基于3B-MAW方法的PEMS测试工况研究.pdf

第40 卷第4期2023年7 月D0I:10.19471/ki.1673-6397.2023.04.005内燃机与动力装置INTERNALCOMBUSTIONENGINE&POWERPLANTVol.40 No.4Jul.2023基于3B-MAW方法的PEMS测试工况研究钟祥麟，李腾腾，张超，于全顺中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津30 0 30 0摘要：为研究美国2 区/3区移动平均窗口法（2 bin/3bin-movingaveragewindow，2 B/3B-M A W）与我国便携式排放测试系统（portableemissionmeasurement system,PEMS）方法的差异，选择3辆样车按照3B-MAW的测试方法开展测试和数据分析，并对其中2 辆样车按国六排放标准进行PEMS测试，对比分析不同试验方法的车辆运行工况特征和差异。结果表明：车辆采用3B-MAW测试方法测试的实际道路运行负荷概率分布符合随机事件特征；将低负荷区和中高负荷区合并考核更符合车辆的实际运行情况；试验时间不少于6 h的运行工况能够代表车辆运行的随机特征。关键词：重型车；PEMS;2B/3B-MAW；运行工况；概率分布中图分类号：X734.2引用格式：钟祥麟，李腾腾，张超，等.基于3B-MAW方法的PEMS测试工况研究J.内燃机与动力装置,2 0 2 3，40(4):28-34.ZHONG Xianglin,LI Tengteng,ZHANG Chao,et al.Study on PEMS test cycle based on 3B-MAW methodJ.Internal Combustion Engine&Powerplant,2023,40(4):28-34.0引言文献标志码：A文章编号：16 7 3-6 39 7(2 0 2 3)0 4-0 0 2 8-0 7重型柴油车国六排放标准已于2 0 2 1年7 月1日全面实施，为了更好地监管和考核车辆的真实排放，国六排放标准推出了便携式排放测试系统（portable emissionmeasurement system，PEM S）试验测试项目 。与传统的转鼓试验相比,PEMS试验采用真实的应用场景和道路环境,更真实可靠地反映由于环境、交通、驾驶模式等因素导致的汽车排放变化2-8 。目前，世界各国正在积极推进下一阶段汽车排放标准的编制工作。2 0 2 2 年11月10 日，欧盟委员会提出了欧七排放标准提案，该提案针对PEMS测试方法和限值升级的占比较大，并建议重型车欧七排放标准在2 0 2 7 年7 月1日起实施9 。2 0 2 2 年12 月2 0 日，美国环保署（environmental protection agency，EPA通过了控制新型机动车的空气污染：重型发动机和车辆标准，该标准中针对PEMS测试提出了新的测试方法和限值标准，提出采用2 区移动平均窗口法（2 bin-moving averagewindow，2 B-M A W）取代当前的非标准循环（not-to-exceed,NTE）方法10)。2 B-MAW方法借鉴了加州空气资源委员会（California airresourcesboard,CARB）在2 0 2 1年9 月9 日发布的2 0 0 4年及后续型号重型柴油发动机和车辆的加利福尼亚州废气排放标准和测试程序新修正案中提出的3区移动平均窗口法（3bin-moving average window，3B-MAW）。在欧洲提案和美国下一阶段PEMS 测试方法中，针对车辆的行驶工况均有一个典型改变：测试过程中对车辆行驶工况不做特殊规定，车辆按通常的用途进行驾驶。利用PEMS对整车排放进行评估主要采用移动平均窗口法（moving average window，M A W）【12-14。目前我国和欧洲的重型车排气污染物车载测量方法均采用以瞬态循环（world harmonized transient cycle，WHTC)的循环功划定窗口的功基窗口法。而CARB提出的3B-MAW法为时间平均窗口法，将窗口时间收稿日期:2 0 2 3-0 4-13第一作者简介：钟祥麟（19 7 4一），男，天津人，工学博士，高级工程师，主要研究方向为机动车排放控制技术，E-mail：zhongxianglin 。第4期设为30 0 s,窗口的起始点按时间顺序在数据中每个有效数据开始，窗口时间步长,=1s,向后平移并彼此重叠。为研究美国2 B/3B-MAW方法与我国PEMS测试方法的不同，本文中选择3辆样车按照3B-MAW的测试方法开展测试和数据分析，同时针对其中2 辆样车按国六排放标准进行PEMS测试，对比分析不同试验方法车辆运行工况的特征和差异，为我国下阶段重型车整车排放测试标准的制定提供技术参考。1记试验设备及方法1.1试验样车和试验设备本文中试验样车均满足国六排放标准，试验车辆基本参数和加载情况如表1所示。样车编号类型燃料类型额定功率/kW1N32N23N3采用HORIBA公司OBS-ONE-GS12/PN车载排放测试设备对试验样车行驶过程中的主要排放污染物进行测试，该设备测量原理及量程如表2 所示。测试组份COCO2非分散红外技术；指体积分数；化学发光法；凝结核粒子计数器。钟祥麟，等：基于3B-MAW方法的PEMS测试工况研究表1试验车辆基本参数最大总质量/加载比例/%柴油415柴油103燃气404表2 试验设备测量原理及量程测量原理量程加热型NDIRO0 10%加热型NDIRO0 20%2949.090.08.246.048.917.5测试组份测量原理NO加热型CLD?PNCPC量程0 3 00010-6 0 5x107个/cm3测试设备与整车的连接方式如图1所示,其中GAS模块用于测试气态排放物CO、CO 2、NO，粒子数量（particle number,PN）模块用于测试颗粒物数量。1.2试验方法EPA的2 B-MAW方法是借鉴了CARB的3B-MAW方法,基本试验和计算方法本质相同。因此本文中按照3B-MAW的试验方法开展试验和数据分析。3B-MAW试验方法中，车辆按通常用途在实际道路行驶,驾驶工况不做特别规定。数据处理使用基于300s参考时间的MAW方法，即计算时长为30 0 s的子集有效数据计算污染物排放质量，如果窗口遇到无效数据，则跳过，继续包含后续有效数据，直至窗口中有效数据的时间达到30 0 s。如果无效数据连续时间超过6 0 0 s,则窗口终止，待后续再次遇到有效数据时,重新生成新窗口。窗口将以,=1s相互重叠。发动机负荷比15式中：E，为单位为g（k Wh）的中国重型商用车瞬态工况（Chinaworld transientvehiclecycle,C-WTVC）气瓶GAS发电机控制电脑模块PN模块图1测试设备安装连接示意图36004mMLE.Pmmax(1)30030认证循环的CO，比排放的数值;Pmax为单位为kW的发动机最大额定功率的数值；qm，为单位为g/s的CO,排放的瞬时质量流量的数值;T为单位为s的数据采样周期的数值,T=1。根据每个窗口的发动机负荷百分比将窗口分为3种类型：Bin1、Bi n 2、Bi n 3，其中Binl为怠速区,Bin2为低负荷区,Bin3为中高负荷区。3个区的定义为：Binl区，l6%;Bin2区，6%20%。CA R B标准中，负荷百分比计算公式中引用了发动机系族的美国联邦排放测试工况循环（Fe d e r a l t e s t p r o c e d u r e,FT P）CO,排放认证结果，本文中，该结果采用我国C-WTVC认证循环的CO，比排放替代。3B-MAW方法要求每个区的有效窗口数应至少为2 40 0;2 B-MAW方法要求Bin1窗口数至少为2400,Bin2窗口数至少10 0 0 0。2 B-MAW方法以MAW归一化的排放中平均CO的质量分数w（CO,）为分区划分依据：Binl区为怠速区,定义为w（CO）6%；Bi n 2 区为非怠速区,定义为w（CO,）6%。归一化的平均CO2排放率与式(1)中发动机负荷百分比的计算方法一致，因此2 B-MAW方法划分的Bin2分区,从定义上可以理解为3B-MAW方法的“Bin2与Bin3之和”。按照3B-MAW试验方法，如果任何区的有效窗口数不足2 40 0,应按需继续进行额外时间测试，以达到每个区的最低窗口要求。如果在第1工作日或随后时间进行的试验满足低负荷和中高负荷区的有效窗口要求，但不满足怠速区有效窗口要求，可以在该工作日结束后使试验发动机怠速运行最少40 min,最多6 0 min,以满足怠速区的有效窗口要求。基于以上描述，为了理解3B-MAW方法车辆试验工况的负荷特征，本文中采用3辆试验车辆，按照3B-MAW的要求进行实际道路测试，为保证每个区的窗口数，每辆样车的试验均进行2 个工作日。同时对样车2 和样车3按国六标准要求，进行PEMS试验，并采用3B-MAW的数据分析方法分析样车的工况特性，对比2 B/3B-MAW和PEMS试验的工况特征。2试验结果2.1记试验工况特征分析3辆样车的试验时间和窗口数如表3所示。车辆编号试验时间第1工作日1第1、2 工作日第1工作日2第1、2 工作日第1工作日3第1、2 工作日第1、2 工作日0注：第2 个工作日试验结束前，发动机急速运行40 min。内燃机与动力装置表33辆样车的试验时间和分区窗口数数据采集时间/s有效数据/个29 0792857460 13957 68426 14425 26553 23051 66926 59425 96650 6144975753 77552.9092023年7 月第40 卷有效窗口数BinlBin21 6286 9363 44914 8961 28511 628485922.5921 12720942220141 716522541 844Bin31971039 03912.05223.9183.59755405540由表3可知：车辆1、2 在完成第2 个工作日的试验才满足Bin1的窗口数要求，车辆3在第2 个工作日试验结束前,增加了40 min怠速时间，才满足Binl的窗口数要求；Bin2和Bin3区,窗口数在第1个工作日试验就已经基本满足甚至远超2 40 0 的有效窗口数要求。本文中的3辆样车，均按通常的使用习惯完成实际道路驾驶，因此如果按照3B-MAW试验方法在本文中所选择的城市道路开展试验，满足怠速区的有效窗口数花费的试验时间较长。第4期试验样车遵循车辆的使用用途按通常运行路线开展的实际道路测试，行驶工况并未做特殊限定，考虑到完成3B-MAW试验所用的时间比较长，因此，采用概率分布的统计方法对比分析3辆样车的工况特征，3台样车所有窗口负荷比和窗口平均车速的概率分布对比如图2、3所示。4.0r15.03.563.0542.52.0室1.51.00.5H0钟祥麟，等：基于3B-MAW方法的PEMS测试工况研究7321102030 405060负荷比/%a)样车13112.57.55.02.5051015.20 25 3035 4045负荷比/%b)样车2图2不同样车采用3B-MAW试验方法的负荷比概率密度H051015202530负荷比/%c)样车30.050.040.030.020.0101020304050607080车速/（kmh-l)a)样车1由图2 可知：3辆样车的负荷比分布基本符合正态分布，只是样车3的概率峰值偏高，说明3B-MAW试验的车辆运行负荷变化遵循随机过程特征。由图3可知：3辆样车的车速概率分布没有体现典型分布特征，但平均车速分布相对比较均匀，基本覆盖所有车速范围，在某些车速范围出现峰值特征，说明3B-MAW试验的车辆运行车速能覆盖所有车辆正常的运行车速区间，根据车辆行驶路线和交通状况的不同，体现不同车速分布峰值特征。对样车2、3按文献1 中的试验方法完成PEMS试验，并采用3B-MAW方法进行数据分析，得到窗口负荷比和平均车速的概率分布对比，结果如图4、5所示。由图4、5可知，样车2、3的负荷比和车速均出现了明显的离散特征。这是因为文献1 的PEMS试验方法规定了市区、市郊和高速3种工况,所以概率分布出现离散特征。从以上对比可以看出,3B-MAW的试验方法相比于文献1 的PEMS方法，工况覆盖相对更为全面。353050100.050.040.030.020.0101020.304050 60车速/(kmh-)b)样车2图3不同样车采用3B-MAW试验方法时的车速概率密度17.5 15.012.510.07.55.02.501520负荷比/%a)样车2图4样车2、3按照PEMS试验方法的负荷比概率密度0.030 0.0250.0200.0150.0100.0057080253001020304050 60 70车速/(kmh-l)c)样车335580.901015负荷比/%b)样车320253032试验车辆3B-MAW试验负荷比和30 0 s内的车速的箱线图分布如图6 所示。6050%4030201060由图6 可知：负荷比和车速箱线图与图2、3的分布特征相对应，基本相对中位数对称，由于样车3的负荷比数据过于集中，因此在图6 a)中表现有较多异常值；试验中3辆样车的负载和车速决定了最大负荷比均不超过6 0%，由于试验的负荷分布基本符合正态分布特征，车辆实际运行达到的最大负荷越低，相对应的负荷比低于2 0%所覆盖的窗口数据范围越大；本次试验3辆样车，负荷比为2 0%的箱线依次位于中位线以下（样车1）、接近中位线（样车2）、上四分位以上（样车3），负荷比低于6%的窗口占比很小，均在四分位数以下。因此,如果以负荷比为2 0%作为低负荷与中高负荷区的分界线，由于实际运行负载不同，不同车辆的Bin2和Bin3区窗口数可能差异很大。所以按照EPA的2 B-MAW方法，将Bin2区和Bin3区合并，可能更加适合客观试验评价。2.2试验时间分析根据以上试验，完成1组3B-MAW试验至少需要1 2 个工作日，试验效率比较低。对3辆样车试验的试验数据分别截取3h和6 h的数据，与总时间试验数据对比,研究不同试验时间窗口负荷比的概率分布。不同时间的负荷比累积概率分布如图7 所示。1.07-16h0.8-6h3h一0.60.40.2010203040 5060负荷比/%a)样车1内燃机与动力装置0.250.250.200.200.150.150.100.050.0500203012023年7 月第40 卷405060708090车速/（kmh-)a)样车2图5样车2、3按照PEMS试验方法的车速概率密度23车辆编号a)负荷比图6 3B-MAW窗口负荷比和30 0 s内的平均车速箱线图1.0T-14h6h0.8-3h0.60.40.2010图7 不同车辆运行时间负荷比累积概率分布102030405060708090车速/（kmh-1)b)样车3100F8060402002030负荷比/%b)样车2140502车辆编号b)车速1.0-14h6h0.83h0.60.40.2051015202530负荷比/%c)样车33第4期由图7 可知：相比样车3,样车1、2 的总时间试验累积概率分布曲线更接近直线，也就是说窗口负荷比概率分布越符合正态分布,其累积分布曲线越接近直线；相比于总时间,6 h的累积曲线变化不大，与总时长的累积曲线变化基本一致，但如果试验时间缩短至3h，累积分布曲线出现较大变化。因此试验时间越长，试验车辆的负荷分布越符合正态分布特征，更能代表实际道路测试时车辆运行的随机事件属性。但增加试验时间对于试验结果的影响是非线性的,本文中研究表明,试验时间不少于6 h基本能够满足车辆工况负荷充分随机的试验目标。3结论钟祥麟，等：基于3B-MAW方法的PEMS测试工况研究331)3B-MAW方法的典型特征为通过长时间试验使车辆运行工况的分布更符合随机事件特征，能够更好地代表车辆实际运行情况；由于3阶段工况的区分，导致PEMS试验非典型的试验工况分布，负荷和车速概率分布变化离散。2)不同试验车辆实际道路试验时，最高负荷差异较大，因此选择负荷率为2 0%作为低负荷区与中、高负荷区的分界点；当涉及某个具体试验车辆的试验结果时，出现低负荷区和高负荷区的窗口数差异非常大的问题,因此EPA的2 B-MAW方案中,将3Bin中的Bin2和Bin3区,合二为一作为非怠速区统一评价排放，也许更符合车辆的实际情况。3)改变采样试验时间直接影响车辆道路试验时的负荷比分布特征,试验时间不少于6 h,基本能够覆盖车辆的随机工况特征。参考文献：1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）CB17691-2018S.北京：中国环境科学出版社,2 0 19.2WANG A J,CE Y S,TAN J W,et al.On-road pollutant emission and fuel consumption characteristics of buses in BeijingJ.Journal of Environmental Sciences,2011,23(3):419-426.3KRISHNAMURTHY M,GAUTAM M.Comparison of averaging techniques employed in calculating not-to-exceed emissionsfor heavy-duty vehicles C/Proceedings of 2005 SAE World Congress.Detroit,USA:SAE International,2005.4VELDERS G J M,GEILENKIRCHEN G P,LANGE R D.Higher than expected NOx,emission from trucks may affectattainability of N02,limit values in the NetherlandsJ.Atmospheric 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the 3B-MAW testing method.Two of the vehicles aretested according to CHINA 6,and the operating characteristics and differences of the vehicles under differenttesting methods are compared and analyzed.The results show that the probability distribution of the actualvehicle running condition tested by the 3B-MAW testing method conformed to the characteristics of randomevents.When combining low-load-bin with medium/high-load-bin for assessment,it is more in line with theactual operating conditions of the vehicle.The test time shall not be less than 6 h,which could represent therandom characteristics of vehicle operation.Keywords:heavy duty vehicle;PEMS;2B/3B-MAW;operating conditions;probability distribution（责任编辑：刘丽君）(上接第12 页）Experimental study on the effect of lean burn and EGR on thermalefficiency of gasoline engineCHEN Zhifang,XI Xing,WU Xiaojun,XU Chunlong,YANG Guichun,LI Chunhui,GU JiaojiaoChina North Engine Research Institute（T i a n j i n),T i a n j i n 30 0 40 0,Ch i n aAbstract:An experimental study is conducted on a 4-cylinder 2.0 L gasoline engine to investigate the effects ofexcess air coefficient,effective compression ratio,and exhaust gas recirculation(EGR)rate on engine fuelconsumption and thermal efficiency.The results show that the use of lean burn technology can improve thethermal efficiency of the engine,the engine thermal efficiency increases by approximately 5.7%when the excessair coefficient increases from 1.0 to 1.6,however,further dilution would increase fuel consumption and reducethermal efficiency.The engine has the highest thermal efficiency of 44.1%when effective compression ratio is12.7,but further increase in compression ratio will cause engine knocking,which requires delaying the ignitiontime,which can lead to an increase in combustion duration and a decrease in engine thermal efficiency.Inaddition,the EGR rate(4.6%)could achieve the highest thermal efficiency,44.4%,but unstable combustionand misfire will occur in the engine when EGR rate increased further.Keywords:lean burn;EGR;intake cam phase;gasoline engine;thermal efficiency（责任编辑：刘丽君）