基于實(shí)際道路測(cè)試的在用重型柴油車(chē)排放因子研究

摘要：依據(jù)GB 17691—2018規(guī)定的車(chē)載排放測(cè)試方法，開(kāi)展實(shí)際道路的重型車(chē)PEMS試驗(yàn)。選取MOVES 模型作為初始模型，對(duì)重型在用車(chē)的PEMS實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)依據(jù)STP與速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將所有PEMS試驗(yàn)工況“映射”到同一種標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下，得到不同車(chē)輛種類(lèi)不同排放標(biāo)準(zhǔn)的重型車(chē)各類(lèi)污染物排放因子。結(jié)果表明，貨車(chē)類(lèi)中重型貨車(chē)的CO和NOx排放因子均高于其他類(lèi)貨車(chē)，同時(shí)隨著排放階段的升級(jí)排放因子值在不斷下降。隨著平均車(chē)速的增加，CO、NOx和PN的排放速率均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而排放因子則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。車(chē)輛排放隨平均車(chē)速的變化在低車(chē)速時(shí)較為激烈，在高車(chē)速時(shí)則逐漸變緩。針對(duì)重型貨車(chē)（總質(zhì)量≥12 t），車(chē)企還需要通過(guò)加強(qiáng)后處理系統(tǒng)熱管理、優(yōu)化尿素噴射策略、提高催化器轉(zhuǎn)化效率等技術(shù)來(lái)進(jìn)一步降低排放。特別是在車(chē)型低于40 km/h時(shí)，車(chē)速的上下波動(dòng)對(duì)車(chē)輛的CO、NOx和PN的排放因子影響明顯，司機(jī)的駕駛習(xí)慣對(duì)排放結(jié)果有較大影響。

關(guān)鍵詞：在用柴油車(chē)；實(shí)際道路測(cè)試；排放因子；排放標(biāo)準(zhǔn)；比功率

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.5 收稿日期：2024-10-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.005

1 前言

我國(guó)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣控制排放法規(guī)不斷嚴(yán)格化，特別是對(duì)于排放污染比重最大的重型柴油機(jī)動(dòng)車(chē)持續(xù)更新相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。《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）》[4]增加了整車(chē)實(shí)際道路測(cè)試等內(nèi)容，對(duì)重型柴油車(chē)的排放水平要求不斷加嚴(yán)。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的升級(jí)，機(jī)動(dòng)車(chē)排放凈化裝置也隨之升級(jí)，機(jī)動(dòng)車(chē)結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，車(chē)輛使用強(qiáng)度及道路交通也發(fā)生了變化，機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子將相應(yīng)產(chǎn)生變化，以往的排放因子研究成果已經(jīng)不能完全真實(shí)地反映現(xiàn)階段機(jī)動(dòng)車(chē)排放狀況。

機(jī)動(dòng)車(chē)排放因子模型關(guān)心的是車(chē)的排放特征，它給出單車(chē)或車(chē)隊(duì)單位里程、單位時(shí)間或單位油耗的排放水平，即排放因子（常用單位為g/km和g/kg）或排放速率（g/s）。重型車(chē)在實(shí)際道路行駛時(shí)的駕駛工況、超載情況等因素[5-8]對(duì)重型車(chē)排放產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。機(jī)動(dòng)車(chē)排放模型 MOVES（Motor Vehicle Emission Simulator）可以估算移動(dòng)源的污染物排放。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)利用實(shí)測(cè)排放數(shù)據(jù)和機(jī)動(dòng)車(chē)活動(dòng)水平數(shù)據(jù)驗(yàn)證了MOVES模型在我國(guó)的適用性，并開(kāi)展了北京、深圳等城市的機(jī)動(dòng)車(chē)排放清單研究工作[9-11]。

本文依據(jù)GB 17691—2018規(guī)定的車(chē)載排放測(cè)試方法，開(kāi)展實(shí)際道路的重型車(chē)PEMS試驗(yàn)。選取MOVES 模型作為初始模型，對(duì)重型在用車(chē)的PEMS實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)依據(jù)STP與速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將所有PEMS試驗(yàn)工況“映射”到同一種標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下，得到不同車(chē)輛種類(lèi)不同排放標(biāo)準(zhǔn)的重型車(chē)各類(lèi)污染物排放因子。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

2.1 測(cè)試車(chē)輛

本次研究依據(jù)GB 17691—2018規(guī)定的車(chē)載排放測(cè)試方法，共計(jì)完成217輛重型車(chē)的PEMS試驗(yàn)，按車(chē)型作為一級(jí)分類(lèi)，排放階段作為二級(jí)分類(lèi)，完成試驗(yàn)的車(chē)輛分布如表1所示。試驗(yàn)車(chē)輛所用燃料為車(chē)輛自帶的市售國(guó)六柴油。

本次研究的試驗(yàn)車(chē)輛主要為進(jìn)行新車(chē)生產(chǎn)一致性和在用車(chē)符合性檢查的重型柴油車(chē)，按照表2給出的汽車(chē)分類(lèi)方法分為輕型貨車(chē)、中型貨車(chē)、重型貨車(chē)、中型客車(chē)、大型客車(chē)等5類(lèi)。依據(jù)GB 17691—2005、GB—2018標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，國(guó)Ⅲ、國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ和國(guó)Ⅵ階段的試驗(yàn)車(chē)輛分別為14輛、15輛、42輛和146輛。

試驗(yàn)車(chē)輛裝配的發(fā)動(dòng)機(jī)排量涵蓋2.8～11.6 L，包含大、中、小排量，試驗(yàn)車(chē)輛的最大總質(zhì)量涵蓋4.5～49.0 t。國(guó)三車(chē)輛基本上沒(méi)有后處理，國(guó)四車(chē)輛部分車(chē)型選擇EGR+POC技術(shù)路線，部分使用SCR，DPF基本沒(méi)有應(yīng)用；國(guó)五車(chē)輛淘汰了EGR+POC的技術(shù)路線，SCR應(yīng)用比例進(jìn)一步提升，小部分輕型車(chē)輛選用EGR+DPF技術(shù)路線；隨著國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，SCR和DPF均成為重型柴油車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置，同時(shí)EGR應(yīng)用比例也繼續(xù)提升。

2.2 測(cè)試方法

試驗(yàn)車(chē)輛分別加載不同的載荷質(zhì)量，依據(jù)GB 17691—2018附錄K的測(cè)試規(guī)范進(jìn)行整車(chē)道路排放試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz。整車(chē)排放試驗(yàn)運(yùn)行工況滿足GB 17691—2018附錄K中不同車(chē)輛類(lèi)型的工況比例構(gòu)成要求，同一車(chē)輛的試驗(yàn)路線和車(chē)輛速度在不同載荷比例條件下盡量保持一致。

試驗(yàn)中所采用的主要測(cè)試儀器為HORIBA公司的OBS—ONE—G12型車(chē)載排放分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了OBD診斷讀取設(shè)備、GPS測(cè)量設(shè)備與排放測(cè)量設(shè)備，分別使用化學(xué)發(fā)光分析儀測(cè)量NOx，不分光紅外線吸收型分析儀測(cè)量CO、CO2以及凝縮離子法測(cè)量顆粒物PN。

2.3 排放因子計(jì)算模型

本研究基于重型車(chē)Pems試驗(yàn)瞬態(tài)數(shù)據(jù)，參考MOVES模型的構(gòu)建方法，建立重型車(chē)排放因子計(jì)算模型。建模過(guò)程中主要步驟如下：

a.確定比功率計(jì)算式。

機(jī)動(dòng)車(chē)比功率定義為機(jī)動(dòng)車(chē)的單位質(zhì)量的瞬時(shí)輸出功率，參考美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（EPA）在MOVES模型中給出的針對(duì)重型車(chē)的比功率簡(jiǎn)化計(jì)算式，利用下式計(jì)算重型車(chē)比功率：

STP=1/f[Mv]（a+gsinθ）+Av+Bv²+Cv³ （1）

式中，STP為重型車(chē)比功率，kW/t；fscale為固定質(zhì)量因子，t；v為瞬時(shí)車(chē)速，m/s；M為機(jī)動(dòng)車(chē)質(zhì)量，t；a為瞬時(shí)車(chē)輛加速度，m/s2；g為重力加速度，9.8 m/s2；sinθ為道路坡度；A為滾動(dòng)阻力系數(shù)，kW·s/m；B為轉(zhuǎn)動(dòng)阻力系數(shù)，kW·s2/m2；C為空氣動(dòng)力學(xué)阻力系數(shù)，kW·s3/m3。

表3列出了5個(gè)總車(chē)重區(qū)間內(nèi)的STP計(jì)算式各系數(shù)值。實(shí)際計(jì)算中，只需要根據(jù)實(shí)際總車(chē)重位于哪個(gè)總車(chē)重區(qū)間，即可根據(jù)表3得到STP計(jì)算式各系數(shù)值。道路的坡度在實(shí)際測(cè)量中難以獲得，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，參考其他研究人員在計(jì)算時(shí)的做法，將坡度sinθ取為0。

b.Pems試驗(yàn)瞬態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化。

為將Pems試驗(yàn)中不同工況下的排放速率（CO2、CO、PN和NOx）瞬態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)，需要根據(jù)瞬時(shí)車(chē)速和瞬時(shí)機(jī)動(dòng)車(chē)比功率等參數(shù)劃分Bin網(wǎng)格，對(duì)歸屬于同一Bin網(wǎng)格中的工況下的排放速率瞬態(tài)數(shù)據(jù)求算數(shù)平均值作為該Bin網(wǎng)格的平均排放速率。Moves模型中根據(jù)瞬時(shí)車(chē)速和瞬時(shí)機(jī)動(dòng)車(chē)比功率，將Bin網(wǎng)格劃分為23個(gè)。文獻(xiàn)針對(duì)大型客車(chē)，輕型、中型、重型貨車(chē)共幾種重型車(chē)型，共選取30輛車(chē)，根據(jù)瞬時(shí)車(chē)速和比功率的分布，將Bin網(wǎng)格劃分為22個(gè)。本研究參考MOVES模型中瞬時(shí)比功率區(qū)間劃分方法和文獻(xiàn)對(duì)車(chē)速區(qū)間劃分的方法，將Bin網(wǎng)格劃分為23個(gè)，各網(wǎng)格定義如表4所示。

劃分Bin網(wǎng)格之后根據(jù)重型車(chē)Pems試驗(yàn)瞬態(tài)數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)Bin網(wǎng)格內(nèi)的CO2、CO、PN和NOx平均排放速率，計(jì)算式如下：

c.數(shù)據(jù)歸一化處理。

Pems試驗(yàn)中每輛車(chē)的試驗(yàn)工況均不相同，不同的試驗(yàn)結(jié)果之間不能直接進(jìn)行對(duì)比與分析，若要對(duì)比不同試驗(yàn)中車(chē)輛的排放大小，需要將所有Pems試驗(yàn)工況“映射”到同一種標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況下，即Pems試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理。數(shù)據(jù)歸一化主要分為以下步驟：

選取標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況時(shí)，根據(jù)劃分的Bin格，統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)工況在各個(gè)Bin網(wǎng)格中的頻數(shù)，進(jìn)而得到標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)在各個(gè)Bin網(wǎng)格中的頻率，作為加權(quán)系數(shù)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)在各Bin網(wǎng)格中的加權(quán)系數(shù)與各Bin網(wǎng)格中的平均排放速率，將PEMS試驗(yàn)實(shí)測(cè)排放因子換算為標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)下的綜合排放因子：首先各Bin網(wǎng)格內(nèi)的CO2、CO、PN和NOx平均排放速率分別與各Bin網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)加權(quán)系數(shù)相乘，求和，最后與標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)平均車(chē)速相除，換算為Pems試驗(yàn)“映射”到標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)下的綜合排放因子。計(jì)算公式如下：

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同排放標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛的微觀工況排放速率

依據(jù)上述測(cè)試方法和計(jì)算模型，分別計(jì)算每輛車(chē)輛不同污染物的排放速率，然后根據(jù)不同排放標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算平均值，得到不同排放標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛不同污染物的微觀工況排放速率曲線如圖1所示。

依據(jù)中國(guó)工況得到的重型車(chē)典型運(yùn)行工況，選擇8種不同的工況（對(duì)應(yīng)0～10 km/h、10～20 km/h、20～30 km/h、30～40 km/h、40～50 km/h、50～60 km/h、60～70 km/h和70～80 km/h），平均車(chē)速分別為5.1 km/h、15.1 km/h、23.2 km/h、34.6 km/h、46.4 km/h、57.8 km/h、63.2 km/h、74.6 km/h。

分別計(jì)算8種不同的典型工況在各Bin網(wǎng)格中的加權(quán)系數(shù)，按照上述的數(shù)據(jù)歸一化處理，分別得到不同排放標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛在不同平均車(chē)速工況條件下的排放速率和排放因子（如圖2和圖3所示）。從圖中可以看出，隨著平均車(chē)速的增加，CO、NOx和PN的排放速率均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而排放因子則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。車(chē)輛排放隨平均車(chē)速的變化在低車(chē)速時(shí)較為激烈，在高車(chē)速時(shí)則逐漸變緩。

3.2 實(shí)際道路排放因子總體情況

依據(jù)上述給出的研究方法，通過(guò)PEMS試驗(yàn)得到的實(shí)測(cè)排放因子，再經(jīng)過(guò)歸一化處理，得到了不同排放階段不同車(chē)型標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的綜合排放因子，如圖4和圖5所示。

通過(guò)圖5可以看出，隨著排放階段的升級(jí)，CO的排放因子總體下降。總體來(lái)看重型貨車(chē)均高于其他車(chē)型，這是因?yàn)橹匦拓涇?chē)平時(shí)駕駛時(shí)負(fù)荷比較大，燃燒不完全，而且燃料消耗量也大。

通過(guò)圖5可以看出，貨車(chē)類(lèi)中重型貨車(chē)的NOx排放因子均高于其他類(lèi)貨車(chē)，同時(shí)隨著排放階段的升級(jí)排放因子值在不斷下降。NOx的生成機(jī)理為高溫富氧，重型貨車(chē)由于長(zhǎng)期處于高負(fù)荷狀態(tài)，因此造成的NOx排放量比較高。

4 結(jié)語(yǔ)

a.貨車(chē)類(lèi)中重型貨車(chē)的CO和NOx排放因子均高于其他類(lèi)貨車(chē)，同時(shí)隨著排放階段的升級(jí)排放因子值在不斷下降。因此針對(duì)重型貨車(chē)（總質(zhì)量≥12 t），車(chē)企還需要通過(guò)加強(qiáng)后處理系統(tǒng)熱管理、優(yōu)化尿素噴射策略、提高催化器轉(zhuǎn)化效率等技術(shù)來(lái)進(jìn)一步降低排放。

b.隨著平均車(chē)速的增加，CO、NOx和PN的排放速率均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，而排放因子則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。在行駛里程相同的條件下，在駕駛過(guò)程中提高車(chē)輛的平均車(chē)速，能夠起到降低總排放量的效果。

c.車(chē)輛排放隨平均車(chē)速的變化在低車(chē)速時(shí)較為激烈，在高車(chē)速時(shí)則逐漸變緩。特別是在車(chē)型低于40 km/h時(shí)，車(chē)速的上下波動(dòng)對(duì)車(chē)輛的CO、NOx和PN的排放因子影響明顯，司機(jī)的駕駛習(xí)慣對(duì)排放結(jié)果有較大影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]環(huán)境保護(hù)部GB 17691—2005 車(chē)用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車(chē)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）[S]北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005

[2]環(huán)境保護(hù)部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[S]北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017

[3]生態(tài)環(huán)境部GB 3847—2018 柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（自由加速法及加載減速法）[S]北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2018

[4]生態(tài)環(huán)境部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）[S]北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2018

[5]許家毅，劉寶利，張佑源，等車(chē)輛載荷對(duì)國(guó)六重型柴油車(chē)排放的影響研究[J]小型內(nèi)燃機(jī)與車(chē)輛技術(shù)，2020，49（6）：29-34

[6]高龍，童亮北京市超限超載重型貨車(chē)污染物排放因子模型分析與建立[J]公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2015，11（7）：247-249

[7]呂立群，徐龍，尹航，等重型柴油車(chē)實(shí)際道路NOx排放分析方法研究[J]汽車(chē)工程，2024，46（1）：151-160

[8]張凡，李梁，于津濤不同因素對(duì)在用重型車(chē)排放因子影響的試驗(yàn)研究[J]小型內(nèi)燃機(jī)與車(chē)輛技術(shù)，2023，52（1）：35-42

[9]岳園圓，宋國(guó)華，黃冠濤，等MOVES在微觀層次交通排放評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究［J］交通信息與安全，2013，31（6）：47-53

[10]曹楊基于MOVES模型的深圳市機(jī)動(dòng)車(chē)排放清單研究[D]哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2018

[11]馮謙，劉保獻(xiàn)，楊妍妍，等基于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的北京市柴油車(chē)實(shí)際道路NOx與CO2排放特征[J]中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2023，43（8）：4418-4426

作者簡(jiǎn)介：

張凡，男，1982年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橹匦蛙?chē)、發(fā)動(dòng)機(jī)能耗及排放檢驗(yàn)。