SEMS系统引入机动车排放检测可行性研究

2023-02-07屈小梭陈鹏吴倩包鸿白艳英谢琼吉喆

环境工程技术学报 2023年1期

屈小梭，陈鹏，吴倩，包鸿，白艳英，谢琼，吉喆*

1.中国环境科学研究院机动车排污监控中心2.泛亚汽车技术中心有限公司

《中国移动源环境管理年报》（2021年）显示，2020年我国机动车4项污染物排放总量已达1 593.0万t，其中氮氧化物（NOx）和颗粒物质量（PM）排放量分别为626.3万和6.8万t，占比较大。为控制机动车污染物排放，新车应按照国家有关标准法规要求进行排放测试验证，并进行信息公开[1-2]；对于在用车，应当按照国家或者地方的有关规定，由机动车排放检验机构定期对其进行排放检验[3-4]。机动车排放相关检测较多基于实验室固定工况和特定环境情况下开展[5]，与实际道路行驶过程污染物排放结果间存在较大差距[6-9]。我国轻型车和重型车国六排放标准中均引入了车载排放系统（portable emission measurement system，PEMS）的测试要求[10-12]，规定了实际行驶污染物排放试验，以便更有效控制机动车实际排放。符合标准的PEMS测试装置存在重量较大、价格昂贵、设置和操作较为复杂等缺点[13-14]，不利于机动车实际道路排放管控测试[15-16]。急需简单易行的机动车实际道路行驶排放检测工具，从而进一步满足机动车污染防控测试的需求。因此，智能排放测试系统（smart emission measurement system，SEMS）在国内外得到开发和使用。

SEMS系统是利用传感器直接获取机动车排放尾气中相关参数数据，可以实时响应机动车尾气中污染物浓度变化。相比于PEMS系统，SEMS系统结构简单、价格便宜、操作方便，具备机动车行驶排放监管应用的基础。笔者通过研究国内外SEMS系统研究现状，并开展相关对比测试试验，验证SEMS系统引入机动车排放检测可行性，以期提升我国机动车排放管控能力。

1 国内外SEMS系统研究现状

SEMS系统主要依靠机动车尾气污染物传感器技术，国内集合NOx传感器和PM与颗粒物数量（PN）传感器的SEMS测试研究较少，国外有部分学者开展了相关研究。

1.1 国内研究现状

许雪利等[17]对比分析了基于NOx传感器测量设备和PEMS系统测量车辆实际道路NOx排放量。结果表明：使用NOx传感器测量车辆实际道路NOx排放量具备可行性和较高可信度；利用NOx传感器测量整车实际道路NOx排放量的结果，可以真实反映车辆在实际道路的排放状况；进行整车道路实际NOx排放试验时，可以用NOx传感器测量方式代替昂贵的车载排放试验设备，能够提高排放测试效率，降低成本。

1.2 国外研究现状

Durbin等[18]通过47辆重型车维修前后行车试验和底盘测功机试验，得出SEMS系统能有效识别机动车在行驶过程中的高NOx排放，价格便宜且操作方便，可推广应用于识别高NOx排放车辆。SEMS系统所测试的NOx排放量结果高于其他测试设备，总体上可以较好地识别出高NOx排放。尾气中PM与PN排放量测试结果显示，不同设备PM与PN排放量测试结果基本相当，当明确了车辆尾气中PM与PN排放量范围时，SEMS系统可以较好地应用于重型车检测与维护（inspection and maintenance，I/M）管理。

Sato等[19]的研究结果表明，SEMS系统可以被应用于机动车运行时PM排放测试，基于数据分析可以较好地获得尾气中NOx排放量、氧浓度等，在高NOx排放时，SEMS的测试结果高于PEMS测试结果，总体上，二者测试结果能较好地匹配。

Yang等[20]采用SEMS和PEMS测试轻型柴油卡车行驶排放，结果表明，二者测试的NOx排放量结果差异在±10%左右，SEMS测试的PM排放量要比PEMS测试结果大3%～30%，由于基线的差异造成PN测试结果相对差异较大，SEMS系统用于生产一致性评估、法规监管和I/M管理具有较大潜力。SEMS系统可以被用于筛选NOx高排放车辆，车企可将其用于用车排放的评估和验证。SEMS系统在具有机动车排放数据库的地区具有更大的应用价值。

Leatherman等[21-23]的研究同样表明，可利用SEMS系统评估实际道路行驶过程中机动车排放问题，特别是在容易出现排放问题的重型车管理上更具有应用价值。

2 SEMS系统对比测试试验

2.1 试验设备

SEMS系统对比测试试验采用日本特殊陶業株式会社（NTK）研发的NTK Compact Emissions Meter（NCEM）测试设备，搭载有NOx传感器和Pegasor PN传感器，用于测定机动车尾气中的NOx、PM与PN排放量。应用于对比测试的排放系统为日本堀场集团（Horiba）研发的PEMS测试系统和奥地利李斯特公司（AVL）实验室机动车排放测试系统。SEMS系统实验室对比测试连接安装如图1所示。将机动车尾气通过排气延长管接出，然后接入SEMS系统的PN与NOx传感器、测量尾气PN排放量的颗粒物计数器（CPC）采样接口、PEMS采样结构，SEMS设备的PN传感器分别接入汽油车颗粒物捕集器（GPF）的前后，经过定容稀释采样系统(CVS)，最后进入AVL与Horiba台架尾气污染物测试系统。SEMS系统实际道路RDE道路试验安装是将日本Horiba的PEMS系统采样接口和SEMS系统传感器安装在排气延长管上，测量实际道路机动车排放情况。

图1 实验室对比测试安装Fig.1 Laboratory comparison test installation diagram

2.2 SEMS系统和PEMS系统对比

SEMS系统和PEMS系统相关参数对比如表1所示。PEMS系统是全球范围法规认可的RDE认证测试设备，相比于PEMS系统，SEMS系统更具推广应用潜力。

表1 SEMS系统和PEMS系统对比Table 1 Comparison of SEMS and PEMS

2.3 对比试验

根据日本NTK公司在美国加利福尼亚大学河滨分校发布的SEMS技术台架发动机台架和底盘测功机测试对比数据[24]，在稳定工况下，SEMS技术的NOx与PN传感器测量结果和实验室尾气污染物测试系统测试的NOx与PN排放量结果较为一致。结果表明，在台架研究阶段，排除动态影响的稳定工况下，SEMS技术的NOx与PN传感器具备良好的测量准确性，可以进一步实际应用研究。因此，SEMS系统可靠性和稳定性验证，从SEMS设备与PEMS测试结果的一致性、SEMS设备与排放台架测试结果相关性、不同驾驶状态SEMS设备实际道路RDE测试的可靠性3个方面开展对比试验，试验计划如表2所示。对比试验的目标：在特定工况下，实验室对比测试验证SEMS的可靠性；对比测试SEMS与PEMS在不同驾驶状态道路RDE试验中的一致性。充分考虑测试所用循环工况、试验环境温度和驾驶状态等条件。

表2 SEMS对比试验条件Table 2 SEMS comparative analysis experiment plan

3 测试结果分析

3.1 实验室测试结果

在环境温度为23 ℃，采用WLTC循环工况的SEMS系统与PEMS系统对比测试结果如表3所示。从表3可以看出，采用SEMS系统PN测试结果较为理想，与PEMS差异小于15%，二者间差异较小，PN测试具备一定的可靠性，能够满足SEMS系统进一步推广应用的要求。2次试验NOx排放量测试果差异相对较大，其中一次差异接近1倍。这是由于NOx排放量测量会受到尾气中NH3等污染物的影响，SEMS系统NOx模块会识别包括NOx和NH3等含氮组分污染物，导致测试结果与PEMS差异较大。

表3 常温WLTC循环PN与NOx排放量对比测试结果Table 3 Comparison of PN and NOx emission test results of WLTC cycle at room temperature

常温WLTC循环工况对比分析试验的PN排放测试结果分布如图2所示。从图2可以看出，SEMS系统PN和NOx排放测试结果与PEMS测试结果分布趋势基本一致。从累计曲线可以看出，SEMS系统测试的PN排放量在高峰值区域高于PEMS系统，但在其他区域低于PEMS系统测试结果。PN瞬时排放浓度趋势与PEMS较一致，差异主要发生在 Phase3 阶段（1 360 s，80 km/h），此处 SEMS系统PN瞬时排放浓度小于PEMS测量结果的50%，导致总WLTC循环工况对比试验结果有所差异。Phase1和Phase2阶段SEMS系统与PEMS系统PN瞬时排放浓度和PN累计排放量测试结果基本一致。

图2 常温WLTC循环PN测试曲线Fig.2 PN test curve of normal temperature WLTC cycle

常温WLTC循环工况对比分析试验的NOx排放测试结果分布如图3所示。从图3可以看出，在WLTC标准循环工况下，SEMS系统NOx测量结果与PEMS在Phase3和Phase4阶段较为一致，在Phase1和Phase2产生较大差异，在Phase1和Phase2阶段SEMS系统对于NOx瞬时浓度测量值更高，这主要是由于NH3等含氮污染物排放造成的。试验过程中不同阶段NH3等排放差异较大，主要集中在前2个阶段，NH3等其他含氮污染物影响到最终NOx排放量测量值。

图3 常温WLTC循环NOx测试曲线Fig.3 NOx test curve of normal temperature WLTC cycle

在环境温度为23 ℃，采用WLTC循环工况的SEMS系统与实验室台架对比测试结果如表4所示。该试验与上述PEMS对比试验为同一组试验。SEMS系统PN、NOx排放量测试结果与排放台架及PEMS系统测试结果的差异基本一致。PN排放量差异比例小于15%，PM排放量差异在30%以内。NOx排放量差异为30%～100%。

表4 常温WLTC循环SEMS系统与CVS_AVL台架试验结果对比Table 4 Comparison of CVS_AVL bench and SEMS test results of WLTC cycle at room temperature

3.2 实际道路RDE测试结果

在环境温度为5 ℃时，开展实际道路RDE测试试验，对比不同驾驶状态下，Horiba的PEMS系统和SEMS系统的PN、NOx排放量测试结果。不同驾驶状态城市道路和总体RDE测试结果如表5所示。正常驾驶的PN测试结果较为理想，与PEMS系统测试结果差异为15%～30%。激烈驾驶试验，城市道路行驶PN排放量测试结果相差较大，超过了110%，原因可能是外接采样管的晃动导致排气气流扰动。对比发现，SEMS和PEMS系统与实际道路排放测试的NOx排放量相差较大，该现象与实验室台架试验对比测试结果表现较为一致。NOx排放量测试结果差异较大的原因可能是，NOx排放量测试受到NH3等含氮污染物影响，与实验室对比结果类似，差异在150%左右。激烈驾驶状态NOx排放量测试结果差异最高达到369%。SEMS系统NOx模块识别含氮化合物包括NOx与NH3等含氮污染物。激烈驾驶情况，造成非NOx的含氮污染物增加，导致SEMS测试结果与PEMS产生差异较大，但是二者NOx测试结果的趋势较为一致。

表5 RDE试验PEMS和SEMS对比结果Table 5 PEMS and SEMS comparison results of RDE experiments

3.3 对比测试分析

对比分析实验室测试与实际道路测试，SEMS系统PN测试结果与台架测试和PEMS测试结果均较为一致，趋势基本相同，SEMS系统可用于测试相关PN排放。SEMS系统测试NOx排放量结果相差较大，但测试过程中NOx排放量分布和累计分布趋势较为一致，可以用于相关高排放NOx车辆识别。本研究结论与Durbin等[18]关于SEMS系统应用于重型车道路行驶监管和维修项目的研究结果较为一致，监管机构可利用SEMS技术识别高排放车辆以及车辆排放控制技术在实际行驶过程中存在的问题。SEMS测试结果与现行国家有关标准要求的测试方法的测试结果仍有一定差异，特别是实际道路测试，无法直接应用于监管执法。SEMS系统应用于监管执法还需要配套相应的测试规范与判别标准，并对相关测试设备开展计量认证。