基于PEMS與CVS的重型車污染物排放對比研究

張 超，郭冬冬，王雪峰，高忠明，于全順，鐘祥麟

基于PEMS與CVS的重型車污染物排放對比研究

張 超1，郭冬冬2，王雪峰1，高忠明1，于全順1，鐘祥麟1

（1.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300；2.北京市機(jī)動車排放管理事務(wù)中心，北京 100000）

為保證在重型柴油車實(shí)際道路中排放測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，文章基于底盤測試法，將便攜式車載排放測試系統(tǒng)（PEMS）與全流稀釋定容取樣（CVS）系統(tǒng)串聯(lián)進(jìn)行同步排放測試，對比分析車載測試設(shè)備與CVS測試結(jié)果的差異性。研究表明：由于CVS系統(tǒng)是全流稀釋采樣測試，稀釋空氣與采樣氣體的混合會對中國重型商用車瞬態(tài)工況瞬變工況（C-WTVC）的排放波動產(chǎn)生混合平均效應(yīng)，從而一定程度上會影響CVS排放測試數(shù)據(jù)與PEMS測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性結(jié)果。通過設(shè)計恒定車速穩(wěn)定工況試驗，可以在一定程度上消除CVS的稀釋效應(yīng)影響，驗證了PEMS測試結(jié)果和CVS系統(tǒng)測試結(jié)果有比較好的相關(guān)性。

重型柴油車；車載測試設(shè)備；全流稀釋定容取樣系統(tǒng)；污染物排放

隨著越來越嚴(yán)苛的汽車排放法規(guī)的發(fā)布實(shí)施，機(jī)動車排放控制技術(shù)也在不斷更新，汽車的污染物排放得到了有效的控制[1-2]。與傳統(tǒng)的車輛排放測試相比，以便攜式車載排放測試系統(tǒng)（Por- table Emission Measurement System, PEMS）為代表的新型測試技術(shù)具有精確性、便攜性、防震性、惡劣環(huán)境下適應(yīng)性和可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)，也更能反映車輛在實(shí)際行駛中的排放情況，當(dāng)前已成為車輛排放物監(jiān)測中所推崇的高效測試方式。便攜式車載測試設(shè)備與全流稀釋定容取樣（Constant Volume Sampling, CVS）設(shè)備的差異的對比研究甚少。王燕軍等[3]通過便攜式車載排放測試系統(tǒng)和整車底盤測功機(jī)對重型柴車進(jìn)行對比試驗研究，發(fā)現(xiàn)PEMS方法與重型車整車底盤測功機(jī)方法的測量結(jié)果相關(guān)性較好，對于排放濃度較低的HC和CO，二者排放因子的誤差大致在20%左右；對于濃度較高的NOX和CO2，二者排放因子的誤差不超過10%。對顆粒物排放因子的測量結(jié)果相差較大，甚至超過了50%。楊國棟[4]研究了便攜式車載排放測試系統(tǒng)測量的影響因素，通過與CVS系統(tǒng)串聯(lián)比對，發(fā)現(xiàn)車載測試設(shè)備的滿量程測量精度將導(dǎo)致較大的測量誤差。郭勇等[5]基于帶環(huán)境倉的底盤測功機(jī)，采用4種PEMS設(shè)備對同一車輛進(jìn)行排放檢測，研究不同環(huán)境條件下，各PEMS設(shè)備對CO2、CO、NOX、PN污染物排放測試重復(fù)性。武鑫等[6]研究了PEMS測試設(shè)備在底盤測功機(jī)上的精度，發(fā)現(xiàn)PEMS與CVS的測量結(jié)果中CO的偏差較大。綜合以上研究，本文基于底盤測試法，將PEMS與CVS系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)進(jìn)行同步排放測試，將車輛按照中國重型商用車瞬態(tài)工況測試工況（China World Transient Vehicle Cycle, C-WT- VC）與特定的恒速穩(wěn)態(tài)實(shí)驗運(yùn)行，同步開始采集排氣污染物，比對以上兩種排放測試系統(tǒng)的污染物排放情況，查找異同以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。該研究對PEMS設(shè)備在中國第六階段排放測試中的應(yīng)用具有重要的借鑒意義。

1 實(shí)驗設(shè)備及方案

1.1 試驗車輛與試驗設(shè)備

本文所用車載排放測試系統(tǒng)與全流稀釋采樣分析系統(tǒng)均為日本 HORIBA公司生產(chǎn)的OBS- ONE系列產(chǎn)品，主試驗設(shè)備和試驗車輛如圖1所示。試驗設(shè)備基本信息見表1；車輛及發(fā)動機(jī)基本信息如表2和表3所示；試驗室環(huán)境條件如表4所示。

表1 PEMS設(shè)備測試原理及基本信息

項目基本信息 測試組份COCO2NOXPN 測量原理加熱型NDIR加熱型NDIR加熱型CLD方法CPC 量程0～10%0～20%0～3 000 ppm0～5×107#/cm3

表2 車輛基本信息

車輛類型N2（非城市車輛） 車輛總質(zhì)量/kg4 495 整車整備質(zhì)量/kg3 550 外形尺寸/mm5 995×2 400×3 330 后處理型式DOC+DPF+SCR+ASC

表3 發(fā)動機(jī)基本信息

參數(shù)名稱參數(shù)值 最大凈功率/轉(zhuǎn)速/kW/(r·min?1)110/2 800 最大扭矩/轉(zhuǎn)速/(N·m)/(r·min?1)375/1 280～2 800 燃油類型柴油 排量/L2.999 WTHC循環(huán)功/kW8.68 最大凈功率/轉(zhuǎn)速/kW/(r·min?1)110/2 800

表4 試驗環(huán)境條件

試驗項環(huán)境溫度/℃環(huán)境濕度/%大氣壓力/kPa C-WTVC27.233.3101.1 恒速穩(wěn)態(tài)試驗26.434.5100.9

1.2 試驗方法

1）試驗之前首先將設(shè)備充分預(yù)熱，大約40分鐘，等設(shè)備工作穩(wěn)定后，用混合氣和零氣對設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定；

2）試驗車輛在轉(zhuǎn)股上的負(fù)荷比例按滿載（4 495 kg）調(diào)整；

3）試驗前車輛在80～100 km/h條件下在轉(zhuǎn)鼓運(yùn)行進(jìn)行車輛預(yù)熱處理，約30分鐘；

4）熱車條件下，開展穩(wěn)態(tài)（20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h）試驗，按車速從高到低，再從低到高的試驗順序，完成試驗，每一車速工況點(diǎn)穩(wěn)定8分鐘，試驗連續(xù)數(shù)據(jù)采樣，工況切換階段造成的瞬態(tài)波動數(shù)據(jù)不參與數(shù)據(jù)分析；

5）熱車條件下，開展C-WTVC試驗循環(huán)瞬態(tài)試驗，對比研究CVS排放設(shè)備與PEMS試驗設(shè)備的測試結(jié)果；

6）穩(wěn)態(tài)試驗和瞬態(tài)試驗過程中，利用PEMS測試設(shè)備和CVS排放測試設(shè)備同步進(jìn)行排放測試，測試排放物包括NOX、CO、CO2、PN，以及利用PEMS設(shè)備通過車輛診斷口同步讀取發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)，所讀取數(shù)據(jù)主要包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、實(shí)際輸出扭矩百分比、摩擦扭矩百分比、參考扭矩、燃油消耗量、車速等；

7）PEMS設(shè)備試驗完成之后，同樣需通混合氣和零氣對設(shè)備進(jìn)行漂移檢查，檢查結(jié)果應(yīng)小于滿量程的2%，否則試驗無效或?qū)?shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 瞬態(tài)結(jié)果分析

2.1.1CO2瞬態(tài)排放比較

測試樣車在運(yùn)行C-WTVC工況循環(huán)狀態(tài)下，0－900 s工況對應(yīng)為城市工況循環(huán)；901－1 368 s對應(yīng)為郊區(qū)工況循環(huán)；1 369－1 800 s對應(yīng)為高速工況循環(huán)。PEMS與CVS測試系統(tǒng)連續(xù)采樣的各種排放污染物瞬態(tài)質(zhì)量比對結(jié)果如圖2、圖3所示，總體上PEMS較CVS所測得的CO2的瞬時排放量的差異性較小，總體差異性小于10%，其中0－1 300 s區(qū)間內(nèi)二者的CO2的瞬時排放結(jié)果一致性較好，但1 300－1 800 s區(qū)間（高速工況）內(nèi)一致性稍差。

圖2 C-WTVC循環(huán)CO2瞬態(tài)排放

圖3 CVS與PEMS的CO2數(shù)據(jù)相關(guān)性

2.1.2NOX瞬態(tài)排放比較

NOX瞬時排放的結(jié)果如圖4、圖5所示，PEMS 與CVS分別所測得的NOX的瞬時排放量的一致性較好，整個循環(huán)工況下二者總體的差異性小于15%，其中在0－300 s，900－1 800 s區(qū)間內(nèi)二者結(jié)果吻合情況較好，但300－900 s區(qū)間內(nèi)略差，這主要是因為300－900 s時間內(nèi)車速變化幅度較大，NOX的排放主要來源于加速工況，加減速時排氣濃度不均，而PEMS為直接采樣，受采樣位置的影響較大，采樣點(diǎn)的樣氣未必能夠真實(shí)有效地代表實(shí)際排放的尾氣濃度，全流稀釋定容取樣系統(tǒng)屬于稀釋采樣，采樣測量的污染物濃度更具有代表性。

圖4 C-WTVC循環(huán)NOX瞬態(tài)排放

圖5 CVS與PEMS的NOX數(shù)據(jù)相關(guān)性

2.1.3PN瞬態(tài)排放比較

相比于上述分析的PEMS較CVS所測得CO2、NOX的瞬時排放量的差異性，如圖6、圖7所示，二者對于PN的瞬時排放量的差異性略大，整個循環(huán)工況下二者的差異性小于25%。

從圖2－圖7的CO2、NOX和PN瞬態(tài)排放對比來看，排放變化趨勢吻合較好。但由于CVS系統(tǒng)是全流稀釋采樣測試，稀釋空氣的混合會對C-WTVC瞬變工況的排放波動產(chǎn)生混合平均效應(yīng)，從而一定程度上會影響CVS排放測試數(shù)據(jù)與PEMS測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性結(jié)果。

圖6 C-WTVC循環(huán)PN瞬態(tài)排放

圖7 CVS與PEMS的PN數(shù)據(jù)相關(guān)性

2.1.4C-WTVC循環(huán)累積排放量分析

表5為C-WTVC循環(huán)的平均排放對比，PEMS相比CVS對于三種排放物的平均排放情況各異。與前面結(jié)果分析一致，PEMS與CVS在NOX的平均排放方面數(shù)值接近，為2.79%；在CO2的平均排放方面PEMS相比CVS差值略大，為7.8%；在PN的平均排放方面PEMS相比CVS差值較大，為13.04%。

表5 C-WTVC循環(huán)平均排放

設(shè)備NOX/(mg/kWh)CO2/(g/kWh)PN/(#/kWh) CVS平均188.15657.871.42E+10 PEMS平均182.91709.181.23E+10 PEMS相比CVS偏差-2.79%7.80%-13.04%

注：C-WTVC循環(huán)總功10.88 kWh。

2.2 穩(wěn)態(tài)試驗結(jié)果分析

2.2.1CO2穩(wěn)態(tài)排放比較

測試樣車在運(yùn)行恒速穩(wěn)態(tài)（20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h）試驗狀態(tài)下，PEMS與CVS測試系統(tǒng)連續(xù)采樣的各種排放污染物質(zhì)量比對如圖8、圖9所示，低速工況下PEMS較CVS所測得的CO2的同步排放量的差異很小，隨著恒速不斷變換增加，PEMS較CVS所測得的CO2的同步排放量的差異不斷增大，從總體上講，二者對于CO2的差異結(jié)果比較理想。

圖8 穩(wěn)態(tài)循環(huán)CO2排放

圖9 CVS與PEMS的CO2數(shù)據(jù)相關(guān)性

2.2.2NOX穩(wěn)態(tài)排放比較

對于恒速穩(wěn)態(tài)（20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h）試驗狀態(tài)下，NOX實(shí)時排放的結(jié)果來看，如圖10、圖11所示，在最開始的兩個工況點(diǎn)（100 km/h、80 km/h）期間，車輛發(fā)生了周期性再生，造成NOX排放急劇升高，在試驗車速工況點(diǎn)回歸后，繼續(xù)重復(fù)了80 km/h的工況點(diǎn)，進(jìn)而保證獲得相對準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)?？傮w上講，PEMS較CVS所測得的NOX的同步排放量的差異很小。

圖10 穩(wěn)態(tài)循環(huán)NOX排放

圖11 CVS與PEMS的NOX數(shù)據(jù)相關(guān)性

2.2.3PN穩(wěn)態(tài)排放比較

恒車速穩(wěn)態(tài)工況試驗時，在最開始的兩個工況點(diǎn)（100 km/h、80 km/h）期間，車輛發(fā)生了周期性再生，造成PN-PEMS測試的PN濃度超過了設(shè)備測試量程（圖12），此處不再做重復(fù)贅述。相比于上述分析的PEMS較CVS所測得CO2、NOX的穩(wěn)態(tài)排放量的差異性，二者對于PN的穩(wěn)態(tài)排放量的差異性大一些，整個穩(wěn)態(tài)工況下二者的差異性小于18%。

圖12 穩(wěn)態(tài)循環(huán)PN排放

圖13 CVS與PEMS的PN數(shù)據(jù)相關(guān)性

通過設(shè)計恒定車速穩(wěn)定工況試驗，可以一定程度上消除CVS的稀釋效應(yīng)影響，穩(wěn)態(tài)工況的數(shù)據(jù)相關(guān)性遠(yuǎn)優(yōu)于C-WTVC試驗，這主要是因為車輛在恒速工況運(yùn)行過程中，車輛排氣的均勻性能夠得到保證，排氣流量也相對處于穩(wěn)定狀體，避免排放尾氣不均勻所帶來的測量差異。穩(wěn)態(tài)試驗驗證了PEMS測試結(jié)果和CVS系統(tǒng)測試結(jié)果有較好的相關(guān)性。

3 結(jié)論

本試驗以一輛柴油燃料重型整車為研究對象，將PEMS與CVS系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)進(jìn)行同步排放測試，在熱車條件下，分別開展C-WTVC試驗循環(huán)瞬態(tài)試驗與恒車速穩(wěn)態(tài)工況（20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h）試驗，得出如下結(jié)論。

從每次測得的CO2、NOX和PN實(shí)時排放對比來看，PEMS與CVS所測得的CO2的排放量的差異性最小，其次是NOX，而PN排放量最大。

由于CVS系統(tǒng)是全流稀釋采樣測試，因此稀釋空氣的混合會對C-WTVC瞬變工況的排放波動產(chǎn)生混合平均效應(yīng)，造成一定誤差，PEMS測試設(shè)備的量程精度，在一定程度上會影響CVS排放測試數(shù)據(jù)與PEMS測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性結(jié)果。

通過設(shè)計恒定車速穩(wěn)定工況試驗，可以一定程度上消除CVS的稀釋效應(yīng)影響，穩(wěn)態(tài)工況的數(shù)據(jù)相關(guān)性遠(yuǎn)優(yōu)于C-WTVC試驗，因此驗證了PEMS測試結(jié)果和CVS系統(tǒng)測試結(jié)果有非常好的相關(guān)性。

[1] 付明亮,葛蘊(yùn)珊,譚建偉.車載排放測試技術(shù)在我國的應(yīng)用研究[C]//中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會燃燒節(jié)能凈化分會2011年學(xué)術(shù)年會.天津:中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會燃燒節(jié)能凈化分會,2011:1-5.

[2] WU Y,ZHANG S J,HAO J M.On-road Vehicle Emis- sions and Their Control in China:A Review and Outlook[J].Science of the Total Environment,2017,574:332- 349.

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Comparative Study on Pollutant Emissions from Heavy Vehicles Based on PEMS and CVS

ZHANG Chao1, GUO Dongdong2, WANG Xuefeng1, GAO Zhongming1,YU Quanshun1, ZHONG Xianglin1

( 1.China Automotive Inspection Center (Tianjin) Company Limited, Tianjin 300300, China;2.Beijing Motor Vehicle Emission Management Center, Beijing 100000, China )

In order to ensure the accuracy of emission test results on the actual road of heavy-duty diesel vehicles, this article is based on the chassis testing method. A portable in vehicle emission testing system (PEMS) and a full flow dilution constant volume sampling (CVS) system are connected in series for synchronous emission testing, and the differences between in vehicle testing equipment and CVS test results are compared and analyzed. Research has shown that due to the CVS system being a full flow dilution sampling test, the mixing of dilution air and sampling gas will have a mixed average effect on the emission fluctuations of China world transient vehicle cycle (C-WTVC) transient conditions, thereby affecting the correlation between CVS emission test data and PEMS test data to a certain extent. By designing a constant speed stable operating condition test, the dilution effect of CVS can be eliminated to a certain extent, verifying the good correlation between the PEMS test results and the CVS system test results.

Heavy-duty diesel vehicles;Vehicular testing equipment;Full-flow dilution constant volume sampling system; Pollutant emissions

U462

A

1671-7988(2023)18-100-06

張超（1991－），男，碩士，工程師，研究方向為重型車排放，E-mail:zc893344@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.020