運行工況對城市車輛PEMS測試的影響

鐘祥麟，李騰騰，于全順，張超，劉麟

中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津300300

0 引言

為了進(jìn)一步有效控制重型柴油車污染物排放，我國陸續(xù)實施了一系列排放標(biāo)準(zhǔn)，隨著重型柴油車國六排放標(biāo)準(zhǔn)全面實施，為了更好地監(jiān)管和考核車輛的真實排放，文獻(xiàn)[1]對重型車排放測試方法和限值要求更加嚴(yán)格,同時增加了便攜式排放測試系統(tǒng)(portable emission measurement system，PEMS)試驗測試項目。與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)鼓試驗相比，PEMS試驗由于采用了真實的應(yīng)用場景和道路環(huán)境，可以真實可靠地反映環(huán)境、交通、駕駛模式等因素導(dǎo)致的汽車排放變化[2-4]。

與輕型車不同，重型車的排放與車輛載荷密切相關(guān)，因此重型車輛排放評估采用了比功率排放的評價方法[5-7]，同時由于重型車輛的應(yīng)用場景不同，為了更合理地評估不同類型的重型車輛，針對不同車輛類型，文獻(xiàn)[1]對試驗路線和工況構(gòu)成進(jìn)行了區(qū)別規(guī)定。由于非城市車輛占重型車輛的大部分，針對載荷和工況對非城市車輛的排放影響研究較多[8-12]，對城市車輛的研究較少。但城市車輛相對較低的車速和負(fù)載較低的運行特征將直接影響車輛排放，需要關(guān)注工況運行特征對PEMS測試結(jié)果的影響。

本文中針對城市車輛開展實際道路測試，研究不同運行工況下PEMS測試數(shù)據(jù)有效性及對排放結(jié)果的影響，為城市車輛更好滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的PEMS測試要求提供技術(shù)參考。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試驗樣車和試驗設(shè)備

本文中試驗樣車為N2 類城市車輛，后處理方式為氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)-顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)-選擇性催化還原(selective catalytic reduction,SCR)- 氨逃逸催化器 (ammonia slip catalyst,ASC)，使用的燃油、反應(yīng)劑均符合國六排放標(biāo)準(zhǔn)，整車基本參數(shù)如表1所示。

表1 車輛基本參數(shù)

采用HORIBA公司的OBS-ONE-GS12/PN車載排放測試設(shè)備對試驗樣車行駛過程中的主要排放污染物進(jìn)行測試。測試設(shè)備與整車的連接方式如圖1所示，其中GAS模塊用于氣態(tài)排放物CO、CO2、NOx測試，PN模塊用于排放中的粒子數(shù)量(particle number,PN)測試。

圖1 測試設(shè)備安裝連接示意

1.2 試驗方法

試驗車輛使用袋裝砂石作為載荷，按文獻(xiàn)[1]要求的城市車輛類別開展PEMS道路試驗。參考文獻(xiàn)[1]要求的工況分配比例(市區(qū)70%、市郊30%，允許±5%的比例偏差)和車速區(qū)間設(shè)定(市區(qū)為15～30 km/h、市郊為45～70 km/h)，并結(jié)合不同負(fù)載和車速，預(yù)設(shè)運行條件：1)空載、半載、滿載3種載荷狀態(tài)；2)設(shè)定低平均車速(城市15～20 km/h，市郊45～55 km/h)和高平均車速(城市20～30 km/h，市郊55～70 km/h)2種車速條件，共開展6種運行條件的城市車輛PEMS試驗。PEMS設(shè)備測試的排放物包括NOx、CO、CO2、PN，并通過車輛診斷系統(tǒng)同步讀取發(fā)動機數(shù)據(jù)。

本文中研究分析所用數(shù)據(jù)為文獻(xiàn)[1]定義的有效數(shù)據(jù)，即冷卻液溫度達(dá)到70 ℃以上的試驗數(shù)據(jù)。由于試驗環(huán)境、交通條件以及駕駛風(fēng)格均會對PEMS測試造成直接影響，為了保證試驗結(jié)果具有一定可比性，選擇天氣狀況比較穩(wěn)定的時間、固定的試驗路線，由同一駕駛員完成6次PEMS試驗。6次試驗的環(huán)境條件如表2所示。由表2可知：環(huán)境溫度為11～16 ℃，環(huán)境相對濕度約為20%～56%，環(huán)境條件基本穩(wěn)定。

表2 試驗環(huán)境條件

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗工況特征

6次工況組合試驗基本運行特征統(tǒng)計如表3所示。由表3可知：與文獻(xiàn)[1]要求的比例(70%市區(qū)、30%市郊)相比，實際工況時間構(gòu)成比例滿足不超過±5%的偏差限定，符合要求；市區(qū)階段平均車速滿足試驗方法預(yù)設(shè)的低、高速條件，市郊工況時，由于受所選試驗路段交通影響，高車速設(shè)定試驗時平均車速并未達(dá)到預(yù)先設(shè)定的速度(55～70 km/h)，但不會影響后續(xù)試驗分析結(jié)論。

表3 基本工況特征統(tǒng)計

不同試驗時的車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速曲線如圖2～4所示。由圖2～4可知，半載、低速試驗時在市區(qū)路段的發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速約為1100 r/min，而空載和滿載低速試驗時的平均轉(zhuǎn)速約為1600 r/min，半載、低速試驗時發(fā)動機轉(zhuǎn)速明顯偏低。如果駕駛擋位相同，相同車速條件下，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速也應(yīng)基本相同。根據(jù)表3可知，低車速時3種載荷試驗的市區(qū)階段平均車速基本相同(約為19 km/h)，因此不同換擋策略是導(dǎo)致低車速時發(fā)動機轉(zhuǎn)速不同的原因。

a)車速 b)發(fā)動機轉(zhuǎn)速

a)車速 b)發(fā)動機轉(zhuǎn)速

a)車速 b)發(fā)動機轉(zhuǎn)速

2.2 試驗排溫特征

本文中采用DOC前排溫作為發(fā)動機初始排溫。發(fā)動機排溫與車輛的車速和載荷直接相關(guān)，并影響后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率。研究表明：對于SCR系統(tǒng)，溫度為300～450 ℃時，NOx的轉(zhuǎn)化效率隨溫度升高而增大，并逐漸趨于穩(wěn)定；溫度低于 250 ℃時，NOx的轉(zhuǎn)化效率迅速下降[13-15]。因此排溫對NOx排放的影響較大。

通過試驗對比分析不同車速和載荷時的發(fā)動機排溫，為更清晰地對比排溫變化，對排溫數(shù)據(jù)做了30 s滾動平均處理。

2.2.1 不同工況條件對排溫的影響

根據(jù)車速設(shè)定不同，對車輛不同載荷試驗的初始排溫對比分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5a)可知，低車速設(shè)定試驗時，在市區(qū)工況，如果排除半載低速工況時由于駕駛因素造成排溫明顯偏低的這一組數(shù)據(jù)，滿載排溫平均約為180 ℃，空載排溫平均約為170 ℃，滿載高于空載，但在市郊工況載荷變化對于排溫沒有明顯影響。由圖5b)可知，高車速設(shè)定試驗時，無論市區(qū)還是市郊工況，載荷變化對于排溫都沒有明顯影響。

a)低速 b)高速

車速和載荷的增加均使發(fā)動機負(fù)荷加大，排溫升高，車輛在低車速工況運行時，發(fā)動機負(fù)荷較小，缸內(nèi)溫度較低，車輛載荷變化使發(fā)動機負(fù)荷變化相對較大，因此在排溫變化有一定體現(xiàn)；高車速時，發(fā)動機負(fù)荷已經(jīng)進(jìn)入較高狀態(tài)，排溫相對較高，接近最高溫度，此時車輛載荷的變化對排溫的影響效果不明顯。

2.2.2 相同載荷不同車速對排溫的影響

排除換擋策略不同的半載低速試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)空載和滿載2種設(shè)定，對比分析不同車速試驗時的初始排溫，如圖6所示。

a)空載 b)滿載

由圖6a)可知：在市區(qū)工況時，空載、高速條件下平均初始排溫約為190 ℃，而空載、低速時的平均初始排溫約為170 ℃；但在市郊工況時，車速變化對排溫沒有明顯影響。由圖6b)可知：滿載條件下，無論是市區(qū)還是市郊工況，車速變化對排溫沒有明顯影響。

與前面的分析類似，當(dāng)空載、低速時，發(fā)動機負(fù)荷較小，排溫較低，提高車速會使發(fā)動機負(fù)荷增大，從而使排溫升高；滿載或者高速時，發(fā)動機的負(fù)荷較高，排溫相對較高，接近最高溫度，此時車速和載荷的變化對排溫影響不明顯。

綜上，市區(qū)工況，滿載或者高車速時，排溫相應(yīng)較高，車速對排溫的影響大于載荷對排溫的影響；市郊工況，由于發(fā)動機負(fù)荷處于較高狀態(tài)，排溫相對較高，接近最高溫度，車速和負(fù)載的變化不會使排溫有明顯差異。

2.3 功基窗口分析

依據(jù)發(fā)動機在臺架瞬態(tài)試驗循環(huán)(world harmonized transient cycle ，WHTC)所做的功把車載排放數(shù)據(jù)劃分為不同窗口進(jìn)行計算的方法稱為功基窗口法，其基本原理為：以WHTC瞬態(tài)循環(huán)功為基準(zhǔn)，將試驗有效數(shù)據(jù)劃分為不同窗口子集，將窗口按與數(shù)據(jù)采集頻率相等的時間步長進(jìn)行平移劃分，按文獻(xiàn)[1]要求，窗口平均功率百分比(窗口平均功率與發(fā)動機最大功率的比)大于20%的窗口為有效窗口，有效窗口占窗口總數(shù)的比例應(yīng)控制在 50% 以上，若不滿足可降低功率閾值，但最小不能低于10%，如果在最低功率閾值下，有效窗口的比例仍小于50%，則判定試驗無效。

采用功基窗口法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，考慮到PEMS試驗不能完全重復(fù)的特點，僅對于窗口功率比和窗口比排放變化規(guī)律進(jìn)行定性分析，不做定量對比。為便于直觀對比，采用無量綱的一致性因數(shù)(conformity factor，CF)來表示各污染物窗口比排放，排放CF結(jié)果由窗口各排放物的比排放除以相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中的限值得到。

不同功率閾值時有效窗口占比如圖7所示。由圖7可知：按上述有效窗口判定原則，6次試驗的有效窗口比例總體偏低，僅在高速半載和高速滿載的條件下，在接近最低有效窗口判定閾值(10%)時，有效窗口比例能夠滿足有效試驗判定要求(大于50%)。因此對于本試驗車輛，雖然工況比例滿足城市車輛試驗的分配比例，但駕駛運行方式的不同直接影響試驗的有效性判定。而且根據(jù)圖5中結(jié)果，車速對排放的影響遠(yuǎn)大于載荷，高速試驗有效窗口占比總體相對較高。

圖7 不同功率閾值時有效窗口占比

6次試驗的窗口功率比和窗口比排放CF結(jié)果對比如圖8所示。

a)窗口功率比 b)NOx排放CF結(jié)果

由圖8可知：1)車速對窗口功率比的影響遠(yuǎn)大于負(fù)載變化造成的影響，高車速能保證較高的窗口功率，更好地滿足有效窗口功率比閾值要求；同時，因為空載可能造成高車速條件也無法滿足有效試驗的窗口判定，載荷的設(shè)定在PEMS試驗中也很重要；2)NOx排放與發(fā)動機排溫相關(guān)，半載低速試驗時，市區(qū)工況的發(fā)動機轉(zhuǎn)速低于其它5次試驗，排溫最低，低排溫造成SCR轉(zhuǎn)化效率降低，NOx窗口比排放遠(yuǎn)高于其它5次試驗；因此在城市車輛進(jìn)行PEMS試驗時，市區(qū)工況車輛運行負(fù)載低，使得發(fā)動機排溫較低，此時不合理的換擋策略會進(jìn)一步影響排溫，從而影響后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率，導(dǎo)致車輛排放升高；3)車速對NOx和PN窗口比排放的影響大于負(fù)載的影響。總的來看，車速與NOx排放負(fù)相關(guān)，與PN排放正相關(guān)，即較高的車速有利于降低NOx排放，雖然可能會使PN排放小幅升高，但升高幅度較小，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值；滿載時，車速變化對排放的影響減弱；CO與NOx排放規(guī)律相似，均與車速負(fù)相關(guān)，但由于CO排放很低，可能存在較大測量誤差，規(guī)律不很明顯。

3 結(jié)論

城市車輛按文獻(xiàn)[1]要求開展PEMS測試，不同的工況選擇直接影響試驗數(shù)據(jù)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求和排放變化，應(yīng)關(guān)注運行工況的選擇和設(shè)定。

1)車速對于排溫的影響大于載荷的影響，在市區(qū)工況時更為明顯；若城市車輛能夠保持較高的排溫，使后處理系統(tǒng)保持在較好的工作狀態(tài)，在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的前提下，城市車輛可以選擇較大的負(fù)載和較高的平均車速進(jìn)行PEMS試驗。

2)車速對窗口功率的影響遠(yuǎn)大于負(fù)載變化造成的影響，高車速能保證窗口功率比更好地滿足有效窗口功率閾值要求，但低載荷或空載也可能造成高車速條件無法滿足有效試驗判定。

3)車速對排放的影響大于負(fù)載的影響，較高車速以及適當(dāng)加載可以保證合理的后處理系統(tǒng)溫度和發(fā)動機工況狀態(tài)，有利于保證PEMS試驗滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；但不合理的換擋策略可能造成排放升高。

4)城市車輛固有的低速、平均負(fù)載低的運行工況特征，為PEMS試驗滿足標(biāo)準(zhǔn)要求增加了難度，因此進(jìn)行PEMS試驗時應(yīng)合理選擇負(fù)載及平均車速。