotive Test Center (Tianjin) Co., Ltd., Tianjin 300300, China
Abstract:To investigate the influence of different dry-wet correction methods on the measurement results of CO2 emissions during the cold start phase of a compressed natural gas (CNG) heavy-duty vehicle, cold start tests are conducted on a CHINA 6 CNG vehicle under different test cycles using a chassis dynamometer. The CO2 emissions during the cold start phase of the vehicle are calculated using the dry-wet correction method recommended by CHINA 6 regulations and the dry-based correction method based on the volume fraction of H2O in the exhaust gas. The results indicate that during the cold start phase of vehicles, the CO2 emissions calculated using the dry-wet correction method recommended by CHINA 6 have a significant deviation. After sufficient heating, the calculation results of the two methods tend to be consistent. When using the recommended method of China 6 for correction, compared to direct wet-based measurement results, the CO2 emissions during the cold start are about 14% lower. For the calculation of CO2 emissions during the cold start phase of CNG, methanol, gasoline and other vehicles with high exhaust water content, using the volume fraction of H2O in the exhaust to calculate the CO2 dry-wet correction factor yields more accurate results.
Keywords:CNG; heavy duty vehicle; cold start; dry-wet correction
(責(zé)任編輯:劉麗君)