基于OBD在线监测技术的国五公交车排放特性分析

2022-11-02于全顺高忠明王雪峰

汽车实用技术 2022年20期

张超，田霖，于全顺，高忠明，王雪峰

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300）

随着我国社会经济的发展，重型商用车的数量越来越多，车辆尾气排放逐渐成为污染的主要来源之一，尤其是市内公交车对城市环境和居民健康造成了严重的威胁。为了解决重型车的排放污染问题，我国分阶段实施了排放法规，限制重型车的污染物排放，多种技术路线应运而生，由此产生了具有不同后处理方式的车辆同时运行的现象。我国自2016年4月1日起开始分区域实施机动车国五排放标准，满足国五排放标准的柴油公交车得到推广使用，主要运营在北京、上海等城市。国五阶段城市公交车的后处理技术主要有选择性催化还原系统（Selective Catalytic Reduc- tion, SCR）和废气再循环系统（Exhaust Gas Reci- rculation, EGR）+氧化型催化器（Diesel Oxidation Catalyst, DOC）+柴油机颗粒捕捉器（Diesel Partic- ulate Filter, DPF）两种，同时还有大量天然气公交车投入市场，产生了三种主要的减排技术路线。

柴油机在实际运行中，其加速、减速、冷起动等转速和转矩急剧变化的瞬变工况占有很高比例，需要对该类瞬变工况的排放特性进行研究。对现代车用柴油机而言，其主要有害排放有颗粒和氮氧化物NO，现阶段对柴油机瞬变工况的控制及排放的测量极为重要。李孟良等基于整车转鼓试验，测试了安装有 SCR系统的常规公交车和混合动力公交车在中国城市公交车测试循环（China City Bus Cycle, CCBC）下的排放，发现该循环下混合动力公交车排温较常规动力公交车更低，NO排放更高。张会松等采用车载排放测试系统开展了城市实际道路排放测试，研究了法定污染物排放特征，并实际测试了选择性催化还原装置对典型柴油大型客车NO排放的影响。现有大多数的研究是基于实验室转鼓法和车载排放法进行的，不能够反映长期的、大样本的公交车工况和环境因素对后处理系统运行情况的影响。因此，对重型柴油车进行实时监控，寻找降低瞬变工况排放的途径是非常有必要的。

车辆监控实现重型柴油车的实时监控，包含车辆位置监控和相关参数监控。位置监控在地图上显示车辆的实时位置；参数监控实现车辆相关参数的实时展示，实现车辆历史状态的回放，包含位置回放和车辆参数回放。位置回放在地图上显示过去某一时刻车辆的位置，参数回放通过曲线实现车辆过去某一时刻运动状态回放。排放和油耗实时抓取根据基于功基窗口法、短行程法的排放法规方法的思路，进行窗口的提取，将窗口排放结果与排放限值进行对比，提取高排放窗口。同时掌握各终端数据上传状态和故障情况，保证在车辆行进过程中数据采集的质量和数量。

本文基于车载诊断系统（On Board Diagnostics,OBD）远程在线监测技术，分析A地区国五阶段经不同后处理方式得到的城市公交车的NO排放特性。

1 实验系统与方法

1.1 实验系统

本研究在运营车辆上安装OBD远程监控终端，该终端集成了NO传感器、温度传感器、GPS定位传感器以及通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service, GPRS）通讯模块，可以实时采集车辆运行过程中的各项参数，设备如图1所示。各项数据通过GPRS通讯模块传输至监控平台的服务器上，可以通过监控平台导出车辆运行数据。本研究选取的三辆公交车的具体参数如表1所示。

图1 OBD远程监控终端

表1 实验样车参数

1.2 测试方案

本试验克服了以前实验时间较短（通常约为1～2 h）的不足，本实验选取A市实际运营的3辆公交车为样本，选取运营时间均为2020年4月7日零时至2020年4月10日零时，三辆公交车的运行里程均超过200 km。每辆公交车的GPRS通讯模块以1 Hz的频率将采集数据传输至远程监控平台服务器。

理论上采集的数据越多，结果越准确，但是由于试验条件的限制，采集的数据有限。剔除NO传感器失效时的数据点、发动机转速为0的数据点；经过三天的数据采集，天然气公交车获得有效数据点为61 912个，后处理方式为SCR+ DPF+ EGR的公交车获得有效数据点为93 209个，后处理方式为SCR的公交车获得的有效数据点个数为24 599个。其中主要采集的参数有发动机转速、车速、发动机净输出扭矩、NO排放浓度、SCR出口温度、进气流量、喷油量等参数。

2 数据处理方法

排放速率是指单位时间内向大气中排放污染物的量，这是国家环保部根据实际情况对各个行业污染物的排放标准做的规定限值，以此来保证空气质量。

通过氮氧化物传感器收集到的NO单位为ppm，为了更加直观地分析氮氧化物的排放情况，需要将ppm转换为g/s，单位的转换公式如下。

式中，为排气组分密度和稀释排气密度比；为排气组分平均浓度；为总稀释排气质量；为采样频率，Hz；为测量次数。

3 实验结果与讨论

3.1 车辆行驶工况和NOx排放的关系

行驶工况按照车辆加速度划分为怠速工况（速度为0 km/h）、加速工况（瞬时加速度大于0.1 m/s）、匀速工况（瞬时加速度的绝对值小于等于0.1 m/s）和减速工况（瞬时加速度小于-0.1 m/s）。三辆公交车在不同工况下NO的排放速率如图2所示，三辆大型客车NO的排放速率在加速工况下均表现出最高的NO排放速率，怠速工况下则排放速率最低，且后处理方式为SCR的公交车在总体上的排放速率最高，表明单一的SCR后处理方式有待改进。后处理方式为EGR+DOC+DPF的公交车表现出较低的排放速率，被认为在研究范围内最优的后处理方式。在加速和减速的行驶工况下，三辆公交车车的排放速率呈现SCR＞天然气＞EGR+DOC+DPF的趋势，且减速的变化幅度小于加速行驶工况的。在匀速行驶工况下，三辆公交车的排放速率呈现SCR＞EGR+ DOC+DPF＞天然气的趋势。此外，EGR+DOC+ DPF与天然气的后处理方式的NO排放速率较SCR分别降低64.8%与39.4%。而在怠速行驶工况下，EGR+DOC+DPF与天然气的后处理方式的NO排放速率几乎相同，较SCR后处理方式分别降低55.6%和55.6%。

图2 行驶工况和NOx排放的关系

3.2 行驶速度区间和排放的关系

由于城市公交车辆的车速一般不会太高，因此将车辆行驶车速分为四个等级，分别为0 km/h～20 km/h、20 km/h～40 km/h、40 km/h～60 km/h、60 km/h以上。

由图3所示，0 km/h～20 km/h速度区间内SCR＞天然气＞EGR+DOC+DPF的NO排放速率；由0 km/h～20 km/h到20 km/h～40 km/h三辆公交车的NO排放速率均呈现较大幅度的提升。在20 km/h～40 km/h速度区间内三辆车NO的排放速率相对于其他速度区间排放速率最高。而在60 km/h及以上区间内，天然气车排放速率保持缓慢增加趋势，其他两辆车的NO排放速率几乎均趋于稳定，有呈现NO排放速率减少的趋势。总体来看，后处理方式为SCR的公交车在0 km/h～60 km/h速度区间内的排放速率最高，车速超过60 km/h排放速率呈现下降趋势，后处理方式为EGR+DOC+DPF的公交车的排放速率与天然气车辆增减趋势相同，但其起点较低、增幅基本相同使得NO的排放速率依然小于其他两辆车型，纵观研究范围内的速度区间，三辆公交车的排放速率呈现SCR＞DOC+SCR＞EGR+DOC+DPF的趋势。

图3 各行驶速度区间和排放的关系

3.3 行驶速度区间比例分布

由图3可以看出，在速度区间20 km/h～40 km/h内车辆SCR、天然气、EGR+DOC+DPF技术路线的NO排放速率都是较高的。因此，有必要统计城市公交车的不同速度区间比例，掌握较高排放速率的速度区间与城市公交车经常运行的速度区间，可更加有针对性地提出解决公交车NO排放较高的现象。

由图4所示，在0 km/h～20 km/h的速度区间SCR后处理方式公交车、天然气公交车和ERG+ DOC+DPF后处理方式公交车所占比例分别为30.16%、46.03%和40.06%，在0 km/h～20 km/h速度区间内所占比例都为最高，由此看出，A市公交车的行驶车速都比较低，这可能与A市城市机动车的数量密切相关，同时也应该为公交车提供专用车辆路线；随着速度区间的上升，速度区间的比例都呈现不同程度的下降；公交车运行速度区间频率一半多都位于40 km/h以下，可以为以后公交车开发特定符合此速度区间的后处理系统。