基于CO2窗口法的在用柴油公交车NOx排放评估方法研究

杨保华1，杜骞2，崔焕星2，陆宪忠2，王明达

(1.山东省机动车排污监控中心，济南 250000；2.济南汽车检测中心有限公司，济南 250102； 3.中国环境科学研究院，北京 100012)

0 引言

近年来，随着车辆保有量增加，机动车排放对大气环境的污染也愈发显著。虽然柴油车市场保有量占比较小，但其氮氧化物(NOx)的排放量接近汽车总排放量的70%[1]。公交车作为城市通勤的主要交通工具，燃料类型多为柴油，通行于人群密集的城市区域，其污染物排放直接影响城市空气质量和人群身体健康。此前已有多位研究者采用不同的手段对城市公交车污染物排放水平进行研究，发现公交车在拥堵路段的一氧化碳(CO)、总碳氢(THC)和NOx排放较顺畅路段明显增加，而不带后处理的国III车辆NOx排放比国III的发动机台架测试排放限值分别高出60%和120%，而带有后处理的国IV车辆NOx排放更是高出200%[2-9]。

利用便捷式排放测试系统(Portable Emission Measurement System, PEMS)对整车进行排放评估，评估主要采用平均窗口法。该方法是将整车实际道路行驶时的污染物排放在一个移动的、基于发动机进行瞬态测试的循环功(功基窗口法)或循环二氧化碳(CO2)排放量(CO2窗口法)的窗口中进行累积，以污染物比排放量满足限值要求的窗口占总窗口的比例判定整车实际道路行驶时的污染物排放达标与否。目前，我国重型柴油车、气体燃料车排气污染物车载测量方法均采用功基窗口法。该方法需依赖OBD(On-board Diagnostic System)读取发动机转速、扭矩等参数，计算车辆实际行驶过程中发动机做功[10-11]。目前的在用公交车存在设备陈旧、年久失修等问题，导致无OBD端口或OBD端口无数据发出，无法利用功基窗口法对排放进行评价。为解决上述问题，本文探索采用CO2窗口法，无需OBD读数，对采用实际道路排放测试方法测得的在用公交车的NOx排放结果进行计算和评价。

1 试验设计

1.1 试验系统构成

试验采用美国Sensors公司型号为SEMTECH-LDV的车载排放测试系统。其主要由排气污染物测量单元、排气流量测量单元、行驶工况测量单元等组成，能够实现排气污染物体积浓度、排气质量流量、车速、发动机运行工况等参数的实时测量和记录。测试设备性能参数如表1所示。

表1 测试设备性能参数

1.2 试验车辆

本次选取3辆相同的国IV在用公交车作为测试对象，车型为XML6700J18C，其发动机为2015年5月生产的YC4FA130-40柴油机。

1.3 试验方法

将PEMS测试系统安装在待测车辆上，按载重量的50%加载，测试路线为公交车实际运营路线，测试按照“始发站-终点站-始发站”顺序进行。测试过程中车辆正常到站停车，行驶车速、停站时间等均按实际运营中情况确定，其间实时记录测量数据。每个样本测试时间约1.5 h，行驶里程30～40 km。测试实车如图1～2所示，测试路线如图3所示。

试验中，按1 Hz记录并处理测量数据，包括排气污染物体积浓度、排气质量流量、车速等。

2 试验结果计算及评价

利用CO2窗口法对测试数据进行处理和分析。

2.1 CO2窗口法

CO2窗口法是以发动机台架瞬态测试循环(European transient cycle，ETC)的CO2排放量代替循环功对整车测试数据进行计算。CO2窗口如图4所示。

CO2窗口大小计算公式如下：

mCO2(t2,i)-mCO2(t1，i)≥mCO2,ref

(1)

式中：mCO2(tj,i)是指从测试开始到时间tj,i之间发动机所排出的CO2总质量，kg；mCO2,ref是指发动机在瞬态测试循环(ETC)中所排出的CO2质量，kg。

基于CO2质量的每个窗口的污染物窗口排放量计算公式如下：

egas=m/(mCO2(t2,i)-mCO2(t1，i))

(2)

每一单独的平均窗口和每一单独的污染物都应按照下式计算在用符合性因子：

FCO2=egas,i/(mL/mCO2,ref)

(3)

式中：FCO2为在用符合性系数；egas,i为i类污染物基于CO2窗口的排放量，mL为ETC循环适用限值一致的气体污染物排放质量，g。

2.2 CO2在用符合性系数计算

利用CO2窗口法计算公交车的NOx排放。首先通过查阅发动机型式检验报告获取被测发动机ETC测试的循环功和CO2排放质量，NOx在国IV阶段的瞬态循环排放限值为3.5 g/(kW·h)。3辆车所需的基本参数和计算结果相同：发动机功率为90 kW，ETC循环功为16.5 kW·h，ETC循环下CO2排放量为12.1 kg，NOx限值为3.5 g/(kW·h)。

利用公式(1)、(2)和(3)计算在用符合性系数FCO2，结果如图5所示。

通过计算， 3辆公交车的NOx排放在用符合性系数FCO2为3.56～5.78。

2.3 结果评价方法

目前我国没有国Ⅳ及以前在用车辆排放限值，基于上述方法和计算结果对在用车辆排放进行评价，首先要确定FCO2限值。

对基于功基窗口法的整车NOx排放限值和基于ETC循环的发动机台架NOx限值做一个比较，在此定义两者的比值为功基符合性系数Fwork。

Fwork=mwork,i/md

(4)

式中：mwork,i为第i个功基窗口的污染物排放因子，g/(kW·h)；md为ETC循环下d类污染物的限值，g/(kW·h)。

利用3辆国IV公交车的数据分别计算Fwork和FCO2。2种符合性系数比较结果见图6～8。

对我国现有排放标准中的NOx限值进行比较，如表2所示。表2中的WHTC为世界统一瞬态测试循环(World harmonized transient cycle)。

表2 各类标准中功基符合性系数比较[12-15]

可见，不同排放阶段的功基符合性系数Fwork为1.5～2.5，其中第Ⅳ阶段Fwork为2.0。2种符合性系数置信水平计算值如表3所示。

根据统计，Fwork与FCO2在置信水平为0.95时，其置信区间为0.98～1.12，均值为1.05，得到如下关系：

Fwork=1.05FCO2

(4)

从而第Ⅳ阶段FCO2为1.9。利用这个限值对所测3辆国IV车进行排放评价，结果见表4。其中，在用90%值为90%窗口满足的符合性系数。

表3 两种符合性系数置信水平计算值

表4 实测车辆排放评价数据

3结论

现阶段，平均窗口法广泛应用于整车的排放评估，其计算方法可分别基于功的窗口法或基于CO2的窗口法。本文依据整车PEMS测试规程，基于CO2窗口法评估整车NOx排放状况，通过与功基窗口法评估结果对比，确定CO2窗口法符合性因子。

基于车载排放测试数据采用CO2窗口法对3辆在用公交车进行排放评估，计算得到其NOx排放在用符合性系数在3.56～5.78之间，通过统计得出功基符合性系数Fwork与CO2符合性系数FCO2之间的关系，得出Ⅳ阶段新车限值FCO2为1.9。利用该限值，可基于CO2窗口法对在用车排放达标情况进行判定。

本文给出的基于CO2窗口的在用车辆排放的测试和评价方法，为未来相关研究和政策标准的制定提供了可参考依据。