重型车车载排放测试方法适应性分析

文/张宇灏

目前，我国重型汽车型式核准时采用GB 17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法》排放标准考核发动机排放水平。GB 17691-2005中涉及工况排放试验项目是瞬态循环（ETC）和稳态循环（ESC）试验。其中，ETC试验的瞬态排放特性较能体现发动机排放水平，在ETC试验中乡间和高速工况占整个工况的三分之二，发动机工作状态主要集中在中高负荷下。然而，在车辆实际行驶过程中（尤其在市区道路），发动机难免会处于中低速和中低负荷情况，这些工况点的排放在ETC试验中难以考评。上述标准虽然能较好地评价和反映重型发动机台架试验排放水平，但与车辆在实际道路上排放情况仍然存在差异，北京市环境保护局在2013年2月发布了地方标准DB11/965-2013《重型汽车排气污染物排放限值及测量方法（车载法）》，旨在作为GB 17691-2005标准的补充。

一、车载排放测试基本方法

1. NNTTEE法

NTE法规定了车辆在运行时发动机转速和扭矩落入NTE控制区30 s以上为一个NTE事件，NTE控制区域定义（如图1）：由发动机扭曲线、发动机n15转速的等转速线、30%最大等功率曲线和30%的最大等扭矩曲线构成的内封闭区域。在测量时，便携式排放测试系统（PEMS）不断统计NTE事件个数和持续时间并结合发动机负荷信息，计算各事件内的NOx比排放量。

加权计算满足排放限值要求的NTE事件持续时间之和与所有NTE事件持续时间之和，这两个持续时间之比定义为NTE事件通过率，大于90%则表明该车辆在其NTE控制区域内NOx比排放量达到标准要求。

图1 NTE控制区域

2. 功基窗口法（WBBWW 法）

通过车辆OBD诊断口读取发动机实时转速和扭矩等信息，计算发动机瞬时功；对发动机的每秒做功值累积求和直至达到发动机ETC试验循环功，该区间作为一个功基窗口。车辆试验时，功基窗口从第一秒钟开始计算，以1 s的时间间隔形成一系列的功基窗口直到采样结束（见图2）。

图2 功基窗口区域

该方法要求：所有窗口平均功率百分比大于20%的窗口个数要大于或者等于所有窗口个数的50%，否则将窗口平均功率百分比的要求20%以1%为步长逐渐减小，但最小不能小于15%。计算功基窗口的比排放时，将不满足上述平均功率的窗口剔除，结合发动机瞬时功计算余下各功基窗口的比排放量，判定时以满足限值要求的窗口数与总窗口数之比作为功基窗口法通过率，大于或等于90%为合格。

二、车载排放测试基本原理

根据DB11/ 965-2013中规定，车载排放测试运用PEMS作为随车移动式排放检测设备，通过直接测量车辆的实时排气流量、NOx排放污染物浓度等，结合从车辆OBD诊断口采集的车辆发动机扭矩、转速和功率等信息，量化并计算车辆实时NOx比排放量（见图3）。该试验可以在道路上进行，也可通过实验室用底盘测功机模拟道路阻力进行试验。

图3 车载排放测试系统原理

利用车载排放测试方法判断重型汽车NOx排放是否达标，通过NTE法和功基窗口法两种判定模型进行判断。

三、NTE法和WBW法的适应性分析

目前，我国重型汽车国五阶段排放技术路线主要是使用选择性催化还原（SCR）或排气再循环（EGR）+ 通过微粒捕集器（DPF）+ 微粒催化转换器（DOC），前者不改变柴油机缸内燃烧情况，排放的颗粒物相对较少，NOx则被NH3还原为N2和H20；后者是一种机内净化技术，在发动机燃烧过程中通入废气，可以降低缸内氧含量和燃烧温度，从而降低NOx排放。但由于缸内燃烧不充分而使颗粒物排放上升，需要DOC和DPF对颗粒物氧化和捕集。

DB11/ 965-2013中规定NTE法和WBW法为评价重型汽车车载排放的方法，NTE法着重选取发动机某负荷区域（NTE区域）内工况点展开排放评价，WBW法以发动机ETC循环功为窗口展开对其窗口内的排放评价。下面选取两辆重型汽车进行分析研究，它们的后处理方式分别是SCR和EGR+DPF+DOC，依照DB11/ 965-2013中要求，在试验室底盘测功机上各运行3遍C-WTVC工况循环，主要测量NOx排放情况，试验车辆信息和底盘测功机设定值见表1。

表1 试验车辆参数和底盘测功机设定值

1. NTE法适应性分析

首先，分析NTE法测试结果，样车1和样车2在3次循环中共产生6个和9个NTE事件。每个事件内NOx比排放量见表2和表3，从中可看到两辆样车在NTE事件内NOx比排放完全符合标准要求的国五限值4 g/kWh。

表2 样车1 NTE事件NOX比排放

表3 样车2 NTE事件NOx比排放

图4和图5为两辆样车的NTE控制区域和发动机转速扭矩负荷点，图中显示NTE事件产生在发动机中高负荷情况下，样车1 NTE事件发动机负荷点占整个试验发动机负荷点的8.3%，样车2为19.3%；两辆样车NTE事件发动机负荷相对应车速点都集中在C-WTVC循环高速阶段。

图4 样车1 NTE控制区域

图5 样车2 NTE控制区域

通过计算得到样车1整个试验期间NOx比排放平均值为9.63 g/kWh，样车2为6.22 g/kWh，两者都大于限值要求。也就是说，除NTE事件内的NOx比排放符合标准外，事件外的工况点NOx比排放则大于限值要求。

从试验过程中发现，由于C-WTVC循环城市和公路部分启停较多，驾驶员换挡频繁，既使发动机负荷点落入NTE区域也难以维持30 s，而高速部分稳速时间较长，因而所有NTE事件都出现在C-WTVC高速阶段，发动机处在中高负荷。在中高负荷下，无论是EGR+DPF+DOC系统或者SCR系统都在较高的工作效率下。前者由于车辆负荷增加，增压发动机进气量增大，空燃比陡增。在富氧和高温的情况下，为避免氮氧化物的形成，EGR工作效率明显提高，试验时测得的NTE事件工况点实际平均空燃比为25，非NTE事件工况点则为79。随着EGR率的提高，发动机空燃比下降，缸内燃烧温度降低，NOx排放相应减少。后者车辆在低负荷时，排气温度较低，尿素溶液无法转换成氨气，催化剂达不到起燃温度，SCR系统无法喷射尿素，此时NOx排放量将大大增加；当负荷变大时试验测得平均排气温度为210 ℃，达到催化剂起燃温度，尿素溶液喷射，SCR系统NOx转换效率显著提高，NOx还原成H2O和N2。

NTE法的局限性在于较难在车辆不同负荷和不同车速下生成NTE事件。在低速负荷时无论在实验室底盘测功机上试验还是实际道路试验，由于启停频繁，很难生成NTE事件。然而在中高速负荷时，虽能生成NTE事件，但排气净化装置工作效率提高，NOx比排放显著减小，此时若评价车辆排放水平，则存在局限性。

2. WBW法适应性分析

两辆样车按WBW法计算结果（见表4），3次C-WTVC循环中分别产生2 169和3 658个功基窗口，平均窗口持续时间为3 306 s和1 745 s，窗口范围均能覆盖整个C-WTVC循环，排放监测范围包括了所有车速点，能较全面监控车辆在不同负荷下的排放情况。实际试验中，两辆样车所有有效窗口内，NOx比排放均超过限值标准5g/kWh。

表4 WBW法计算结果

图6 NTE事件和WBW窗口NOx平均比排放

WBW法以ETC循环功为窗口，监控达到循环功窗口的平均比排放，包含了更多中低速、中小负荷工况点，这样能较全面地反应车辆在不同负荷下的排放情况。图6显示两辆样车虽然在NTE法中满足限值要求，但在WBW法中均未满足限值要求。这反映了车辆在中小负荷时排放控制装置工作效率低、控制策略较为单薄。在用WBW法进行判定时，窗口平均功率百分比大于20%的窗口个数要大于或者等于所有窗口个数的50%，这样能较好地反映重型车正常实际行驶负荷，减少怠速等低负荷情况对判定结果的影响。如果测试车辆的窗口平均功率百分比未达到要求，则能以1%为步长逐渐减小（最小15%）进行判定，这样又可对城市公交车等日常以中低负荷行驶的车辆进行WBW法判定。NTE法因为其事件受工况或交通因素等影响，只能在车辆中高负荷稳速下形成，此时的排放净化装置转换效率最高，事件内NOx平均比排放容易满足限值要求，无法客观地反映车辆实际排放水平。

四、结 论

NTE法适应性主要不足之处：车辆试验时较难产生NTE事件。道路试验受到交通等情况影响，启停频繁。底盘测功机试验只有在最后高速阶段形成2～3个NTE事件。NTE事件产生在排气净化装置效率最高时期。车辆只有在高速公路或C-WTVC循环高速阶段才能生成NTE事件。此时发动机处于中高负荷状态，满足NOx产生的三要素即高温、富氧及燃烧持续时间长，排气净化装置转化效率最高，使得车辆在NTE事件内的NOx排放明显优于非NTE事件工况。

WBW法较NTE法更能客观评价车辆的排放水平，有更好的适应性，主要的特点：功基窗口法以发动机ETC试验循环功为窗口，监测窗口内NOx排放情况。这使得车载排放试验和发动机台架试验存在相关性和复现性，为重型汽车整车排放研究提供依据。由于窗口内发动机负荷多样性增强，包含更多的中低负荷，贴近车辆实际行驶状态，能更好地综合监控车辆排放情况；道路试验受路况影响较小，节约试验成本。