基于PEMS与CVS的重型车污染物排放对比研究

张 超，郭冬冬，王雪峰，高忠明，于全顺，钟祥麟

基于PEMS与CVS的重型车污染物排放对比研究

张 超1，郭冬冬2，王雪峰1，高忠明1，于全顺1，钟祥麟1

（1.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300；2.北京市机动车排放管理事务中心，北京 100000）

为保证在重型柴油车实际道路中排放测试结果的准确性，文章基于底盘测试法，将便携式车载排放测试系统（PEMS）与全流稀释定容取样（CVS）系统串联进行同步排放测试，对比分析车载测试设备与CVS测试结果的差异性。研究表明：由于CVS系统是全流稀释采样测试，稀释空气与采样气体的混合会对中国重型商用车瞬态工况瞬变工况（C-WTVC）的排放波动产生混合平均效应，从而一定程度上会影响CVS排放测试数据与PEMS测试数据的相关性结果。通过设计恒定车速稳定工况试验，可以在一定程度上消除CVS的稀释效应影响，验证了PEMS测试结果和CVS系统测试结果有比较好的相关性。

重型柴油车；车载测试设备；全流稀释定容取样系统；污染物排放

随着越来越严苛的汽车排放法规的发布实施，机动车排放控制技术也在不断更新，汽车的污染物排放得到了有效的控制[1-2]。与传统的车辆排放测试相比，以便携式车载排放测试系统（Por- table Emission Measurement System, PEMS）为代表的新型测试技术具有精确性、便携性、防震性、恶劣环境下适应性和可操作性强等特点，也更能反映车辆在实际行驶中的排放情况，当前已成为车辆排放物监测中所推崇的高效测试方式。便携式车载测试设备与全流稀释定容取样（Constant Volume Sampling, CVS）设备的差异的对比研究甚少。王燕军等[3]通过便携式车载排放测试系统和整车底盘测功机对重型柴车进行对比试验研究，发现PEMS方法与重型车整车底盘测功机方法的测量结果相关性较好，对于排放浓度较低的HC和CO，二者排放因子的误差大致在20%左右；对于浓度较高的NOX和CO2，二者排放因子的误差不超过10%。对颗粒物排放因子的测量结果相差较大，甚至超过了50%。杨国栋[4]研究了便携式车载排放测试系统测量的影响因素，通过与CVS系统串联比对，发现车载测试设备的满量程测量精度将导致较大的测量误差。郭勇等[5]基于带环境仓的底盘测功机，采用4种PEMS设备对同一车辆进行排放检测，研究不同环境条件下，各PEMS设备对CO2、CO、NOX、PN污染物排放测试重复性。武鑫等[6]研究了PEMS测试设备在底盘测功机上的精度，发现PEMS与CVS的测量结果中CO的偏差较大。综合以上研究，本文基于底盘测试法，将PEMS与CVS系统进行串联进行同步排放测试，将车辆按照中国重型商用车瞬态工况测试工况（China World Transient Vehicle Cycle, C-WT- VC）与特定的恒速稳态实验运行，同步开始采集排气污染物，比对以上两种排放测试系统的污染物排放情况，查找异同以确保数据的准确性和有效性。该研究对PEMS设备在中国第六阶段排放测试中的应用具有重要的借鉴意义。

1 实验设备及方案

1.1 试验车辆与试验设备

本文所用车载排放测试系统与全流稀释采样分析系统均为日本 HORIBA公司生产的OBS- ONE系列产品，主试验设备和试验车辆如图1所示。试验设备基本信息见表1；车辆及发动机基本信息如表2和表3所示；试验室环境条件如表4所示。

表1 PEMS设备测试原理及基本信息

项目基本信息 测试组份COCO2NOXPN 测量原理加热型NDIR加热型NDIR加热型CLD方法CPC 量程0～10%0～20%0～3 000 ppm0～5×107#/cm3

表2 车辆基本信息

车辆类型N2（非城市车辆） 车辆总质量/kg4 495 整车整备质量/kg3 550 外形尺寸/mm5 995×2 400×3 330 后处理型式DOC+DPF+SCR+ASC

表3 发动机基本信息

参数名称参数值 最大净功率/转速/kW/(r·min−1)110/2 800 最大扭矩/转速/(N·m)/(r·min−1)375/1 280～2 800 燃油类型柴油 排量/L2.999 WTHC循环功/kW8.68 最大净功率/转速/kW/(r·min−1)110/2 800

表4 试验环境条件

试验项环境温度/℃环境湿度/%大气压力/kPa C-WTVC27.233.3101.1 恒速稳态试验26.434.5100.9

1.2 试验方法

1）试验之前首先将设备充分预热，大约40分钟，等设备工作稳定后，用混合气和零气对设备进行标定；

2）试验车辆在转股上的负荷比例按满载（4 495 kg）调整；

3）试验前车辆在80～100 km/h条件下在转鼓运行进行车辆预热处理，约30分钟；

4）热车条件下，开展稳态（20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h）试验，按车速从高到低，再从低到高的试验顺序，完成试验，每一车速工况点稳定8分钟，试验连续数据采样，工况切换阶段造成的瞬态波动数据不参与数据分析；

5）热车条件下，开展C-WTVC试验循环瞬态试验，对比研究CVS排放设备与PEMS试验设备的测试结果；

6）稳态试验和瞬态试验过程中，利用PEMS测试设备和CVS排放测试设备同步进行排放测试，测试排放物包括NOX、CO、CO2、PN，以及利用PEMS设备通过车辆诊断口同步读取发动机数据，所读取数据主要包括发动机转速、实际输出扭矩百分比、摩擦扭矩百分比、参考扭矩、燃油消耗量、车速等；

7）PEMS设备试验完成之后，同样需通混合气和零气对设备进行漂移检查，检查结果应小于满量程的2%，否则试验无效或对实验数据进行修正。

2 试验结果与分析

2.1 瞬态结果分析

2.1.1CO2瞬态排放比较

测试样车在运行C-WTVC工况循环状态下，0－900 s工况对应为城市工况循环；901－1 368 s对应为郊区工况循环；1 369－1 800 s对应为高速工况循环。PEMS与CVS测试系统连续采样的各种排放污染物瞬态质量比对结果如图2、图3所示，总体上PEMS较CVS所测得的CO2的瞬时排放量的差异性较小，总体差异性小于10%，其中0－1 300 s区间内二者的CO2的瞬时排放结果一致性较好，但1 300－1 800 s区间（高速工况）内一致性稍差。

图2 C-WTVC循环CO2瞬态排放

图3 CVS与PEMS的CO2数据相关性

2.1.2NOX瞬态排放比较

NOX瞬时排放的结果如图4、图5所示，PEMS 与CVS分别所测得的NOX的瞬时排放量的一致性较好，整个循环工况下二者总体的差异性小于15%，其中在0－300 s，900－1 800 s区间内二者结果吻合情况较好，但300－900 s区间内略差，这主要是因为300－900 s时间内车速变化幅度较大，NOX的排放主要来源于加速工况，加减速时排气浓度不均，而PEMS为直接采样，受采样位置的影响较大，采样点的样气未必能够真实有效地代表实际排放的尾气浓度，全流稀释定容取样系统属于稀释采样，采样测量的污染物浓度更具有代表性。

图4 C-WTVC循环NOX瞬态排放

图5 CVS与PEMS的NOX数据相关性

2.1.3PN瞬态排放比较

相比于上述分析的PEMS较CVS所测得CO2、NOX的瞬时排放量的差异性，如图6、图7所示，二者对于PN的瞬时排放量的差异性略大，整个循环工况下二者的差异性小于25%。

从图2－图7的CO2、NOX和PN瞬态排放对比来看，排放变化趋势吻合较好。但由于CVS系统是全流稀释采样测试，稀释空气的混合会对C-WTVC瞬变工况的排放波动产生混合平均效应，从而一定程度上会影响CVS排放测试数据与PEMS测试数据的相关性结果。

图6 C-WTVC循环PN瞬态排放

图7 CVS与PEMS的PN数据相关性

2.1.4C-WTVC循环累积排放量分析

表5为C-WTVC循环的平均排放对比，PEMS相比CVS对于三种排放物的平均排放情况各异。与前面结果分析一致，PEMS与CVS在NOX的平均排放方面数值接近，为2.79%；在CO2的平均排放方面PEMS相比CVS差值略大，为7.8%；在PN的平均排放方面PEMS相比CVS差值较大，为13.04%。

表5 C-WTVC循环平均排放

设备NOX/(mg/kWh)CO2/(g/kWh)PN/(#/kWh) CVS平均188.15657.871.42E+10 PEMS平均182.91709.181.23E+10 PEMS相比CVS偏差-2.79%7.80%-13.04%

注：C-WTVC循环总功10.88 kWh。

2.2 稳态试验结果分析

2.2.1CO2稳态排放比较

测试样车在运行恒速稳态（20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h）试验状态下，PEMS与CVS测试系统连续采样的各种排放污染物质量比对如图8、图9所示，低速工况下PEMS较CVS所测得的CO2的同步排放量的差异很小，随着恒速不断变换增加，PEMS较CVS所测得的CO2的同步排放量的差异不断增大，从总体上讲，二者对于CO2的差异结果比较理想。

图8 稳态循环CO2排放

图9 CVS与PEMS的CO2数据相关性

2.2.2NOX稳态排放比较

对于恒速稳态（20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h）试验状态下，NOX实时排放的结果来看，如图10、图11所示，在最开始的两个工况点（100 km/h、80 km/h）期间，车辆发生了周期性再生，造成NOX排放急剧升高，在试验车速工况点回归后，继续重复了80 km/h的工况点，进而保证获得相对准确的数据。总体上讲，PEMS较CVS所测得的NOX的同步排放量的差异很小。

图10 稳态循环NOX排放

图11 CVS与PEMS的NOX数据相关性

2.2.3PN稳态排放比较

恒车速稳态工况试验时，在最开始的两个工况点（100 km/h、80 km/h）期间，车辆发生了周期性再生，造成PN-PEMS测试的PN浓度超过了设备测试量程（图12），此处不再做重复赘述。相比于上述分析的PEMS较CVS所测得CO2、NOX的稳态排放量的差异性，二者对于PN的稳态排放量的差异性大一些，整个稳态工况下二者的差异性小于18%。

图12 稳态循环PN排放

图13 CVS与PEMS的PN数据相关性

通过设计恒定车速稳定工况试验，可以一定程度上消除CVS的稀释效应影响，稳态工况的数据相关性远优于C-WTVC试验，这主要是因为车辆在恒速工况运行过程中，车辆排气的均匀性能够得到保证，排气流量也相对处于稳定状体，避免排放尾气不均匀所带来的测量差异。稳态试验验证了PEMS测试结果和CVS系统测试结果有较好的相关性。

3 结论

本试验以一辆柴油燃料重型整车为研究对象，将PEMS与CVS系统进行串联进行同步排放测试，在热车条件下，分别开展C-WTVC试验循环瞬态试验与恒车速稳态工况（20 km/h、40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h）试验，得出如下结论。

从每次测得的CO2、NOX和PN实时排放对比来看，PEMS与CVS所测得的CO2的排放量的差异性最小，其次是NOX，而PN排放量最大。

由于CVS系统是全流稀释采样测试，因此稀释空气的混合会对C-WTVC瞬变工况的排放波动产生混合平均效应，造成一定误差，PEMS测试设备的量程精度，在一定程度上会影响CVS排放测试数据与PEMS测试数据的相关性结果。

通过设计恒定车速稳定工况试验，可以一定程度上消除CVS的稀释效应影响，稳态工况的数据相关性远优于C-WTVC试验，因此验证了PEMS测试结果和CVS系统测试结果有非常好的相关性。

[1] 付明亮,葛蕴珊,谭建伟.车载排放测试技术在我国的应用研究[C]//中国内燃机学会燃烧节能净化分会2011年学术年会.天津:中国内燃机学会燃烧节能净化分会,2011:1-5.

[2] WU Y,ZHANG S J,HAO J M.On-road Vehicle Emis- sions and Their Control in China:A Review and Outlook[J].Science of the Total Environment,2017,574:332- 349.

[3] 王燕军,吉喆,尹航,等.重型柴油车污染物排放因子测量的影响因素[J].环境科学研究,2014,27(3):232- 238.

[4] 杨国栋.车载排放测试系统测量影响因素研究[J].汽车与配件,2017(23):79-81.

[5] 郭勇,高东志.不同环境条件下PEMS设备重复性试验研究[J].环境科学与技术,2019,42(S1):111-116.

[6] 武鑫,邓蛟,钱超,等.PEMS在底盘测功机上的测量精度研究[J].小型内燃机与车辆技术,2022,51(3):64-67.

Comparative Study on Pollutant Emissions from Heavy Vehicles Based on PEMS and CVS

ZHANG Chao1, GUO Dongdong2, WANG Xuefeng1, GAO Zhongming1,YU Quanshun1, ZHONG Xianglin1

( 1.China Automotive Inspection Center (Tianjin) Company Limited, Tianjin 300300, China;2.Beijing Motor Vehicle Emission Management Center, Beijing 100000, China )

In order to ensure the accuracy of emission test results on the actual road of heavy-duty diesel vehicles, this article is based on the chassis testing method. A portable in vehicle emission testing system (PEMS) and a full flow dilution constant volume sampling (CVS) system are connected in series for synchronous emission testing, and the differences between in vehicle testing equipment and CVS test results are compared and analyzed. Research has shown that due to the CVS system being a full flow dilution sampling test, the mixing of dilution air and sampling gas will have a mixed average effect on the emission fluctuations of China world transient vehicle cycle (C-WTVC) transient conditions, thereby affecting the correlation between CVS emission test data and PEMS test data to a certain extent. By designing a constant speed stable operating condition test, the dilution effect of CVS can be eliminated to a certain extent, verifying the good correlation between the PEMS test results and the CVS system test results.

Heavy-duty diesel vehicles;Vehicular testing equipment;Full-flow dilution constant volume sampling system; Pollutant emissions

U462

A

1671-7988(2023)18-100-06

张超（1991－），男，硕士，工程师，研究方向为重型车排放，E-mail:zc893344@163.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.020