崔煥星，劉坤，杜騫，陸憲忠，王明達

（1．濟南汽車檢測中心有限公司，濟南250102；2．濟南市機動車污染防治監(jiān)控中心，濟南250101；3．中國環(huán)境科學研究院，北京100012）

0 引言

車輛在實際道路行駛時的排放未必會隨著排放法規(guī)限值的加嚴而降低［1?3］。 利用 PEMS （portable emissions measurement system）進行車輛實際道路污染物排放測試，再通過功基窗口法評估整車排放水平，是當前生態(tài)環(huán)境主管部門對新車及在用車輛進行監(jiān)管的主要方法［4?5］。

功基窗口法以發(fā)動機進行瞬態(tài)循環(huán)測試的循環(huán)功為確定一個窗口大小基準，將車輛實際道路行駛時的發(fā)動機做功及污染物排放數(shù)據(jù)在一個移動窗口中累積，移動頻率與采樣頻率相同，計算每個窗口的污染物比排放量 （g／kW·h）［6］。 該方法需要借助OBD （on?board diagnostic system） 讀取車輛行駛時的發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩等信息，計算發(fā)動機做功［7］。但是，我國在2017年針對國V階段柴油車輛才開始提出PEMS測試要求，存在此前生產(chǎn)的車輛OBD數(shù)據(jù)讀取不全等困難，而且發(fā)動機瞬態(tài)測試循環(huán)功也需要通過廠家獲取，導致主管部門無法獨立進行測試。另外，通過OBD讀取的扭矩信息為基于模型的計算值，其與實際測試值存在一定偏差［8］。

與借助OBD讀取發(fā)動機做功相比，測量CO2排放可以不再受制于ECU （electronic control unit），且CO2與油耗更具相關(guān)性。我國排放法規(guī)一直將CO2排放量作為碳平衡法計算的主要參數(shù)，校驗油耗儀讀數(shù)的一致性［9］。 使用基于 CO2（g／kg CO2）或者油耗的排放因子 （g／kg fuel），受車速、載荷等因素影響較?。?0?11］，也有利于不同車輛的對比分析，特別是不同種類、不同燃料、不同行駛速度的車輛對比［12］。本文研究發(fā)現(xiàn)發(fā)動機最大功率與發(fā)動機瞬態(tài)測試循環(huán)功及循環(huán)CO2排放量具有一定相關(guān)性，由此分別基于循環(huán)功、循環(huán)CO2排放量對整車實際道路行駛排放數(shù)據(jù)進行對比分析。

1 CO2窗口法

CO2窗口法與功基窗口法類似，如圖1所示。

CO2窗口法窗口大小計算如下：

式中： mCO2（tj，i） 為從測試開始到時間 tj，i之間發(fā)動機所排出的CO2質(zhì)量，kg；mCO2ref為發(fā)動機在瞬態(tài)測試循環(huán)中所排出的CO2質(zhì)量，kg。

確定 t2，i的原則是：

式中：Δt是指數(shù)據(jù)采樣頻率，≤1 s。

有效窗口的持續(xù)時間不得超過最長窗口持續(xù)時間，若有效窗口的比例低于50%，則將式 （2）中的20%閾值以1%的步長逐步減小，但不得低于15%。最長窗口持續(xù)時間計算如下：

式中：Dmax為窗口最長持續(xù)時間，s；Wref為發(fā)動機瞬態(tài)測試循環(huán)功，kW·h；Pmax為發(fā)動機最大功率，kW。

功基窗口的污染物窗口比排放量計算如下：

式中：egas為功基窗口的污染物比排放量，g／（kW·h）；m為排放物，g。

2 發(fā)動機功率與ETC測試數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

ETC包含1 800個逐秒變化的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和扭矩百分比值，測試循環(huán)分為城市道路工況 （最高車度50 km／h，頻繁啟停及怠速）、鄉(xiāng)村道路工況（平均車速72 km／h，包含一系列加速過程）以及高速道路工況 （平均車速88 km／h）3部分，每一部分運行時間為 600 s［13?15］。

CO2分子吸收峰 （4．26 μm） 較為獨特，可以大大降低測試時受其他排氣污染物的干擾，而且其在排氣中有著相對較高的濃度，因此在發(fā)動機主要排放污染物中，CO2測試精度較高。根據(jù)GB17691?2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法 （中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段）》規(guī)定的ETC測試規(guī)程，本文對48臺不同排放階段及功率段 （國IV階段共計14臺，最大功率范圍：65～280 kW；國V階段共計34臺，最大功率范圍：64～515 kW）的車用柴油機進行ETC測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，得到其ETC測試的循環(huán)功與循環(huán)CO2排放量之間的關(guān)系，如圖2所示。

由圖3可以看出，ETC循環(huán)CO2排放量隨ETC循環(huán)功增大而增加，兩者具有很高的線性相關(guān)性。此外，發(fā)動機ETC循環(huán)功與最大功率比值的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)統(tǒng)計，發(fā)動機ETC循環(huán)功與發(fā)動機最大功率比值的95%置信區(qū)間為0．152～0．160，本研究取值0．156。由此結(jié)合循環(huán)功與CO2排放量之間的線性關(guān)系，得到發(fā)動機ETC循環(huán)CO2排放量與發(fā)動機最大功率之間的計算公式為：

式中：Pmax為發(fā)動機最大功率，kW。

我國整車柴油車排氣污染物車載測試標準及北京重型車排氣污染物測試標準規(guī)定我國IV、V階段整車排放 NOx限值分別為 7．0 g／（kW·h）和 4．0 g／（kW·h），計算得到CO2窗口法評估整車排放NOx排放的限值為：

式中：EIV、EV分別為IV、V階段整車CO2窗口法排放限值，g／kg；LIV、LV分別為IV、V階段整車排放 NOx排放限值， g／（kW·h）。

3 整車實際道路排放測試

進行整車實際道路排放測試時，將PEMS系統(tǒng)與車輛尾氣管相連 （見圖3），實時采集車輛污染物排放，并通過OBD讀取發(fā)動機的運行參數(shù)［16］。

本文選取10輛不同排放階段的柴油車進行整車污染物測試，車輛測試信息如表2所示。

表1 ETC循環(huán)功與最大功率比值樣本統(tǒng)計

表2 車輛測試信息

依據(jù)標準要求，整車污染物排放測試的車輛運行工況包括：市區(qū)道路、市郊道路和高速道路3種。測試過程按照市區(qū)—市郊—高速順序行駛。市區(qū)道路行駛速度為0～50 km／h，平均車速為15～30 km／h；市郊道路以第1個車速超過55 km／h的短行程為開始標志，車輛行駛速度不超過75 km／h，平均車速為45～70 km／h；高速道路以第1個車速超過75 km／h的短行程為開始標志，平均車速大于70 km／h。M1、M2、M3、N2類車輛 （城市車輛除外）的運行道路工況按時間配比為20%的市區(qū)道路、25%市郊道路、55%高速道路，N3類車輛 （郵政、環(huán)衛(wèi)除外）的運行道路工況按時間配比為10%的市區(qū)道路、10%市郊道路、80%高速道路。

按照標準要求進行數(shù)據(jù)處理后，10輛柴油車的NOx排放數(shù)據(jù)分別采用功基窗口法與CO2窗口法進行評估，結(jié)果如圖4所示。其中，功基窗口法窗口平均比功率有效閾值設(shè)定為20%，計算CO2窗口法的窗口有效時長閾值由式 （6）計算，設(shè)定為2 808 s。

對比10輛整車PEMS測試評估結(jié)果，使用CO2窗口法的計算值評估與功基窗口法的平均差異幅度僅為3．1%，與實測CO2窗口法評估結(jié)果平均差異幅度僅為1．5%。相比于功率，CO2與燃油消耗聯(lián)系更為直接。為充分說明該評估方法適用性，本文采用6號車輛所配的型號發(fā)動機來裝配3輛不同的車輛 （6a、6b和6c），再進行PEMS測試，測試車輛及測試信息如表3所示。

采用功基窗口法及基于實測和計算的循環(huán)CO2窗口法對3輛車NOx排放計算，結(jié)果如圖5所示。3種評估方法的結(jié)果基本一致，其中6a車輛基于計算的循環(huán)CO2窗口法達標率略低，這是因為依據(jù)式 （3）計算的CO2窗口有效時長閾值比實測的長近550 s，參與達標判定的有效窗口占比升高（分別為84．9%、72．7%），更多測試末尾怠速段的數(shù)據(jù)導致達標窗口比例降低。

表3 車輛及測試信息

綜上所述，僅使用發(fā)動機最大功率推導其ETC循環(huán)CO2排放量，進而據(jù)此使用CO2窗口法評估整車PEMS測試結(jié)果，與當前常用的功基窗口法評估結(jié)果基本一致。

此外，我國重型車排放法規(guī)已進入國六階段，瞬態(tài)測試由ETC循環(huán)更改為世界統(tǒng)一瞬態(tài)測試循環(huán) （World harmonized transient cycle， WHTC）。 由于WHTC循環(huán)偏重于低轉(zhuǎn)速低負荷區(qū)域的測試［17］，測試的循環(huán)功與發(fā)動機最大功率的比值有所降低。通過對13臺發(fā)動機WHTC測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到，該比值均值為0．090，CO2排放量與循環(huán)功同樣存在線性相關(guān)性 （如圖6所示）。本文評估方法在國六階段仍具有適用性。圖6WHTC循環(huán)功與CO2排放量關(guān)系

4 結(jié)論

1）僅以發(fā)動機最大功率推導其ETC循環(huán)的CO2排放量，據(jù)此使用CO2窗口法評估整車污染物排放狀況，與功基窗口法評估結(jié)果基本一致。該方法不再受制于OBD數(shù)據(jù)的讀取，更具有可操作性。

2）根據(jù)法規(guī)中ETC循環(huán)的NOx排放限值，利用ETC循環(huán)功與CO2排放量的相關(guān)性可以推導出基于CO2窗口法的排放限值。

3）燃油消耗量與CO2排放量具有高度相關(guān)性，不同機型的燃油耗量差異可視同為CO2差異。

本文的研究方法也可以用于驗證OBD數(shù)據(jù)讀取的正確性。使用本方法能非常方便有效地評估在用柴油車的污染物排放符合性。