基于道路法與底盤(pán)測(cè)功機(jī)法的重型汽車污染物排放對(duì)比研究

楊聰，徐達(dá)，張凱，田健維

摘? 要：為探究采用底盤(pán)測(cè)功機(jī)法進(jìn)行道路試驗(yàn)的可能性與可行性，選擇一臺(tái)重型汽車進(jìn)行實(shí)際道路PEMS排放測(cè)試，并將道路工況在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上復(fù)現(xiàn)。對(duì)比道路法與底盤(pán)測(cè)功機(jī)法的排放測(cè)試結(jié)果，并結(jié)合試驗(yàn)工況數(shù)據(jù)分析原因。結(jié)果表明：兩種試驗(yàn)方法下，CO、NOx和CO2的排放結(jié)果偏差較小，PN排放結(jié)果偏差較大;車速及加速度的提升、行駛工況的突變、怠速及起停工況分別為CO、NOx和PN排放變差的原因。

關(guān)鍵詞：重型汽車;PEMS;底盤(pán)測(cè)功機(jī);排放

中圖分類號(hào)：U473.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ?文章編號(hào)：1005-2550（2021）04-0048-06

Comparative Study on Pollutant Emissions of Heavy-duty Vehicle Road Method and Chassis Dynamometer

YANG Cong， XU Da， ZHANG Kai ， TIAN Jian-wei

（ CATARC Automotive Test Center （Wuhan） Co.，Ltd ，Wuhan 430000， China ）

Abstract： In order to explore the possibility and feasibility of road test using chassis dynamometer method，a heavy-duty vehicle was selected for the actual road PEMS emission test， and the road conditions were reproduced on the chassis dynamometer. Compare the emission test results of road method and chassis dynamometer method， and analyze the reasons based on the test condition data. The results show that under the two test methods， the deviation of CO， NOx and CO2 emission results is small， and the deviation of PN emission results is large; the increase of vehicle speed and acceleration， sudden changes in driving conditions， idle speed and start-stop conditions are reasons for the deterioration of CO、NOx and PN emissions.

前? ?言

重型汽車因其貨運(yùn)量大、行駛里程長(zhǎng)而在汽車產(chǎn)業(yè)中占有很大保有量，同時(shí)也是機(jī)動(dòng)車排放的主要來(lái)源。為此，世界主要國(guó)家和地區(qū)相繼制定并加嚴(yán)法規(guī)來(lái)限制重型車排氣污染，然而試驗(yàn)室工況認(rèn)證的排放情況卻與汽車實(shí)際道路排放存在較大差異[1-6]。為此2018年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》中，重型汽車實(shí)際道路排放測(cè)試（PEMS）試驗(yàn)成為重型車排放的主要檢測(cè)手段。研究表明，道路交通的復(fù)雜性、車輛負(fù)載以及環(huán)境影響等均可對(duì)PEMS試驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生影響，從而增加試驗(yàn)的不確定性，降低試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性[7-13]。而轉(zhuǎn)鼓上的試驗(yàn)環(huán)境條件可控，工況穩(wěn)定，因此試驗(yàn)重復(fù)性高。如果采用底盤(pán)測(cè)功機(jī)法模擬PEMS試驗(yàn)，將實(shí)際道路測(cè)試在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，結(jié)合轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)的穩(wěn)定性與道路試驗(yàn)的實(shí)際性，就能提高PEMS試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性，從而提高試驗(yàn)效率。另外，本文從車速-時(shí)間和坡度-時(shí)間兩個(gè)維度模擬道路試驗(yàn)，提高復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)的真實(shí)性。

本文選取一臺(tái)滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油車，分別采用滿載和半載進(jìn)行PEMS試驗(yàn)，并將采集的道路工況在試驗(yàn)室進(jìn)行復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，以驗(yàn)證采用底盤(pán)測(cè)功機(jī)法進(jìn)行PEMS試驗(yàn)的可行性，并對(duì)其排放特性進(jìn)行研究。

1? ? 試驗(yàn)方案

1.1? ?試驗(yàn)車輛與測(cè)試設(shè)備

本試驗(yàn)選取一臺(tái)滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的綠化噴灑車，PEMS車輛類型為城市車輛，車輛的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1：

實(shí)際道路PEMS試驗(yàn)與試驗(yàn)室內(nèi)的底盤(pán)測(cè)功機(jī)法試驗(yàn)的排放數(shù)據(jù)均采用同一套PEMS設(shè)備進(jìn)行采集測(cè)試，PEMS測(cè)試系統(tǒng)主要包括排氣流量計(jì)模塊、氣體分析儀、顆粒物排放分析儀、OBD采集模塊與控制單元幾個(gè)部分。試驗(yàn)前車輛加載通過(guò)稱重儀測(cè)量進(jìn)行控制。本試驗(yàn)主要測(cè)試設(shè)備見(jiàn)圖1，主要參數(shù)見(jiàn)表2：

1.2? ?試驗(yàn)工況

底盤(pán)測(cè)功機(jī)法測(cè)試工況與實(shí)際道路試驗(yàn)采用同一工況，均由實(shí)際道路PEMS試驗(yàn)采集得到。測(cè)試路線由市區(qū)和市郊兩部分組成。本試驗(yàn)選擇在武漢市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)完成道路排放測(cè)試，試驗(yàn)車速-時(shí)間曲線如圖2所示。道路試驗(yàn)流程及方法依據(jù)GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》附錄K進(jìn)行。為減少環(huán)境及交通因素的影響，PEMS試驗(yàn)不考慮累積功倍數(shù)要求，從而降低試驗(yàn)的不確定性。

1.3? ?工況模型

為更真實(shí)地在底盤(pán)測(cè)功機(jī)法試驗(yàn)中模擬實(shí)際道路測(cè)試，在車速-時(shí)間維度基礎(chǔ)上建立了坡度-時(shí)間的轉(zhuǎn)鼓動(dòng)態(tài)加載模型。坡度-時(shí)間模型通過(guò)測(cè)試設(shè)備的車速-時(shí)間通道和海拔-時(shí)間通道采集數(shù)據(jù)計(jì)算得到，其計(jì)算方法為：

（1）

其中，i為坡度，單位為%;Δh為海拔增量，單位為m;ΔV為車速，單位為m/s;Δt為時(shí)間，單位為s。

1.4? ?試驗(yàn)條件及數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)按照滿載道路試驗(yàn)-滿載底盤(pán)測(cè)功機(jī)法試驗(yàn)-半載道路試驗(yàn)-半載底盤(pán)測(cè)功機(jī)法試驗(yàn)的順序進(jìn)行。為控制變量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，同載荷下的道路法試驗(yàn)與底盤(pán)測(cè)功機(jī)法試驗(yàn)前的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫、設(shè)備熱機(jī)時(shí)間和環(huán)境平均溫度均保持一致。

車輛的排放采用排放因子進(jìn)行評(píng)價(jià)，其計(jì)算方法為：

（2）

其中，Ej為污染物j的排放因子，單位為g/km;Mj為污染物j的排放總質(zhì)量，單位為g;L為試驗(yàn)總里程，單位為km。

2? ? 結(jié)果分析

2.1? ?排放結(jié)果對(duì)比

圖3和圖4分別為兩種載荷下CO和NOx的排放結(jié)果。滿載狀態(tài)下底盤(pán)測(cè)功機(jī)法的CO排放略高于道路法，半載狀態(tài)下低于道路法。滿載狀態(tài)下兩種試驗(yàn)方法的CO排放結(jié)果偏差為2.91%，半載狀態(tài)下的偏差為13.46%。滿載狀態(tài)下底盤(pán)測(cè)功機(jī)法的NOx排放高于道路法，半載狀態(tài)下略低于道路法。滿載狀態(tài)下兩種試驗(yàn)方法的NOx排放結(jié)果偏差為35.28%，半載狀態(tài)下偏差為2.89%。

圖5為兩種載荷下CO2的排放結(jié)果。由圖可知，滿載與半載狀態(tài)下兩種測(cè)試方法的排放結(jié)果都比較接近，偏差較小。滿載狀態(tài)下底盤(pán)測(cè)功機(jī)法與道路法的CO2排放結(jié)果偏差為0.92%，半載狀態(tài)下兩種試驗(yàn)方法的偏差為0.29%。

圖6為兩種載荷下PN的排放結(jié)果。由圖可知，滿載與半載下兩種測(cè)試方法的排放結(jié)果均有較大偏差，其原因?yàn)镻N排放受瞬態(tài)因素影響較大[14]。滿載狀態(tài)下底盤(pán)測(cè)功機(jī)法與道路法的PN排放結(jié)果偏差為133.38%，半載狀態(tài)下兩種試驗(yàn)方法的偏差為292.82%。

復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)的誤差來(lái)源主要是測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量重復(fù)性誤差，以及轉(zhuǎn)鼓和道路試驗(yàn)的環(huán)境條件偏差。本文中轉(zhuǎn)鼓與道路試驗(yàn)為連續(xù)進(jìn)行，且底盤(pán)測(cè)功機(jī)法試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)室未封閉，環(huán)境條件基本一致，因此本文忽略環(huán)境條件引起的試驗(yàn)結(jié)果偏差。為計(jì)算測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量重復(fù)性偏差，在復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)后進(jìn)行連續(xù)兩次C-WTVC循環(huán)工況試驗(yàn)采集排放數(shù)據(jù)，測(cè)量重復(fù)性偏差結(jié)果與復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)偏差結(jié)果匯總見(jiàn)表3。

由表3可知，滿載下CO和半載NOx的復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)偏差均小于重復(fù)性偏差，半載下CO和滿載下NOx復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)偏差均大于重復(fù)性偏差但差異較小，無(wú)論何種狀態(tài)下CO2偏差均較小，PN偏差均偏大。

2.2? ?行駛特征對(duì)排放的影響

本文以滿載狀態(tài)下實(shí)際道路試驗(yàn)為例，分析行駛特征對(duì)車輛排放的影響。圖7、圖8、圖9為CO、NOx和PN三種排氣污染物隨車輛加速度、速度的變化，圖中氣泡的大小代表三種排氣污染物的瞬時(shí)排放速率大小。污染物排放主要集中于車速20-30km/h和50-60km/h兩個(gè)速度區(qū)間內(nèi)，且集中于低加速度的區(qū)域，這是由于法規(guī)規(guī)定城市車輛PEMS試驗(yàn)的工況組成為70%市區(qū)路和30%市郊路，市區(qū)路車輛平均車速應(yīng)為15-30km/h，市郊路的平均車速應(yīng)為45-70km/h。而本試驗(yàn)對(duì)于市區(qū)段和市郊段的目標(biāo)車速為25km/h和55km/h，并盡量保持勻速行駛。

圖7顯示試驗(yàn)過(guò)程中CO排放總體變化較小，分布均勻。隨著車速的提升，以及加速度的增大，CO的排放速率略有提高。這是由于隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的提升，氧氣供應(yīng)不足，空燃比下降而燃燒不充分導(dǎo)致的。

圖8顯示NOx與車速相關(guān)性較小，高排放點(diǎn)集中于車速30-50km/h的速度段，且隨著加速度的增大排放速率有所提高。由上文可知試驗(yàn)主要工況為25km/h和55km/h下的勻速行駛，因此NOx高排放點(diǎn)為主要為車輛加速工況點(diǎn)，可見(jiàn)造成NOx排放變大的原因?yàn)楣r的突變。

圖9顯示PN與車速相關(guān)性較小，PN高排放點(diǎn)主要集中于速度低于20 km/h的速度段，且低加速度工況相比于高加速度工況PN排放速率略大，說(shuō)明車輛的怠速以及起停工況為PN排放變大的原因。

結(jié)合車速、加速度與坡度，利用機(jī)動(dòng)車比功率[15]（VSP，Vehicle Specific Power）對(duì)滿載狀態(tài)下PEMS試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行排放特性分析。VSP計(jì)算公式為：

（2）

其中，v 為車速，單位m/s;a為加速度，單位m/s2，θ 為坡度。

圖10、圖11、圖12為CO、NOx和PN三種排氣污染物的排放因子隨VSP的變化。其中，圖10和圖11顯示CO和PN的排放多為低排放點(diǎn)，個(gè)別高排放工況點(diǎn)集中于VSP值為0kW/t的區(qū)域附近。由于VSP是結(jié)合了車輛加速度和速度的參數(shù)，VSP值越大表明駕駛工況越激烈，車速越高或加速度越大，因此說(shuō)明按照國(guó)六法規(guī)進(jìn)行的重型車PEMS試驗(yàn)工況較為平和。

圖12為NOx排放因子隨VSP的變化，NOx排放多為低排放點(diǎn)，但隨著VSP值的增大，NOx高排放點(diǎn)有所增加，說(shuō)明行駛工況激烈程度的增加會(huì)一定程度地導(dǎo)致NOx排放的提高，前文得到的結(jié)論也得以印證。

3? ? 結(jié)論

1）基于車速-時(shí)間和坡度-時(shí)間兩個(gè)維度在試驗(yàn)室內(nèi)采用底盤(pán)測(cè)功機(jī)法模擬重型汽車實(shí)際道路PEMS試驗(yàn)，滿載下CO、NOx和CO2兩種試驗(yàn)方法排放結(jié)果偏差分別為2.91%、35.28%和0.92%，半載下偏差分別為13.46%、2.89%和0.29%，具有一定可行性;

2）滿載狀態(tài)下兩種試驗(yàn)方法PN排放偏差分別為133.38%，半載下為292.82%，偏差較大，可行性差;

3）重型汽車道路PEMS試驗(yàn)行駛工況平和，排放相對(duì)穩(wěn)定。車速及加速度的提升導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大、行駛工況的突變、怠速及車輛起停工況分別為導(dǎo)致CO、NOx和PN排放變差的原因。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)生態(tài)環(huán)境部，中國(guó)機(jī)動(dòng)車環(huán)境管理年報(bào)（2018）[R].北京：生態(tài)環(huán)境部，2018.

[2]Yuche Chen and Jens Borken-Kleefeld. Real-driving emissions from cars and light commercial vehicles – Results from 13 years remote sensing at Zurich/CH[J]. Atmospheric Environment， 2014， 88 ： 157-164.

[3]Georgios Fontaras et al. Development and review of Euro 5 passenger car emission factors based on experimental results over various driving cycles[J]. Science of the Total Environment， 2014， 468-469 ： 1034-1042.

[4]Merkisz J ， Pielecha J ， Bielaczyc P ， et al. Analysis of Emission Factors in RDE Tests As Well as in NEDC and WLTC Chassis Dynamometer Tests[C]// SAE 2016 World Congress and Exhibition. 2016.

[5]Environmental Science and Technology; Data on Environmental Science and Technology Described by Researchers at North Carolina State University （Variability in Light-Duty Gasoline Vehicle Emission Factors from Trip-Based Real-World Measurements）[J]. Ecology Environment & Conservation， 2016.

[6]宋彬，葛蘊(yùn)珊，尹航，楊正軍，王欣，譚建偉.行駛動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)RDE實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響研究[J].汽車工程，2018，40（04）：389-395+442.

[7]胡雅璐.重型整車道路法與轉(zhuǎn)鼓法排放測(cè)試比較研究[J].質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化，2018（03）：52-54.

[8]Sangil Kwon et al. Characteristics of on-road NO x emissions from Euro 6 light-duty diesel vehicles using a portable emissions measurement system[J]. Science of the Total Environment， 2017， 576 ： 70-77.

[9]Marina Kousoulidou et al. Use of portable emissions measurement system （PEMS） for the development and validation of passenger car emission factors[J]. Atmospheric Environment， 2013， 64 ： 329-338.

[10]余思綺，呂林，祝能.重型柴油車道路測(cè)試方法不確定因素影響研究[J].內(nèi)燃機(jī)，2016（06）：34-37+46.

[11]Varella Roberto Aliandro， Duarte Gon A§alo， Baptista Patricia， et al. Analysis of the Influence of Outdoor Temperature in Vehicle Cold-Start Operation Following EU Real Driving Emission Test Procedure. 2017， 10（2）：596-697.

[12]郭勇，李博，顏燕，高忠明.環(huán)境溫度對(duì)重型柴油車整車排放影響研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù)，2019，48（03）：64-67.

[13]姚志良，王岐東，張英志，申現(xiàn)寶，丁焰，賀克斌.負(fù)載對(duì)實(shí)際道路重型柴油車排放的影響研究[J].環(huán)境污染與防治，2012，34（03）：63-67.

[14]Optical Investigations of Soot Formation Mechanisms and Possible Countermeasures on a Turbocharged Port Fuel Injection SI Engine[J] . SAE International Journal of Engines . 2016 （4）.

[15]Trends of NO-， NO 2 -， and NH 3 -emissions from gasoline-fueled Euro-3- to Euro-4-passenger cars[J] . Norbert V. Heeb，Christian J. Saxer，Anna-Maria Forss，Stefan Brühlmann.? Atmospheric Environment . 2007 （10）.

楊? ?聰

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，本科學(xué)歷，現(xiàn)任職于中汽研汽車檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司節(jié)能排放試驗(yàn)研究部部長(zhǎng)，主要從事汽車及發(fā)動(dòng)機(jī)排放、能耗相關(guān)領(lǐng)域測(cè)試工作，已發(fā)表論文數(shù)篇。