基于CO2窗口法的在用柴油公交車NOx排放評估方法研究

楊保華1，杜騫2，崔煥星2，陸憲忠2，王明達(dá)

(1.山東省機(jī)動車排污監(jiān)控中心，濟(jì)南 250000；2.濟(jì)南汽車檢測中心有限公司，濟(jì)南 250102； 3.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

0 引言

近年來，隨著車輛保有量增加，機(jī)動車排放對大氣環(huán)境的污染也愈發(fā)顯著。雖然柴油車市場保有量占比較小，但其氮氧化物(NOx)的排放量接近汽車總排放量的70%[1]。公交車作為城市通勤的主要交通工具，燃料類型多為柴油，通行于人群密集的城市區(qū)域，其污染物排放直接影響城市空氣質(zhì)量和人群身體健康。此前已有多位研究者采用不同的手段對城市公交車污染物排放水平進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)公交車在擁堵路段的一氧化碳(CO)、總碳?xì)?THC)和NOx排放較順暢路段明顯增加，而不帶后處理的國III車輛NOx排放比國III的發(fā)動機(jī)臺架測試排放限值分別高出60%和120%，而帶有后處理的國IV車輛NOx排放更是高出200%[2-9]。

利用便捷式排放測試系統(tǒng)(Portable Emission Measurement System, PEMS)對整車進(jìn)行排放評估，評估主要采用平均窗口法。該方法是將整車實(shí)際道路行駛時的污染物排放在一個移動的、基于發(fā)動機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)測試的循環(huán)功(功基窗口法)或循環(huán)二氧化碳(CO2)排放量(CO2窗口法)的窗口中進(jìn)行累積，以污染物比排放量滿足限值要求的窗口占總窗口的比例判定整車實(shí)際道路行駛時的污染物排放達(dá)標(biāo)與否。目前，我國重型柴油車、氣體燃料車排氣污染物車載測量方法均采用功基窗口法。該方法需依賴OBD(On-board Diagnostic System)讀取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)，計(jì)算車輛實(shí)際行駛過程中發(fā)動機(jī)做功[10-11]。目前的在用公交車存在設(shè)備陳舊、年久失修等問題，導(dǎo)致無OBD端口或OBD端口無數(shù)據(jù)發(fā)出，無法利用功基窗口法對排放進(jìn)行評價。為解決上述問題，本文探索采用CO2窗口法，無需OBD讀數(shù)，對采用實(shí)際道路排放測試方法測得的在用公交車的NOx排放結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和評價。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成

試驗(yàn)采用美國Sensors公司型號為SEMTECH-LDV的車載排放測試系統(tǒng)。其主要由排氣污染物測量單元、排氣流量測量單元、行駛工況測量單元等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)排氣污染物體積濃度、排氣質(zhì)量流量、車速、發(fā)動機(jī)運(yùn)行工況等參數(shù)的實(shí)時測量和記錄。測試設(shè)備性能參數(shù)如表1所示。

表1 測試設(shè)備性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)車輛

本次選取3輛相同的國IV在用公交車作為測試對象，車型為XML6700J18C，其發(fā)動機(jī)為2015年5月生產(chǎn)的YC4FA130-40柴油機(jī)。

1.3 試驗(yàn)方法

將PEMS測試系統(tǒng)安裝在待測車輛上，按載重量的50%加載，測試路線為公交車實(shí)際運(yùn)營路線，測試按照“始發(fā)站-終點(diǎn)站-始發(fā)站”順序進(jìn)行。測試過程中車輛正常到站停車，行駛車速、停站時間等均按實(shí)際運(yùn)營中情況確定，其間實(shí)時記錄測量數(shù)據(jù)。每個樣本測試時間約1.5 h，行駛里程30～40 km。測試實(shí)車如圖1～2所示，測試路線如圖3所示。

試驗(yàn)中，按1 Hz記錄并處理測量數(shù)據(jù)，包括排氣污染物體積濃度、排氣質(zhì)量流量、車速等。

2 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算及評價

利用CO2窗口法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2.1 CO2窗口法

CO2窗口法是以發(fā)動機(jī)臺架瞬態(tài)測試循環(huán)(European transient cycle，ETC)的CO2排放量代替循環(huán)功對整車測試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。CO2窗口如圖4所示。

CO2窗口大小計(jì)算公式如下：

mCO2(t2,i)-mCO2(t1，i)≥mCO2,ref

(1)

式中：mCO2(tj,i)是指從測試開始到時間tj,i之間發(fā)動機(jī)所排出的CO2總質(zhì)量，kg；mCO2,ref是指發(fā)動機(jī)在瞬態(tài)測試循環(huán)(ETC)中所排出的CO2質(zhì)量，kg。

基于CO2質(zhì)量的每個窗口的污染物窗口排放量計(jì)算公式如下：

egas=m/(mCO2(t2,i)-mCO2(t1，i))

(2)

每一單獨(dú)的平均窗口和每一單獨(dú)的污染物都應(yīng)按照下式計(jì)算在用符合性因子：

FCO2=egas,i/(mL/mCO2,ref)

(3)

式中：FCO2為在用符合性系數(shù)；egas,i為i類污染物基于CO2窗口的排放量，mL為ETC循環(huán)適用限值一致的氣體污染物排放質(zhì)量，g。

2.2 CO2在用符合性系數(shù)計(jì)算

利用CO2窗口法計(jì)算公交車的NOx排放。首先通過查閱發(fā)動機(jī)型式檢驗(yàn)報(bào)告獲取被測發(fā)動機(jī)ETC測試的循環(huán)功和CO2排放質(zhì)量，NOx在國IV階段的瞬態(tài)循環(huán)排放限值為3.5 g/(kW·h)。3輛車所需的基本參數(shù)和計(jì)算結(jié)果相同：發(fā)動機(jī)功率為90 kW，ETC循環(huán)功為16.5 kW·h，ETC循環(huán)下CO2排放量為12.1 kg，NOx限值為3.5 g/(kW·h)。

利用公式(1)、(2)和(3)計(jì)算在用符合性系數(shù)FCO2，結(jié)果如圖5所示。

通過計(jì)算， 3輛公交車的NOx排放在用符合性系數(shù)FCO2為3.56～5.78。

2.3 結(jié)果評價方法

目前我國沒有國Ⅳ及以前在用車輛排放限值，基于上述方法和計(jì)算結(jié)果對在用車輛排放進(jìn)行評價，首先要確定FCO2限值。

對基于功基窗口法的整車NOx排放限值和基于ETC循環(huán)的發(fā)動機(jī)臺架NOx限值做一個比較，在此定義兩者的比值為功基符合性系數(shù)Fwork。

Fwork=mwork,i/md

(4)

式中：mwork,i為第i個功基窗口的污染物排放因子，g/(kW·h)；md為ETC循環(huán)下d類污染物的限值，g/(kW·h)。

利用3輛國IV公交車的數(shù)據(jù)分別計(jì)算Fwork和FCO2。2種符合性系數(shù)比較結(jié)果見圖6～8。

對我國現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)中的NOx限值進(jìn)行比較，如表2所示。表2中的WHTC為世界統(tǒng)一瞬態(tài)測試循環(huán)(World harmonized transient cycle)。

表2 各類標(biāo)準(zhǔn)中功基符合性系數(shù)比較[12-15]

可見，不同排放階段的功基符合性系數(shù)Fwork為1.5～2.5，其中第Ⅳ階段Fwork為2.0。2種符合性系數(shù)置信水平計(jì)算值如表3所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，F(xiàn)work與FCO2在置信水平為0.95時，其置信區(qū)間為0.98～1.12，均值為1.05，得到如下關(guān)系：

Fwork=1.05FCO2

(4)

從而第Ⅳ階段FCO2為1.9。利用這個限值對所測3輛國IV車進(jìn)行排放評價，結(jié)果見表4。其中，在用90%值為90%窗口滿足的符合性系數(shù)。

表3 兩種符合性系數(shù)置信水平計(jì)算值

表4 實(shí)測車輛排放評價數(shù)據(jù)

3結(jié)論

現(xiàn)階段，平均窗口法廣泛應(yīng)用于整車的排放評估，其計(jì)算方法可分別基于功的窗口法或基于CO2的窗口法。本文依據(jù)整車PEMS測試規(guī)程，基于CO2窗口法評估整車NOx排放狀況，通過與功基窗口法評估結(jié)果對比，確定CO2窗口法符合性因子。

基于車載排放測試數(shù)據(jù)采用CO2窗口法對3輛在用公交車進(jìn)行排放評估，計(jì)算得到其NOx排放在用符合性系數(shù)在3.56～5.78之間，通過統(tǒng)計(jì)得出功基符合性系數(shù)Fwork與CO2符合性系數(shù)FCO2之間的關(guān)系，得出Ⅳ階段新車限值FCO2為1.9。利用該限值，可基于CO2窗口法對在用車排放達(dá)標(biāo)情況進(jìn)行判定。

本文給出的基于CO2窗口的在用車輛排放的測試和評價方法，為未來相關(guān)研究和政策標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了可參考依據(jù)。