重型車車載排放測(cè)試方法適應(yīng)性分析

文/張宇灝

目前，我國重型汽車型式核準(zhǔn)時(shí)采用GB 17691-2005《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(cè)量方法》排放標(biāo)準(zhǔn)考核發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平。GB 17691-2005中涉及工況排放試驗(yàn)項(xiàng)目是瞬態(tài)循環(huán)（ETC）和穩(wěn)態(tài)循環(huán)（ESC）試驗(yàn)。其中，ETC試驗(yàn)的瞬態(tài)排放特性較能體現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平，在ETC試驗(yàn)中鄉(xiāng)間和高速工況占整個(gè)工況的三分之二，發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)主要集中在中高負(fù)荷下。然而，在車輛實(shí)際行駛過程中（尤其在市區(qū)道路），發(fā)動(dòng)機(jī)難免會(huì)處于中低速和中低負(fù)荷情況，這些工況點(diǎn)的排放在ETC試驗(yàn)中難以考評(píng)。上述標(biāo)準(zhǔn)雖然能較好地評(píng)價(jià)和反映重型發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)排放水平，但與車輛在實(shí)際道路上排放情況仍然存在差異，北京市環(huán)境保護(hù)局在2013年2月發(fā)布了地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/965-2013《重型汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（車載法）》，旨在作為GB 17691-2005標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充。

一、車載排放測(cè)試基本方法

1. NNTTEE法

NTE法規(guī)定了車輛在運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩落入NTE控制區(qū)30 s以上為一個(gè)NTE事件，NTE控制區(qū)域定義（如圖1）：由發(fā)動(dòng)機(jī)扭曲線、發(fā)動(dòng)機(jī)n15轉(zhuǎn)速的等轉(zhuǎn)速線、30%最大等功率曲線和30%的最大等扭矩曲線構(gòu)成的內(nèi)封閉區(qū)域。在測(cè)量時(shí)，便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）不斷統(tǒng)計(jì)NTE事件個(gè)數(shù)和持續(xù)時(shí)間并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷信息，計(jì)算各事件內(nèi)的NOx比排放量。

加權(quán)計(jì)算滿足排放限值要求的NTE事件持續(xù)時(shí)間之和與所有NTE事件持續(xù)時(shí)間之和，這兩個(gè)持續(xù)時(shí)間之比定義為NTE事件通過率，大于90%則表明該車輛在其NTE控制區(qū)域內(nèi)NOx比排放量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 NTE控制區(qū)域

2. 功基窗口法（WBBWW 法）

通過車輛OBD診斷口讀取發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和扭矩等信息，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)功；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的每秒做功值累積求和直至達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)ETC試驗(yàn)循環(huán)功，該區(qū)間作為一個(gè)功基窗口。車輛試驗(yàn)時(shí)，功基窗口從第一秒鐘開始計(jì)算，以1 s的時(shí)間間隔形成一系列的功基窗口直到采樣結(jié)束（見圖2）。

圖2 功基窗口區(qū)域

該方法要求：所有窗口平均功率百分比大于20%的窗口個(gè)數(shù)要大于或者等于所有窗口個(gè)數(shù)的50%，否則將窗口平均功率百分比的要求20%以1%為步長(zhǎng)逐漸減小，但最小不能小于15%。計(jì)算功基窗口的比排放時(shí)，將不滿足上述平均功率的窗口剔除，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)功計(jì)算余下各功基窗口的比排放量，判定時(shí)以滿足限值要求的窗口數(shù)與總窗口數(shù)之比作為功基窗口法通過率，大于或等于90%為合格。

二、車載排放測(cè)試基本原理

根據(jù)DB11/ 965-2013中規(guī)定，車載排放測(cè)試運(yùn)用PEMS作為隨車移動(dòng)式排放檢測(cè)設(shè)備，通過直接測(cè)量車輛的實(shí)時(shí)排氣流量、NOx排放污染物濃度等，結(jié)合從車輛OBD診斷口采集的車輛發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、轉(zhuǎn)速和功率等信息，量化并計(jì)算車輛實(shí)時(shí)NOx比排放量（見圖3）。該試驗(yàn)可以在道路上進(jìn)行，也可通過實(shí)驗(yàn)室用底盤測(cè)功機(jī)模擬道路阻力進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 車載排放測(cè)試系統(tǒng)原理

利用車載排放測(cè)試方法判斷重型汽車NOx排放是否達(dá)標(biāo)，通過NTE法和功基窗口法兩種判定模型進(jìn)行判斷。

三、NTE法和WBW法的適應(yīng)性分析

目前，我國重型汽車國五階段排放技術(shù)路線主要是使用選擇性催化還原（SCR）或排氣再循環(huán)（EGR）+ 通過微粒捕集器（DPF）+ 微粒催化轉(zhuǎn)換器（DOC），前者不改變柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒情況，排放的顆粒物相對(duì)較少，NOx則被NH3還原為N2和H20；后者是一種機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程中通入廢氣，可以降低缸內(nèi)氧含量和燃燒溫度，從而降低NOx排放。但由于缸內(nèi)燃燒不充分而使顆粒物排放上升，需要DOC和DPF對(duì)顆粒物氧化和捕集。

DB11/ 965-2013中規(guī)定NTE法和WBW法為評(píng)價(jià)重型汽車車載排放的方法，NTE法著重選取發(fā)動(dòng)機(jī)某負(fù)荷區(qū)域（NTE區(qū)域）內(nèi)工況點(diǎn)展開排放評(píng)價(jià)，WBW法以發(fā)動(dòng)機(jī)ETC循環(huán)功為窗口展開對(duì)其窗口內(nèi)的排放評(píng)價(jià)。下面選取兩輛重型汽車進(jìn)行分析研究，它們的后處理方式分別是SCR和EGR+DPF+DOC，依照DB11/ 965-2013中要求，在試驗(yàn)室底盤測(cè)功機(jī)上各運(yùn)行3遍C-WTVC工況循環(huán)，主要測(cè)量NOx排放情況，試驗(yàn)車輛信息和底盤測(cè)功機(jī)設(shè)定值見表1。

表1 試驗(yàn)車輛參數(shù)和底盤測(cè)功機(jī)設(shè)定值

1. NTE法適應(yīng)性分析

首先，分析NTE法測(cè)試結(jié)果，樣車1和樣車2在3次循環(huán)中共產(chǎn)生6個(gè)和9個(gè)NTE事件。每個(gè)事件內(nèi)NOx比排放量見表2和表3，從中可看到兩輛樣車在NTE事件內(nèi)NOx比排放完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求的國五限值4 g/kWh。

表2 樣車1 NTE事件NOX比排放

表3 樣車2 NTE事件NOx比排放

圖4和圖5為兩輛樣車的NTE控制區(qū)域和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速扭矩負(fù)荷點(diǎn)，圖中顯示NTE事件產(chǎn)生在發(fā)動(dòng)機(jī)中高負(fù)荷情況下，樣車1 NTE事件發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷點(diǎn)占整個(gè)試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷點(diǎn)的8.3%，樣車2為19.3%；兩輛樣車NTE事件發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷相對(duì)應(yīng)車速點(diǎn)都集中在C-WTVC循環(huán)高速階段。

圖4 樣車1 NTE控制區(qū)域

圖5 樣車2 NTE控制區(qū)域

通過計(jì)算得到樣車1整個(gè)試驗(yàn)期間NOx比排放平均值為9.63 g/kWh，樣車2為6.22 g/kWh，兩者都大于限值要求。也就是說，除NTE事件內(nèi)的NOx比排放符合標(biāo)準(zhǔn)外，事件外的工況點(diǎn)NOx比排放則大于限值要求。

從試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于C-WTVC循環(huán)城市和公路部分啟停較多，駕駛員換擋頻繁，既使發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷點(diǎn)落入NTE區(qū)域也難以維持30 s，而高速部分穩(wěn)速時(shí)間較長(zhǎng)，因而所有NTE事件都出現(xiàn)在C-WTVC高速階段，發(fā)動(dòng)機(jī)處在中高負(fù)荷。在中高負(fù)荷下，無論是EGR+DPF+DOC系統(tǒng)或者SCR系統(tǒng)都在較高的工作效率下。前者由于車輛負(fù)荷增加，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量增大，空燃比陡增。在富氧和高溫的情況下，為避免氮氧化物的形成，EGR工作效率明顯提高，試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的NTE事件工況點(diǎn)實(shí)際平均空燃比為25，非NTE事件工況點(diǎn)則為79。隨著EGR率的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比下降，缸內(nèi)燃燒溫度降低，NOx排放相應(yīng)減少。后者車輛在低負(fù)荷時(shí)，排氣溫度較低，尿素溶液無法轉(zhuǎn)換成氨氣，催化劑達(dá)不到起燃溫度，SCR系統(tǒng)無法噴射尿素，此時(shí)NOx排放量將大大增加；當(dāng)負(fù)荷變大時(shí)試驗(yàn)測(cè)得平均排氣溫度為210 ℃，達(dá)到催化劑起燃溫度，尿素溶液噴射，SCR系統(tǒng)NOx轉(zhuǎn)換效率顯著提高，NOx還原成H2O和N2。

NTE法的局限性在于較難在車輛不同負(fù)荷和不同車速下生成NTE事件。在低速負(fù)荷時(shí)無論在實(shí)驗(yàn)室底盤測(cè)功機(jī)上試驗(yàn)還是實(shí)際道路試驗(yàn)，由于啟停頻繁，很難生成NTE事件。然而在中高速負(fù)荷時(shí)，雖能生成NTE事件，但排氣凈化裝置工作效率提高，NOx比排放顯著減小，此時(shí)若評(píng)價(jià)車輛排放水平，則存在局限性。

2. WBW法適應(yīng)性分析

兩輛樣車按WBW法計(jì)算結(jié)果（見表4），3次C-WTVC循環(huán)中分別產(chǎn)生2 169和3 658個(gè)功基窗口，平均窗口持續(xù)時(shí)間為3 306 s和1 745 s，窗口范圍均能覆蓋整個(gè)C-WTVC循環(huán)，排放監(jiān)測(cè)范圍包括了所有車速點(diǎn)，能較全面監(jiān)控車輛在不同負(fù)荷下的排放情況。實(shí)際試驗(yàn)中，兩輛樣車所有有效窗口內(nèi)，NOx比排放均超過限值標(biāo)準(zhǔn)5g/kWh。

表4 WBW法計(jì)算結(jié)果

圖6 NTE事件和WBW窗口NOx平均比排放

WBW法以ETC循環(huán)功為窗口，監(jiān)控達(dá)到循環(huán)功窗口的平均比排放，包含了更多中低速、中小負(fù)荷工況點(diǎn)，這樣能較全面地反應(yīng)車輛在不同負(fù)荷下的排放情況。圖6顯示兩輛樣車雖然在NTE法中滿足限值要求，但在WBW法中均未滿足限值要求。這反映了車輛在中小負(fù)荷時(shí)排放控制裝置工作效率低、控制策略較為單薄。在用WBW法進(jìn)行判定時(shí)，窗口平均功率百分比大于20%的窗口個(gè)數(shù)要大于或者等于所有窗口個(gè)數(shù)的50%，這樣能較好地反映重型車正常實(shí)際行駛負(fù)荷，減少怠速等低負(fù)荷情況對(duì)判定結(jié)果的影響。如果測(cè)試車輛的窗口平均功率百分比未達(dá)到要求，則能以1%為步長(zhǎng)逐漸減小（最小15%）進(jìn)行判定，這樣又可對(duì)城市公交車等日常以中低負(fù)荷行駛的車輛進(jìn)行WBW法判定。NTE法因?yàn)槠涫录芄r或交通因素等影響，只能在車輛中高負(fù)荷穩(wěn)速下形成，此時(shí)的排放凈化裝置轉(zhuǎn)換效率最高，事件內(nèi)NOx平均比排放容易滿足限值要求，無法客觀地反映車輛實(shí)際排放水平。

四、結(jié) 論

NTE法適應(yīng)性主要不足之處：車輛試驗(yàn)時(shí)較難產(chǎn)生NTE事件。道路試驗(yàn)受到交通等情況影響，啟停頻繁。底盤測(cè)功機(jī)試驗(yàn)只有在最后高速階段形成2～3個(gè)NTE事件。NTE事件產(chǎn)生在排氣凈化裝置效率最高時(shí)期。車輛只有在高速公路或C-WTVC循環(huán)高速階段才能生成NTE事件。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于中高負(fù)荷狀態(tài)，滿足NOx產(chǎn)生的三要素即高溫、富氧及燃燒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，排氣凈化裝置轉(zhuǎn)化效率最高，使得車輛在NTE事件內(nèi)的NOx排放明顯優(yōu)于非NTE事件工況。

WBW法較NTE法更能客觀評(píng)價(jià)車輛的排放水平，有更好的適應(yīng)性，主要的特點(diǎn)：功基窗口法以發(fā)動(dòng)機(jī)ETC試驗(yàn)循環(huán)功為窗口，監(jiān)測(cè)窗口內(nèi)NOx排放情況。這使得車載排放試驗(yàn)和發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)存在相關(guān)性和復(fù)現(xiàn)性，為重型汽車整車排放研究提供依據(jù)。由于窗口內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷多樣性增強(qiáng)，包含更多的中低負(fù)荷，貼近車輛實(shí)際行駛狀態(tài)，能更好地綜合監(jiān)控車輛排放情況；道路試驗(yàn)受路況影響較小，節(jié)約試驗(yàn)成本。