基于道路法与底盘测功机法的重型汽车污染物排放对比研究

杨聪，徐达，张凯，田健维

摘  要：为探究采用底盘测功机法进行道路试验的可能性与可行性，选择一台重型汽车进行实际道路PEMS排放測试，并将道路工况在底盘测功机上复现。对比道路法与底盘测功机法的排放测试结果，并结合试验工况数据分析原因。结果表明：两种试验方法下，CO、NOx和CO2的排放结果偏差较小，PN排放结果偏差较大;车速及加速度的提升、行驶工况的突变、怠速及起停工况分别为CO、NOx和PN排放变差的原因。

关键词：重型汽车;PEMS;底盘测功机;排放

中图分类号：U473.9    文献标识码：A   文章编号：1005-2550（2021）04-0048-06

Comparative Study on Pollutant Emissions of Heavy-duty Vehicle Road Method and Chassis Dynamometer

YANG Cong， XU Da， ZHANG Kai ， TIAN Jian-wei

（ CATARC Automotive Test Center （Wuhan） Co.，Ltd ，Wuhan 430000， China ）

Abstract： In order to explore the possibility and feasibility of road test using chassis dynamometer method，a heavy-duty vehicle was selected for the actual road PEMS emission test， and the road conditions were reproduced on the chassis dynamometer. Compare the emission test results of road method and chassis dynamometer method， and analyze the reasons based on the test condition data. The results show that under the two test methods， the deviation of CO， NOx and CO2 emission results is small， and the deviation of PN emission results is large; the increase of vehicle speed and acceleration， sudden changes in driving conditions， idle speed and start-stop conditions are reasons for the deterioration of CO、NOx and PN emissions.

前   言

重型汽车因其货运量大、行驶里程长而在汽车产业中占有很大保有量，同时也是机动车排放的主要来源。为此，世界主要国家和地区相继制定并加严法规来限制重型车排气污染，然而试验室工况认证的排放情况却与汽车实际道路排放存在较大差异[1-6]。为此2018年生态环境部发布的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）》中，重型汽车实际道路排放测试（PEMS）试验成为重型车排放的主要检测手段。研究表明，道路交通的复杂性、车辆负载以及环境影响等均可对PEMS试验的结果产生影响，从而增加试验的不确定性，降低试验结果的重复性[7-13]。而转鼓上的试验环境条件可控，工况稳定，因此试验重复性高。如果采用底盘测功机法模拟PEMS试验，将实际道路测试在试验室内进行，结合转鼓试验的稳定性与道路试验的实际性，就能提高PEMS试验结果的重复性，从而提高试验效率。另外，本文从车速-时间和坡度-时间两个维度模拟道路试验，提高复现试验的真实性。

本文选取一台满足国六排放标准的重型柴油车，分别采用满载和半载进行PEMS试验，并将采集的道路工况在试验室进行复现试验，以验证采用底盘测功机法进行PEMS试验的可行性，并对其排放特性进行研究。

1    试验方案

1.1   试验车辆与测试设备

本试验选取一台满足国六排放标准的绿化喷洒车，PEMS车辆类型为城市车辆，车辆的主要技术参数见表1：

实际道路PEMS试验与试验室内的底盘测功机法试验的排放数据均采用同一套PEMS设备进行采集测试，PEMS测试系统主要包括排气流量计模块、气体分析仪、颗粒物排放分析仪、OBD采集模块与控制单元几个部分。试验前车辆加载通过称重仪测量进行控制。本试验主要测试设备见图1，主要参数见表2：

1.2   试验工况

底盘测功机法测试工况与实际道路试验采用同一工况，均由实际道路PEMS试验采集得到。测试路线由市区和市郊两部分组成。本试验选择在武汉市经济技术开发区内完成道路排放测试，试验车速-时间曲线如图2所示。道路试验流程及方法依据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）》附录K进行。为减少环境及交通因素的影响，PEMS试验不考虑累积功倍数要求，从而降低试验的不确定性。

1.3   工况模型

为更真实地在底盘测功机法试验中模拟实际道路测试，在车速-时间维度基础上建立了坡度-时间的转鼓动态加载模型。坡度-时间模型通过测试设备的车速-时间通道和海拔-时间通道采集数据计算得到，其计算方法为：

（1）

其中，i为坡度，单位为%;Δh为海拔增量，单位为m;ΔV为车速，单位为m/s;Δt為时间，单位为s。

1.4   试验条件及数据处理

试验按照满载道路试验-满载底盘测功机法试验-半载道路试验-半载底盘测功机法试验的顺序进行。为控制变量对试验结果的影响，同载荷下的道路法试验与底盘测功机法试验前的发动机冷却水温、设备热机时间和环境平均温度均保持一致。

车辆的排放采用排放因子进行评价，其计算方法为：

（2）

其中，Ej为污染物j的排放因子，单位为g/km;Mj为污染物j的排放总质量，单位为g;L为试验总里程，单位为km。

2    结果分析

2.1   排放结果对比

图3和图4分别为两种载荷下CO和NOx的排放结果。满载状态下底盘测功机法的CO排放略高于道路法，半载状态下低于道路法。满载状态下两种试验方法的CO排放结果偏差为2.91%，半载状态下的偏差为13.46%。满载状态下底盘测功机法的NOx排放高于道路法，半载状态下略低于道路法。满载状态下两种试验方法的NOx排放结果偏差为35.28%，半载状态下偏差为2.89%。

图5为两种载荷下CO2的排放结果。由图可知，满载与半载状态下两种测试方法的排放结果都比较接近，偏差较小。满载状态下底盘测功机法与道路法的CO2排放结果偏差为0.92%，半载状态下两种试验方法的偏差为0.29%。

图6为两种载荷下PN的排放结果。由图可知，满载与半载下两种测试方法的排放结果均有较大偏差，其原因为PN排放受瞬态因素影响较大[14]。满载状态下底盘测功机法与道路法的PN排放结果偏差为133.38%，半载状态下两种试验方法的偏差为292.82%。

复现试验的误差来源主要是测试系统的测量重复性误差，以及转鼓和道路试验的环境条件偏差。本文中转鼓与道路试验为连续进行，且底盘测功机法试验过程中试验室未封闭，环境条件基本一致，因此本文忽略环境条件引起的试验结果偏差。为计算测试系统的测量重复性偏差，在复现试验后进行连续两次C-WTVC循环工况试验采集排放数据，测量重复性偏差结果与复现试验偏差结果汇总见表3。

由表3可知，满载下CO和半载NOx的复现试验偏差均小于重复性偏差，半载下CO和满载下NOx复现试验偏差均大于重复性偏差但差异较小，无论何种状态下CO2偏差均较小，PN偏差均偏大。

2.2   行驶特征对排放的影响

本文以满载状态下实际道路试验为例，分析行驶特征对车辆排放的影响。图7、图8、图9为CO、NOx和PN三种排气污染物随车辆加速度、速度的变化，图中气泡的大小代表三种排气污染物的瞬时排放速率大小。污染物排放主要集中于车速20-30km/h和50-60km/h两个速度区间内，且集中于低加速度的区域，这是由于法规规定城市车辆PEMS试验的工况组成为70%市区路和30%市郊路，市区路车辆平均车速应为15-30km/h，市郊路的平均车速应为45-70km/h。而本试验对于市区段和市郊段的目标车速为25km/h和55km/h，并尽量保持匀速行驶。

图7显示试验过程中CO排放总体变化较小，分布均匀。随着车速的提升，以及加速度的增大，CO的排放速率略有提高。这是由于随着发动机负荷的提升，氧气供应不足，空燃比下降而燃烧不充分导致的。

图8显示NOx与车速相关性较小，高排放点集中于车速30-50km/h的速度段，且随着加速度的增大排放速率有所提高。由上文可知试验主要工况为25km/h和55km/h下的匀速行驶，因此NOx高排放点为主要为车辆加速工况点，可见造成NOx排放变大的原因为工况的突变。

图9显示PN与车速相关性较小，PN高排放点主要集中于速度低于20 km/h的速度段，且低加速度工况相比于高加速度工况PN排放速率略大，说明车辆的怠速以及起停工况为PN排放变大的原因。

结合车速、加速度与坡度，利用机动车比功率[15]（VSP，Vehicle Specific Power）对满载状态下PEMS试验结果进行排放特性分析。VSP计算公式为：

（2）

其中，v 为车速，单位m/s;a为加速度，单位m/s2，θ 为坡度。

图10、图11、图12为CO、NOx和PN三种排气污染物的排放因子随VSP的变化。其中，图10和图11显示CO和PN的排放多为低排放点，个别高排放工况点集中于VSP值为0kW/t的区域附近。由于VSP是结合了车辆加速度和速度的参数，VSP值越大表明驾驶工况越激烈，车速越高或加速度越大，因此说明按照国六法规进行的重型车PEMS试验工况较为平和。

图12为NOx排放因子随VSP的变化，NOx排放多为低排放点，但随着VSP值的增大，NOx高排放点有所增加，说明行驶工况激烈程度的增加会一定程度地导致NOx排放的提高，前文得到的结论也得以印证。

3    结论

1）基于车速-时间和坡度-时间两个维度在试验室内采用底盘测功机法模拟重型汽车实际道路PEMS试验，满载下CO、NOx和CO2两种试验方法排放结果偏差分别为2.91%、35.28%和0.92%，半载下偏差分别为13.46%、2.89%和0.29%，具有一定可行性;

2）满载状态下两种试验方法PN排放偏差分别为133.38%，半载下为292.82%，偏差较大，可行性差;

3）重型汽车道路PEMS试验行驶工况平和，排放相对稳定。车速及加速度的提升导致的发动机负荷增大、行驶工况的突变、怠速及车辆起停工况分别为导致CO、NOx和PN排放变差的原因。

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杨   聪

毕业于武汉理工大学，本科学历，现任职于中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司节能排放试验研究部部长，主要从事汽车及发动机排放、能耗相关领域测试工作，已发表论文数篇。