基于OBD在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的國(guó)五公交車 排放特性分析

張 超，田 霖，于全順，高忠明，王雪峰

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300）

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，重型商用車的數(shù)量越來越多，車輛尾氣排放逐漸成為污染的主要來源之一，尤其是市內(nèi)公交車對(duì)城市環(huán)境和居民健康造成了嚴(yán)重的威脅。為了解決重型車的排放污染問題，我國(guó)分階段實(shí)施了排放法規(guī)，限制重型車的污染物排放，多種技術(shù)路線應(yīng)運(yùn)而生，由此產(chǎn)生了具有不同后處理方式的車輛同時(shí)運(yùn)行的現(xiàn)象。我國(guó)自2016年4月1日起開始分區(qū)域?qū)嵤C(jī)動(dòng)車國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)，滿足國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油公交車得到推廣使用，主要運(yùn)營(yíng)在北京、上海等城市。國(guó)五階段城市公交車的后處理技術(shù)主要有選擇性催化還原系統(tǒng)（Selective Catalytic Reduc- tion, SCR）和廢氣再循環(huán)系統(tǒng)（Exhaust Gas Reci- rculation, EGR）+氧化型催化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）+柴油機(jī)顆粒捕捉器（Diesel Partic- ulate Filter, DPF）兩種，同時(shí)還有大量天然氣公交車投入市場(chǎng)，產(chǎn)生了三種主要的減排技術(shù)路線。

柴油機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，其加速、減速、冷起動(dòng)等轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩急劇變化的瞬變工況占有很高比例，需要對(duì)該類瞬變工況的排放特性進(jìn)行研究。對(duì)現(xiàn)代車用柴油機(jī)而言，其主要有害排放有顆粒和氮氧化物NO，現(xiàn)階段對(duì)柴油機(jī)瞬變工況的控制及排放的測(cè)量極為重要。李孟良等基于整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)，測(cè)試了安裝有 SCR系統(tǒng)的常規(guī)公交車和混合動(dòng)力公交車在中國(guó)城市公交車測(cè)試循環(huán)（China City Bus Cycle, CCBC）下的排放，發(fā)現(xiàn)該循環(huán)下混合動(dòng)力公交車排溫較常規(guī)動(dòng)力公交車更低，NO排放更高。張會(huì)松等采用車載排放測(cè)試系統(tǒng)開展了城市實(shí)際道路排放測(cè)試，研究了法定污染物排放特征，并實(shí)際測(cè)試了選擇性催化還原裝置對(duì)典型柴油大型客車NO排放的影響?，F(xiàn)有大多數(shù)的研究是基于實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)鼓法和車載排放法進(jìn)行的，不能夠反映長(zhǎng)期的、大樣本的公交車工況和環(huán)境因素對(duì)后處理系統(tǒng)運(yùn)行情況的影響。因此，對(duì)重型柴油車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，尋找降低瞬變工況排放的途徑是非常有必要的。

車輛監(jiān)控實(shí)現(xiàn)重型柴油車的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包含車輛位置監(jiān)控和相關(guān)參數(shù)監(jiān)控。位置監(jiān)控在地圖上顯示車輛的實(shí)時(shí)位置；參數(shù)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)車輛相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)展示，實(shí)現(xiàn)車輛歷史狀態(tài)的回放，包含位置回放和車輛參數(shù)回放。位置回放在地圖上顯示過去某一時(shí)刻車輛的位置，參數(shù)回放通過曲線實(shí)現(xiàn)車輛過去某一時(shí)刻運(yùn)動(dòng)狀態(tài)回放。排放和油耗實(shí)時(shí)抓取根據(jù)基于功基窗口法、短行程法的排放法規(guī)方法的思路，進(jìn)行窗口的提取，將窗口排放結(jié)果與排放限值進(jìn)行對(duì)比，提取高排放窗口。同時(shí)掌握各終端數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)和故障情況，保證在車輛行進(jìn)過程中數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和數(shù)量。

本文基于車載診斷系統(tǒng)（On Board Diagnostics,OBD）遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析A地區(qū)國(guó)五階段經(jīng)不同后處理方式得到的城市公交車的NO排放特性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本研究在運(yùn)營(yíng)車輛上安裝OBD遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，該終端集成了NO傳感器、溫度傳感器、GPS定位傳感器以及通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service, GPRS）通訊模塊，可以實(shí)時(shí)采集車輛運(yùn)行過程中的各項(xiàng)參數(shù)，設(shè)備如圖1所示。各項(xiàng)數(shù)據(jù)通過GPRS通訊模塊傳輸至監(jiān)控平臺(tái)的服務(wù)器上，可以通過監(jiān)控平臺(tái)導(dǎo)出車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)。本研究選取的三輛公交車的具體參數(shù)如表1所示。

圖1 OBD遠(yuǎn)程監(jiān)控終端

表1 實(shí)驗(yàn)樣車參數(shù)

1.2 測(cè)試方案

本試驗(yàn)克服了以前實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短（通常約為1～2 h）的不足，本實(shí)驗(yàn)選取A市實(shí)際運(yùn)營(yíng)的3輛公交車為樣本，選取運(yùn)營(yíng)時(shí)間均為2020年4月7日零時(shí)至2020年4月10日零時(shí)，三輛公交車的運(yùn)行里程均超過200 km。每輛公交車的GPRS通訊模塊以1 Hz的頻率將采集數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)服務(wù)器。

理論上采集的數(shù)據(jù)越多，結(jié)果越準(zhǔn)確，但是由于試驗(yàn)條件的限制，采集的數(shù)據(jù)有限。剔除NO傳感器失效時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0的數(shù)據(jù)點(diǎn)；經(jīng)過三天的數(shù)據(jù)采集，天然氣公交車獲得有效數(shù)據(jù)點(diǎn)為61 912個(gè)，后處理方式為SCR+ DPF+ EGR的公交車獲得有效數(shù)據(jù)點(diǎn)為93 209個(gè)，后處理方式為SCR的公交車獲得的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)為24 599個(gè)。其中主要采集的參數(shù)有發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、發(fā)動(dòng)機(jī)凈輸出扭矩、NO排放濃度、SCR出口溫度、進(jìn)氣流量、噴油量等參數(shù)。

2 數(shù)據(jù)處理方法

排放速率是指單位時(shí)間內(nèi)向大氣中排放污染物的量，這是國(guó)家環(huán)保部根據(jù)實(shí)際情況對(duì)各個(gè)行業(yè)污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)做的規(guī)定限值，以此來保證空氣質(zhì)量。

通過氮氧化物傳感器收集到的NO單位為ppm，為了更加直觀地分析氮氧化物的排放情況，需要將ppm轉(zhuǎn)換為g/s，單位的轉(zhuǎn)換公式如下。

式中，為排氣組分密度和稀釋排氣密度比；為排氣組分平均濃度；為總稀釋排氣質(zhì)量；為采樣頻率，Hz；為測(cè)量次數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 車輛行駛工況和NOx排放的關(guān)系

行駛工況按照車輛加速度劃分為怠速工況（速度為0 km/h）、加速工況（瞬時(shí)加速度大于0.1 m/s）、勻速工況（瞬時(shí)加速度的絕對(duì)值小于等于0.1 m/s）和減速工況（瞬時(shí)加速度小于-0.1 m/s）。三輛公交車在不同工況下NO的排放速率如圖2所示，三輛大型客車NO的排放速率在加速工況下均表現(xiàn)出最高的NO排放速率，怠速工況下則排放速率最低，且后處理方式為SCR的公交車在總體上的排放速率最高，表明單一的SCR后處理方式有待改進(jìn)。后處理方式為EGR+DOC+DPF的公交車表現(xiàn)出較低的排放速率，被認(rèn)為在研究范圍內(nèi)最優(yōu)的后處理方式。在加速和減速的行駛工況下，三輛公交車車的排放速率呈現(xiàn)SCR＞天然氣＞EGR+DOC+DPF的趨勢(shì)，且減速的變化幅度小于加速行駛工況的。在勻速行駛工況下，三輛公交車的排放速率呈現(xiàn)SCR＞EGR+ DOC+DPF＞天然氣的趨勢(shì)。此外，EGR+DOC+ DPF與天然氣的后處理方式的NO排放速率較SCR分別降低64.8%與39.4%。而在怠速行駛工況下，EGR+DOC+DPF與天然氣的后處理方式的NO排放速率幾乎相同，較SCR后處理方式分別降低55.6%和55.6%。

圖2 行駛工況和NOx排放的關(guān)系

3.2 行駛速度區(qū)間和排放的關(guān)系

由于城市公交車輛的車速一般不會(huì)太高，因此將車輛行駛車速分為四個(gè)等級(jí)，分別為0 km/h～20 km/h、20 km/h～40 km/h、40 km/h～60 km/h、60 km/h以上。

由圖3所示，0 km/h～20 km/h速度區(qū)間內(nèi)SCR＞天然氣＞EGR+DOC+DPF的NO排放速率；由0 km/h～20 km/h到20 km/h～40 km/h三輛公交車的NO排放速率均呈現(xiàn)較大幅度的提升。在20 km/h～40 km/h速度區(qū)間內(nèi)三輛車NO的排放速率相對(duì)于其他速度區(qū)間排放速率最高。而在60 km/h及以上區(qū)間內(nèi)，天然氣車排放速率保持緩慢增加趨勢(shì)，其他兩輛車的NO排放速率幾乎均趨于穩(wěn)定，有呈現(xiàn)NO排放速率減少的趨勢(shì)?？傮w來看，后處理方式為SCR的公交車在0 km/h～60 km/h速度區(qū)間內(nèi)的排放速率最高，車速超過60 km/h排放速率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，后處理方式為EGR+DOC+DPF的公交車的排放速率與天然氣車輛增減趨勢(shì)相同，但其起點(diǎn)較低、增幅基本相同使得NO的排放速率依然小于其他兩輛車型，縱觀研究范圍內(nèi)的速度區(qū)間，三輛公交車的排放速率呈現(xiàn)SCR＞DOC+SCR＞EGR+DOC+DPF的趨勢(shì)。

圖3 各行駛速度區(qū)間和排放的關(guān)系

3.3 行駛速度區(qū)間比例分布

由圖3可以看出，在速度區(qū)間20 km/h～40 km/h內(nèi)車輛SCR、天然氣、EGR+DOC+DPF技術(shù)路線的NO排放速率都是較高的。因此，有必要統(tǒng)計(jì)城市公交車的不同速度區(qū)間比例，掌握較高排放速率的速度區(qū)間與城市公交車經(jīng)常運(yùn)行的速度區(qū)間，可更加有針對(duì)性地提出解決公交車NO排放較高的現(xiàn)象。

由圖4所示，在0 km/h～20 km/h的速度區(qū)間SCR后處理方式公交車、天然氣公交車和ERG+ DOC+DPF后處理方式公交車所占比例分別為30.16%、46.03%和40.06%，在0 km/h～20 km/h速度區(qū)間內(nèi)所占比例都為最高，由此看出，A市公交車的行駛車速都比較低，這可能與A市城市機(jī)動(dòng)車的數(shù)量密切相關(guān)，同時(shí)也應(yīng)該為公交車提供專用車輛路線；隨著速度區(qū)間的上升，速度區(qū)間的比例都呈現(xiàn)不同程度的下降；公交車運(yùn)行速度區(qū)間頻率一半多都位于40 km/h以下，可以為以后公交車開發(fā)特定符合此速度區(qū)間的后處理系統(tǒng)。

圖4 各行駛速度區(qū)間的比例分布

4 結(jié)論

本文基于OBD遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，分析A地區(qū)國(guó)五階段經(jīng)不同后處理方式得到的城市公交車的NO排放特性。得到以下結(jié)論：

（1）在四種行駛工況下（加速、減速、勻速以及怠速），后處理方式為SCR的公交車在總體上的排放速率最高，表明單一的SCR后處理方式有待改進(jìn)。后處理方式為EGR+DOC+DPF的公交車表現(xiàn)出較低的排放速率，被認(rèn)為在研究范圍內(nèi)是最優(yōu)的后處理方式。

（2）在0 km/h～20 km/h與20 km/h～40 km/h速度區(qū)間內(nèi)，三輛車型的NO排放速率逐漸增加并呈現(xiàn)較高水平。總體來看，后處理方式為SCR的公交車在不同速度區(qū)間內(nèi)的排放速率最高，后處理方式為EGR+DOC+DPF的公交車的NO的排放速率小于其他三輛車型。

（3）在公交車實(shí)際的運(yùn)行過程中，各速度區(qū)間的比例分布不均勻，運(yùn)行速度區(qū)間大致位于40 km/h以內(nèi)，可見推行公交車專用車道應(yīng)盡快在全國(guó)范圍內(nèi)重點(diǎn)落實(shí)，進(jìn)一步構(gòu)建“高品質(zhì)、高效率、低能耗、低污染”的綠色城市公共交通形式。