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第 5 期2023 年 10 月内燃机Internal Combustion EnginesNo.5Oct.2023功率阈值对重型柴油车实际道路排放结果的影响研究李旭1,白晓鑫1,吴春玲1,2,刘卫林1,景晓军1(1.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司,天津,300300;2.天津大学,天津,300072)摘要:为分析重型柴油车实际道路便携式车辆排放测量系统(PEMS)试验的排放特征及功率阈值对排放结果的影响,选取满足国六 b 阶段排放要求的 3 辆重型柴油车进行实际道路排放测试,并在不同功率阈值和时序窗口下进行了排放分析。结果表明:依据国六标准功基窗口分析方法,随着功率阈值从 20%逐渐降低到最小值,NOx 比排放基本呈上升趋势。且有可能在达到某一窗口功率阈值后,排放急剧增加。若直接以达到 50%窗口的功率阈值来评价车辆排放,可能使得最终 NOx比排放忽略排放较高的低功率窗口,从而导致评估结果偏低。在本研究中,这类窗口占总窗口的 29%以上,与总窗口计算相比,排放偏低了 42%以上,这种排放情况不容忽视。为了更全面地覆盖实际道路运行情况,建议使用全窗口计算结果来评估车辆排放。关键词:重型柴油车;国六排放标准;功率阈值;NOx 排放;功基窗口法中图分类号:TK422 文章编码:1000-6494(2023)05-0016-06收稿日期:2023 年 8 月 9 日基金项目:国家重点研发计划项目(2022YFC3703600)作者简介:李旭(1990-),女,工程师,研究生,主要从事主要从事重型柴油车排放与节能研究相关工作,E-mail:lixu 。Research on the Influence of Power Threshold on PEMS Tests Results of Heavy-duty Diesel Vehicle LI Xu1,BAI Xiaoxin1,WU Chunling1,2,LIU Weilin1,JING Xiaojun1(1.CATARC Automotive Test Center(Tianjin)Co.,Ltd.,Tianjin 300300,China;2.Tianjin University,Tianjin 300072,China)Abstract:In order to analyze the emission characteristics of heavy-duty diesel vehicles during on-road Portable Emissions Measure-ment System(PEMS)tests and the influence of power threshold on emission results,three heavy-duty diesel vehicles that meet China VIb emission standards were selected for real road emission test.Different power thresholds and time window settings were used for e-mission analysis.The results indicate that,using the China VI emission standards-based power-based window analysis method,as the power threshold gradually decreases from 20%to the minimum value,there is a general upward trend in NOx emissions,and there might be a sharp increase in emissions after reaching a certain window power threshold.If the emissions of vehicles are assessed direct-ly using a power threshold that is just above 50%of the effective window,it could lead to the omission of high-emission data points at lower power levels,resulting in an underestimated assessment.In this research,such low power windows account for more than 29%of the total window count,and the emissions calculated based on the total windows are underestimated by over 42%compared to the emis-sions calculated using the all window approach.These emissions are significant and should not be ignored.To cover a more comprehen-sive range of real-world operating conditions,it is recommended to use the results obtained from the all window approach to assess ve-hicle emissions.第 5 期李 旭,等:功率阈值对重型柴油车实际道路排放结果的影响研究17 Key words:Heavy-duty diesel vehicles;China VI emission regulation;power threshold;NOx emission;Work-based window methodDOI:10.20082/ki.nrj.2023.05.0030 前言随着汽车工业的迅猛发展和人们生活水平的不断提高,汽车的生产量和保有量都急剧增加,汽车排放已经成为大气污染的一个重要来源。尽管重型卡车的保有量在汽车中所占比例不高,但它们的氮氧化物(NOx)和颗粒物(PM)排放量却巨大1-2。根据生态环境部在 2022 年 12 月发布的 中国移动源环境管理年报(2022)数据,2021 年全国柴油车的 NOx 排放量为 502.1 万吨,PM 排放量为 6.4 万吨,分别占汽车排放总量的88.3%和 99%以上3。由此可见,柴油车是汽车NOx 和 PM 排放的主要来源。自 2021 年 7 月 1 日起,我国已全面实施 重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)国六 b 阶段排放标准,要求所有生产、进口、销售和注册登记的重型车辆符合这一标准。该排放标准的实施旨在对重型车辆的尾气排放控制提出更为严格的要求:不仅对以往的排放检测项目限值进行了加强,还引入了实际道路便携式车辆排放测量系统测试(PEMS)来监管重型车辆的排放145。目前,国六标准采用功基窗口法对PEMS 试验数据进行处理,将功率阈值从 20%开始降低到 10%,以有效窗口达到 50%及以上的部分来评价车辆排放6-7。目前,高旺等人8已对不同窗口功率阈值对PEMS 试验的总体计算结果以及窗口维度的影响进行了分析;吕立群和王志红等人19基于功基窗口方法研究了车辆在实际道路上的排放,他们指出功率阈值的限制导致大量发动机低功率 NOx 高比排放区域被剔除,从而低估了车辆的 NOx 排放水平;崔焕星和吴春玲等人10-11在冷起动分析的基础上,应用不同计算方法对冷却液 70 之后的排放数据进行了加权,获得了整体 PEMS 加权排放结果。然而,以上研究未详细分析功率阈值对排放计算结果的具体影响程度,因此,有必要研究不同工况下不同窗口排放计算的贡献异同,以确认设置功率阈值对排放结果的影响规律和趋势。本研究以 3 辆满足国六 b 的重型柴油车为研究对象开展实际道路 PEMS 排放测试,并采用了符合重型车国六法规的功基窗口方法对排放数据进行了计算和分析4。研究不同功率阈值设置对排放评估结果的影响,同时就功基窗口法对实际道路排放评价的适应性展开研究,为重型车辆尾气排放的监管和控制提供了参考依据。1 试验方案1.1 试验设备及试验车辆本研究采用 AVL 公司生产的 M.O.V.E 系列PEMS,选择了 3 辆符合国六 b 阶段排放要求的重型柴油车进行 PEMS 测试。这些车辆的排放后处理技术 包 括 氧 化 催 化 器(DOC)、废 气 再 循 环(EGR)、选择性催化还原技术(SCR)和颗粒捕集器(DPF),基本信息见表 1。表 1 测试车辆基本信息编号车辆类型最大总质量/kg额定功率/kW发动机额定转速/(rmin-1)WHTC循环功/(kWh)1城市10550139260010.52N2 非城市10550139260010.53N3 非城市25000327190031.61.2 试验基本情况按照 GB 17691-2018 的要求对车辆进行了实际道路 PEMS 测试:在测试开始时,发动机冷却液温度不得超过 30(如果环境温度高于 30,则冷却液温度不得高于环境温度 2)。此外,车辆的海拔、功倍数、NOx 浓度等参数都必须满足重型车国六法规 PEMS 测试的要求14。PEMS 开始采样前,数据采集频率为 1Hz。试验路线包括市区-市郊-高速的连续行驶,各路段的平均车速和比例分配都符合标准要求。试验持续时间必须确保测试车辆的累计功达到发动机全球统一轻型车辆试验循环(WHTC)功的 47 倍4。为了确保研究功率阈值对重型车辆国六 b 实际道路排放测试评估方法的普遍性,对 3 辆不同类型的车辆进行了实际道路 PEMS 测试,测试的基本信息见表 2。将冷却液温度达到 70的时刻作为试验的起始点,并将这段数据视为有效数据进行分析,测试的功倍数和路线分配比例都符合法规要求。18 内燃机2023 年 10 月表 2 PEMS 测试基本信息车辆编号车辆类型试验持续时间/s 车辆试验累计循环功倍数测试路线比例分配(市区:市郊:高速)载荷比/%1城市101825.6768.23%:31.77%:0%802N2 非城市81085.6943.60%:25.32%:31.08%1003N3 非城市68944.5418.74%:25.95%:55.31%602 国六功基窗口法国六功基窗口法4以 WHTC 累积功为基准将实际道路测试数据划分为不同窗口,以 1Hz 的频率逐步移动窗口,进行窗口排放物移动平均计算4,再进行有效窗口判定,最终进行车辆排放计算。2.1 窗口划分如图 1 所示,第 i 个窗口的周期 t2,i-t1,i()由式(1)判断,终止时刻 t2,i由式(2)判断:W t2,i()-W t1,i()Wref(1)W t2,i-t()WrefW t1,i()(2)式中,W tj,i()为从开始到时间 tj,i内的发动机循环功,kWh;Wref为 WHTC 循环功,kWh;t 为数据采样周期,1s。图 1 功基窗口法示意图2.2 窗口比排放计算每一个窗口和每一种污染物质量或数量的比排放 ep mg/(kWh)或个/(kWh)的计算应采用式(3):ep=mpW t2,i()-W t1,i()(3)式中,mp 为窗口内各污染物的排放总质量或排放总数量,g/窗口或个/窗口;W t2,i()-W t1,i()为第 i个窗口的发动机做功之和,kWh。2.3 排放结果判定根据重型车国六排放标准,计算了功基窗口的平均功率,即功基窗口发动机做功之和与窗口持续时间的比值11,窗口平均功率与发动机最大功率的比值称为功基窗口平均功率比。功率阈值从 20%开始以 1%的步长逐渐降低到 10%,功基窗口平均功率比大于或等于功率阈值的窗口被视为有效窗口,只有当有效窗口占比大于或等于 50%时,才认定 PEMS 试验有效,且对应的功率阈值被确定为有效窗口功率阈值。若有效窗口占比直至功率阈值达到 10%仍低于 50%,则试验被视为无效。在有效 PEMS 试验的有效窗口中,GB 17691-2018 规定至少 90%的有效窗口污染物比排放结果需要满足式(3)计算的排放限值要求。在本研究中,采用了有效窗口污染物比排放的 90%分位值来代表该污染物的排放水平。如果该值低于排放限值,则符合国六法规的车辆排放要求,排放合格;否则,污染物超标,排放不合格1,4。3 试验结果分析3.1 瞬态数据分析根据国六 PEMS 实际道路测试排放的计算方法,将冷却液温度达到 70 后的测试数据视为有效数据,并对 3 辆车的关键瞬态数据、功基窗口平均功率比和功基窗口持续时间进行了分析,结果如图 2 所示。随着车速的增加,窗口持续时间逐渐减少,即达到相同循环功所需的时间减少11-12。功基窗口平均功率比随着车速的增加逐渐增大。低功率阈值主要集中在市区工况,而在这个区域,SCR 前排温度通常较低,未达到尿素喷射温度,或者已经开始喷射尿素,但 SCR 催化器的温度较低,因此转化效率不高,导致 NOx 排放较高13-15,特别是 3 号车辆。第 5 期李 旭,等:功率阈值对重型柴油车实际道路排放结果的影响研究19 (a)1 号车辆(b)2 号车辆(c)3 号车辆图 2 3 辆车 PEMS 测试结果有效窗口的功率阈值数据如表 3 所示,结合图2 可知,3 辆车的有效窗口功率阈值分别为 11%、18%和 20%,即只计算图 2 中功基窗口平均功率比大于该功率阈值的数据的排放结果来代表车辆最终的排放,而该区域主要集中在市区后半段、市郊和高速工况。在 3 辆车的测试中,有效窗口数据占据 了 全 部 有 效 数 据 的 70.02%、63.48%和75.08%。由于设置了有效窗口功率阈值,超过25%的数据未被用于最终的 PEMS 排放评估,而这些数据正好包括整个测试过程中 NOx 比排放较高的部分,导致了实际排放被低估。表 3 有效窗口的功率阈值数据车辆编号车辆类型有效窗口功率阈值/%试验持续时间/s有效数据起点/s有效数据持续时间/s有效数据占比/%1城市11101823053712970.022N2 非城市1881082961514763.483N3 非城市2068941718517675.083.2 功基窗口法评价结果分析以冷却液温度大于 70的数据作为有效数据,分别对 3 辆车在不同功率阈值下的 NOx 比排放和PN 比排放进行分析。首先,分别计算了各车辆功基窗口的平均功率比、窗口 NOx 比排放和 PN 比排放。然后,将功率阈值从 20%以 1%步长逐渐降低到最小值(包括所有功基窗口),并根据功基窗口平均功率比大于等于相应功率阈值的窗口来确定有效窗口。使用有效窗口中污染物比排放的 90%分位值来代表该功率阈值下的车辆污染物排放结果,有效窗口占比是有效窗口与总窗口的比值。图 3 展示了 3 辆车 NOx 比排放和 PN 比排放随功率阈值的变化趋势。粗体点表示根据国六标准方法计算排放时,有效窗口占比高于 50%的情况,这些点的排放结果是按照国六标准方法计算的。如果这些点的 NOx 比排放超过 690mg/(kWh),则车辆的 NOx 比排放超标,相应的 PN 限值为 1.21012个/(kWh)。本研究的 3 辆车都满足国六排放限值要求,其中 PN 比排放远低于国六限值,因此不需要进行详细分析。图 3 NOx 比排放和 PN 比排放随着功率阈值的降低,有效窗口占比逐渐增加,最终达到 100%。NOx 比排放也随着功率阈值的降低基本呈上升趋势。3 辆车的有效窗口占比分别为 64.80%、59.06%和 71.02%。1 号车辆的有效窗口功率阈值为11%,在3 辆车中较低,主要因为它是城市车辆,市区工况占比高达 68.23%,因此做功较少,导致窗口平均功率较低,有效窗口功率阈值也较低。而 2 号车辆和 3 号车辆在 PEMS20 内燃机2023 年 10 月测 试 中,市 区 工 况 的 占 比 分 别 为 43.60%和18.74%,市郊和高速工况的做功较多,使得窗口平均功率较高,因此有效窗口功率阈值分别达到了 18%和 20%,特别是 3 号车辆,其有效窗口占比达到了 71.02%,导致在较高 NOx 比排放的低功率阈值区域未进行排放评估,其全窗口功率阈值为 12%,对 应 的 NOx 比 排 放 达 到 1393.70mg/(kWh),而 1 号车辆和 2 号车辆的全窗口功率阈值为 8%,对应的 NOx 比排放分别为 670.82mg/(kWh)和 915.12mg/(kWh)。而 3 辆车国六法规设定有效窗口功率阈值计算的 NOx 比排放分别为 388.17mg/(kWh)、470.36mg/(kWh)和 412.03mg/(kWh),相较全窗口计算的 NOx比排放分别降低 42.14%、48.60%和 70.44%。这表明,设置有效功率阈值来评估排放严重低估了车辆的 NOx 比排放,影响非常显著。3.3 移动窗口排放分析基于功基窗口法,分析了所有时序窗口的窗口平均功率比、持续时间、平均车速、NOx 比排放、PN 比排放和窗口 SCR 前平均排气温度的变化规律,如图 4 所示。各车辆在其达到对应功率阈值后的时序窗口参数为对国六计算方法最终污染物排放有贡献的数据,3 辆车的有效窗口占比分别为64.80%、59.06%和 71.02%。窗口持续时间随时序窗口后移逐渐降低,即单位时间内做功增加,达到相同循环功所需的时间减少。窗口平均功率比和窗口平均车速均增加,符合规律。窗口平均 SCR 前排温均值随时序窗口逐渐升高,并最终趋于稳定,这与瞬态变化规律一致。窗口 NOx 比排放随时序窗口后移而明显降低16,在达到国六计算方法有效窗口功率阈值对应的时序窗口后,逐渐趋于稳定。即基于国六标准方法设置的有效窗口可能导致最终评价结果是NOx 比排放稳定在低位时的结果。对于排放较高且变化较大的低功率窗口区域,可能未进行充分的排放评估。本研究的 3 辆车中,该区域的窗口占总窗口的比例超过29%。综合图3 的分析可知,相比于全窗口 NOx 比排放结果,这些窗口的 NOx 比排放偏低 42%以上,其排放不能忽视。图 4 PEMS 移动窗口分析窗口 PN 比排放随时序窗口后移,前期基本稳定,车辆#1 在市郊工况下略有升高17,这可能是因为颗粒物容易在高温缺氧的条件下大量产生,而市区工况中发动机缸内温度相对较低。随着工况向市郊过渡,发动机缸内混合气浓度较高,温度也 较 高,这 导 致 了 颗 粒 物 生 成 量 的 急 剧 增第 5 期李 旭,等:功率阈值对重型柴油车实际道路排放结果的影响研究21 加18-19。此外,3 辆车都配备了 DPF 后处理装置,一定范围内的温度对 DPF 排放颗粒物的过滤效率影响较小20,因此窗口 PN 比排放均远低于国六限值。4 结论由于国六标准采用有效窗口功率阈值来计算排放,在分析冷却液温度达到 70 后的 PEMS 测试瞬态数据时,超过 25%的数据被排除,未进行最终 PEMS 排放结果判定。这部分数据正好包含整个测试中 NOx 比排放较高的区域,导致实际排放水平被严重低估。随着功率阈值从 20%逐渐下降到最小值,NOx比排放基本呈现上升的趋势,并且在达到某个窗口功率阈值后可能急剧增加。如果直接使用刚好大于 50%窗口的功率阈值来评价车辆排放水平,可能会导致最终计算的 NOx 比排放忽略掉排放较高的低功率窗口,从而使评价结果偏低。这类窗口占总窗口的比例超过 29%,而且相较于总窗口计算排放偏低 42%以上,影响巨大不容忽视。为了更全面地覆盖实际道路运行工况,更真实地反映车辆的实际排放情况,建议在下一阶段的标准修订中,取消有效窗口功率阈值的限制,使用全窗口计算结果来评价车辆排放。参考文献1 吕立群,尹航,王军方等.基于功基窗口法的国六重型柴油车实际道路排放研究 J.中国环境科学,2021,41(08):3539-3545.2 孙龙.重型柴油车辆道路排放特征及评估方法研究D.武汉理工大学,2011.3 中华人民共和国生态环境部.中国移动源环境管理年报(2022)R.4 生态环境部.重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段):GB 176912018 S.北京:中国环境科学出版社,2018.5 张靳杰,杨聪,徐达等.基于 PEMS 试验的重型柴油车冷启动排放特征研究 J.汽车实用技术,2021,46(17):54-58.6 Velders G J M,Geilenkirchen G P,Lange R D.Higher than expected NOx emission from trucks may af-fect attainability of NO_ 2 limit values in the Nether-lands J.Atmospheric environment,2011,45(18):p.3025-3033.7 Ligterink N 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