基于CO2窗口法的在用柴油车排放评估

崔焕星，刘坤，杜骞，陆宪忠，王明达

（1．济南汽车检测中心有限公司，济南250102；2．济南市机动车污染防治监控中心，济南250101；3．中国环境科学研究院，北京100012）

0 引言

车辆在实际道路行驶时的排放未必会随着排放法规限值的加严而降低［1⁃3］。 利用 PEMS （portable emissions measurement system）进行车辆实际道路污染物排放测试，再通过功基窗口法评估整车排放水平，是当前生态环境主管部门对新车及在用车辆进行监管的主要方法［4⁃5］。

功基窗口法以发动机进行瞬态循环测试的循环功为确定一个窗口大小基准，将车辆实际道路行驶时的发动机做功及污染物排放数据在一个移动窗口中累积，移动频率与采样频率相同，计算每个窗口的污染物比排放量 （g／kW·h）［6］。 该方法需要借助OBD （on⁃board diagnostic system） 读取车辆行驶时的发动机转速、扭矩等信息，计算发动机做功［7］。但是，我国在2017年针对国V阶段柴油车辆才开始提出PEMS测试要求，存在此前生产的车辆OBD数据读取不全等困难，而且发动机瞬态测试循环功也需要通过厂家获取，导致主管部门无法独立进行测试。另外，通过OBD读取的扭矩信息为基于模型的计算值，其与实际测试值存在一定偏差［8］。

与借助OBD读取发动机做功相比，测量CO2排放可以不再受制于ECU （electronic control unit），且CO2与油耗更具相关性。我国排放法规一直将CO2排放量作为碳平衡法计算的主要参数，校验油耗仪读数的一致性［9］。 使用基于 CO2（g／kg CO2）或者油耗的排放因子 （g／kg fuel），受车速、载荷等因素影响较小［10⁃11］，也有利于不同车辆的对比分析，特别是不同种类、不同燃料、不同行驶速度的车辆对比［12］。本文研究发现发动机最大功率与发动机瞬态测试循环功及循环CO2排放量具有一定相关性，由此分别基于循环功、循环CO2排放量对整车实际道路行驶排放数据进行对比分析。

1 CO2窗口法

CO2窗口法与功基窗口法类似，如图1所示。

CO2窗口法窗口大小计算如下：

式中： mCO2（tj，i） 为从测试开始到时间 tj，i之间发动机所排出的CO2质量，kg；mCO2ref为发动机在瞬态测试循环中所排出的CO2质量，kg。

确定 t2，i的原则是：

式中：Δt是指数据采样频率，≤1 s。

有效窗口的持续时间不得超过最长窗口持续时间，若有效窗口的比例低于50%，则将式 （2）中的20%阈值以1%的步长逐步减小，但不得低于15%。最长窗口持续时间计算如下：

式中：Dmax为窗口最长持续时间，s；Wref为发动机瞬态测试循环功，kW·h；Pmax为发动机最大功率，kW。

功基窗口的污染物窗口比排放量计算如下：

式中：egas为功基窗口的污染物比排放量，g／（kW·h）；m为排放物，g。

2 发动机功率与ETC测试数据相关性分析

ETC包含1 800个逐秒变化的发动机转速和扭矩百分比值，测试循环分为城市道路工况 （最高车度50 km／h，频繁启停及怠速）、乡村道路工况（平均车速72 km／h，包含一系列加速过程）以及高速道路工况 （平均车速88 km／h）3部分，每一部分运行时间为 600 s［13⁃15］。

CO2分子吸收峰 （4．26 μm） 较为独特，可以大大降低测试时受其他排气污染物的干扰，而且其在排气中有着相对较高的浓度，因此在发动机主要排放污染物中，CO2测试精度较高。根据GB17691⁃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 （中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）》规定的ETC测试规程，本文对48台不同排放阶段及功率段 （国IV阶段共计14台，最大功率范围：65～280 kW；国V阶段共计34台，最大功率范围：64～515 kW）的车用柴油机进行ETC测试数据统计分析，得到其ETC测试的循环功与循环CO2排放量之间的关系，如图2所示。

由图3可以看出，ETC循环CO2排放量随ETC循环功增大而增加，两者具有很高的线性相关性。此外，发动机ETC循环功与最大功率比值的统计数据如表1所示。

根据统计，发动机ETC循环功与发动机最大功率比值的95%置信区间为0．152～0．160，本研究取值0．156。由此结合循环功与CO2排放量之间的线性关系，得到发动机ETC循环CO2排放量与发动机最大功率之间的计算公式为：

式中：Pmax为发动机最大功率，kW。

我国整车柴油车排气污染物车载测试标准及北京重型车排气污染物测试标准规定我国IV、V阶段整车排放 NOx限值分别为 7．0 g／（kW·h）和 4．0 g／（kW·h），计算得到CO2窗口法评估整车排放NOx排放的限值为：

式中：EIV、EV分别为IV、V阶段整车CO2窗口法排放限值，g／kg；LIV、LV分别为IV、V阶段整车排放 NOx排放限值， g／（kW·h）。

3 整车实际道路排放测试

进行整车实际道路排放测试时，将PEMS系统与车辆尾气管相连 （见图3），实时采集车辆污染物排放，并通过OBD读取发动机的运行参数［16］。

本文选取10辆不同排放阶段的柴油车进行整车污染物测试，车辆测试信息如表2所示。

表1 ETC循环功与最大功率比值样本统计

表2 车辆测试信息

依据标准要求，整车污染物排放测试的车辆运行工况包括：市区道路、市郊道路和高速道路3种。测试过程按照市区—市郊—高速顺序行驶。市区道路行驶速度为0～50 km／h，平均车速为15～30 km／h；市郊道路以第1个车速超过55 km／h的短行程为开始标志，车辆行驶速度不超过75 km／h，平均车速为45～70 km／h；高速道路以第1个车速超过75 km／h的短行程为开始标志，平均车速大于70 km／h。M1、M2、M3、N2类车辆 （城市车辆除外）的运行道路工况按时间配比为20%的市区道路、25%市郊道路、55%高速道路，N3类车辆 （邮政、环卫除外）的运行道路工况按时间配比为10%的市区道路、10%市郊道路、80%高速道路。

按照标准要求进行数据处理后，10辆柴油车的NOx排放数据分别采用功基窗口法与CO2窗口法进行评估，结果如图4所示。其中，功基窗口法窗口平均比功率有效阈值设定为20%，计算CO2窗口法的窗口有效时长阈值由式 （6）计算，设定为2 808 s。

对比10辆整车PEMS测试评估结果，使用CO2窗口法的计算值评估与功基窗口法的平均差异幅度仅为3．1%，与实测CO2窗口法评估结果平均差异幅度仅为1．5%。相比于功率，CO2与燃油消耗联系更为直接。为充分说明该评估方法适用性，本文采用6号车辆所配的型号发动机来装配3辆不同的车辆 （6a、6b和6c），再进行PEMS测试，测试车辆及测试信息如表3所示。

采用功基窗口法及基于实测和计算的循环CO2窗口法对3辆车NOx排放计算，结果如图5所示。3种评估方法的结果基本一致，其中6a车辆基于计算的循环CO2窗口法达标率略低，这是因为依据式 （3）计算的CO2窗口有效时长阈值比实测的长近550 s，参与达标判定的有效窗口占比升高（分别为84．9%、72．7%），更多测试末尾怠速段的数据导致达标窗口比例降低。

表3 车辆及测试信息

综上所述，仅使用发动机最大功率推导其ETC循环CO2排放量，进而据此使用CO2窗口法评估整车PEMS测试结果，与当前常用的功基窗口法评估结果基本一致。

此外，我国重型车排放法规已进入国六阶段，瞬态测试由ETC循环更改为世界统一瞬态测试循环 （World harmonized transient cycle， WHTC）。 由于WHTC循环偏重于低转速低负荷区域的测试［17］，测试的循环功与发动机最大功率的比值有所降低。通过对13台发动机WHTC测试数据统计得到，该比值均值为0．090，CO2排放量与循环功同样存在线性相关性 （如图6所示）。本文评估方法在国六阶段仍具有适用性。图6WHTC循环功与CO2排放量关系

4 结论

1）仅以发动机最大功率推导其ETC循环的CO2排放量，据此使用CO2窗口法评估整车污染物排放状况，与功基窗口法评估结果基本一致。该方法不再受制于OBD数据的读取，更具有可操作性。

2）根据法规中ETC循环的NOx排放限值，利用ETC循环功与CO2排放量的相关性可以推导出基于CO2窗口法的排放限值。

3）燃油消耗量与CO2排放量具有高度相关性，不同机型的燃油耗量差异可视同为CO2差异。

本文的研究方法也可以用于验证OBD数据读取的正确性。使用本方法能非常方便有效地评估在用柴油车的污染物排放符合性。