大型公交車實際行駛排放評價CO2窗口法的設計與應用＊

彭美春 廖清睿 謝煥寧

（廣東工業大學，廣州 510006）

主題詞：液化天然氣公交車 實際行駛排放 車載測試 CO2窗口法

1 前言

不斷出臺的汽車排放標準旨在控制車輛污染物排放，但一些車輛實際行駛排放（Reality Driving Emission，RDE）控制效果并不理想。G.Velders 等學者[1]報道，隨著排放標準加嚴，荷蘭一些載貨汽車實際行駛NOx排放水平甚至不降反升。部分學者[2-3]發現一些重型車輛排放法規標準測試工況與車輛實際運行發動機工況符合度不高，法規工況外的污染物排放未得到有效控制。

GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》與HJ 857—2017《重型柴油車、氣體燃料車排氣污染物車載測量方法及技術要求》中規定的RDE 車載排放評價方法均為功基窗口法，即以發動機歐洲瞬態循環（European Transient Cycle，ETC）等法規工況循環功作為基準將RDE車載測試獲得的連續數據劃分出一系列窗口，取各窗口內的累計排放值與法規工況循環功之比得到比排放值，需要通過車載自診斷（On Board Diagnostics，OBD）接口等采集發動機轉速、扭矩等瞬時數據以計算發動機功。研究發現，一些車型OBD 難以通訊，導致基于功基窗口法的RDE 測試評價無法進行。以發動機法規工況循環下的CO2排放總質量作為劃分窗口的基準，以窗口內各污染物排放總質量與法規工況循環CO2排放總質量的比值作為比排放值的方法稱為CO2窗口法。該方法為不便于實時采集發動機運行轉速與扭矩數據的車輛提供了一種可行的RDE評價方法。北京理工大學郭佳棟[4]報道過基于CO2窗口的公交車實際道路排放測試分析結果。目前，CO2窗口法研究成果尚少，如評價方法的設計、與功基窗口法評價結果的一致性等。

本文參考HJ 857—2017 的車載測量方法及技術要求[5]，推導基于CO2窗口的RDE測試數據處理公式，提出排放限值制定方法，與功基窗口法的評價結果進行比較分析，以驗證所設計的CO2窗口評價方法的適用性。

2 測試方案

2.1 測試車輛與測試線路

選取在廣州運營數量較多的某品牌大型液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）公交車作為測試車輛，開展實際道路排放測試。該試驗樣車的主要技術參數如表1所示，試驗燃料為市售LNG。

表1 試驗樣車主要技術參數

HJ 857—2017對城市車輛的RDE 車載測試線路選擇規定如下：市區路段要求車速為0～50 km/h，平均車速為15～30 km/h，市郊路段要求車速超過55 km/h，但不超過75 km/h，平均車速為45～70 km/h。本研究選擇的測試線路如圖1所示：市區測試路段為廣州小谷圍島內的某公交線路，該測試線路交通流量較為穩定，單次往返運行約10.22 km；市郊路段為自小谷圍島至南沙港快速路與廣明高速公路交匯處的一段快速線路，單次往返運行約25.96 km。測試過程中，測試車輛除遇紅燈、收費站與公交車站停車怠速運行外，其他時段均保持連續行駛。實際測試的市區路段車速范圍為0～43.03 km/h，市郊路段最高車速為62.16 km/h，符合標準要求。

圖1 測試線路

為了模擬公交車在實際運營中載客的情形，利用沙袋作為配重，并將其均勻布置于車廂內。沙袋、測試設備以及測試人員的總質量約為該測試車輛額定載質量的55%，滿足HJ 857—2017中關于裝載質量的要求。測試過程中，具有實際線路運營經驗的公交車駕駛員按照實際運營情況駕駛測試車輛沿著既定路線行駛，遇公交站點時停車怠速運行并開啟車門，但不上、下客，停靠時間約為10 s。同時，為了模擬實際運營的用車環境，測試時開啟空調，并保持發動機不熄火。實際測試時的平均氣溫為30.03 ℃，平均大氣壓力為100.832 Pa，平均相對濕度為49.21%。

2.2 測試儀器及布置情況

使用美國Sensors 公司的SEMTECH-DS 便攜式排放測試系統（Portable Emission Measurement System，PEMS）的氣體分析儀對車輛排放的氣態污染物進行測量，設備主要規格參數如表2所示。

表2 SEMTECH-DS規格參數

測量方法符合RDE測試要求。儀器自帶的GPS模塊用以逐秒記錄地理位置與車速信息，采用SEMTECH-EFM 流量計測量排氣流量。測試前對儀器的分析模塊進行調零校正，以保證精確度。測試設備的布置與安裝如圖2所示。

圖2 測試設備安裝連接及信號流向示意

3 CO2窗口法設計

移動平均窗口法將道路試驗瞬時數據分為若干個數據子集，形成相應窗口，用統計數據處理方法識別有效的RDE 窗口并基于各窗口排放量計算總行程排放量。

3.1 窗口大小設計

對于城市公交車RDE 車載測試數據，按照窗口平均速度可分為市區窗口和市郊窗口2 種類型。車載測試設備在發動機第1次起動前開始記錄數據，整個試驗過程中不間斷記錄各污染物濃度、排氣流量、車速、環境條件等數據，采樣頻率為1 Hz。

CO2窗口法的窗口大小基于發動機臺架測試ETC或其他瞬態測試循環下的CO2排放量確定：

式中，Mt2,i(CO2)、Mt1,i(CO2)分別為從RDE 測試開始到第i個窗口的結束時間、開始時間之間的CO2累計排放量；Mref(CO2)為發動機在ETC 或其他瞬態測試循環中CO2累計排放量。

第i個窗口結束時刻t2,i的確定原則為：

式中，Mt2-Δt,i(CO2)為從RDE 測試開始到t2,i的前Δt時刻的CO2累計排放量；Δt≤1 s 為數據采樣時間間隔，本文取Δt=1 s。

本研究以車輛ETC 工況的CO2排放總量作為參考值確定窗口大小，以時間為維度，以測試過程每個時刻為始點從前至后劃定每個窗口。

3.2 ETC工況下的CO2排放量估算

LNG 城市公交車輛RDE 測試共獲得8 585 組測試數據，基于測試數據統計出CO2排放速率與對應的發動機功率，如圖3所示，可見兩者有良好的線性關系，線性擬合的可決系數R2=94.72%。擬合得到的CO2排放速率與發動機功率的線性關系式為：

式中，V(CO2)為CO2排放速率；P為瞬時功率。

圖3 CO2排放速率與瞬時功率的關系

根據ETC 工況下的發動機轉速、扭矩數據，計算出每個時刻的發動機功率，利用式（3）計算出每個時刻的CO2排放速率，累加即可估算出該車輛發動機ETC工況的CO2累計排放量。對本文的樣本車輛LNG公交車，基于上述方法估算得出發動機ETC 工況的CO2累計排放量為15.158 kg。

3.3 基于CO2窗口法的污染物比排放計算

每個窗口基于CO2的污染物比排放Mgas(CO2)為：

式中，Mgas(t2,i)、Mgas(t1,i)分別為從RDE測試開始到第i個窗口的結束時間、開始時間之間的某污染物累計排放量。

3.4 有效窗口判定設計

HJ 857—2017規定，窗口內發動機平均功率占發動機最大凈功率的比例一般需大于20%才是有效窗口，RDE 車載測試有效窗口數量與總窗口數量之比應大于50%，試驗才有效。參考標準中的功基窗口法有效窗口的判定方法，設計有效CO2窗口判定方法：將窗口平均CO2排放速率占發動機最大凈功率對應的CO2排放速率的比例定義為窗口平均CO2排放速率百分比；根據式（3）計算得出發動機最大凈功率的20%對應的CO2排放速率百分比為35%；以窗口平均CO2排放速率百分比35%為有效CO2窗口判定始點，如果有效窗口數量與總窗口數量之比小于50%，可將窗口平均CO2排放速率百分比以1%為步長逐步減少，到有效窗口數量與總窗口數量之比不小于50%為止。

3.5 排放限值設計

采取將單位為g/kW·h的功基窗口比排放值轉換成單位為g/kg的CO2窗口法排放值的設計思路與方法，進行CO2窗口法排放限值設計：將CO2窗口平均持續時長與功基窗口平均持續時長的比值與功基窗口內污染物累計排放量相乘的結果作為CO2窗口內的污染物排放量，其與CO2窗口內CO2累積排放量之比即為CO2窗口比排放，單位為g/kg。

基于HJ 857—2017 規定的功基窗口法的排放限值，按照上述方法將其轉換成CO2窗口法的排放限值。計算得出國V 排放標準的重型車輛CO2窗口法在用符合性排放限值為CO 平均比排放6.6 g/kg，NOx平均比排放10.0 g/kg。

4 CO2窗口法應用及與功基窗口法的比較

4.1 功基窗口法比排放評價結果

當以窗口平均功率百分比大于20%作為有效窗口條件時，測試車輛的有效功基窗口數量占比僅為35.1%，無法達到HJ 857—2017的要求。統計可得，本測試數據樣本窗口平均功率百分比下降到16%時，有效功基窗口數量為3 790個，占比57.55%，滿足有效窗口數量要求。

圖4 所示為測試的大型LNG 公交車基于功基窗口法的RDE車載測試評價結果與排放限值。

圖4 功基窗口法評價結果

4.2 CO2窗口法比排放評價結果

對樣本測試車輛RDE車載測試試驗數據處理獲得的6 594個CO2窗口序列進行有效CO2窗口判定，當以窗口平均CO2排放速率百分比大于35%作為有效窗口判定條件時，發現本測試樣本的有效CO2窗口數占比僅為28.31%，未能達到50%以上。統計得出本測試數據樣本窗口平均CO2排放速率百分比下降到29%時，有效CO2窗口數量占比為56.99%。

通過計算得出基于CO2窗口法的CO平均比排放值為0.96 g/kg，低于本研究設計的排放限值，NOx平均比排放值為20.40 g/kg，為限值的2.04倍，THC的平均比排放值為4.68 g/kg。

4.3 兩種窗口法排放評價結果比較

根據3.5 節所述的比排放值單位轉化方法，將以g/kW·h 為單位的功基窗口法的比排放值評價結果轉換為以窗口CO2排放量、g/kg 為單位的比排放值評價結果，以便進行兩種窗口法評價結果的對比分析。

圖5 所示為對測試的LNG 公交車采用兩種窗口法評估車輛排放水平的評價結果。計算得出CO2窗口法CO、NOx、THC 平均比排放值比功基窗口法對應值分別低6.8%、3.4%和6.4%，評價結果偏差均在7%以內。

圖5 兩種窗口法評價結果對比

將兩種窗口法的比排放評價結果分別與對應的窗口法排放限值進行對比可知，兩種窗口法評價結論基本一致，CO 平均比排放均低于限值，約為限值的10%～15%，NOx平均比排放均高于限值，約為排放限值的2～3倍。

以上分析表明，設計的CO2窗口比排放評價方法能夠評價車輛的排放水平，與功基窗口法評價結果一致性較好，因此可認為CO2窗口法適用于對大型公交車輛實際行駛排放水平進行評價，是一種有效的評價方法。

5 結束語

本文設計了一套CO2窗口法比排放評價方法，包括基于ETC工況下的CO2排放總質量劃分窗口大小方法、窗口比排放計算公式、窗口有效性判斷與調整方法，以及基于窗口時長比率將功基窗口法排放限值換算為CO2窗口法排放限值的方法等。

應用設計的CO2窗口法對某大型LNG 公交車車載排放測試數據進行處理，得出CO、THC、NOx3種氣態污染物基于單位CO2排放質量的比排放值結果，與功基窗口法評價結論相近，表明本文提出的CO2窗口法能客觀反映LNG公交車的排放水平。