馬成功 李梁 張凡 母金偉 于津濤

中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司 北京市 100176

1 引言

當(dāng)前，我國(guó)移動(dòng)源污染問(wèn)題日益突出，已經(jīng)成為空氣污染的重要來(lái)源。尤其是大中型城市，移動(dòng)污染源主要集中在市區(qū)內(nèi)，相對(duì)于主要集中在郊區(qū)的固定污染源，其對(duì)人類身體的健康和危害程度更大。因此，對(duì)于機(jī)動(dòng)車的排放的控制及污染治理已經(jīng)成為現(xiàn)在環(huán)境治理的首要任務(wù)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)槠錈嵝矢摺?dòng)力性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于交通運(yùn)輸行業(yè)。但由于其排放污染嚴(yán)重，也一直是汽車排放領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國(guó)移動(dòng)源環(huán)境管理年報(bào)(2021)》表明，2020 年柴油車對(duì)汽車NO排放總量的貢獻(xiàn)率在80%以上，對(duì)顆粒物排放的貢獻(xiàn)率在90%以上。面對(duì)日益嚴(yán)峻的機(jī)動(dòng)車排放形勢(shì)，世界各個(gè)國(guó)家相繼出臺(tái)愈來(lái)愈嚴(yán)格的機(jī)動(dòng)車排放法規(guī)來(lái)控制機(jī)動(dòng)車排放。

目前，我國(guó)已經(jīng)全面進(jìn)入重型車國(guó)六排放階段，依據(jù)GB17691-2018對(duì)重型車進(jìn)行型式認(rèn)證、生產(chǎn)一致性檢查等，其中對(duì)于重型車排放的測(cè)試方法包含PEMS 測(cè)試。同時(shí)依據(jù)GB3847-2018對(duì)重型在用柴油車進(jìn)行排放定期檢驗(yàn)監(jiān)督，其排放測(cè)試方法主要為L(zhǎng)ug-Down 測(cè)試。金博強(qiáng)等研究表明現(xiàn)行Lug-Down 測(cè)試限值不合理；Zhang Nina等利用PEMS 和Lug-Down 對(duì)國(guó)五柴油車進(jìn)行排放測(cè)試對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者測(cè)試結(jié)果不一致。保證不同方法測(cè)試結(jié)果的一致性才能實(shí)現(xiàn)對(duì)重型柴油車排放的有效控制和監(jiān)督。本文選取一輛滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的重型柴油車，通過(guò)更換劣化件來(lái)模擬不同的車輛排放水平，并使用PMES 和Lug-Down 車輛進(jìn)行排放對(duì)比測(cè)試，根據(jù)測(cè)試方法和結(jié)果分析不同測(cè)試手段的差異。

2 試驗(yàn)裝置和方案

2.1 測(cè)試樣車信息

本次研究選取了一輛滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的N2 類在用柴油車，裝配渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樣車及發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

2.2 測(cè)試儀器及精度

PEMS 試驗(yàn)采用的測(cè)試設(shè)備為日本HORIBA 公司生產(chǎn)的OBS-ONE 便攜式車載排放分析儀，可對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣中的CO、CO、NO和PN 以及環(huán)境條件、海拔、車速等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和記錄，同時(shí)可以通過(guò)OBD 診斷接口對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行讀取記錄。Lug-Down 測(cè)試使用的是廣州福立分析儀器有限公司生產(chǎn)的FLN-210 汽車NO分析儀以及FLB-100 透射式煙度計(jì)。測(cè)試設(shè)備的量程和精度如表2，兩種測(cè)試的設(shè)備分別能夠滿足GB17691-2018 與GB3847-2018 對(duì)重型車排氣測(cè)量的要求。

表2 測(cè)試設(shè)備參數(shù)

2.3 試驗(yàn)方案

本次研究分別使用PMES 和Lug-Down對(duì)被測(cè)車輛進(jìn)行排放測(cè)試，測(cè)試完成后通過(guò)更換EGR、DPF 和SCR 的劣化件改變車輛排放水平，再重復(fù)測(cè)試，具體研究項(xiàng)目如表3所示，由于SCR 劣化程度難以控制，本次研究通過(guò)采用不同質(zhì)量濃度的尿素溶液來(lái)模擬不同程度的SCR 轉(zhuǎn)換效率。

表3 試驗(yàn)方案

每次更換劣化件后使用Silver Scan-Tool 對(duì)車輛進(jìn)行OBD 檢查，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)故障報(bào)出情況。每次PEMS 測(cè)試嚴(yán)格按照GB17691-2018 規(guī)定的車載排放測(cè)試方法進(jìn)行，以此來(lái)保證數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。對(duì)每個(gè)項(xiàng)目的加載加速法測(cè)試前均對(duì)車輛進(jìn)行充分的熱車，以減小試驗(yàn)誤差。同時(shí)每次更換尿素后對(duì)車輛進(jìn)行預(yù)處理，保障沒(méi)有其余濃度的尿素殘留，避免對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響。為了降低隨機(jī)性因素的影響，每輛車試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。

3 測(cè)試方法及數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3.1 測(cè)試流程對(duì)比

PEMS 測(cè)試是將車載排放測(cè)試系統(tǒng)安裝在被測(cè)車輛上，車輛按照正常駕駛特征、行駛條件和載荷在實(shí)際道路上運(yùn)行，系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量被測(cè)車輛的污染物排放，試驗(yàn)路線應(yīng)包含市區(qū)路、市郊路和高速路，不同行駛工況按照占總行駛的時(shí)間比例進(jìn)行分配，如表4所示。測(cè)試最短時(shí)間需要達(dá)到至少4 ～7 倍的發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC 循環(huán)功。

表4 PEMS 測(cè)試工況分布

Lug-Down 測(cè)試是將待測(cè)車輛固定在底盤測(cè)功機(jī)上，按照規(guī)定的加載減速檢測(cè)程序進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中，首先進(jìn)行功率掃描來(lái)確定真實(shí)的VelMaxHP 值。在結(jié)束功率掃描后，控制系統(tǒng)控制車輛分別達(dá)到真實(shí)的80% 的VelMaxHP 點(diǎn) 和VelMaxHP 點(diǎn)，分別檢測(cè)兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的光吸收系數(shù)k 及80%的VelMaxHP 點(diǎn)NO濃度，測(cè)試過(guò)程如圖1所示。

圖1 Lug-Down 測(cè)試流程

根據(jù)兩種測(cè)試流程對(duì)比可以得出，PEMS測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量大，且運(yùn)行工況更加貼近車輛的實(shí)際運(yùn)行工況，因此PMES 試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果更能反映車輛的實(shí)際排放水平，該測(cè)試方法用于型式認(rèn)證等試驗(yàn)更能保證測(cè)試的精確性。Lug-Down測(cè)試時(shí)間短，數(shù)據(jù)量小，測(cè)試便捷，結(jié)合我國(guó)柴油車保有量大的現(xiàn)狀，使用加載減速法進(jìn)行在用車定期排放監(jiān)督更為合理。

3.2 測(cè)試工況對(duì)比

兩種測(cè)試方法的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)分布如圖2所示：

圖2 PEMS 和Lug-Down 測(cè)試工況點(diǎn)分布

根據(jù)兩種測(cè)試方法的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況分布圖可以看出，PEMS 試驗(yàn)車輛按照正常行駛特征行駛，因此其工況點(diǎn)分布更為接近實(shí)際。Lug-Down 測(cè)試主要采集VelMaxHP 點(diǎn)和80% VelMaxHP 點(diǎn)的排放數(shù)據(jù)，因此其對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)主要集中在轉(zhuǎn)速為2400rpm對(duì)應(yīng)的外特性曲線點(diǎn)附近和3000rpm 對(duì)應(yīng)的外特性曲線點(diǎn)附近。

李琳琳等研究表明，由于在高負(fù)荷工況下發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量增加，缸內(nèi)燃燒不充分，在高負(fù)荷工況下的顆粒物排放較高；同樣在高負(fù)荷工況下，缸內(nèi)燃燒溫度增加，發(fā)動(dòng)機(jī)原始排氣的NO增加，但是由于排氣溫度的升高，SCR 的轉(zhuǎn)化效率更高，使得柴油車尾氣中的NO排放反而低于低負(fù)荷工況。因此從二者的工況點(diǎn)分布可以看出，Lug-Down測(cè)試更偏向于高負(fù)荷工況，使用該方法得到的顆粒物結(jié)果偏高，而NO結(jié)果偏低。因此PEMS 測(cè)試工況接近實(shí)際，結(jié)果更為精準(zhǔn)，Lug-Down 測(cè)試工況較為單一，不能全面代表車輛實(shí)際排放水平。

3.3 計(jì)算方法對(duì)比

PEMS 測(cè)試數(shù)據(jù)采用功基窗口法計(jì)算。功基窗口法是將測(cè)試數(shù)據(jù)分成一系列子集，每個(gè)子集就是一個(gè)平均窗口，從有效數(shù)據(jù)起始點(diǎn)開(kāi)始，當(dāng)累計(jì)功達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC 循環(huán)功時(shí)這部分?jǐn)?shù)據(jù)組成一個(gè)窗口，下一個(gè)窗口采樣周期Δt 的時(shí)間間隔繼續(xù)累積，依次類推。第i 個(gè)窗口的的長(zhǎng)度由式（1）決定：

式中：( )為從數(shù)據(jù)起始點(diǎn)至 內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)功，kWh； W為WHTC 循環(huán)功，kWh；的選擇由式（2）決定：

使用式（3）確定每一個(gè)窗口內(nèi)的各污染物比排放e（mg/kWh 或個(gè)/kWh）：

式中：m 為此窗口內(nèi)的各污染物排放總量，單位為mg 或個(gè)。

窗口平均功率大于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率20%的窗口為有效窗口，有效窗口的數(shù)量要不低于總窗口數(shù)量的50%。若不能達(dá)到50%的要求應(yīng)將窗口平均功率閾值以1%的步長(zhǎng)逐漸降低，直至滿足要求。閾值最低不能小于10%，否則試驗(yàn)無(wú)效。最后計(jì)算所有有效窗口的各污染物比排放，如果各污染物均有90%以上的有效窗口比排放小于限值，則判定被測(cè)車輛排放合格。

Lug-Down 使用測(cè)試數(shù)據(jù)的排放的平均值來(lái)代表車輛的排放水平，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)讀數(shù)之前應(yīng)至少穩(wěn)定3s，穩(wěn)定之后測(cè)量9s 內(nèi)光吸收系數(shù)k 和NO濃度的平均值。

Lug-Down 測(cè)試NO排放結(jié)果應(yīng)進(jìn)行濕度修正，計(jì)算連續(xù)9s 的算術(shù)平均值。測(cè)量結(jié)果按照式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中：C 為第i 秒的NO測(cè)量濃度，10；k ()為第i 秒的濕度修正系數(shù)。濕度修正系數(shù)按照式（5）計(jì)算：

式中：H 為絕對(duì)濕度，g 水/kg 干空氣。

對(duì)比2.2.1 和2.2.2 兩種計(jì)算方法可以看出，功基窗口法計(jì)算較為復(fù)雜，數(shù)據(jù)參與度較高，抗干擾能力較強(qiáng)，即使存在個(gè)別異常數(shù)據(jù)整體上也不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果又較大的影響，計(jì)算結(jié)果更加具有代表性。Lug-Down測(cè)試使用平均值計(jì)算方便快捷，對(duì)異常數(shù)據(jù)的抗干擾性能力較低，只能在一定程度上代表車輛排放水平。

3.4 結(jié)果匯總及分析

匯總所有項(xiàng)目的PEMS 測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果，由于Lug-Down 測(cè)試只關(guān)注車輛的NO和顆粒物排放，因此本節(jié)使用PEMS 測(cè)試的NO和PN 結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖3 PEMS 測(cè)試結(jié)果匯總

根據(jù)PEMS 測(cè)試結(jié)果可以看出，項(xiàng)目1和項(xiàng)目5 進(jìn)行PEMS 測(cè)試的NO和PN 結(jié)果均小于法規(guī)限值，排放合格。項(xiàng)目2、6、7測(cè)試的NO結(jié)果高于法規(guī)限值，項(xiàng)目3、4 測(cè)試的PN 結(jié)果高于法規(guī)限值。根據(jù)項(xiàng)目1、5、6、7 的NO測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著尿素溶液質(zhì)量濃度的下降，NO排放升高，當(dāng)尿素溶液質(zhì)量濃度低于車輛最低接受的反應(yīng)劑濃度（CDmin）28.5%時(shí)，車輛NO排放超過(guò)法規(guī)限值。根據(jù)項(xiàng)目1、3、4的測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)DPF 載體破損或移除后，其PN 排放水平遠(yuǎn)高于正常狀態(tài)。

匯總所有項(xiàng)目的Lug-Down 測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果，如圖4 所示。根據(jù)Lug-Down 測(cè)試結(jié)果可以看出，不同項(xiàng)目的測(cè)試結(jié)果變化趨勢(shì)同PEMS 測(cè)試基本一致，但所有測(cè)試結(jié)果均低于法規(guī)限值。項(xiàng)目1、5、6、7 隨著尿素溶液質(zhì)量濃度的降低，80%VelMaxHP 點(diǎn)的NO結(jié)果雖有升高，除項(xiàng)目7 外，其余項(xiàng)目變化并不明顯。對(duì)比項(xiàng)目1、3、4煙度測(cè)試結(jié)果，隨著DPF 劣化程度的增加，煙度排放升高，可以看出雖然整體煙度變化趨勢(shì)同PMES 測(cè)試一致。

圖4 Lug-Down 測(cè)試結(jié)果匯總

從兩種測(cè)試的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可以看出，兩種測(cè)試方法計(jì)算結(jié)果雖然在變化趨勢(shì)上有較好的一致性，但兩種測(cè)試方法的綜合通過(guò)率相差較大，7 種項(xiàng)目中PEMS 測(cè)試的綜合通過(guò)率為28.6%，Lug-Down 測(cè)試的綜合通過(guò)率為100.0%，且Lug-Down 測(cè)試的煙度結(jié)果的重復(fù)率較差。主要原因分析如下：

1)法規(guī)排放限值不同。GB17691-2018中規(guī)定的PEMS 排放限值針對(duì)的國(guó)六排放水平重型車，而GB3847-2018 中規(guī)定的Lug-Down 測(cè)試是針對(duì)所有在用重型柴油車，包括低排放水平的重型車，因此其排放限值較高，國(guó)六柴油車在排放部件劣化后，污染物排放升高。但由于其燃燒較為優(yōu)化，排放水平接近甚至優(yōu)于低排放階段柴油車，因此Lug-Down 測(cè)試的結(jié)果通過(guò)率較高。

2) 測(cè)試設(shè)備原理不同。PEMS 設(shè)備采用化學(xué)發(fā)光法（CLD）原理測(cè)量NO，激光計(jì)數(shù)（CPC）原理測(cè)量顆粒物數(shù)量，設(shè)備精度較高，對(duì)排放變化更為敏感。Lug-Down 測(cè)試設(shè)備采用光吸收原理測(cè)量NO，光透射原理測(cè)量煙度，設(shè)備精度要低于PEMS 設(shè)備，因此Lug-Down 測(cè)試設(shè)備對(duì)于低排放水平車輛排放變化敏感性較差，且重復(fù)性較差。

3)測(cè)試方法不同。PEMS 測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)量大，且計(jì)算方法會(huì)降低異常數(shù)據(jù)對(duì)整體結(jié)果的影響，試驗(yàn)重復(fù)性較好。Lug-Down 測(cè)試時(shí)間短，數(shù)據(jù)量較少，計(jì)算方法簡(jiǎn)單，測(cè)試結(jié)果易受異常數(shù)據(jù)影響，試驗(yàn)重復(fù)性較差。

通過(guò)PEMS 和Lug-Down 兩種測(cè)試方法和結(jié)果的對(duì)比可以看出，Lug-Down 測(cè)試相對(duì)于PEMS 測(cè)試方便快捷，用于在用車定期排放檢驗(yàn)更加合理。但兩種測(cè)試結(jié)果通過(guò)率相差較多，說(shuō)明Lug-Down 測(cè)試對(duì)于國(guó)六排放水平的車輛存在監(jiān)控盲區(qū)，無(wú)法對(duì)國(guó)六在用車排放進(jìn)行有效監(jiān)督，為此本文提出以下幾點(diǎn)建議：

1)建議對(duì)不同排放階段的柴油車分別制定Lug-Down 測(cè)試排放限值，尤其是國(guó)六柴油車，需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)限值加嚴(yán)。

2)建議更新Lug-Down 測(cè)試設(shè)備，使用高精度的顆粒物設(shè)備對(duì)國(guó)六車進(jìn)行測(cè)試，如AVL483、AVL489 等設(shè)備，避免由設(shè)備精度造成的試驗(yàn)結(jié)果不一致。

3) 建議對(duì)國(guó)六車進(jìn)行在用車定期排放監(jiān)督測(cè)試時(shí)深度結(jié)合OBD 檢查，確保被測(cè)車輛不存在故障，避免故障漏檢影響排放。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)GB3847-2018 中Lug-Down測(cè)試及GB17691-2018 中規(guī)定的PEMS 兩種測(cè)試方法及計(jì)算進(jìn)行對(duì)比研究，并使用兩種測(cè)試方法對(duì)一輛國(guó)六重型車及其更換不同劣化件后進(jìn)行排放測(cè)試，分析比較測(cè)試結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1)PEMS 測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理方法科學(xué)，測(cè)試工況更加接近車輛實(shí)際運(yùn)行工況，測(cè)試結(jié)果更加具有代表性。Lug-Down 測(cè)試快速便捷，其用于在用車排放監(jiān)督更為合理。

2)PEMS 與Lug-Down 測(cè)試在不同項(xiàng)目下對(duì)應(yīng)的排放值變化趨勢(shì)基本相同，但判定結(jié)果相差較大。

3)Lug-Down 測(cè)試對(duì)于已無(wú)法對(duì)國(guó)六在用柴油車進(jìn)行有效的排放監(jiān)督，本文建議修改法規(guī)限值、更新測(cè)試設(shè)備及深度結(jié)合OBD檢查等三個(gè)方面提高監(jiān)督能力。