关于功率阈值对PEMS试验结果影响的研究

0 前言

便携式排放测试系统( portable emission measurement system，PEMS)在不同法规标准中，试验方法和要求有些不同，在重型柴油机国六法规要求中，试验结果中，窗口的平均功率有一个相对动态的要求，即窗口平均功率大于发动机最大功率的20%的窗口为有效窗口，同时要求有效窗口的比例大于等于50%，若有效窗口的比例低于50%，将使用较低功率阈值继续进行评价，将窗口平均功率阈值要求以1%为步长逐渐降低，直到有效窗口的比例达到50%，任何情况下，功率阈值最小不能小于10%。因此分析有效窗口不同的功率阈值对试验结果及窗口的影响，有利于对PEMS试验的理解，并对PEMS试验结果的预测工作有很大帮助。

随着社会经济的不断发展，人们对于能源的需求也呈现出不断上升的趋势，在我国电力市场供应中发电厂具有非常重要的位置。在发电厂的运行以及发展过程中，还需要提高发电厂的发电效率以及能源利用率，才能够更好地降低能源损耗，而通过小真空泵技改能够更好地促进发电厂能源效率的提升。

1 PEMS试验数据的选取

根据重型国六柴油机排放法规中针对PEMS试验车辆的分类以及试验工况特性，选取非城市PEMS试验数据和城市PEMS试验数据两种类型数据，进行单组数据分析，然后基于两组单组数据分析结论，选取多组两种类型的PEMS数据进行数据分析验证，得到不同的窗口功率阈值对试验结果及窗口的影响。

数据一如图1和图2所示，该组数据为非城市PEMS试验数据，最终计算结果为功率阈值20%，有效窗口数占比82%，窗口通过率100%，平均NOX比排放0.049g/kWh。

图1展示了该组数据的车速和功率的分布，分布特征在非城市PEMS中有着典型的代表性，图2展示了NOX排放和SCR上游温度T6温度分布，排放特征满足正常车辆的NOX排放。通过分析该组数据，可以了解非城市PEMS试验数据的典型特性。

数据二如图3和图4所示，该组数据为城市PEMS数据，最终计算结果为功率阈值14%，有效窗口数占比62%，窗口通过率99%，平均NOX比排放0.055g/kWh。

图3展示了该组数据的车速和功率的分布，分布特征在城市PEMS中有着典型的代表性，图4展示了NOX排放和SCR上游温度T6温度分布，排放特征满足正常车辆的NOX排放。

图16也很好的说明了，在前2000秒窗口的平均NOX比排放在整个数据中处于相对较高的水平，而后面的窗口NOX比排放处于相对较低的水平，同时随着窗口功率阈值的逐步降低，窗口平均NOX比排放会逐步向前移动。值得注意一点的是，在窗口功率阈值为15%以下阶段，有两个特别突出的突增，并且有叠加的特性，这是由于在原始数据中开始阶段，有两段NOX传感器露点释放时传感器反馈的替代值，见图2中两端超高的红色立柱区域。根据移动窗口法，初始时的窗口会包括这两段露点释放的数据，所以初始时超高窗口平均NOX比排放，而后通过移动至仅包含一个露点释放区域，及深绿色区域，再至完全不包含进入紫色区域，这也进一步验证了，随着窗口功率阈值的不断降低，有效窗口逐步前移，监控数据点逐步向前这一结论。

2 单组非城市PEMS数据窗口功率阈值对结果和窗口的影响分析

2.1 单组非城市PEMS试验数据窗口功率阈值对试验结果的影响分析

通过图8和图9可知，随着窗口功率阈值的逐步降低，有效窗口的数量在逐步增加，所占总窗口数比例也在逐步增加，直至在12%时，有效窗口数等于总窗口数，所占比例达到1后平行下去。这说明，窗口的功率阈值对有效窗口有所影响，所监控的数据范围会随着窗口阈值的变化而变化。

移动平均窗口法：

不是对所有的数据进行排放质量计算，而是对数据的子集进行计算。每个子集的长度应通过循环功与基准试验室瞬态循环的相应结果一致的原则确定。采用与数据采样周期相等的时间间隔Δt进行移动平均计算。

功基窗口法：

根据图10和图11所示，随着窗口功率阈值的逐步降低，窗口通过率由100%逐步降低，窗口NOX比排放也逐步增加，这说明窗口功率阈值越低，对PEMS试验数据的NOX排放计算结果会越包含发动机低负荷低功率区域，该组数据低负荷区域指示在数据前端，所以窗口平均NOX比排放会随其阈值降低而逐渐升高。

计算方法如图7所示：

第i个平均窗口周期(

2,

-

1,

)由下式决定：

(

2,

)-

(

1,

)≥

式中：

(

,

)——从开始到时间

,

内的发动机循环功，kWh；Wref——WHTC的循环功，kWh；

2,

应由下式选择：

2月11日，浙江吉利控股集团与浙江省湖州市长兴县人民政府签订战略合作协议以及《吉利新能源汽车项目投资协议》。该项目总投资326亿元，含整车生产基地、变速器生产基地、汽配产业园以及总部楼宇等内容，计划分两期建设，一期预计2018年10月底前开工建设。此次，浙江吉利控股集团计划在长兴投资建设全新的全球化小型车新能源模块平台，包括了混合动力、插电式混合动力等新能源动力系统。其中有224亿元的投资，用于打造年产30万辆新能源汽车工厂项目，另外102亿元投资，用于实现年产60万台的变速器流水线 项目。

问题是促进学生思维能力发展的有效途径，孔子曾说“不愤不启，不悱不发”，在学生解决问题的时候发现新的问题，通过一些预设和非预设的问题促进学生的学习主动性，培养学生的学科核心素养，提高教学效率.如何设计出有效的问题是关乎物理教学成败的关键，也是值得每一位物理教师进行探究的问题.下面就如何在高中物理课堂设计问题进行论述：

白参菌。白参菌一直为野生品种，生长于热带阔叶杂木腐质上，不利于采收，目前国内还没有成功的人工种植技术。白参菌体质韧、味道清香、营养丰富，是一种药食两用的珍稀菇菌，经常食用有清肝明目、健胃润肠、抑制小儿盗汗等功效[3]。

式中：Δ

——数据采样周期，小于等于1s。计算出该组数据的窗口后，将有效窗口的功率阈值由该组的20%，按照1%的步长逐步降至10%，分别计算出不同功率阈值的有效窗口数量、有效窗口数占总窗口数比例、窗口通过率、窗口NOX比排放值、窗口的平均功率和窗口平均T6温度。计算结果如图8-图13所示；

根据PEMS试验数据计算方式，我们将数据一通过移动窗口法和功基窗口法进行计算，计算方式如下：

观察组急性阑尾炎合并糖尿病患者术后1、3、7 d疼痛评分分别为（2.41±1.03）分、（0.82±0.34）分、（0.21±0.02）分，均低于对照组不同时间段疼痛评分，差异有统计学意义（P＜0.05）。 见表 3。

(

2,

-Δ

)-

(

1,

)<

≤

(

2,

)-

(

1,

)

而图12和图13展示出，随着窗口功率阈值的逐步降低，窗口的平均功率会逐步降低，所选取的有效数据会越涵盖低负荷区域，使得窗口的T6平均温度逐步降低，包含的数据点SCR转换效率会更低，详见下面功率阈值对窗口的影响分析。

图6为油箱增加不同面积的肋板后液压油的温度曲线。当增加了0.64 m2的肋板面积时，油液的热平衡温度为98.1 ℃。随着肋板表面积不断增加，油液温度越来越低，但散热效果的边际效应递减。即使肋板表面积增加到十倍，肋板表面积约等于油箱表面积，此时油液最终温度为94 ℃，说明只增加肋板面积无法将液压系统的温度降低到80 ℃。

2.2 单组非城市PEMS试验数据窗口功率阈值对窗口的影响分析

而图15的窗口平均T6温度分布，也恰说明在前2000秒SCR上游T6温度分布相对整体处于较低水平，且随着窗口的功率阈值逐步降低，窗口平均的T6温度也在逐步下降前移。

根据图14所示，该组PEMS试验数据的大部分有效窗口平均功率在20%以上，功率阈值的调整仅发生在前2000个窗口以内，根据移动窗口法的计算方式，该组数据因窗口的功率阈值调整所影响的数据均在前2000秒以内，也就是城市工况区域，其市郊工况和高速工况均在监控数据范围内。这就说明城市工况的数据对窗口功率阈值更加敏感，对最终排放结果也有其不可忽视的影响。同时，随着窗口功率阈值的逐步降低，有效窗口初步向前移动，这说明在该组数据中，随着窗口功率阈值的逐步降低，对城市工况中负荷功率越低的试验数据方向进行监控。

上述我们将数据一通过调整窗口的功率阈值，分析了对该组PEMS数据最终的功率、排放、温度等结果进行了分析，下面我们进一步分析其对窗口的影响。首先我们依旧根据移动窗口法和功基窗口法计算该组PEMS试验数据的窗口，按照数据先后顺序，直接画出窗口的平均功率比、窗口的平均NOX比排放和窗口平均T6温度分布情况，如图14-图16所示；

数据三如图5和图6，最终计算结果为功率阈值15%，有效窗口数占比51%，窗口通过率94%，平均NOX比排放0.062g/kWh。该组数据同数据二一样为城市PEMS数据，但NOX排放分布与数据二不同，呈现出中间部分NOX排放高而两端排放低，数据二和数据三为城市pems最常出现的两种现象，所体现的规律也是互为相补，详见以下分析。

那么，就此我们可以得出，随着窗口功率阈值的逐步降低，有效窗口会逐步向功率低洼处移动，监控数据点也向发动机负荷功率较低的方向移动，由于N1-N3的几种非城市PEMS中城市工况时间占比较短，仅在四分之一至三分之一之间，所以功率低洼方向一般在城市工况开始方向。

3 单组城市PEMS数据窗口功率阈值对结果和窗口的影响分析

3.1 单组城市PEMS试验数据窗口功率阈值对试验结果的影响分析

由于城市PEMS试验工况中，城市工况时间占比较长，期间会有城市工况的窗口开始功率比较高而中间较低的现象，所以城市PEMS数据我们选取数据二和数据三两种类型分别进行分析。

数据二典型的特征就是城市工况占比时间长，功率分布均匀，是城市PEMS中典型的一类。我们将数据二按照上述计算方式，得到图17-图22；

根据图17、图18和图21所示，随着窗口功率阈值的逐步降低，有效窗口的数量占比总窗口数逐步增加，有效窗口的平均功率也逐步降低，这与以上结论相吻合，即随着窗口功率阈值的逐步降低，有效窗口数量逐步增加，并且数据监控向发动机低负荷、低功率方向拓展。

以教材第一册Unit1 The Pursuit of Dreams为例。整个单元共设计两个大任务和多个小任务。大任务一：三人一组，完成导入部分的两位名人Qian Xuesen和Steve Jobs的相关资料查询并提出相关问题组织班级讨论；大任务二：四人一组，模拟电视采访，其中一人扮演主持人，另外三人分别扮演三篇文章中的主人公。多项小任务要求不同组别的学生完成，如双人任务：课文“Deaf DJ”的角色扮演，作文“My Dream Work”的互改互评。单人任务包括：词汇朗读、课文朗读、难句理解、课后练习等。

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图22所展示的窗口T6平均温度亦是如此，随着窗口功率阈值的降低逐渐降低，在阈值14%以下趋近平缓。

图19和图20与数据一所展示有所不同，窗口通过率在中间窗口功率阈值15%附近最低，而两侧窗口通过率逐步提高，该组数据恰好与数据一形成呼应，数据一低负荷区域是在城市工况的前端，而这组数据恰在城市工况的中间段，(详见下面窗口影响分析)，这说明窗口功率阈值的降低，会向发动机负荷、功率低洼方向移动，而该方向的排放特性，影响最终PEMS的NOX排放结果。

3.2 单组城市PEMS试验数据窗口功率阈值对窗口的影响分析

同数据一，我们将数据二按照上述方法计算并画出窗口的特征分布。如图23-图25。

2.前往中原内地的道路：从都兰出发，东行至伏俟城，再沿着青海湖南北两岸东行，东向通至湟水流域的西南、乐都、兰州和河州，并经上述地区前往长安和洛阳。

图23所示，数据二的窗口平均功率比分布与数据一在后半段类似，都是处于较高的水平，但是中间和前半段和数据一相反，数据一随着窗口越靠前功率比越低，数据二是在中间位置功率比较低，而在窗口靠前的位置，功率比相对较高，这种情况一般出现在城市工况PEMS试验或非城市高载荷PEMS试验当中，由于满足窗口循环功时间相对城市工况较短，市郊或高速相对较大的工况点未介入，容易出现开始的窗口平均功率比高于中间窗口的平均功率比。数据一和数据二互补了PEMS试验这两种工况特征，可以说明随着窗口的功率阈值逐步降低，有效窗口向功率低洼处移动。图24的最左侧因NOX传感器露点释放而非常高的窗口NOX比排放也说明，在功率阈值处于15%时，窗口的数据监控范围在城市工况的最开始位置，这也解释了图19和图20在功率阈值15%时排放特别高而窗口通过率最低的原因。图25的T6温度分布也更验证了这一点。

3.3 数据三城市PEMS试验数据窗口功率阈值对窗口的影响分析

数据二展示了城市PEMS试验数据中一种典型的类型，即随着有效窗口的功率阈值降低，有效窗口向功率低洼方向拓展，并且其排放呈现出功率阈值处于中间区域时窗口透过率低，而两侧较高的规律；数据三代表了城市PEMS的另外一种，即原始数据中中间段排放相对整体较高，且中间段的功率处于低洼方向，其结果如图26-图31所示；

该组数据的窗口通过率随着有效窗口的功率阈值降低而逐渐提升，通过图29和图30我们可以看出，中间低2000至4000左右窗口的功率比处于最低状态，而这部分的NOX比排放处于较高的位置，这也导致随着有效窗口的功率阈值逐步降低，总体窗口的通过率逐步上升。

所以，对于城市PEMS，随着有效窗口的功率阈值降低，有效窗口也同样向功率低洼方向拓展，而该方向的排放特征，决定了最终PEMS试验结果窗口通过率的分布特性。

4 多组PEMS数据窗口功率阈值对结果和窗口的影响

上述我们针对非城市PEMS和城市PEMS分别做了单组的试验分析，并得到了相应的试验结论，下面我们随机选取8组不同的城市PEMS和非城市PEMS，验证得到的规律。根据以上方法，我们得到图32-图35；

F4=2.53×105+2.53×105+3.04×105+3.04×105+51569+51569+2.35×105+2.35×105=16.87×105N

在图32和图33中，随着有效窗口的功率阈值降低，有效窗口的窗口数占比逐步提升，窗口的平均功率在逐步下降，很好的验证了我们得到的结论；在图34和图35中，针对非城市PEMS的窗口通过率均处于持平或逐步下降的规律，而响应的窗口NOX比排放也是逐步升高或持平，与结论一致；几组城市PEMS的窗口通过率，随着功率阈值的降低，窗口通过率或持平，或提升，或中间低两侧高，这也验证了城市PEMS低洼方向的NOX排放决定了整体试验结果的NOX排放窗口通过率和窗口NOX比排放特性这一结论。

5 结论

综上所述，无论是城市PEMS或者是非城市PEMS，随着有效窗口的功率阈值逐步降低，有效窗口的数量会逐步增加，有效窗口相对总窗口的占比增加，数据监控范围会逐步向发动机输出功率低洼方向拓展。对于非城市PEMS，由于城市工况相对整体时间占比较少，其数据监控随着功率阈值的降低，逐步向城市工况前端拓展；对于城市PEMS，由于城市工况时间占比较长，而同为城市工况的发动机输出功率或大或小，随着有效窗口的功率阈值降低，容易出现功率低洼方向处于数据中间或者前端的现象。

对于NOX排放而言，低洼方向的NOX排放，决定了整体试验结果的窗口通过率，对于非城市来说，低洼方向处于城市工况前端，市郊和高速工况的T6温度一般高于城市工况，SCR的转换效率高于城市工况，导致城市工况的NOX排放处于较高的水平，所以非城市PEMS的NOX窗口通过率随着有效窗口的功率阈值降低，处于持平或者逐步降低的规律；而城市PEMS当中城市工况时间占比较高，NOX排放的窗口通过率有着多样性规律，即如果低洼方向的NOX排放越来越差，则总体试验结果的窗口通过率会越来越低，如果低洼方向NOX排放相对整体越来越好，则窗口通过率逐步提升，反之则会出现窗口功率阈值在中间区域窗口通过率最低，而两侧的窗口通过率会越来越高的现象。

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