基于窗口平均值法的高原環(huán)境下柴油車NOx排放研究＊

陳劍杰 宋國富 李春敏 李加強 何超

（1.西南林業(yè)大學(xué)，昆明 650224；2.昆明云內(nèi)動力股份有限公司，昆明 650224）

主題詞：車載排放測試系統(tǒng) 窗口平均值法 NOx比排放 高原 柴油機

1 前言

占我國國土面積58%的高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境十分脆弱[1-2]，為保護(hù)高原生態(tài)環(huán)境，必須制定適用于高原道路（海拔1 000 m以上）的排放法規(guī)和測試方法[3]。其中，對機動車排放因子的估算[4]是機動車污染物擴散規(guī)律研究中最基本的問題之一。獲取機動車實測排放數(shù)據(jù)的方法主要有實驗室臺架模擬試驗[5-6]、隧道實測[7]、路邊采樣[8]，便攜式排放測試系統(tǒng)（Portable Emission Measurement System，PEMS）使用還較少，該系統(tǒng)可實時檢測車輛在實際道路上的尾氣排放情況，在道路環(huán)境復(fù)雜的高原路況進(jìn)行尾氣檢測時，與其他幾種方法相比更具優(yōu)勢。

在PEMS用于實際道路車輛排放特性檢測后，美國國家環(huán)境保護(hù)局采用區(qū)域達(dá)標(biāo)（Not-To-Exceed，NTE）法對不同車輛的在用符合性進(jìn)行評估[9]，而歐盟則使用窗口平均值法（Averaging Window Method，AWM）作為歐洲重型柴油車在用符合性檢測方法[10]。

本文使用PEMS在以云南為代表的實際高原山地道路開展柴油車高原環(huán)境排放特性的研究，并討論AWM計算氮氧化物比排放（brake specific emission of NOx，bsNOx）在高原環(huán)境下的適應(yīng)性。

2 試驗設(shè)備及方法

2.1 試驗路線

在試驗車輛及發(fā)動機不做改動的情況下，利用PEMS在高原山地道路進(jìn)行特定車速車載排放試驗，試驗路段為昆明-玉溪（海拔1 650～2 050 m），總路程100 km，平均坡度為0.4%（道路坡度為-2%～1%時對bsNOx影響較小[11]），如圖1所示。試驗路段包含市區(qū)道路和高速路，可在一定程度上代表柴油車在云南地區(qū)的典型行駛工況。

圖1 昆明至元江試驗路線

2.2 試驗車輛及發(fā)動機

本研究中受試發(fā)動機為YN38CR1型柴油發(fā)動機，排量為3.76 L，滿足國家第四階段機動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。該發(fā)動機安裝在滿載質(zhì)量為3.5 t的某輕型載貨汽車上。

表1 受試發(fā)動機主要技術(shù)指標(biāo)

2.3 試驗設(shè)備

采用美國Sensor公司SEMTECH-ECOSTAR車載氣體排放測試儀進(jìn)行排放測試，它包含排氣流量測量模塊、排放測量模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。

排氣流量測試模塊包括耐熱軟管和采用平均皮托管原理的尾氣加熱流量管。尾氣加熱流量管最高采樣頻率為500 Hz，有4個不同量程的壓力傳感器。

排放測量模塊主要包含氮氧化物分析儀、燃油經(jīng)濟(jì)性分析儀，它采用非分散紅外分析法（Non-Dispersive Infra-Red，NDIR）測量CO和CO2含量，采用氫火焰離子檢測器（Flame Ionization Detector，F(xiàn)ID）測量總碳?xì)浠衔铮═otal Hydro Carbons，THC）含量，采用非分散紫外分析法（Non-Dispersive Ultra-Violet analyzer，NDUV）測量NO和NO2含量，采用電化學(xué)法測量O2含量。

數(shù)據(jù)采集模塊安裝在不銹鋼外殼里，并帶有數(shù)據(jù)存儲功能。其他各模塊、大氣站、GPS、發(fā)動機電子控制單元（ECU）的信號通過連接線輸入其中。該模塊還可通過USB接口和RJ45接口（網(wǎng)線接口）與計算機連接。

2.4 試驗方法

2.4.1 平均窗口法簡介

歐盟委員會認(rèn)為NTE法并不適用于歐洲車輛，而AWM為不經(jīng)常工作在NTE法實施區(qū)域內(nèi)的發(fā)動機提供了在用符合性檢測方法[10]。AWM按照窗口對污染物排放量進(jìn)行周期性平均計算，即對從首個采樣數(shù)據(jù)點至達(dá)到參考做功量數(shù)據(jù)點間的污染物排放量求得平均比排放，得到第1個窗口的污染物排放量平均值，然后將窗口隨時間推移，按此算法得到每個窗口的污染物排放量平均值。每個窗口的起始數(shù)據(jù)點的移動步長取決于PEMS的采樣頻率，每個窗口的長度由累計功是否達(dá)到參考做功量決定。參考做功量稱為窗口大小，一般取發(fā)動機歐洲瞬態(tài)循環(huán)（European Transient Cycle，ETC）做功量作為該參考量[11-16]。

浮標(biāo)是一種對水文氣象環(huán)境進(jìn)行長期、定點、實時、立體監(jiān)測的重要設(shè)備。富春江浮標(biāo)站主體為船型結(jié)構(gòu),可測量江面溫濕度、雨量、風(fēng)向風(fēng)速、氣壓、富春江水溫、流速8個氣象要素數(shù)據(jù)。浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)是浮標(biāo)采集系統(tǒng)的載體。它是由浮標(biāo)體、錨系等組成。浮標(biāo)體為船型鋼制框架結(jié)構(gòu),長4 m,寬2 m,吃水1 m。

2.4.2 窗口平均值原理

通過數(shù)據(jù)采集模塊以1 Hz的頻率收集發(fā)動機ECU數(shù)據(jù)，并利用發(fā)動機轉(zhuǎn)速N、發(fā)動機扭矩T和時間i計算瞬時做功量。然后從數(shù)據(jù)集中的每個時刻ix開始，隨著時間向下將每個時刻的瞬時做功量相加，直到累積的功Wy-x達(dá)到要求，此時時刻為iy。累積的做功量為：

式中，Wy-x為第x個平均窗口的發(fā)動機循環(huán)功。

本研究使用ETC循環(huán)功作為工作窗口，故累積功Wy-x的要求為：

式中，Wref為ETC的循環(huán)功。

隨著窗口的移動，得到排放數(shù)據(jù)的子集稱為“平均窗口”，每個平均窗口的污染物比排放為：

式中，m為各污染物的排放量。

3 試驗結(jié)果及其分析

3.1 PEMS數(shù)據(jù)分析

利用車輛道路尾氣排放試驗得到昆明至元江路段發(fā)動機及NOx排放實時數(shù)據(jù)，時長5 000 s。經(jīng)過降噪處理，車速及發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨時間的變化情況如圖2所示，可以看出，車速及發(fā)動機轉(zhuǎn)速在0～1 000 s內(nèi)增加，1 500～3 500 s階段波動較大，3 500～5 000 s階段較為平穩(wěn)。

圖2 車速及發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨時間的變化

圖3所示為扭矩百分比及bsNOx隨時間的變化情況。bsNOx的變化波形與扭矩百分比的變化相似且稍有滯后。在0～500 s階段，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 250 r/min，車速為60 km/h時，NOx排放因子為2 g/km；在 1 500～3 000 s階段，發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、扭矩百分比降低，bsNOx升高，低車速及低發(fā)動機轉(zhuǎn)速時會得到較高的bsNOx；在 3 500～5 000 s階段，發(fā)動機轉(zhuǎn)速 2 600 r/min，車速為85 km/h，扭矩百分比為67%，可得bsNOx約為3 g/km。

圖3 扭矩百分比及bsNOx隨時間的變化

圖4為NO2占NOx百分比隨時間的變化，波形與扭矩百分比隨時間變化相似，稍有滯后。發(fā)動機剛起動扭矩較低時，NOx中NO2含量很低；扭矩百分比波動較大時，NO2在NOx中的含量波動也較大；在扭矩百分比為80%時NO2約占NOx的28%。

3.2 窗口大小對NOx的影響

使用AWM對PEMS獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選用1/8、1/4、1/2、1、3/2、2、4、6倍的ETC循環(huán)功作為工作窗口。試驗車輛的ETC循環(huán)功為12.8 kW·h，窗口平均功率均達(dá)到發(fā)動機最大功率的20%，試驗結(jié)果有效。

圖5顯示了不同工作窗口對bsNOx結(jié)果的影響。其中，1/8倍ETC循環(huán)功（1.6 kW·h）工作窗口在測試中產(chǎn)生較高的bsNOx結(jié)果。對于小型工作窗口，發(fā)動機高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)矩周期可能產(chǎn)生較高的bsNOx，也更能反映NOx的瞬時排放情況。隨著工作窗口增大，窗口開始時刻更晚，bsNOx結(jié)果更接近恒定水平，波動減小，峰值后移，更能反映整體路況NOx排放情況，如當(dāng)工作窗口為6倍ETC循環(huán)功（76.8 kW·h）時，bsNOx曲線趨于平滑直線。

圖4 NO2占NOx百分比隨時間的變化

表2顯示了測試窗口大小與窗口持續(xù)時間和bsNOx的關(guān)系。隨著工作窗口的增大，窗口持續(xù)時間不斷增加。對于大型工作窗口，平均bsNOx值接近8.7 g/kW·h。該發(fā)動機的NOx排放限值為7 g/kW·h。

因為每組數(shù)據(jù)的平均數(shù)不同，故使用變異系數(shù)來比較數(shù)據(jù)變異程度的大?。?/p>

圖5 窗口大小對bsNOx的影響

式中，Vx為變異系數(shù)；σx為標(biāo)準(zhǔn)偏差；Ex為平均值。

由表2可知，隨著工作窗口大小的增加，窗口持續(xù)時間變異系數(shù)和bsNOx的變異系數(shù)大幅降低，這表明當(dāng)工作窗口過小時，污染物排放量的離散程度大。由此可知，要得到更為穩(wěn)定的bsNOx，工作窗口不宜過小，但也不能過大，以便在測試時段內(nèi)能夠獲得足夠數(shù)量的有效窗口，提高所測數(shù)據(jù)的利用率。

根據(jù)國家第六階段機動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿，取1倍ETC循環(huán)功作為工作窗口，得到試驗車輛高原道路環(huán)境的bsNOx為8.73 g/kW·h，高于北京市地方標(biāo)準(zhǔn)[17]的7 g/kW·h，這是高原環(huán)境下氣壓低，導(dǎo)致空氣含氧量偏低，柴油燃燒不充分造成的。這時窗口持續(xù)時間的變異系數(shù)大于15%，可能是由于海拔的變化加劇了波動，結(jié)合圖5來看，取1.5倍、2倍ETC循環(huán)功作為窗口平均做功量時，窗口持續(xù)時間適中且變異系數(shù)小于15%，同時，bsNOx曲線較為平滑，故在高原環(huán)境下取1.5倍、2倍ETC循環(huán)功作為窗口平均做功量較為合理。

表2 不同工作窗口的持續(xù)時間和bsNOx

4 結(jié)論

a.取不同大小的工作窗口，bsNOx變異系數(shù)也不同。窗口做功量越小，NOx平均比排放變異系數(shù)越大，bsNOx越離散；窗口做功量越大，bsNOx的變異系數(shù)越小，但會因此降低試驗數(shù)據(jù)的利用率。

b.符合國家第四階段機動車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)要求的柴油車使用AWM在高原環(huán)境進(jìn)行NOx排放測試時，NOx比排放結(jié)果高于國標(biāo)要求。

c.在高原條件下，為獲得變異系數(shù)較低的bsNOx值，且能提高試驗數(shù)據(jù)利用率，降低窗口時間，取1.5倍、2倍ETC循環(huán)功作為窗口平均做功量較為合理。

d.與直接分析PEMS數(shù)據(jù)相比，AWM得到的數(shù)據(jù)離散性更小，能更好地評價車輛在整個行程中污染物的排放情況。