摘 要

为落实机动车节能减排，《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》对整车实际道路行驶期间的排放测试提出规定，要求使用PEMS不间断采集4-7倍WHTC循环功的整车排放相关数据，并且不同路况占比的偏差处于显然，整车实际道路形式数据的长度以及不同路况占比的浮动，将直接影响整车NO_X排放的评价结果。

论文以某辆邮政车为研究对象，按照《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》附录K的要求，利用AVL PEMS对其排放进行测量，分析了数据样本长度变化、路况占比浮动对邮政车实际道路行驶期间NO_X排放评价结果的影响。由于邮政车归属于城市车辆，因此不需要进行高速公路试验。

研究发现，当道路时间分配比例为标准路况时，从累计功为约4倍WHTC循环功到累计功为约6倍WHTC循环功范围内，数据中的有效窗口的数量和数据长度呈现正相关。但是功基窗口比排放均值却是相反的趋势，随着数据长度的增大，平均比排放逐步减小，最大值和最小值之差可达到480.5mg/kWh。当市区路况占比35%，市郊路况占比65%时，功基窗口NO_X比排放均值最高，为1621.9mg/kWh。而市区路况占比25%，市郊路况占比75%时，功基窗口NOx比排放均值最低，为1184.2 mg/kWh。在法规允许的比例偏差下，市区路的比例越高，高排放点越多，最终求得的有效功基窗口比排放均值越高，按法规计算低于排放限值有效窗口的比例越低。

关键词：整车道路试验；便携式排放测量系统；功基窗口法

Abstract

In order to implement the energy-saving and emission reduction of motor vehicles, the “Limits and Measurement Methods for Pollutant Emissions of Heavy-Duty Diesel Vehicles (China Stage 6)” provides for the emission test during the actual road driving of the vehicle. It is required to continuously collect vehicle emissions data up to 4-7 times the WHTC cycle work and its deviation of the road composition ratio does not exceed ±5% relative to the standard. Obviously, different length of vehicle datas and the proportion of road conditions will directly affect the evaluation results of vehicle NO_X emissions.

The paper takes a postal vehicle as the research object and uses AVL PEMS to measure its emissions according to the requirements of Appendix K of the “Limited Emission Limits and Measurement Methods for Heavy Duty Diesel Vehicles (China Stage 6)” and analyzes the influence of the length of the data sample and the fluctuation of the road condition on the NO_X emission evaluation results during the actual road driving of the postal vehicle. Since the postal car belongs to city vehicles, the research doesn’t conduct highway.

The study found that when the road time distribution ratio is the standard road condition, the number of effective windows in the data is positively correlated with the data length from the cumulative work of about 4 times the WHTC cycle work to the cumulative work of about 6 times the WHTC cycle work. However, the work-base window is opposite to the mean value of emissions. As the data length increases, the average specific emissions gradually decrease, and the difference between the maximum and minimum values can reach 480.5 mg/kWh. When the urban road conditions accounted for 35% and the suburban road conditions accounted for 65%, the NO_X ratio of the work-based window was the highest, which was 1621.9mg/kWh, while the urban road conditions accounted for 25%, and the suburban road conditions accounted for 75%. The base window NOx ratio has the lowest average value of 1184.2 mg/kWh. Under the proportional deviation allowed by the regulations, the higher the proportion of urban roads and the higher the number of high emission points, the higher the effective work-base window is. At the same time, the higher the proportion of valid windows below the emission limit calculated by regulations.

Key Words：Vehicle road test；Portable Emission Measurement System (PEMS) ；Work-based window method

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 排放法规 1

1.3 课题研究意义 2

1.4 研究现状 3

1.4.1 国外研究现状分析 3

1.4.2 国内研究现状 3

1.5 研究内容和路线 4

1.6 本章小结 5

第2章 整车道路试验排放测试方法 6

2.1 试验对象 6

2.2 试验设备 6

2.3 试验方案 7

2.3.1 整车实际道路试验基本要求 7

2.3.2 试验基本流程 7

2.4 本章小结 8

第3章 试验结果与分析 9

3.1 数据预处理 9

3.1.1 参数对齐 9

3.1.2 温湿修正 9

3.2 NO_X瞬时排放计算 9

3.3 功基窗口比排放 10

3.4 有效功基窗口比排放均值影响因素分析。 11

3.4.1 数据长度对有效功基窗口NO_X比排放均值的影响。 12

3.4.2 道路组成比例对有效功基窗口NO_X比排放均值的影响。 12

3.5 本章小结 13

第4章 总结和展望 14

4.1 总结 14

4.2 展望 14

参考文献 15

致 谢 17

第1章 绪论

1.1 研究背景

随着经济的快速发展，我国汽车保有量持续增加。根据2018年机动车环境管理年报，我国已经连续九年成为世界机动车产销第一大国，2017年汽车保有量达到2.17亿辆，同比增长11.8%。预计到2020年, 我国柴油轿车的保有量占比可能达到汽车保有量的30%^[1]。

汽车产业是中国重要的支柱产业之一。近年来，它的不断发展带来了严重的环境破坏，影响我国的大气质量和国民生活水平。因为在汽车使用过程中，排放出大量的污染物，造成了严重的大气污染。这些污染物主要包括: 二氧化碳CO₂、一氧化碳CO、碳氢化合物THC、,氮氧化物NO_X、颗粒物(PM、PN)等。由于柴油机具有较高的热效率、较强的动力性和较好的可靠性,在被广泛应用的同时也带来了相应的负面影响，其中最主要的是氮氧化物（NO_X）排放。根据环境保护部门的统计，柴油车保有量仅占汽车保有量的 9.4%，但柴油车NO_X排放量占汽车排放总量的90％以上^[1]。

NO具有强烈的腐蚀性以及毒性，在到达一定浓度后可以对人体造成严重的危害，破坏人体的神经系统。，更为致命的是，NO对血红素铁的亲和力非常强，在高浓度下会导致高铁血红蛋白血症。同时NO_X在紫外线的照射下，会产生光化学烟雾，危害动植物和建筑材料，影响道路能见度^[2]。而NO在空气中容易与氧气发生氧化反应生成NO₂。空气中NO₂通过气相反应而形成硝酸，硝酸在大气中淤积易带来酸雨，对环境造成更进一步的危害^[4]。氮氧化物生成的关键因素是缸内的燃烧温度、氧气含量和燃烧持续时间。一般而言，采用加装SCR后处理系统的技术来降低NO_X排放，将NO_X转化为氮气，减少造成的污染^[3]。在各个国家地区最新发布的排放法规中，都对NO_X的排放提出了更严格的要求。

我国型式认证试验中采用的是欧洲的测试循环。鉴于欧洲路况和我国真实路况的差异，在实际行驶过程中，柴油车的排放，尤其是氮氧化物排放远远超出实验室中的测量值。于是在最新出台的中国第六阶段法规中，提出要在标准循环之外，还需要利用PEMS测量实际道路排放。

1.2 排放法规

为了控制日益严重的机动车排放，美国、欧洲和日本等相继出台了机动车排放法规。而全球范围内的国家大多数使用欧洲法规，一部分国家使用美国法规，而日本法规的应用范围相对较小，在其他国家基本没有应用。

欧洲从1992年开始提出重型柴油车污染物排放控制要求。到2013年1月，开始实施的欧Ⅵ法规，NO_X排放限值已经只有500mg/kWh，领先于我国法规的发展。同时新增了RDE排放测试循环。

中国重型柴油车排放法规从前以欧洲法规为基准，到中国第五阶段排放法规为止，限值方面和测试程序方面与欧洲相同，只是实施时间较为滞后。

2013年9月17日,环境保护部发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》（中国第五阶段）。相比中国第四阶段排放标准，轻型车氮氧化物排放限值降低25%，重型车氮氧化物排放限值降低43%。中国第五阶段的排放法规相比于第四阶段，在氮氧化物（NO_X）、碳氢化合物和氮氧化物（HC 、NO_X）总和、颗粒物浓度（PM）的标准限值方面更加严格，此外中国第五阶段还加入了颗粒物粒子数量（PN）和除甲烷以外的碳氢化合物(NMHC)的标准^[5]。从第五阶段法规开始，中国法规的实施时间已经赶上欧洲标准。

2018年６月22日，生态环境部发布了《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》。与第五阶段法规相比，法规新增了卡车柴油机和天然气机的排气气态污染物、颗粒污染物的含量限值。同时，曾经的排放法规主要基于实验室工况，但是在检测中发现真实道路工况更为复杂，如车辆状态（发动机状况、车辆已行驶里程），环境条件（大气温度，相对湿度）和当前路况（交通灯的多少，路面质量和当前时段车流量）都会对最终的结果产生影响。因为我国型式认证试验中采用的是欧洲的测试循环，鉴于欧洲路况和我国真实路况的差异，第六阶段法规提出在排放认证型式试验之外，还要增加利用PEMS测量真实道路排放的实际试验。其中附录K介绍了重型车实际道路行驶污染物排放的测量方法和要求。试验流程以及测试工况在欧洲法规基础上有所修改^[6]。

1.3 课题研究意义

因为在法规中整车车载法试验工况的选取本身具有一定的范围，其势必会影响最终的到的测量结果。本文研究是国内对于重型柴油车整车实际道路试验测试程序中影响NO_X排放不确定性因素的进行的研究，为中国更高阶段的重型汽车排放标准的制定提供数据支持，加强对重型柴油车车排放的管理力度。为今后的试验流程更加具体化和规划化提供参考。

1.4 研究现状

1.4.1 国外研究现状分析

Jacek Pielecha, Jerzy Merkisz 等人利用PEMS测量了 1 辆满足 Euro5 排放标准的汽油-天然气双燃料车。比较它在季节、里程以及燃料不同的情况下的实际道路排放。试验使用SENSORS公司生产的Semtech DS型分析仪测量NO_X排放。结果发现：无论什么季节，当试验车使用CNG 燃料时，NO_X排放增加约 50%。当车辆行驶里程为 500000km 时，使用 CNG 燃料时NO_X排放超限值，为限值的 5.85倍；使用汽油燃料时， NOx排放超限为限值的 5.16倍 ^[7]。

Taewoo Lee，Junhong Park 等人将轻型柴油车试验室NEDC循环的NO_X排放和道路试验中的排放量进行对比。经过12辆轻型柴油车的数据对比，发现试验车辆在实际道路试验中NO_X排放比试验室NEDC循环排放高出约8倍。同时车辆在市区路行驶时，NO_X远远超过欧Ⅴ的法规限值，达到了8倍^[8]。

Barouch Giechaskiela、Michael Clairottea和Victor Valverde-Morales等基于PEMS测量原理，对决定PEMS测量不确定性的因素进行了系统的回顾和修正，建立了PEMS测试的不确定性因素的具体框架。该框架主要从排气流量计、气体分析仪的精度和线性度以及零点漂移的方向收集数据，通过误差传播原则进行计算，得出分析仪零点漂移是整体PEMS测量不确定度的主要组成部分的结果^[9]。

Pablo Mendoza-Villafuerte、Ricardo Suarez-Bertoa 和Barouch Giechaskiel等研究基于PEMS的真实道路试验下的NO_X排放。他们发现采用基于欧盟第六阶段排放法规的边界条件下，在进行试验期间测量的氮氧化物排放量可能比预测的高出6-7倍，主要集中在城市交通道路阶段，大部分的氮氧化物排放都发生在会导致更频繁的停止/启动事件的环境中驾驶。 冷启动相比于热启动的排放量更高^[10]。

1.4.2 国内研究现状

张岳秋、李梁、刘子健等针对重型车依据DB11/965－2013标准，通过建立PEMS测量过程的数学模型，计算模型中各个参数带来的不确定度，如排气的瞬时质量流量测量、发动机转速和扭矩测量、污染物瞬时浓度测量、试验路况、车辆状况等因素对于最终结果的影响。最终得到了最大不确定度为5.02%。其中最大的不确定性因素来源于车辆试验时的总循环功。同时，试验得出车辆保养状况、排放分析系统的标定和流量计的维护对排放测试结果有影响^[11]。

万霞、黄文伟、高谋荣等在深圳实际道路条件下，选取2台满足中国第四阶段排放标准的柴油车进行整车实际道路试验（PEMS）。研究表明，在不同的速度、加速度比例下，NO_X排放有很大的差异。在低速阶段，加速度越高，排放因子越大。在高速下，虽然NO_X排放质量迅速提高，但是高速装快下的加速频率和幅值比例低。因此，在低速路段NO_X的平均排放因子远远大于高速路段^[12]。

余思绮、吕林、祝能,研究了样本量，道路顺序和道路组成比例对于PEMS测量结果的关系。他们选取两辆N3重型柴油车进行道路排放测试，通过功基窗口法计算得到各个工况下NO_X比排放。发现，随着样本量的变化，试验结果存在波动。在各种道路顺下，市郊路-市区路-高速路的比排放结果最高，市郊路-高速路-市区路的比排放结果最低。最后，标准路况N3车辆应包括20%的市区路、 25%的市郊路和55%的高速路。在允许的±5％偏差下，高速路占50%，市区路占25%时，比排放最高，高速路况占比60％ 市区市郊分别占20%时最低^[13]。

葛蕴珊、王爱娟、王猛等人测试了6辆重型城市公交车的实际道路排放，分析了当车内空调打开和关闭情况下，对于最终排放结果的影响。由试验结果可知，在开启空调时，公交车的NO_X排放显著增加，车辆用电会影响排放结果^[14]。

倪红，赵伟，刘乐，等通过海拔环境模拟舱分别模拟出0、1520和3030m海拔下的环境，来测试一辆汽油车在不同海拔下的排放和油耗。根据试验结果，因为海拔升高导致的空气密度降低，汽车行驶阻力降低，汽车的油耗减小；但是因为汽车排气温度降低以及冷启动时的排放恶化。在海拔3030m环境下，总的NO_X排放相比于海拔0m环境增加了29.7%^[15]

1.5 研究内容和路线

本文以重型柴油车为研究对象，利用车载排放测试设备 PEMS 测量重型汽车实际道路排放。目前国内关于重型柴油车实际道路排放的测量采用中国第六阶段排放法规的测试方法。通过对《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》提出的整车实际道路试验中的测试工况和数据处理方法的学习，对使用PEMS测得的重型柴油车在法规允许下的不同数据长度和道路组成比例的实际排放数据进行数据处理，并分析影响NO_X的原因。具体研究流程如下：

（1）学习整车实际道路试验试验基本要求和计算方法。当前我国提出的重型汽车 整车实际道路试验（PEMS） 测试方法中规定了试验的基本要求，包括测试时长、各个路况的时间比例、停车时间以及试验车辆及驾驶员要求等等。同时法规中要求使用功基窗口法来评定试验的有效性和是否达标