大型公交车实际行驶排放评价CO2窗口法的设计与应用＊

彭美春 廖清睿 谢焕宁

（广东工业大学，广州 510006）

主题词：液化天然气公交车 实际行驶排放 车载测试 CO2窗口法

1 前言

不断出台的汽车排放标准旨在控制车辆污染物排放，但一些车辆实际行驶排放（Reality Driving Emission，RDE）控制效果并不理想。G.Velders 等学者[1]报道，随着排放标准加严，荷兰一些载货汽车实际行驶NOx排放水平甚至不降反升。部分学者[2-3]发现一些重型车辆排放法规标准测试工况与车辆实际运行发动机工况符合度不高，法规工况外的污染物排放未得到有效控制。

GB 17691—2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》与HJ 857—2017《重型柴油车、气体燃料车排气污染物车载测量方法及技术要求》中规定的RDE 车载排放评价方法均为功基窗口法，即以发动机欧洲瞬态循环（European Transient Cycle，ETC）等法规工况循环功作为基准将RDE车载测试获得的连续数据划分出一系列窗口，取各窗口内的累计排放值与法规工况循环功之比得到比排放值，需要通过车载自诊断（On Board Diagnostics，OBD）接口等采集发动机转速、扭矩等瞬时数据以计算发动机功。研究发现，一些车型OBD 难以通讯，导致基于功基窗口法的RDE 测试评价无法进行。以发动机法规工况循环下的CO2排放总质量作为划分窗口的基准，以窗口内各污染物排放总质量与法规工况循环CO2排放总质量的比值作为比排放值的方法称为CO2窗口法。该方法为不便于实时采集发动机运行转速与扭矩数据的车辆提供了一种可行的RDE评价方法。北京理工大学郭佳栋[4]报道过基于CO2窗口的公交车实际道路排放测试分析结果。目前，CO2窗口法研究成果尚少，如评价方法的设计、与功基窗口法评价结果的一致性等。

本文参考HJ 857—2017 的车载测量方法及技术要求[5]，推导基于CO2窗口的RDE测试数据处理公式，提出排放限值制定方法，与功基窗口法的评价结果进行比较分析，以验证所设计的CO2窗口评价方法的适用性。

2 测试方案

2.1 测试车辆与测试线路

选取在广州运营数量较多的某品牌大型液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）公交车作为测试车辆，开展实际道路排放测试。该试验样车的主要技术参数如表1所示，试验燃料为市售LNG。

表1 试验样车主要技术参数

HJ 857—2017对城市车辆的RDE 车载测试线路选择规定如下：市区路段要求车速为0～50 km/h，平均车速为15～30 km/h，市郊路段要求车速超过55 km/h，但不超过75 km/h，平均车速为45～70 km/h。本研究选择的测试线路如图1所示：市区测试路段为广州小谷围岛内的某公交线路，该测试线路交通流量较为稳定，单次往返运行约10.22 km；市郊路段为自小谷围岛至南沙港快速路与广明高速公路交汇处的一段快速线路，单次往返运行约25.96 km。测试过程中，测试车辆除遇红灯、收费站与公交车站停车怠速运行外，其他时段均保持连续行驶。实际测试的市区路段车速范围为0～43.03 km/h，市郊路段最高车速为62.16 km/h，符合标准要求。

图1 测试线路

为了模拟公交车在实际运营中载客的情形，利用沙袋作为配重，并将其均匀布置于车厢内。沙袋、测试设备以及测试人员的总质量约为该测试车辆额定载质量的55%，满足HJ 857—2017中关于装载质量的要求。测试过程中，具有实际线路运营经验的公交车驾驶员按照实际运营情况驾驶测试车辆沿着既定路线行驶，遇公交站点时停车怠速运行并开启车门，但不上、下客，停靠时间约为10 s。同时，为了模拟实际运营的用车环境，测试时开启空调，并保持发动机不熄火。实际测试时的平均气温为30.03 ℃，平均大气压力为100.832 Pa，平均相对湿度为49.21%。

2.2 测试仪器及布置情况

使用美国Sensors 公司的SEMTECH-DS 便携式排放测试系统（Portable Emission Measurement System，PEMS）的气体分析仪对车辆排放的气态污染物进行测量，设备主要规格参数如表2所示。

表2 SEMTECH-DS规格参数

测量方法符合RDE测试要求。仪器自带的GPS模块用以逐秒记录地理位置与车速信息，采用SEMTECH-EFM 流量计测量排气流量。测试前对仪器的分析模块进行调零校正，以保证精确度。测试设备的布置与安装如图2所示。

图2 测试设备安装连接及信号流向示意

3 CO2窗口法设计

移动平均窗口法将道路试验瞬时数据分为若干个数据子集，形成相应窗口，用统计数据处理方法识别有效的RDE 窗口并基于各窗口排放量计算总行程排放量。

3.1 窗口大小设计

对于城市公交车RDE 车载测试数据，按照窗口平均速度可分为市区窗口和市郊窗口2 种类型。车载测试设备在发动机第1次起动前开始记录数据，整个试验过程中不间断记录各污染物浓度、排气流量、车速、环境条件等数据，采样频率为1 Hz。

CO2窗口法的窗口大小基于发动机台架测试ETC或其他瞬态测试循环下的CO2排放量确定：

式中，Mt2,i(CO2)、Mt1,i(CO2)分别为从RDE 测试开始到第i个窗口的结束时间、开始时间之间的CO2累计排放量；Mref(CO2)为发动机在ETC 或其他瞬态测试循环中CO2累计排放量。

第i个窗口结束时刻t2,i的确定原则为：

式中，Mt2-Δt,i(CO2)为从RDE 测试开始到t2,i的前Δt时刻的CO2累计排放量；Δt≤1 s 为数据采样时间间隔，本文取Δt=1 s。

本研究以车辆ETC 工况的CO2排放总量作为参考值确定窗口大小，以时间为维度，以测试过程每个时刻为始点从前至后划定每个窗口。

3.2 ETC工况下的CO2排放量估算

LNG 城市公交车辆RDE 测试共获得8 585 组测试数据，基于测试数据统计出CO2排放速率与对应的发动机功率，如图3所示，可见两者有良好的线性关系，线性拟合的可决系数R2=94.72%。拟合得到的CO2排放速率与发动机功率的线性关系式为：

式中，V(CO2)为CO2排放速率；P为瞬时功率。

图3 CO2排放速率与瞬时功率的关系

根据ETC 工况下的发动机转速、扭矩数据，计算出每个时刻的发动机功率，利用式（3）计算出每个时刻的CO2排放速率，累加即可估算出该车辆发动机ETC工况的CO2累计排放量。对本文的样本车辆LNG公交车，基于上述方法估算得出发动机ETC 工况的CO2累计排放量为15.158 kg。

3.3 基于CO2窗口法的污染物比排放计算

每个窗口基于CO2的污染物比排放Mgas(CO2)为：

式中，Mgas(t2,i)、Mgas(t1,i)分别为从RDE测试开始到第i个窗口的结束时间、开始时间之间的某污染物累计排放量。

3.4 有效窗口判定设计

HJ 857—2017规定，窗口内发动机平均功率占发动机最大净功率的比例一般需大于20%才是有效窗口，RDE 车载测试有效窗口数量与总窗口数量之比应大于50%，试验才有效。参考标准中的功基窗口法有效窗口的判定方法，设计有效CO2窗口判定方法：将窗口平均CO2排放速率占发动机最大净功率对应的CO2排放速率的比例定义为窗口平均CO2排放速率百分比；根据式（3）计算得出发动机最大净功率的20%对应的CO2排放速率百分比为35%；以窗口平均CO2排放速率百分比35%为有效CO2窗口判定始点，如果有效窗口数量与总窗口数量之比小于50%，可将窗口平均CO2排放速率百分比以1%为步长逐步减少，到有效窗口数量与总窗口数量之比不小于50%为止。

3.5 排放限值设计

采取将单位为g/kW·h的功基窗口比排放值转换成单位为g/kg的CO2窗口法排放值的设计思路与方法，进行CO2窗口法排放限值设计：将CO2窗口平均持续时长与功基窗口平均持续时长的比值与功基窗口内污染物累计排放量相乘的结果作为CO2窗口内的污染物排放量，其与CO2窗口内CO2累积排放量之比即为CO2窗口比排放，单位为g/kg。

基于HJ 857—2017 规定的功基窗口法的排放限值，按照上述方法将其转换成CO2窗口法的排放限值。计算得出国V 排放标准的重型车辆CO2窗口法在用符合性排放限值为CO 平均比排放6.6 g/kg，NOx平均比排放10.0 g/kg。

4 CO2窗口法应用及与功基窗口法的比较

4.1 功基窗口法比排放评价结果

当以窗口平均功率百分比大于20%作为有效窗口条件时，测试车辆的有效功基窗口数量占比仅为35.1%，无法达到HJ 857—2017的要求。统计可得，本测试数据样本窗口平均功率百分比下降到16%时，有效功基窗口数量为3 790个，占比57.55%，满足有效窗口数量要求。

图4 所示为测试的大型LNG 公交车基于功基窗口法的RDE车载测试评价结果与排放限值。

图4 功基窗口法评价结果

4.2 CO2窗口法比排放评价结果

对样本测试车辆RDE车载测试试验数据处理获得的6 594个CO2窗口序列进行有效CO2窗口判定，当以窗口平均CO2排放速率百分比大于35%作为有效窗口判定条件时，发现本测试样本的有效CO2窗口数占比仅为28.31%，未能达到50%以上。统计得出本测试数据样本窗口平均CO2排放速率百分比下降到29%时，有效CO2窗口数量占比为56.99%。

通过计算得出基于CO2窗口法的CO平均比排放值为0.96 g/kg，低于本研究设计的排放限值，NOx平均比排放值为20.40 g/kg，为限值的2.04倍，THC的平均比排放值为4.68 g/kg。

4.3 两种窗口法排放评价结果比较

根据3.5 节所述的比排放值单位转化方法，将以g/kW·h 为单位的功基窗口法的比排放值评价结果转换为以窗口CO2排放量、g/kg 为单位的比排放值评价结果，以便进行两种窗口法评价结果的对比分析。

图5 所示为对测试的LNG 公交车采用两种窗口法评估车辆排放水平的评价结果。计算得出CO2窗口法CO、NOx、THC 平均比排放值比功基窗口法对应值分别低6.8%、3.4%和6.4%，评价结果偏差均在7%以内。

图5 两种窗口法评价结果对比

将两种窗口法的比排放评价结果分别与对应的窗口法排放限值进行对比可知，两种窗口法评价结论基本一致，CO 平均比排放均低于限值，约为限值的10%～15%，NOx平均比排放均高于限值，约为排放限值的2～3倍。

以上分析表明，设计的CO2窗口比排放评价方法能够评价车辆的排放水平，与功基窗口法评价结果一致性较好，因此可认为CO2窗口法适用于对大型公交车辆实际行驶排放水平进行评价，是一种有效的评价方法。

5 结束语

本文设计了一套CO2窗口法比排放评价方法，包括基于ETC工况下的CO2排放总质量划分窗口大小方法、窗口比排放计算公式、窗口有效性判断与调整方法，以及基于窗口时长比率将功基窗口法排放限值换算为CO2窗口法排放限值的方法等。

应用设计的CO2窗口法对某大型LNG 公交车车载排放测试数据进行处理，得出CO、THC、NOx3种气态污染物基于单位CO2排放质量的比排放值结果，与功基窗口法评价结论相近，表明本文提出的CO2窗口法能客观反映LNG公交车的排放水平。