PEMS 在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上的測(cè)量精度研究

武 鑫 鄧 蛟 錢(qián) 超 吳凱亮

（華業(yè)檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司 江蘇 蘇州 215000）

引言

近年來(lái)，隨著整車(chē)實(shí)際道路排放試驗(yàn)相繼被加入到我國(guó)GB 18352.6-2016《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》[1]、HJ 857-2017《重型柴油車(chē)、氣體燃料車(chē)排氣污染物車(chē)載測(cè)量方法及技術(shù)要求》[2]及GB 17691-2018《重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》[3]、HJ 1014-2020《非道路柴油移動(dòng)機(jī)械污染物排放控制技術(shù)要求》[4]等排放標(biāo)準(zhǔn)中，作為整車(chē)實(shí)際道路排放試驗(yàn)的主要測(cè)試工具，便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注。Gurdas S.Sandhu 等[5]研究了PEMS 對(duì)車(chē)輛排放誤差的影響因素，指出PEMS、ECU及GPS 數(shù)據(jù)之間的時(shí)間不同步會(huì)對(duì)最終的污染物排放結(jié)果及油耗帶來(lái)較大影響；楊國(guó)棟[6]利用一輛輕型柴油車(chē)對(duì)比了PEMS 和CVS（全流定容稀釋采樣系統(tǒng)）之間的差異，指出在使用PEMS 進(jìn)行排放測(cè)試時(shí)，建議增加設(shè)備擴(kuò)展系數(shù)，以增加測(cè)試結(jié)果的可行性；郭勇等[7]研究了PEMS 在不同環(huán)境下的重復(fù)性差異，指出對(duì)排放濃度較高的污染物，PEMS 的測(cè)試結(jié)果重復(fù)性較好，而對(duì)低濃度的污染物重復(fù)性較差，尤其在低溫環(huán)境下差異更為明顯。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于PEMS 測(cè)量精度的研究主要基于柴油車(chē)，基于汽油車(chē)能否取得相應(yīng)的研究成果還不得而知。為此，本文選用一輛滿(mǎn)足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車(chē)，在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上將PEMS 抽出的排氣補(bǔ)充到CVS 中，按照GB 18352.6-2016Ⅰ型試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用WLTC 循環(huán)進(jìn)行3 組排放型式認(rèn)證試驗(yàn)，對(duì)比PEMS 與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的差異，為更合理評(píng)估整車(chē)實(shí)際道路排放水平提供參考。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.1 試驗(yàn)車(chē)輛

選用一輛滿(mǎn)足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的M1 類(lèi)汽油車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)減排技術(shù)采用GDI+TWC+GPF 路線(xiàn)。車(chē)輛主要參數(shù)如表1 所示。

表1 車(chē)輛主要參數(shù)

1.2 測(cè)試設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)包含輕型底盤(pán)測(cè)功機(jī)、環(huán)境艙、全流定容稀釋采樣系統(tǒng)（CVS）、顆粒物數(shù)量（PN）排放測(cè)量設(shè)備。PEMS 包含氣體分析儀、顆粒物計(jì)數(shù)單元、排氣流量計(jì)、氣象站、OBD（車(chē)載自動(dòng)診斷系統(tǒng)）。其主要技術(shù)規(guī)格如表2 所示。

表2 測(cè)試設(shè)備主要技術(shù)規(guī)格

1.3 測(cè)試方法及判定依據(jù)

1.3.1 測(cè)試方法

首先，將PEMS 安裝在試驗(yàn)車(chē)后備箱內(nèi)，用耐高溫硅膠管將排氣流量計(jì)（皮托管）與試驗(yàn)車(chē)排氣尾管相連接。其次，在皮托管末端增加一段不銹鋼彎管，然后將彎管與全流定容稀釋采樣系統(tǒng)（CVS）的排氣管路相連接，以便降低CVS 吸力對(duì)PEMS 排氣流量計(jì)的干擾。最后，在試驗(yàn)開(kāi)始前完成對(duì)CVS 氣體分析儀和PEMS 氣體分析儀的零點(diǎn)及量距點(diǎn)檢查，并保證每次試驗(yàn)前冷卻水溫度、機(jī)油溫度都在（23±2）℃內(nèi)。

由于GPS 無(wú)法在環(huán)境艙中使用，可通過(guò)OBD 來(lái)讀取車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度等信息。按照WLTC 循環(huán)，2 套測(cè)試系統(tǒng)同時(shí)采樣記錄。

1.3.2 判定依據(jù)

根據(jù)GB 18352.6-2016 附件DD.9、DD.10 的標(biāo)準(zhǔn)要求計(jì)算由PEMS 測(cè)量的氣態(tài)污染物瞬時(shí)質(zhì)量排放（g/s）及顆粒物瞬時(shí)數(shù)量排放（#/s），對(duì)于氣態(tài)污染物，將測(cè)量結(jié)果相加得到氣態(tài)污染物總質(zhì)量排放（g），再除以底盤(pán)測(cè)功機(jī)測(cè)試的試驗(yàn)車(chē)輛行駛距離（km）。需要注意的是，由PEMS 測(cè)量的NOx排放測(cè)量結(jié)果應(yīng)進(jìn)行濕度修正；對(duì)于顆粒物數(shù)量（PN），將測(cè)量結(jié)果（#）除以底盤(pán)測(cè)功機(jī)測(cè)試的試驗(yàn)車(chē)輛行駛距離（km）。PEMS 和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得的氣態(tài)污染物比排放（g/km）以及PN 比排放（#/km）之間的差異應(yīng)滿(mǎn)足GB 18352.6-2016 附件DC.2.3 的標(biāo)準(zhǔn)要求。為了便于將PEMS 的排氣流量與CVS 的排氣流量進(jìn)行比對(duì)，需要先將CVS 的排氣流量除以稀釋系數(shù)得到稀釋前排氣流量，其中稀釋系數(shù)DF 可通過(guò)以下公式確定：

式中：CCO2、CHC、CCO分別為稀釋排氣中CO2、HC、CO的體積分?jǐn)?shù)，10-6。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氣態(tài)污染物質(zhì)量排放以及顆粒物數(shù)量排放對(duì)比

圖1 為PEMS 與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的氣態(tài)污染物質(zhì)量排放以及顆粒物數(shù)量排放相對(duì)誤差對(duì)比。

圖1 PEMS 與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的氣態(tài)污染物質(zhì)量排放以及顆粒物數(shù)量排放相對(duì)誤差對(duì)比

從圖1 可以看出，第1、第2、第3 組試驗(yàn)，PEMS的CO 質(zhì)量排放分別比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)低32.97%、28.25%、33.73%。主要原因是PEMS 中CO 分析儀的量程偏大，試驗(yàn)時(shí)測(cè)量的CO 濃度負(fù)值較多，無(wú)法真實(shí)反映整車(chē)的CO 排放水平；而3 組試驗(yàn)，PEMS 的CO2質(zhì)量排放與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)相差甚微，說(shuō)明3 組試驗(yàn)的車(chē)輛狀態(tài)都保持相對(duì)穩(wěn)定；第1 組試驗(yàn)，PEMS 的NOx質(zhì)量排放比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)高7.43%，第2、第3 組試驗(yàn)，PEMS 的NOx質(zhì)量排放分別比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)低1.66%、9.06%。原因是NOx主要來(lái)源于加速工況，PEMS 是直接采樣，采樣點(diǎn)的尾氣無(wú)法真實(shí)反映實(shí)際排放的尾氣濃度，而實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)屬于稀釋采樣，采樣點(diǎn)的尾氣更具有代表性；第1、第2、第3 組試驗(yàn)，PEMS 的PN 排放分別比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)高40.67%、45.86%、51.72%，原因是PEMS 采樣點(diǎn)更靠近汽車(chē)排氣管尾端，在冷起動(dòng)階段，PEMS易出現(xiàn)更多的PN 排放峰值。

2.2 排氣流量驗(yàn)證

圖2、圖3、圖4 分別為第1、第2、第3 組試驗(yàn)PEMS 與CVS 的排氣流量相關(guān)性。其中，y 表示PEMS 的排氣流量，x 表示CVS 的排氣流量。

圖2 第1 組試驗(yàn)PEMS 與CVS 的排氣流量相關(guān)性

圖3 第2 組試驗(yàn)PEMS 與CVS 的排氣流量相關(guān)性。

圖4 第3 組試驗(yàn)PEMS 與CVS 的排氣流量相關(guān)性。

從圖2、圖3、圖4 可以看出，PEMS 與CVS 的排氣流量跟隨性較好，但PEMS 對(duì)低速工況的測(cè)量更為敏感。原因是CVS 的排氣流量是通過(guò)稀釋系數(shù)轉(zhuǎn)換而來(lái)，而稀釋系數(shù)是一個(gè)理論配比系數(shù)，并不能代替實(shí)際水平。第1、第2、第3 組試驗(yàn)，PEMS 與CVS的排氣流量相關(guān)系數(shù)R2分別為0.893 7、0.949 8、0.936 5，但斜率無(wú)法滿(mǎn)足1.000±0.075 要求，主要是在小排氣流量區(qū)間，PEMS 的排氣流量與CVS 相差過(guò)大所致。

3 結(jié)論

1）第1、第2、第3 組試驗(yàn)，PEMS 的CO 質(zhì)量排放分別比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)低32.97%、28.25%、33.73%，未來(lái)希望能優(yōu)化PEMS 中CO 分析單元的量程。

2）第1 組試驗(yàn)，PEMS 的NOx質(zhì)量排放比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)高7.43%，第2、第3 組試驗(yàn)，PEMS 的NOx質(zhì)量排放分別比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)低1.66%、9.06%。

3）第1、第2、第3 組試驗(yàn)，PEMS 的PN 排放分別比實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)高40.67%、45.86%、51.72%。

4）PEMS 與CVS 的排氣流量相關(guān)性較好，第1、第2、第3 組試驗(yàn)，PEMS 與CVS 的排氣流量相關(guān)系數(shù)R2分別為0.893 7、0.949 8、0.936 5，但還需進(jìn)一步優(yōu)化CVS 排氣流量的計(jì)算公式，降低由計(jì)算誤差帶來(lái)的干擾。