SEMS系統(tǒng)引入機動車排放檢測可行性研究

屈小梭，陳鵬，吳倩，包鴻，白艷英，謝瓊，吉喆*

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院機動車排污監(jiān)控中心2.泛亞汽車技術(shù)中心有限公司

《中國移動源環(huán)境管理年報》（2021年）顯示，2020年我國機動車4項污染物排放總量已達1 593.0萬t，其中氮氧化物（NOx）和顆粒物質(zhì)量（PM）排放量分別為626.3萬和6.8萬t，占比較大。為控制機動車污染物排放，新車應(yīng)按照國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求進行排放測試驗證，并進行信息公開[1-2]；對于在用車，應(yīng)當(dāng)按照國家或者地方的有關(guān)規(guī)定，由機動車排放檢驗機構(gòu)定期對其進行排放檢驗[3-4]。機動車排放相關(guān)檢測較多基于實驗室固定工況和特定環(huán)境情況下開展[5]，與實際道路行駛過程污染物排放結(jié)果間存在較大差距[6-9]。我國輕型車和重型車國六排放標(biāo)準(zhǔn)中均引入了車載排放系統(tǒng)（portable emission measurement system，PEMS）的測試要求[10-12]，規(guī)定了實際行駛污染物排放試驗，以便更有效控制機動車實際排放。符合標(biāo)準(zhǔn)的PEMS測試裝置存在重量較大、價格昂貴、設(shè)置和操作較為復(fù)雜等缺點[13-14]，不利于機動車實際道路排放管控測試[15-16]。急需簡單易行的機動車實際道路行駛排放檢測工具，從而進一步滿足機動車污染防控測試的需求。因此，智能排放測試系統(tǒng)（smart emission measurement system，SEMS）在國內(nèi)外得到開發(fā)和使用。

SEMS系統(tǒng)是利用傳感器直接獲取機動車排放尾氣中相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，可以實時響應(yīng)機動車尾氣中污染物濃度變化。相比于PEMS系統(tǒng)，SEMS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、操作方便，具備機動車行駛排放監(jiān)管應(yīng)用的基礎(chǔ)。筆者通過研究國內(nèi)外SEMS系統(tǒng)研究現(xiàn)狀，并開展相關(guān)對比測試試驗，驗證SEMS系統(tǒng)引入機動車排放檢測可行性，以期提升我國機動車排放管控能力。

1 國內(nèi)外SEMS系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

SEMS系統(tǒng)主要依靠機動車尾氣污染物傳感器技術(shù)，國內(nèi)集合NOx傳感器和PM與顆粒物數(shù)量（PN）傳感器的SEMS測試研究較少，國外有部分學(xué)者開展了相關(guān)研究。

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

許雪利等[17]對比分析了基于NOx傳感器測量設(shè)備和PEMS系統(tǒng)測量車輛實際道路NOx排放量。結(jié)果表明：使用NOx傳感器測量車輛實際道路NOx排放量具備可行性和較高可信度；利用NOx傳感器測量整車實際道路NOx排放量的結(jié)果，可以真實反映車輛在實際道路的排放狀況；進行整車道路實際NOx排放試驗時，可以用NOx傳感器測量方式代替昂貴的車載排放試驗設(shè)備，能夠提高排放測試效率，降低成本。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

Durbin等[18]通過47輛重型車維修前后行車試驗和底盤測功機試驗，得出SEMS系統(tǒng)能有效識別機動車在行駛過程中的高NOx排放，價格便宜且操作方便，可推廣應(yīng)用于識別高NOx排放車輛。SEMS系統(tǒng)所測試的NOx排放量結(jié)果高于其他測試設(shè)備，總體上可以較好地識別出高NOx排放。尾氣中PM與PN排放量測試結(jié)果顯示，不同設(shè)備PM與PN排放量測試結(jié)果基本相當(dāng)，當(dāng)明確了車輛尾氣中PM與PN排放量范圍時，SEMS系統(tǒng)可以較好地應(yīng)用于重型車檢測與維護（inspection and maintenance，I/M）管理。

Sato等[19]的研究結(jié)果表明，SEMS系統(tǒng)可以被應(yīng)用于機動車運行時PM排放測試，基于數(shù)據(jù)分析可以較好地獲得尾氣中NOx排放量、氧濃度等，在高NOx排放時，SEMS的測試結(jié)果高于PEMS測試結(jié)果，總體上，二者測試結(jié)果能較好地匹配。

Yang等[20]采用SEMS和PEMS測試輕型柴油卡車行駛排放，結(jié)果表明，二者測試的NOx排放量結(jié)果差異在±10%左右，SEMS測試的PM排放量要比PEMS測試結(jié)果大3%～30%，由于基線的差異造成PN測試結(jié)果相對差異較大，SEMS系統(tǒng)用于生產(chǎn)一致性評估、法規(guī)監(jiān)管和I/M管理具有較大潛力。SEMS系統(tǒng)可以被用于篩選NOx高排放車輛，車企可將其用于用車排放的評估和驗證。SEMS系統(tǒng)在具有機動車排放數(shù)據(jù)庫的地區(qū)具有更大的應(yīng)用價值。

Leatherman等[21-23]的研究同樣表明，可利用SEMS系統(tǒng)評估實際道路行駛過程中機動車排放問題，特別是在容易出現(xiàn)排放問題的重型車管理上更具有應(yīng)用價值。

2 SEMS系統(tǒng)對比測試試驗

2.1 試驗設(shè)備

SEMS系統(tǒng)對比測試試驗采用日本特殊陶業(yè)株式會社（NTK）研發(fā)的NTK Compact Emissions Meter（NCEM）測試設(shè)備，搭載有NOx傳感器和Pegasor PN傳感器，用于測定機動車尾氣中的NOx、PM與PN排放量。應(yīng)用于對比測試的排放系統(tǒng)為日本堀場集團（Horiba）研發(fā)的PEMS測試系統(tǒng)和奧地利李斯特公司（AVL）實驗室機動車排放測試系統(tǒng)。SEMS系統(tǒng)實驗室對比測試連接安裝如圖1所示。將機動車尾氣通過排氣延長管接出，然后接入SEMS系統(tǒng)的PN與NOx傳感器、測量尾氣PN排放量的顆粒物計數(shù)器（CPC）采樣接口、PEMS采樣結(jié)構(gòu)，SEMS設(shè)備的PN傳感器分別接入汽油車顆粒物捕集器（GPF）的前后，經(jīng)過定容稀釋采樣系統(tǒng)(CVS)，最后進入AVL與Horiba臺架尾氣污染物測試系統(tǒng)。SEMS系統(tǒng)實際道路RDE道路試驗安裝是將日本Horiba的PEMS系統(tǒng)采樣接口和SEMS系統(tǒng)傳感器安裝在排氣延長管上，測量實際道路機動車排放情況。

圖1 實驗室對比測試安裝Fig.1 Laboratory comparison test installation diagram

2.2 SEMS系統(tǒng)和PEMS系統(tǒng)對比

SEMS系統(tǒng)和PEMS系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對比如表1所示。PEMS系統(tǒng)是全球范圍法規(guī)認可的RDE認證測試設(shè)備，相比于PEMS系統(tǒng)，SEMS系統(tǒng)更具推廣應(yīng)用潛力。

表1 SEMS系統(tǒng)和PEMS系統(tǒng)對比Table 1 Comparison of SEMS and PEMS

2.3 對比試驗

根據(jù)日本NTK公司在美國加利福尼亞大學(xué)河濱分校發(fā)布的SEMS技術(shù)臺架發(fā)動機臺架和底盤測功機測試對比數(shù)據(jù)[24]，在穩(wěn)定工況下，SEMS技術(shù)的NOx與PN傳感器測量結(jié)果和實驗室尾氣污染物測試系統(tǒng)測試的NOx與PN排放量結(jié)果較為一致。結(jié)果表明，在臺架研究階段，排除動態(tài)影響的穩(wěn)定工況下，SEMS技術(shù)的NOx與PN傳感器具備良好的測量準(zhǔn)確性，可以進一步實際應(yīng)用研究。因此，SEMS系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性驗證，從SEMS設(shè)備與PEMS測試結(jié)果的一致性、SEMS設(shè)備與排放臺架測試結(jié)果相關(guān)性、不同駕駛狀態(tài)SEMS設(shè)備實際道路RDE測試的可靠性3個方面開展對比試驗，試驗計劃如表2所示。對比試驗的目標(biāo)：在特定工況下，實驗室對比測試驗證SEMS的可靠性；對比測試SEMS與PEMS在不同駕駛狀態(tài)道路RDE試驗中的一致性。充分考慮測試所用循環(huán)工況、試驗環(huán)境溫度和駕駛狀態(tài)等條件。

表2 SEMS對比試驗條件Table 2 SEMS comparative analysis experiment plan

3 測試結(jié)果分析

3.1 實驗室測試結(jié)果

在環(huán)境溫度為23 ℃，采用WLTC循環(huán)工況的SEMS系統(tǒng)與PEMS系統(tǒng)對比測試結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，采用SEMS系統(tǒng)PN測試結(jié)果較為理想，與PEMS差異小于15%，二者間差異較小，PN測試具備一定的可靠性，能夠滿足SEMS系統(tǒng)進一步推廣應(yīng)用的要求。2次試驗NOx排放量測試果差異相對較大，其中一次差異接近1倍。這是由于NOx排放量測量會受到尾氣中NH3等污染物的影響，SEMS系統(tǒng)NOx模塊會識別包括NOx和NH3等含氮組分污染物，導(dǎo)致測試結(jié)果與PEMS差異較大。

表3 常溫WLTC循環(huán)PN與NOx排放量對比測試結(jié)果Table 3 Comparison of PN and NOx emission test results of WLTC cycle at room temperature

常溫WLTC循環(huán)工況對比分析試驗的PN排放測試結(jié)果分布如圖2所示。從圖2可以看出，SEMS系統(tǒng)PN和NOx排放測試結(jié)果與PEMS測試結(jié)果分布趨勢基本一致。從累計曲線可以看出，SEMS系統(tǒng)測試的PN排放量在高峰值區(qū)域高于PEMS系統(tǒng)，但在其他區(qū)域低于PEMS系統(tǒng)測試結(jié)果。PN瞬時排放濃度趨勢與PEMS較一致，差異主要發(fā)生在 Phase3 階段（1 360 s，80 km/h），此處 SEMS系統(tǒng)PN瞬時排放濃度小于PEMS測量結(jié)果的50%，導(dǎo)致總WLTC循環(huán)工況對比試驗結(jié)果有所差異。Phase1和Phase2階段SEMS系統(tǒng)與PEMS系統(tǒng)PN瞬時排放濃度和PN累計排放量測試結(jié)果基本一致。

圖2 常溫WLTC循環(huán)PN測試曲線Fig.2 PN test curve of normal temperature WLTC cycle

常溫WLTC循環(huán)工況對比分析試驗的NOx排放測試結(jié)果分布如圖3所示。從圖3可以看出，在WLTC標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下，SEMS系統(tǒng)NOx測量結(jié)果與PEMS在Phase3和Phase4階段較為一致，在Phase1和Phase2產(chǎn)生較大差異，在Phase1和Phase2階段SEMS系統(tǒng)對于NOx瞬時濃度測量值更高，這主要是由于NH3等含氮污染物排放造成的。試驗過程中不同階段NH3等排放差異較大，主要集中在前2個階段，NH3等其他含氮污染物影響到最終NOx排放量測量值。

圖3 常溫WLTC循環(huán)NOx測試曲線Fig.3 NOx test curve of normal temperature WLTC cycle

在環(huán)境溫度為23 ℃，采用WLTC循環(huán)工況的SEMS系統(tǒng)與實驗室臺架對比測試結(jié)果如表4所示。該試驗與上述PEMS對比試驗為同一組試驗。SEMS系統(tǒng)PN、NOx排放量測試結(jié)果與排放臺架及PEMS系統(tǒng)測試結(jié)果的差異基本一致。PN排放量差異比例小于15%，PM排放量差異在30%以內(nèi)。NOx排放量差異為30%～100%。

表4 常溫WLTC循環(huán)SEMS系統(tǒng)與CVS_AVL臺架試驗結(jié)果對比Table 4 Comparison of CVS_AVL bench and SEMS test results of WLTC cycle at room temperature

3.2 實際道路RDE測試結(jié)果

在環(huán)境溫度為5 ℃時，開展實際道路RDE測試試驗，對比不同駕駛狀態(tài)下，Horiba的PEMS系統(tǒng)和SEMS系統(tǒng)的PN、NOx排放量測試結(jié)果。不同駕駛狀態(tài)城市道路和總體RDE測試結(jié)果如表5所示。正常駕駛的PN測試結(jié)果較為理想，與PEMS系統(tǒng)測試結(jié)果差異為15%～30%。激烈駕駛試驗，城市道路行駛PN排放量測試結(jié)果相差較大，超過了110%，原因可能是外接采樣管的晃動導(dǎo)致排氣氣流擾動。對比發(fā)現(xiàn)，SEMS和PEMS系統(tǒng)與實際道路排放測試的NOx排放量相差較大，該現(xiàn)象與實驗室臺架試驗對比測試結(jié)果表現(xiàn)較為一致。NOx排放量測試結(jié)果差異較大的原因可能是，NOx排放量測試受到NH3等含氮污染物影響，與實驗室對比結(jié)果類似，差異在150%左右。激烈駕駛狀態(tài)NOx排放量測試結(jié)果差異最高達到369%。SEMS系統(tǒng)NOx模塊識別含氮化合物包括NOx與NH3等含氮污染物。激烈駕駛情況，造成非NOx的含氮污染物增加，導(dǎo)致SEMS測試結(jié)果與PEMS產(chǎn)生差異較大，但是二者NOx測試結(jié)果的趨勢較為一致。

表5 RDE試驗PEMS和SEMS對比結(jié)果Table 5 PEMS and SEMS comparison results of RDE experiments

3.3 對比測試分析

對比分析實驗室測試與實際道路測試，SEMS系統(tǒng)PN測試結(jié)果與臺架測試和PEMS測試結(jié)果均較為一致，趨勢基本相同，SEMS系統(tǒng)可用于測試相關(guān)PN排放。SEMS系統(tǒng)測試NOx排放量結(jié)果相差較大，但測試過程中NOx排放量分布和累計分布趨勢較為一致，可以用于相關(guān)高排放NOx車輛識別。本研究結(jié)論與Durbin等[18]關(guān)于SEMS系統(tǒng)應(yīng)用于重型車道路行駛監(jiān)管和維修項目的研究結(jié)果較為一致，監(jiān)管機構(gòu)可利用SEMS技術(shù)識別高排放車輛以及車輛排放控制技術(shù)在實際行駛過程中存在的問題。SEMS測試結(jié)果與現(xiàn)行國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的測試方法的測試結(jié)果仍有一定差異，特別是實際道路測試，無法直接應(yīng)用于監(jiān)管執(zhí)法。SEMS系統(tǒng)應(yīng)用于監(jiān)管執(zhí)法還需要配套相應(yīng)的測試規(guī)范與判別標(biāo)準(zhǔn)，并對相關(guān)測試設(shè)備開展計量認證。

4 結(jié)論

（1）SEMS測試系統(tǒng)在尾氣中PN排放量的實驗室和實際道路對比測試結(jié)果均較為接近。SEMS系統(tǒng)測試的PN與PEMS測試結(jié)果間差異為10%～30%。

（2）實驗室對比測試，SEMS系統(tǒng)NOx排放量測試結(jié)果與臺架及PEMS系統(tǒng)測試結(jié)果間差異為30%～100%；SEMS和PEMS系統(tǒng)實際道路對比測試結(jié)果差異較大，特別是激烈駕駛情況下，最大差異高達369%。

（3）測試過程中PN和NOx排放測試結(jié)果瞬時分布和累計分布趨勢較為一致，SEMS系統(tǒng)引入機動車排放檢測具備一定可行性，可用于NOx和PN高排放車輛篩查。