运行工况对城市车辆PEMS测试的影响

钟祥麟，李腾腾，于全顺，张超，刘麟

中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津300300

0 引言

为了进一步有效控制重型柴油车污染物排放，我国陆续实施了一系列排放标准，随着重型柴油车国六排放标准全面实施，为了更好地监管和考核车辆的真实排放，文献[1]对重型车排放测试方法和限值要求更加严格,同时增加了便携式排放测试系统(portable emission measurement system，PEMS)试验测试项目。与传统的转鼓试验相比，PEMS试验由于采用了真实的应用场景和道路环境，可以真实可靠地反映环境、交通、驾驶模式等因素导致的汽车排放变化[2-4]。

与轻型车不同，重型车的排放与车辆载荷密切相关，因此重型车辆排放评估采用了比功率排放的评价方法[5-7]，同时由于重型车辆的应用场景不同，为了更合理地评估不同类型的重型车辆，针对不同车辆类型，文献[1]对试验路线和工况构成进行了区别规定。由于非城市车辆占重型车辆的大部分，针对载荷和工况对非城市车辆的排放影响研究较多[8-12]，对城市车辆的研究较少。但城市车辆相对较低的车速和负载较低的运行特征将直接影响车辆排放，需要关注工况运行特征对PEMS测试结果的影响。

本文中针对城市车辆开展实际道路测试，研究不同运行工况下PEMS测试数据有效性及对排放结果的影响，为城市车辆更好满足现行标准的PEMS测试要求提供技术参考。

1 试验设备及方法

1.1 试验样车和试验设备

本文中试验样车为N2 类城市车辆，后处理方式为氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)-颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)-选择性催化还原(selective catalytic reduction,SCR)- 氨逃逸催化器 (ammonia slip catalyst,ASC)，使用的燃油、反应剂均符合国六排放标准，整车基本参数如表1所示。

表1 车辆基本参数

采用HORIBA公司的OBS-ONE-GS12/PN车载排放测试设备对试验样车行驶过程中的主要排放污染物进行测试。测试设备与整车的连接方式如图1所示，其中GAS模块用于气态排放物CO、CO2、NOx测试，PN模块用于排放中的粒子数量(particle number,PN)测试。

图1 测试设备安装连接示意

1.2 试验方法

试验车辆使用袋装砂石作为载荷，按文献[1]要求的城市车辆类别开展PEMS道路试验。参考文献[1]要求的工况分配比例(市区70%、市郊30%，允许±5%的比例偏差)和车速区间设定(市区为15～30 km/h、市郊为45～70 km/h)，并结合不同负载和车速，预设运行条件：1)空载、半载、满载3种载荷状态；2)设定低平均车速(城市15～20 km/h，市郊45～55 km/h)和高平均车速(城市20～30 km/h，市郊55～70 km/h)2种车速条件，共开展6种运行条件的城市车辆PEMS试验。PEMS设备测试的排放物包括NOx、CO、CO2、PN，并通过车辆诊断系统同步读取发动机数据。

本文中研究分析所用数据为文献[1]定义的有效数据，即冷却液温度达到70 ℃以上的试验数据。由于试验环境、交通条件以及驾驶风格均会对PEMS测试造成直接影响，为了保证试验结果具有一定可比性，选择天气状况比较稳定的时间、固定的试验路线，由同一驾驶员完成6次PEMS试验。6次试验的环境条件如表2所示。由表2可知：环境温度为11～16 ℃，环境相对湿度约为20%～56%，环境条件基本稳定。

表2 试验环境条件

2 试验结果及分析

2.1 试验工况特征

6次工况组合试验基本运行特征统计如表3所示。由表3可知：与文献[1]要求的比例(70%市区、30%市郊)相比，实际工况时间构成比例满足不超过±5%的偏差限定，符合要求；市区阶段平均车速满足试验方法预设的低、高速条件，市郊工况时，由于受所选试验路段交通影响，高车速设定试验时平均车速并未达到预先设定的速度(55～70 km/h)，但不会影响后续试验分析结论。

表3 基本工况特征统计

不同试验时的车速和发动机转速曲线如图2～4所示。由图2～4可知，半载、低速试验时在市区路段的发动机平均转速约为1100 r/min，而空载和满载低速试验时的平均转速约为1600 r/min，半载、低速试验时发动机转速明显偏低。如果驾驶挡位相同，相同车速条件下，发动机的转速也应基本相同。根据表3可知，低车速时3种载荷试验的市区阶段平均车速基本相同(约为19 km/h)，因此不同换挡策略是导致低车速时发动机转速不同的原因。

a)车速 b)发动机转速

a)车速 b)发动机转速

a)车速 b)发动机转速

2.2 试验排温特征

本文中采用DOC前排温作为发动机初始排温。发动机排温与车辆的车速和载荷直接相关，并影响后处理系统的转化效率。研究表明：对于SCR系统，温度为300～450 ℃时，NOx的转化效率随温度升高而增大，并逐渐趋于稳定；温度低于 250 ℃时，NOx的转化效率迅速下降[13-15]。因此排温对NOx排放的影响较大。

通过试验对比分析不同车速和载荷时的发动机排温，为更清晰地对比排温变化，对排温数据做了30 s滚动平均处理。

2.2.1 不同工况条件对排温的影响

根据车速设定不同，对车辆不同载荷试验的初始排温对比分析，结果如图5所示。由图5a)可知，低车速设定试验时，在市区工况，如果排除半载低速工况时由于驾驶因素造成排温明显偏低的这一组数据，满载排温平均约为180 ℃，空载排温平均约为170 ℃，满载高于空载，但在市郊工况载荷变化对于排温没有明显影响。由图5b)可知，高车速设定试验时，无论市区还是市郊工况，载荷变化对于排温都没有明显影响。

a)低速 b)高速

车速和载荷的增加均使发动机负荷加大，排温升高，车辆在低车速工况运行时，发动机负荷较小，缸内温度较低，车辆载荷变化使发动机负荷变化相对较大，因此在排温变化有一定体现；高车速时，发动机负荷已经进入较高状态，排温相对较高，接近最高温度，此时车辆载荷的变化对排温的影响效果不明显。

2.2.2 相同载荷不同车速对排温的影响

排除换挡策略不同的半载低速试验数据，根据空载和满载2种设定，对比分析不同车速试验时的初始排温，如图6所示。

a)空载 b)满载

由图6a)可知：在市区工况时，空载、高速条件下平均初始排温约为190 ℃，而空载、低速时的平均初始排温约为170 ℃；但在市郊工况时，车速变化对排温没有明显影响。由图6b)可知：满载条件下，无论是市区还是市郊工况，车速变化对排温没有明显影响。

与前面的分析类似，当空载、低速时，发动机负荷较小，排温较低，提高车速会使发动机负荷增大，从而使排温升高；满载或者高速时，发动机的负荷较高，排温相对较高，接近最高温度，此时车速和载荷的变化对排温影响不明显。

综上，市区工况，满载或者高车速时，排温相应较高，车速对排温的影响大于载荷对排温的影响；市郊工况，由于发动机负荷处于较高状态，排温相对较高，接近最高温度，车速和负载的变化不会使排温有明显差异。

2.3 功基窗口分析

依据发动机在台架瞬态试验循环(world harmonized transient cycle ，WHTC)所做的功把车载排放数据划分为不同窗口进行计算的方法称为功基窗口法，其基本原理为：以WHTC瞬态循环功为基准，将试验有效数据划分为不同窗口子集，将窗口按与数据采集频率相等的时间步长进行平移划分，按文献[1]要求，窗口平均功率百分比(窗口平均功率与发动机最大功率的比)大于20%的窗口为有效窗口，有效窗口占窗口总数的比例应控制在 50% 以上，若不满足可降低功率阈值，但最小不能低于10%，如果在最低功率阈值下，有效窗口的比例仍小于50%，则判定试验无效。

采用功基窗口法对试验数据进行分析，考虑到PEMS试验不能完全重复的特点，仅对于窗口功率比和窗口比排放变化规律进行定性分析，不做定量对比。为便于直观对比，采用无量纲的一致性因数(conformity factor，CF)来表示各污染物窗口比排放，排放CF结果由窗口各排放物的比排放除以相应标准中的限值得到。

不同功率阈值时有效窗口占比如图7所示。由图7可知：按上述有效窗口判定原则，6次试验的有效窗口比例总体偏低，仅在高速半载和高速满载的条件下，在接近最低有效窗口判定阈值(10%)时，有效窗口比例能够满足有效试验判定要求(大于50%)。因此对于本试验车辆，虽然工况比例满足城市车辆试验的分配比例，但驾驶运行方式的不同直接影响试验的有效性判定。而且根据图5中结果，车速对排放的影响远大于载荷，高速试验有效窗口占比总体相对较高。

图7 不同功率阈值时有效窗口占比

6次试验的窗口功率比和窗口比排放CF结果对比如图8所示。

a)窗口功率比 b)NOx排放CF结果

由图8可知：1)车速对窗口功率比的影响远大于负载变化造成的影响，高车速能保证较高的窗口功率，更好地满足有效窗口功率比阈值要求；同时，因为空载可能造成高车速条件也无法满足有效试验的窗口判定，载荷的设定在PEMS试验中也很重要；2)NOx排放与发动机排温相关，半载低速试验时，市区工况的发动机转速低于其它5次试验，排温最低，低排温造成SCR转化效率降低，NOx窗口比排放远高于其它5次试验；因此在城市车辆进行PEMS试验时，市区工况车辆运行负载低，使得发动机排温较低，此时不合理的换挡策略会进一步影响排温，从而影响后处理系统的转化效率，导致车辆排放升高；3)车速对NOx和PN窗口比排放的影响大于负载的影响。总的来看，车速与NOx排放负相关，与PN排放正相关，即较高的车速有利于降低NOx排放，虽然可能会使PN排放小幅升高，但升高幅度较小，远低于标准限值；满载时，车速变化对排放的影响减弱；CO与NOx排放规律相似，均与车速负相关，但由于CO排放很低，可能存在较大测量误差，规律不很明显。

3 结论

城市车辆按文献[1]要求开展PEMS测试，不同的工况选择直接影响试验数据是否满足标准要求和排放变化，应关注运行工况的选择和设定。

1)车速对于排温的影响大于载荷的影响，在市区工况时更为明显；若城市车辆能够保持较高的排温，使后处理系统保持在较好的工作状态，在满足标准要求的前提下，城市车辆可以选择较大的负载和较高的平均车速进行PEMS试验。

2)车速对窗口功率的影响远大于负载变化造成的影响，高车速能保证窗口功率比更好地满足有效窗口功率阈值要求，但低载荷或空载也可能造成高车速条件无法满足有效试验判定。

3)车速对排放的影响大于负载的影响，较高车速以及适当加载可以保证合理的后处理系统温度和发动机工况状态，有利于保证PEMS试验满足标准要求；但不合理的换挡策略可能造成排放升高。

4)城市车辆固有的低速、平均负载低的运行工况特征，为PEMS试验满足标准要求增加了难度，因此进行PEMS试验时应合理选择负载及平均车速。