基于CO2窗口法的在用柴油車排放評估

崔煥星，劉坤，杜騫，陸憲忠，王明達(dá)

（1．濟(jì)南汽車檢測中心有限公司，濟(jì)南250102；2．濟(jì)南市機(jī)動(dòng)車污染防治監(jiān)控中心，濟(jì)南250101；3．中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京100012）

0 引言

車輛在實(shí)際道路行駛時(shí)的排放未必會隨著排放法規(guī)限值的加嚴(yán)而降低［1?3］。 利用 PEMS （portable emissions measurement system）進(jìn)行車輛實(shí)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(dāng)前生態(tài)環(huán)境主管部門對新車及在用車輛進(jìn)行監(jiān)管的主要方法［4?5］。

功基窗口法以發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)循環(huán)測試的循環(huán)功為確定一個(gè)窗口大小基準(zhǔn)，將車輛實(shí)際道路行駛時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)做功及污染物排放數(shù)據(jù)在一個(gè)移動(dòng)窗口中累積，移動(dòng)頻率與采樣頻率相同，計(jì)算每個(gè)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(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩等信息，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)瞬態(tài)測試循環(huán)功也需要通過廠家獲取，導(dǎo)致主管部門無法獨(dú)立進(jìn)行測試。另外，通過OBD讀取的扭矩信息為基于模型的計(jì)算值，其與實(shí)際測試值存在一定偏差［8］。

與借助OBD讀取發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)算的主要參數(shù)，校驗(yàn)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(dòng)機(jī)最大功率與發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)際道路行駛排放數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)算如下：

式中： mCO2（tj，i） 為從測試開始到時(shí)間 tj，i之間發(fā)動(dòng)機(jī)所排出的CO2質(zhì)量，kg；mCO2ref為發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)間不得超過最長窗口持續(xù)時(shí)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(shí)間計(jì)算如下：

式中：Dmax為窗口最長持續(xù)時(shí)間，s；Wref為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)測試循環(huán)功，kW·h；Pmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，kW。

功基窗口的污染物窗口比排放量計(jì)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(dòng)機(jī)功率與ETC測試數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

ETC包含1 800個(gè)逐秒變化的發(fā)動(dòng)機(jī)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(yùn)行時(shí)間為 600 s［13?15］。

CO2分子吸收峰 （4．26 μm） 較為獨(dú)特，可以大大降低測試時(shí)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(dòng)機(jī)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(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)14臺，最大功率范圍：65～280 kW；國V階段共計(jì)34臺，最大功率范圍：64～515 kW）的車用柴油機(jī)進(jìn)行ETC測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(dòng)機(jī)ETC循環(huán)功與最大功率比值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)ETC循環(huán)功與發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)ETC循環(huán)CO2排放量與發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率之間的計(jì)算公式為：

式中：Pmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率，kW。

我國整車柴油車排氣污染物車載測試標(biāo)準(zhǔn)及北京重型車排氣污染物測試標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(shí)際道路排放測試

進(jìn)行整車實(shí)際道路排放測試時(shí)，將PEMS系統(tǒng)與車輛尾氣管相連 （見圖3），實(shí)時(shí)采集車輛污染物排放，并通過OBD讀取發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)［16］。

本文選取10輛不同排放階段的柴油車進(jìn)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(jì)

表2 車輛測試信息

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，整車污染物排放測試的車輛運(yùn)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(gè)車速超過55 km／h的短行程為開始標(biāo)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(gè)車速超過75 km／h的短行程為開始標(biāo)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(yùn)行道路工況按時(shí)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(yùn)行道路工況按時(shí)間配比為10%的市區(qū)道路、10%市郊道路、80%高速道路。

按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)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(jìn)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(jì)算CO2窗口法的窗口有效時(shí)長閾值由式 （6）計(jì)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(jì)算值評估與功基窗口法的平均差異幅度僅為3．1%，與實(shí)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(dòng)機(jī)來裝配3輛不同的車輛 （6a、6b和6c），再進(jìn)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(shí)測和計(jì)算的循環(huán)CO2窗口法對3輛車NOx排放計(jì)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(jì)算的循環(huán)CO2窗口法達(dá)標(biāo)率略低，這是因?yàn)橐罁?jù)式 （3）計(jì)算的CO2窗口有效時(shí)長閾值比實(shí)測的長近550 s，參與達(dá)標(biāo)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(dǎo)致達(dá)標(biāo)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(dòng)機(jī)最大功率推導(dǎo)其ETC循環(huán)CO2排放量，進(jìn)而據(jù)此使用CO2窗口法評估整車PEMS測試結(jié)果，與當(dāng)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(jìn)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(fù)荷區(qū)域的測試［17］，測試的循環(huán)功與發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的比值有所降低。通過對13臺發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(dòng)機(jī)最大功率推導(dǎo)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(dǎo)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(jī)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(yàn)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。