在用柴油車排放劣化特性評(píng)價(jià)方法研究

任憲豐，閆立冰，鹿文慧，趙周輝，郝利君

(1.濰柴動(dòng)力股份有限公司 內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濰坊261061；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京100081)

柴油車在實(shí)際道路行駛條件下污染物排放比實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證循環(huán)工況排放更多，甚至達(dá)到型式認(rèn)證排放限值的數(shù)倍[1-2].一方面原因是排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的臺(tái)架測(cè)試循環(huán)不能完全代表車輛的實(shí)際行駛工況；另一方面原因可能是車輛在型式檢驗(yàn)的排放測(cè)試循環(huán)使用了應(yīng)對(duì)尾氣排放檢驗(yàn)的控制策略，而在實(shí)際行駛條件下，以降低油耗為控制目標(biāo)而導(dǎo)致污染物排放增加.因此,車輛實(shí)際道路行駛排放測(cè)試的必要性日益凸顯.實(shí)際道路排放測(cè)試是將便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)(Portable Emission Measurement System，PEMS)安裝在被測(cè)車輛上，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛排放的實(shí)時(shí)采集測(cè)量[3].不同于法規(guī)規(guī)定的臺(tái)架工況法，實(shí)際道路排放測(cè)試可采集到的是汽車在使用時(shí)的真實(shí)排放數(shù)據(jù)，能夠反映外界環(huán)境條件變化對(duì)車輛排放的影響，得到汽車所有運(yùn)行工況下的排放數(shù)據(jù)，在研究汽車實(shí)際運(yùn)行排放特征方面具有很大優(yōu)勢(shì).同時(shí)柴油車排放劣化狀況還與車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)其它部件磨損和老化狀況、維修保養(yǎng)狀況、及行駛條件等都有關(guān)系.)現(xiàn)代柴油車排放耐久性，即排放劣化狀況評(píng)價(jià)需要研究一種方便、適用、可靠，且能反映正常使用條件的柴油車排放耐久性試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法.

文中研究采用實(shí)際道路排放檢測(cè)方法，跟蹤測(cè)試一輛正常使用的N2柴油車排放，按照法規(guī)規(guī)定的柴油車排放耐久性試驗(yàn)里程間隔，開展柴油車實(shí)際道路排放測(cè)試，分別采用單位行駛里程排放因子分析方法和基于功基窗口法得到的單位功率排放因子分析方法研究分析該N2柴油車排放劣化特性，并進(jìn)行對(duì)比分析.

1 研究方法

1.1 測(cè)試車輛

文中測(cè)試的N2國五柴油車詳細(xì)參數(shù)見表1，其配備的DOC和SCR系統(tǒng)代表了國五柴油機(jī)后處理系統(tǒng)的典型配置.

表1 N2國五柴油車技術(shù)參數(shù)

注:N2指最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量超過3 500 kg，但不超過12 000 kg的載貨車輛.

國五法規(guī)要求N2柴油車耐久壽命為20萬公里，排放耐久性測(cè)試所需的最短測(cè)試?yán)锍虨?2.5萬公里[4].文章研究通過跟蹤測(cè)試該N2柴油車排放，研究其排放耐久性，該車輛處于正常使用過程且按期進(jìn)行正常維護(hù)和保養(yǎng).測(cè)試?yán)锍涕g隔不超過3萬公里，排放測(cè)試不少于5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每次測(cè)試結(jié)束后，計(jì)算單位行駛里程排放因子和單位功率排放因子，使用最小二乘法建立線性回歸方程，分析該N2柴油車排放劣化特性.

1.2 檢測(cè)設(shè)備

采用SEMTECH-DS便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試該N2柴油車排放，PEMS測(cè)試系統(tǒng)布置如圖1所示.SEMTECH-DS使用不分散紅外(NDIR) 檢測(cè)方法測(cè)量CO；采用不分散紫外(NDUV)檢測(cè)方法測(cè)量NOx濃度；O2濃度采用電化學(xué)方法檢測(cè).利用全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System，GPS))實(shí)時(shí)測(cè)量車輛所處的緯度、經(jīng)度和海拔，以計(jì)算車輛的速度、加速度和道路坡度；環(huán)境壓力、溫度和相對(duì)濕度采用氣象站測(cè)量；車輛排氣流量通過排氣流量計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量；PEMS檢測(cè)系統(tǒng)通過OBD與發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(ECU)進(jìn)行通訊，以獲取車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃油流量、參考扭矩、摩擦扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載等參數(shù).

圖1 PEMS測(cè)試系統(tǒng)布置

1.3 排放檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 排放檢測(cè)

為了反映通常情況下測(cè)試車輛實(shí)際道路運(yùn)行條件，車輛載荷通過裝載桶裝礦泉水使車輛有效載荷達(dá)到車輛最大載荷的50%左右.排放測(cè)試前，啟動(dòng)PEMS設(shè)備進(jìn)行預(yù)熱，熱機(jī)完成后進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)束后即可開始進(jìn)行車輛實(shí)際道路排放測(cè)試.

依據(jù)車輛實(shí)際道路行駛排放(RDE)測(cè)試法規(guī)[5]，每次排放測(cè)試路線包括城市道路(車速≤50 km/h，平均車速15～30 km/h)、郊區(qū)道路(車速≤75 km/h，平均車速45～70 km/h)和高速公路(車輛速度>70 km/h)3種不同道路類型組成.對(duì)應(yīng)N2車輛類型，車輛測(cè)試道路組成依次為：45%的市區(qū)路、25%的市郊路和30%的高速路，實(shí)測(cè)道路行駛循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)功應(yīng)達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)ETC循環(huán)功的4～7倍.

從所選N2車輛投入使用后開始，以不超過3萬公里的測(cè)試?yán)锍涕g隔選擇6個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別計(jì)算每次實(shí)際道路排放測(cè)試循環(huán)的單位行駛里程排放因子和基于功基窗口法的柴油車單位功率排放因子，將6次排放測(cè)試結(jié)果，運(yùn)用最小二乘法建立線性回歸方程，得到車輛使用壽命起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的排放數(shù)據(jù)，通過公式(1)計(jì)算排放劣化系數(shù)[6].

(1)

式中:Fi為排放成分i的劣化系數(shù)；M0i、M1i為車輛有效壽命起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的排放成分i的排放因子，g/(kW·h)或g/km.

1.3.2 排放數(shù)據(jù)處理方法

車載排放測(cè)量是通過PEMS對(duì)車輛排氣進(jìn)行直接采集測(cè)試，實(shí)時(shí)測(cè)量車輛排氣流量和排氣中各種排放物的體積濃度.排氣中氣態(tài)排放物的質(zhì)量排放速率可通過下式計(jì)算.

(2)

(1)單位行駛里程排放因子

對(duì)于車輛整個(gè)駕駛行程內(nèi)各種氣態(tài)排放物的總排放量計(jì)算，采用瞬時(shí)污染物排放速率進(jìn)行積分計(jì)算：對(duì)于車輛整個(gè)駕駛行程內(nèi)各種氣態(tài)排放物的總排放量計(jì)算，采用瞬時(shí)污染物排放速率進(jìn)行積分計(jì)算.

(3)

式中：mi為排放物i的質(zhì)量排放，g；t1為實(shí)際駕駛循環(huán)開始時(shí)間，s；t2為實(shí)際駕駛循環(huán)結(jié)束時(shí)間，s.

同樣，我們通過以下方式計(jì)算車輛的總行駛里程.

(4)

式中：S為實(shí)際駕駛循環(huán)總行駛里程，km；v為車速，m/s.

通過以下方式計(jì)算排放物i的單位行駛里程排放因子.

Esi=mi/S

(5)

式中：Esi為實(shí)際駕駛循環(huán)的單位里程排放因子，g/km.

(2)單位功率排放因子

在車輛測(cè)試過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷(發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與最大參考扭矩的百分比)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、瞬時(shí)燃料消耗量和發(fā)動(dòng)機(jī)最大參考扭矩等數(shù)據(jù)流信息，通過OBD系統(tǒng)以1 Hz的頻率實(shí)時(shí)記錄采集.因此，輸出扭矩可由ECU內(nèi)置程序通過計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩和摩擦扭矩來進(jìn)行估算，則可計(jì)算車輛實(shí)際道路行駛過程中發(fā)動(dòng)機(jī)輸出瞬時(shí)功率.

(6)

式中：p為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)功率，kW；Tt為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，N·m；n為發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，r/min.

從車輛開始測(cè)試到時(shí)間t時(shí)刻的發(fā)動(dòng)機(jī)累積做功為

(7)

式中:W為發(fā)動(dòng)機(jī)從t1到t2的循環(huán)功，kW·h；t1為實(shí)際駕駛循環(huán)開始時(shí)間，s；t2實(shí)際駕駛循環(huán)結(jié)束時(shí)間，s.

整個(gè)車輛駕駛行程內(nèi)排放物i的單位功率排放因子為

EWi=mi/W，

(8)

式中:EWi為實(shí)際駕駛循環(huán)的單位功率排放因子，g·(kW·h)-1.

為使RDE測(cè)試程序具有較強(qiáng)可操作性和規(guī)范性，排放法規(guī)規(guī)定了RDE測(cè)試的一系列測(cè)試要求和邊界條件，并開發(fā)了與之相匹配的數(shù)據(jù)評(píng)估方法，即通過功基窗口法計(jì)算單位功率排放因子[7].

依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)ETC循環(huán)的循環(huán)功，將整個(gè)行程測(cè)得的車輛排放數(shù)據(jù)劃分為不同的窗口，稱為“平均窗口”，第j個(gè)移動(dòng)平均窗口內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功為

Wj=W(t2,j)-W(t1,j),

(9)

式中:W(t1,j)和W(t2,j)分別為從開始到t1,j和t2,j時(shí)刻發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功，kW·h.

t1,j和t2,j滿足式(10).

W(t2,j-Δt)-W(t1,j)

(10)

式中:Δt為時(shí)間增量，s；Wref為發(fā)動(dòng)機(jī)ETC循環(huán)功，kW·h.

第j個(gè)窗口內(nèi)排放物i總質(zhì)量為

(11)

第j個(gè)窗口內(nèi)排放物i的單位功率排放因子可以計(jì)算如下.

(12)

式中:eWij為第j個(gè)窗口內(nèi)排放物i的單位功率排放因子，g·(kW·h)-1.

計(jì)算車輛測(cè)試行程中的排放物i的單位功率排放因子為

(13)

式中:EWi為車輛排放測(cè)試循環(huán)中尾氣排放物的單位功率排放因子，g/(kW·h)-1，n為整個(gè)測(cè)試循環(huán)中有效窗口的個(gè)數(shù).

2 結(jié)果與分析

不同行駛里程下N2柴油車的單位里程排放因子和單位功率排放因子如表2所示.

表2 不同行駛里程下N2柴油車的排放因子

表2顯示了N2柴油車不同里程條件下CO和NOx的單位里程排放因子和單位功率排放因子隨著車輛行駛里程增加，呈現(xiàn)出上升趨勢(shì).利用最小二乘法建立了排放因子的線性回歸方程如下.

yi=axi+b，

(14)

式中：xi為每次排放測(cè)試時(shí)車輛行駛里程，km；yi為每次測(cè)試排放物i的單位里程排放因子(g·km-1)和單位功率排放因子(g·(kW·h)-1).

采用公式(1)計(jì)算排放物i劣化系數(shù)Fi.如果Fi小于1，則視為1.回歸方程和排放劣化系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3.

表3 回歸方程和排放劣化系數(shù)計(jì)算結(jié)果

按照單位里程排放因子計(jì)算得出的N2柴油車CO和NOx排放劣化系數(shù)分別為1.184和1.296；按照基于功基窗口法得到的單位功率排放因子,計(jì)算得出的N2柴油車CO和NOx排放劣化系數(shù)分別為1.172和1.256，結(jié)果接近，均大于HJ 438-2008排放標(biāo)準(zhǔn)推薦的劣化系數(shù)[6]，該推薦劣化系數(shù)是基于柴油機(jī)臺(tái)架ETC試驗(yàn)循環(huán)排放結(jié)果給出的推薦值，對(duì)于實(shí)際道路排放測(cè)試仍有參考價(jià)值.

依據(jù)基于功基窗口法得到的單位功率排放因子變化趨勢(shì)，在N2柴油車有效壽命期終點(diǎn)時(shí)，CO和NOx排放量分別增加17.2%和25.6%，但仍滿足HJ857—2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的國五柴油車RDE排放限值.CO排放量增加表明DOC有劣化趨勢(shì)，同樣，NOx排放量增加也反映了SCR的劣化特性.

由表3所示的排放劣化系數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以看出，依據(jù)單位里程排放因子的排放劣化系數(shù)計(jì)算值略高于單位功率排放因子的計(jì)算值.主要原因在于本研究計(jì)算的單位里程排放因子是基于車輛整個(gè)測(cè)試行程計(jì)算的平均值，包含了測(cè)試行程中所有的測(cè)試工況.而基于功基窗口法得到的單位功率排放因子計(jì)算過程中對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行了篩選，依據(jù)RDE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有效的平均移動(dòng)窗口數(shù)據(jù)一般要求窗口的功率最低不低于發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的10%，實(shí)際上是濾掉了很多低負(fù)荷工況點(diǎn)，導(dǎo)致獲得的單位功率排放因子與單位里程排放因子存在差異.

單位里程排放因子為車輛單位行駛里程的比排放量，會(huì)隨車輛種類、車輛總質(zhì)量變化而變化.而基于功基窗口法得到的單位功率排放因子，是相對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行歸一化，因而，單位功率排放因子適用于對(duì)不同種類、不同總質(zhì)量車輛間的排放進(jìn)行比較，適用于對(duì)重型柴油車排放水平評(píng)價(jià).

3 結(jié) 論

本研究跟蹤一輛國五N2柴油車，按照法規(guī)規(guī)定的里程間隔進(jìn)行RDE排放測(cè)試，考察其排放劣化程度.排放數(shù)據(jù)處理分別采用柴油車單位行駛里程排放因子和基于功基窗口法的單位功率排放因子計(jì)算方法，兩種計(jì)算結(jié)果接近.

單位里程排放因子為車輛單位里程的比排放量，隨車輛種類、車輛總質(zhì)量會(huì)變化很大.而基于功基窗口法得到的單位功率排放因子，對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)功率進(jìn)行歸一化，因而，單位功率排放因子適用于對(duì)不同種類、不同總質(zhì)量車輛間的排放水平比較，因而適用于對(duì)重型柴油車排放水平評(píng)價(jià).

依據(jù)基于功基窗口法得到的單位功率排放因子變化趨勢(shì)，在N2柴油車有效壽命期終點(diǎn)時(shí)，CO和NOx排放量分別增加17.2%和25.6%，滿足HJ857—2017標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的國五柴油車RDE排放限值，但排放劣化系數(shù)大于HJ 438-2008排放標(biāo)準(zhǔn)推薦的基于柴油機(jī)臺(tái)架ETC試驗(yàn)循環(huán)排放結(jié)果給出的劣化系數(shù)推薦值.車輛排放劣化特性與車輛部件磨損老化、車輛使用狀況和實(shí)際行駛條件有關(guān)，有必要對(duì)柴油車排放耐久性進(jìn)行實(shí)際道路試驗(yàn)研究.