基于PEMS的重型柴油車低負(fù)荷和冷起動工況排放特性研究

摘要： 使用便攜式排放測試系統(tǒng)（portable emission measurement system，PEMS）對3輛重型柴油車進行道路排放測試，以發(fā)動機負(fù)荷率及CO2排放率作為發(fā)動機低負(fù)荷或高負(fù)荷工況劃分依據(jù)，結(jié)合比排放、瞬態(tài)排放等對低負(fù)荷工況CO，CO2，NO_x和PN23及冷起動過程排放特性進行分析，并探究低負(fù)荷工況下PN10比排放變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：使用CO2排放率作為劃分依據(jù)的低負(fù)荷工況更具代表性，低負(fù)荷工況下CO，CO2，NO_x和PN23比排放值較高，CO，NO_x和PN23易超出標(biāo)準(zhǔn)限值，冷起動過程存在大量高CO和NO_x比排放的低負(fù)荷工況點，且將PN計數(shù)粒徑范圍下限由23 nm降低至10 nm后低負(fù)荷工況下PN10比排放將會翻倍。

關(guān)鍵詞： 重型柴油車； 低負(fù)荷； 冷起動； 便攜式排放測試系統(tǒng)； 排放測量； 顆粒

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.06.007

中圖分類號： TK421.5" 文獻標(biāo)志碼： B" 文章編號： 1001-２２２２（２０24）０6-００45-０7

汽車尾氣排放是大氣污染物的主要來源之一，其中重型柴油車NO_x排放占比超過80%，PM排放占比超過90%［1］。便攜式車載排放測試系統(tǒng)（portable emission measurement system，PEMS） 的測試結(jié)果可以真實反映車輛在實際行駛過程中的排放特性［2-4］，主要汽車市場都相繼將PEMS納入到排放標(biāo)準(zhǔn)體系，成為控制重型車實際道路排放的重要舉措。

中國在2013年前后首先在北京規(guī)定了對車輛進行PEMS測試的要求［5］。2018年P(guān)EMS測試在全國的國六重型車認(rèn)證中生效，在國六法規(guī)中將PEMS測試的NO_x限值從國五階段的4 g/（kW·h）進一步降低到690 mg/（kW·h），并增加顆粒物排放的限值（1.2×1012 個/（kW·h））要求［6］。2022年，美國環(huán)保署（Environmental Protection Agency，EPA）發(fā)布《控制新型機動車的空氣污染：重型發(fā)動機和車輛標(biāo)準(zhǔn)》，進一步加嚴(yán)NO_x排放限值，同時提出2區(qū)移動平均窗口法（2 bin-moving average window，2B-MAW），依據(jù)CO2排放率劃分不同bin區(qū)間，實現(xiàn)了對低負(fù)荷工況的排放評價［7］。2024年5月8日，歐7排放法規(guī)正式發(fā)布，下階段排放標(biāo)準(zhǔn)將實際道路排放（real driving emissions，RDE）顆粒物數(shù)量（particle number，PN）計數(shù)粒徑范圍下限由23 nm降低至10 nm，同時M2，M3，N2，N3類車輛PN10排放限值降低至9×1011 個/km［8］。

我國國六排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中，重型柴油車的實際道路排放結(jié)果采用功基窗口法進行處理。功基窗口法以時間順序劃分功基窗口，并計算窗口的平均功率和比排放。若窗口平均功率大于發(fā)動機最大功率的20%，窗口為有效窗口。有效窗口占比應(yīng)大于50%，若有效窗口少于50%，則將窗口平均功率閾值以1%步長減小，直至滿足有效窗口占比50%要求。若功率閾值為10%時有效窗口仍不能達到50%，則試驗失?。?］。功基窗口法僅考察有效窗口的比排放情況，而功率閾值的設(shè)定將大量低負(fù)荷窗口數(shù)據(jù)剔除，使得低負(fù)荷工況下的污染物排放被忽視［9-10］。

國內(nèi)外學(xué)者針對PEMS試驗排放特性開展了較多深入的研究，諸多研究表明，重型柴油車在低負(fù)荷工況下的排放控制表現(xiàn)較差［11］。王志紅等［12］以發(fā)動機負(fù)荷率為不同負(fù)荷工況劃分依據(jù)，選取3輛城市類車輛研究PEMS低負(fù)荷工況排放特性，研究表明重型柴油車低負(fù)荷工況下排放占比均在50%以上。李旭等［13］發(fā)現(xiàn)國六功基窗口法計算過程中，超25%數(shù)據(jù)被剔除，導(dǎo)致大量高排放低功率的窗口被忽略，國六標(biāo)準(zhǔn)下的功率閾值下調(diào)將會使排放結(jié)果急劇增加。許丹丹等［14］通過對比美國加州聯(lián)合美國西南研究院低負(fù)荷循環(huán)（LLC）與C-WTVC、CHTC-HT循環(huán)下的排放結(jié)果，證明負(fù)荷降低對重型柴油車CO2，NO_x和PN排放結(jié)果影響較大。文獻［15-17］發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機WHTC循環(huán)工況下PN10測量結(jié)果較PN23增加25%以上，PN23與PN10瞬態(tài)排放的變化規(guī)律基本一致。文獻［18-22］研究發(fā)現(xiàn)，重型柴油車?yán)淦饎舆^程的NO_x和CO排放遠大于熱運行過程。綜上所述，現(xiàn)有研究主要沿用功基窗口法的負(fù)荷率評價標(biāo)準(zhǔn)，針對低負(fù)荷工況和冷起動工況的PEMS試驗研究較少，且缺乏PN10排放的相關(guān)研究。

本研究選取3輛國六b重型柴油車開展PEMS試驗，參考美國EPA提出的依據(jù)CO2排放率劃分工況的思路，以CO2排放率作為發(fā)動機低負(fù)荷或高負(fù)荷工況劃分依據(jù)，針對重型柴油車低負(fù)荷工況排放特性進行分析，并考慮冷起動過程對排放結(jié)果的影響及PN10排放特征，旨在為下階段標(biāo)準(zhǔn)研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗樣車

本研究選取了3輛國六b重型柴油車進行PEMS試驗，3輛樣車的排放后處理技術(shù)均包括氧化催化器（DOC）、顆粒捕集器（DPF）、選擇性催化還原技術(shù)（SCR）和氨逃逸催化器（ASC）。試驗車輛基本情況見表1。

1.2 試驗設(shè)備及方法

本研究使用兩套HORIBA OBS-ONE便攜式排放測試系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)同時運行。其中，一套用來測量CO，CO2，NO_x濃度及粒徑大于23 nm的顆粒物數(shù)量（PN23），另一套用來測量粒徑大于10 nm的顆粒物數(shù)量（PN10）。

按照GB 17691—2018附錄K［6］正文內(nèi)容所述方法開展試驗。試驗前，發(fā)動機水溫應(yīng)低于30 ℃，若環(huán)境溫度大于30 ℃，發(fā)動機水溫不應(yīng)高于環(huán)境溫度2 ℃。本研究試驗路線滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的時間比例，其中，3號車為城市類車輛，高速階段比例為0。3輛樣車的試驗情況見表2。

2 數(shù)據(jù)處理方法

1） 比排放

比排放計算方法見式（1）。

e=mW。（1）

式中：e為比排放；m為排放質(zhì)量或數(shù)量；W為發(fā)動機總功。

2） 發(fā)動機負(fù)荷率

發(fā)動機負(fù)荷率是發(fā)動機輸出扭矩值與當(dāng)前轉(zhuǎn)速下最大扭矩的比值，是表征發(fā)動機運行狀態(tài)的重要指標(biāo)。國六PEMS試驗中，依據(jù)最大發(fā)動機負(fù)荷率的偏差檢查ECU扭矩信號的一致性。同時，發(fā)動機負(fù)荷率與車輛排放特征有著密切聯(lián)系，研究表明，發(fā)動機負(fù)荷率小于20%時對應(yīng)的低負(fù)荷運行狀態(tài)的排放情況較差。發(fā)動機負(fù)荷率計算公式見式（2）。

α_engie=TTn，max。（2）

式中：αengie為發(fā)動機負(fù)荷率；T為發(fā)動機當(dāng)前扭矩；Tn，max為發(fā)動機在當(dāng)前轉(zhuǎn)速n下的最大扭矩。

3） CO2排放率

美國環(huán)保署（EPA）提出的2B-MAW方法將CO2排放率作為劃分bin區(qū)間的依據(jù)，CO2排放率低于20%時，發(fā)動機處于低負(fù)荷運行狀態(tài)。本研究中，CO2排放率計算方法見式（3）。

α_{CO2=3 600·}m_CO2e_CO2·P_{max。（3）}

_式中：αCO2為CO2排放率；mCO2為CO2排放質(zhì)量；eCO2為現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中C-WTVC工況下的CO2平均比排放；Pmax為發(fā)動機標(biāo)定最大功率。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 負(fù)荷工況劃分依據(jù)分析

將3輛樣車剔除冷起動過程的數(shù)據(jù)，分別按照發(fā)動機負(fù)荷率以及CO2排放率劃分低負(fù)荷或高負(fù)荷工況。若負(fù)荷評價結(jié)果低于20%，則車輛處于低負(fù)荷工況；相反，若負(fù)荷評價結(jié)果大于20%，則車輛處于高負(fù)荷工況。3輛樣車在不同劃分依據(jù)下低負(fù)荷工況數(shù)據(jù)特征如圖1和表3所示。

根據(jù)圖1和表3對比分析得到，3輛樣車采用CO2排放率劃分低負(fù)荷工況的低負(fù)荷工況點數(shù)均會增加，其中1號車低負(fù)荷工況點數(shù)增加31.31%。圖1中箱型圖左側(cè)為正態(tài)分布曲線及散點圖，經(jīng)CO2排放率劃分后的低負(fù)荷工況數(shù)據(jù)點分布頻率特征基本與其正態(tài)分布曲線重合，其中位數(shù)與平均數(shù)之差的絕對值分別為0.004，0.004，0.001，而經(jīng)發(fā)動機負(fù)荷率劃分后的低負(fù)荷工況發(fā)動機負(fù)荷率中位數(shù)與平均數(shù)之差分別為0.018，0.005，0.008。以CO2排放率劃分后的低負(fù)荷工況點數(shù)據(jù)中位數(shù)更加接近平均數(shù)，以CO2排放率作為劃分依據(jù)的低負(fù)荷工況更加趨近于正態(tài)分布。因此，采用CO2排放率作為劃分依據(jù)的低負(fù)荷工況具有更好的代表性。

3輛樣車高負(fù)荷工況下數(shù)據(jù)特征如圖2和表4所示。可見，高負(fù)荷工況數(shù)據(jù)分布表現(xiàn)出相似的分布特征，無論是哪種劃分依據(jù)，同一樣車高負(fù)荷工況點數(shù)據(jù)中位數(shù)及平均值之差絕對值都很接近，其中2號車CO2排放率中位數(shù)較發(fā)動機負(fù)荷率中位數(shù)相差最小，為-1.39%。

3.2 低負(fù)荷工況排放特性分析

以2號車為例，不同CO2排放率下的CO，CO2，NO_x和PN23比排放見圖3至圖6。4種污染物的高比排放工況點主要分布在低負(fù)荷工況。CO比排放超出現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)限值6 000 mg/（kW·h）的工況點數(shù)與NO_x比排放超過現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)限值690 mg/（kW·h）的工況點數(shù)均占低負(fù)荷工況點總數(shù)2%左右，其最大比排放值分別超出限值7.14倍和2.34倍。PN23超出現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)限值1.2×1012 個/（kW·h）的工況點數(shù)高達956，占比為39.22%，最大PN23比排放值為4.28×1013 個/（kW·h），超出限值一個數(shù)量級。但在高負(fù)荷工況下，鮮有上述3種排放污染物比排放值超過標(biāo)準(zhǔn)限值的工況點出現(xiàn)，CO，NO_x和PN23比排放超出限值的工況點占比分別為0.04%，0.72%，6.25%，其占比較低負(fù)荷工況降低98%，64%，84%?，F(xiàn)行國六標(biāo)準(zhǔn)未對CO2限值提出要求，但低負(fù)荷工況同樣存在著大量的高CO2比排放點。

美國EPA標(biāo)準(zhǔn)提出，怠速工況（CO2排放率小于等于6%）下NO_x排放限值為10 g/h或15 g/h，本研究中3輛樣車在怠速工況下的平均NO_x排放量分別為0.65 g/h，0.43 g/h，3.83 g/h，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗方法下的NO_x排放值可以滿足EPA怠速NO_x排放限值要求。

由以上數(shù)據(jù)可知，低負(fù)荷工況下CO，CO2，NO_x，PN23比排放值相比高負(fù)荷工況更高，低負(fù)荷工況排放控制應(yīng)當(dāng)作為下階段重型車發(fā)展的重點方向?，F(xiàn)行國六標(biāo)準(zhǔn)的怠速工況NO_x排放可以滿足美國EPA限值要求，可能原因是，在國六標(biāo)準(zhǔn)測試過程中并未設(shè)置怠速階段，按照CO2排放率確定的怠速工況下后處理系統(tǒng)已經(jīng)進入良好工作狀態(tài)。

3.3 低負(fù)荷工況PN10排放特性分析

3輛樣車不同負(fù)荷工況下PN23及PN10比排放情況見圖7。

3輛樣車低負(fù)荷工況PN10比排放較PN23比排放出現(xiàn)較大增長。2號車低負(fù)荷工況下PN10比排放值為2.43×1012 個/（kW·h），是PN23比排放的1.92倍，遠超現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)PN23限值。3輛樣車低負(fù)荷工況PN10比排放與PN23比排放平均比值為2.19?；诂F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的功基窗口法計算，2號車第90百分位PN23比排放為6.73×1011 個/（kW·h），第90百分位PN10比排放為1.94×1012 個/（kW·h），PN10比排放較PN23增加188.26%，3輛樣車PN10比排放與PN23比排放的平均比值為2.63。

3.4 冷起動過程影響分析

國六PEMS試驗中，剔除了發(fā)動機水溫低于70 ℃的數(shù)據(jù)，但在試驗過程中，發(fā)動機水溫低于70 ℃的冷起動過程往往與市區(qū)工況保持相似的駕駛特征，存在大量的低負(fù)荷工況數(shù)據(jù)，2號車?yán)淦饎舆^程中，低負(fù)荷占比達56.54%。冷起動過程中，由于后處理系統(tǒng)溫度較低，排放控制情況往往較差。下面以發(fā)動機水溫高于70 ℃作為冷起動過程的結(jié)束點，對冷起動過程的影響進行分析。

3.4.1 冷起動瞬態(tài)數(shù)據(jù)分析

以3號樣車為例，CO，CO2，NO_x，PN23瞬態(tài)比排放見圖8至圖11。冷起動過程中，CO和NO_x瞬態(tài)比排放值高的工況點較多，但未出現(xiàn)比排放值超出限值的工況點，在此階段下，無論車輛處于何種負(fù)荷狀態(tài)，CO和NO_x比排放值均會有所增加，可能由于冷起動過程中發(fā)動機負(fù)荷較低，局部燃燒不充分，CO和NO_x排放增多，且排氣溫度較低，DOC和SCR未能達到理想效果。CO2和PN23瞬態(tài)比排放未表現(xiàn)出明顯的冷起動過程排放值升高特征，故本部分不進行PN10瞬態(tài)排放分析。

3.4.2 冷起動低負(fù)荷工況比排放分析

3輛樣車?yán)淦饎舆^程低負(fù)荷工況占比分別為75.92%，83.99%，92.51%，均超過75%。冷起動過程作為熱運行前的必經(jīng)之路，其低負(fù)荷工況排放特性不容忽視。冷起動過程低負(fù)荷工況CO，CO2，NO_x，PN23比排放見圖12至圖15，圖中比較了剔除冷起動低負(fù)荷工況、包含冷起動低負(fù)荷工況和冷起動低負(fù)荷工況3種情況下的排放數(shù)據(jù)。

對CO2排放率低于20%的低負(fù)荷工況下4種排放污染物比排放值進行分析：

1號車與3號車?yán)淦饎舆^程低負(fù)荷工況下CO比排放分別為912.60，1 434.15 mg/（kW·h），較剔除冷起動過程后的低負(fù)荷工況CO比排放分別增加41.37倍和3.71倍。1號車與3號車包含冷起動過程的低負(fù)荷工況CO比排放較剔除冷起動過程的低負(fù)荷工況CO比排放分別增加4.53倍和0.72倍。2號車?yán)淦饎舆^程低負(fù)荷工況CO比排放值較小，可能原因是不同駕駛習(xí)慣導(dǎo)致的冷起動過程高負(fù)荷工況占比較高。

3輛樣車?yán)淦饎舆^程低負(fù)荷工況NO_x比排放均超出標(biāo)準(zhǔn)限值，其中3號車?yán)淦饎舆^程低負(fù)荷工況NO_x比排放值最大，為11 959.79 mg/（kW·h），超限比例為1 633.30%，1號車?yán)淦饎舆^程低負(fù)荷工況NO_x比排放值最小，但仍超出限值420.26%。2號車與3號車包含冷起動過程的低負(fù)荷工況NO_x比排放均超出標(biāo)準(zhǔn)限值要求，2號車超出標(biāo)準(zhǔn)限值149.96%，1號車雖未超限，但與限值十分接近。

冷起動過程低負(fù)荷工況CO2比排放值較剔除冷起動的熱運行過程低負(fù)荷工況CO2比排放值和包含冷起動過程的試驗全程低負(fù)荷工況CO2比排放值有著小幅度增加，其中3號車?yán)淦饎舆^程低負(fù)荷工況CO2比排放值較剔除冷起動過程后的低負(fù)荷工況CO2比排放值增加28.22%。同時，3輛樣車?yán)淦饎舆^程低負(fù)荷工況PN23比排放未呈現(xiàn)明顯變化特征。

綜上，冷起動過程包含大量低負(fù)荷工況點，冷起動過程低負(fù)荷工況下CO和NO_x比排放較熱運行過程出現(xiàn)大幅增加，CO2比排放出現(xiàn)小幅增加。冷起動過程低負(fù)荷工況下的CO和NO_x排放測量應(yīng)當(dāng)引起廣泛重視。

4 結(jié)論

a） 以CO2排放率低于20%劃分低負(fù)荷工況可以使低負(fù)荷工況點更具代表性；

b） 低負(fù)荷工況下CO，CO2，NO_x，PN23比排放值較高，是CO，NO_x，PN23超出標(biāo)準(zhǔn)限值工況點的集中分布區(qū)；

c） 冷起動過程包含大量低負(fù)荷工況點，存在高CO和NO_x比排放區(qū)域，同時冷起動過程也會導(dǎo)致CO2比排放小幅增加；

d） 在低負(fù)荷工況下，PN10比排放值約為PN23比排放的2.19倍；功基窗口法下，PN10比排放值為PN23比排放的2.63倍。

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Emission Characteristics of Heavy-Duty Diesel Vehicles under Low Load and Cold Start Conditions Based on PEMS

LIU Dongwei1，2，XU Xiaowen2，ZHU Qinggong2，ZHANG Kai2，ZHANG Jinjie2，JIAO Wenjian2

（1.School of Mechanical Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China;2.CATARC Automotive Test Center（Wuhan） Co.，Ltd.，Wuhan 430056，China）

Abstract： By using a portable emission measurement system（PEMS）， the road-based emission tests were conducted on three heavy-duty diesel vehicles. The engine load rate and CO2 emission rate were used as the reference for dividing the engine into low load or high load conditions. Combined with specific emissions， transient emissions and etc， the emission characteristics of CO， CO2， NO_x， PN23 under low load conditions and during cold start process were analyzed， and the variation law of PN10 specific emissions under low load conditions was explored. The research results indicate that the low load condition based on CO2 emission rate is more representative. Under low load conditions， the specific emissions of CO， CO2， NO_x， and PN23 are higher， and CO， NO_x， and PN23 are prone to exceed the standard limits. There are a large number of low load working points with high CO and NO_x specific emissions during the cold start process. Furthermore， reducing the lower limit of PN counting particle size from 23 nm to 10 nm will result in a doubling of PN10 specific emissions under low load conditions.

Key" words： heavy-duty diesel vehicle；low load；cold start；PEMS；emission measurement；particle

［編輯： 潘麗麗］

作者簡介： 柳東威（1985—），男，博士，主要研究方向為機動車排放測試及虛擬標(biāo)定技術(shù)；liudongwei@catarc.ac.cn。