NOx基于窗口平均值法的高原环境下柴油车 排放研究

陈剑杰 宋国富 李春敏 李加强 何超

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【摘要】采用车载排放测试系统和窗口平均值法研究了柴油机在高原地区运行时氮氧化物( NOx)排放及工作窗口大小对NOx比排放的影响。试验结果表明:高原环境下NOx比排放高于国标要求;取不同大小的工作窗口对NOx比排放结果有影响,窗口越小,则 NOx平均比排放变异系数越大,氮氧化物比排放( bsNOx)值越离散;窗口越大,则 NOx比排放的变异系数越小,但会因此降低试验数据的利用率。 主题词:车载排放测试系统 窗口平均值法 NOx比排放 高原 柴油机U473.9 A 10.19620/j.cnki.1000-3703.20170841中图分类号: 文献标识码: DOI:

Research on NOx Emission of Diesel Vehicles on Plateau Based on AWM

Chen Jianjie1, Song Guofu2, Li Chunmin2, Li Jiaqiang1, He Chao1 1. Southwest Forestry University, Kunming 650224; 2. Yunnan Yunnei Power Group Co., Ltd., Kunming 650224) ( Abstract Portable Emission Measurement System(PEMS) and Average Window Method(AWM) were used to【 】study the effect of NOx emission and working window size on bsNOx of the diesel engine operating in the plateau area. Test results show that, in the plateau environment, the bsNOx is higher than the national standard. The size of the working window affects the NOx emissions, the smaller the window, the higher the average bsNOx variable coefficient is, and the more the bsNOx value becomes discrete. The larger the window, the smaller bsNOx variable coefficient is, but the utilization of experimental data will be reduced.

Key words: PEMS, AWM, bsNOx, Plateau, Diesel vehicles 1 前言

58%

占我国国土面积 的高原地区的生态环境十分脆弱[1- 2],为保护高原生态环境,必须制定适用于高原道路

1 000 m

(海拔 以上)的排放法规和测试方法[3]。其中,对机动车排放因子的估算[4]是机动车污染物扩散规律研究中最基本的问题之一。获取机动车实测排放数据的方法主要有实验室台架模拟试验[5- 6]、隧道实测[7]、路边采样[8],

Portable Emission Measurement

便携式排放测试系统(

System,PEMS)

使用还较少,该系统可实时检测车辆在实际道路上的尾气排放情况,在道路环境复杂的高原路况进行尾气检测时,与其他几种方法相比更具优势。

PEMS

在 用于实际道路车辆排放特性检测后,美国 Not- To- Exceed,NTE)

国家环境保护局采用区域达标(法对不同车辆的在用符合性进行评估[9],而欧盟则使用

Averaging Window Method,AWM)

窗口平均值法( 作为欧洲重型柴油车在用符合性检测方法[10]。

PEMS

本文使用 在以云南为代表的实际高原山地道路开展柴油车高原环境排放特性的研究,并讨论

AWM brake specific emission of

计算氮氧化物比排放(

NOx,bsNOx)

在高原环境下的适应性。

2 试验设备及方法 2.1 试验路线

在试验车辆及发动机不做改动的情况下,利用PEMS

在高原山地道路进行特定车速车载排放试验,试

- 1 650~2 050 m), 100 km,

验路段为昆明 玉溪(海拔 总路程

0.4%( - 2%~1% bsNOx

平均坡度为 道路坡度为 时对 影响

1

较小[11]),如图 所示。试验路段包含市区道路和高速路,可在一定程度上代表柴油车在云南地区的典型行驶工况。

2.2 试验车辆及发动机

YN38CR1

本研究中受试发动机为 型柴油发动机,

3.76 L,

排量为 满足国家第四阶段机动车污染物排放

1

标准,其主要技术指标如表所示。该发动机安装在

3.5 t

满载质量为 的某轻型载货汽车上。

2.3 试验设备

Sensor SEMTECH- ECOSTAR

采用美国 公司 车载气体排放测试仪进行排放测试,它包含排气流量测量模块、排放测量模块和数据采集模块。排气流量测试模块包括耐热软管和采用平均皮托管原理的尾气加热流量管。尾气加热流量管最高采样

500 Hz, 4

频率为 有 个不同量程的压力传感器。排放测量模块主要包含氮氧化物分析仪、燃油经济

Non- Dispersive

性分析仪,它采用非分散红外分析法(

Infra-Red,NDIR) CO CO2

测量 和 含量,采用氢火焰离子

Flame Ionization Detector,FID)

检测器( 测量总碳氢化合

Total Hydro Carbons,THC)

物( 含量,采用非分散紫外分 Non- Dispersive Ultra- Violet analyzer,NDUV)

析法( 测量

NO NO2 O2

和 含量,采用电化学法测量 含量。数据采集模块安装在不锈钢外壳里,并带有数据存

GPS

储功能。其他各模块、大气站、 、发动机电子控制单

ECU)

元( 的信号通过连接线输入其中。该模块还可通

USB RJ45

过 接口和 接口(网线接口)与计算机连接。

2.4 试验方法

2.4.1

平均窗口法简介

NTE

欧盟委员会认为 法并不适用于欧洲车辆,而

AWM NTE

为不经常工作在 法实施区域内的发动机提

AWM供了在用符合性检测方法[10]。 按照窗口对污染物排放量进行周期性平均计算,即对从首个采样数据点至达到参考做功量数据点间的污染物排放量求得平均比

1

排放,得到第 个窗口的污染物排放量平均值,然后将窗口随时间推移,按此算法得到每个窗口的污染物排放量平均值。每个窗口的起始数据点的移动步长取决于

PEMS

的采样频率,每个窗口的长度由累计功是否达到参考做功量决定。参考做功量称为窗口大小,一般取发

European Transient Cycle,ETC)

动机欧洲瞬态循环( 做功量作为该参考量[11-16]。

2.4.2

窗口平均值原理

1 Hz ECU

通过数据采集模块以 的频率收集发动机数据,并利用发动机转速N、发动机扭矩T和时间i计算瞬时做功量。然后从数据集中的每个时刻ix开始,随着时间向下将每个时刻的瞬时做功量相加,直到累积的功Wy- 达到要求,此时时刻为iy。累积的做功量为: x

Σ iy 2π×

N ×T 1) W = i i (

60× 9550× 3600 y-x i = ix式中, Wy- 为第x个平均窗口的发动机循环功。x

ETC

本研究使用 循环功作为工作窗口,故累积功

Wy- 的要求为: x

W ≤ Wref

y - x -1 2) (

W > Wref y-x

式中, Wref为ETC的循环功。随着窗口的移动,得到排放数据的子集称为“平均窗口”,每个平均窗口的污染物比排放为: m 3) ep = W ( y-x

式中, m为各污染物的排放量。

3 试验结果及其分析 3.1 PEMS数据分析

利用车辆道路尾气排放试验得到昆明至元江路段

NOx 5 000 s

发动机及 排放实时数据,时长 。经过降噪处

2

理,车速及发动机转速随时间的变化情况如图 所示,可

0~1 000 s 1 500~

以看出,车速及发动机转速在 内增加,

3 500 s 3 500~5 000 s

阶段波动较大, 阶段较为平稳。 3 bsNOx

图 所示为扭矩百分比及 随时间的变化情

bsNOx

况。 的变化波形与扭矩百分比的变化相似且稍有

0~500 s 2 250 r/min,

滞后。在 阶段,发动机转速为 车速

60 km/h NOx 2 g/km; 1 500~3 000 s

为 时, 排放因子为 在

bsNOx

阶段,发动机转速、车速、扭矩百分比降低, 升

bsNOx;

高,低车速及低发动机转速时会得到较高的

3 500~5 000 s 2 600 r/min,

在 阶段,发动机转速 车速

85 km/h, 67%, bsNOx 3 g/km

为 扭矩百分比为 可得 约为 。 4 NO2 NOx

图 为 占 百分比随时间的变化,波形与扭矩百分比随时间变化相似,稍有滞后。发动机刚起动扭

NOx NO2

矩较低时, 中 含量很低;扭矩百分比波动较大

NO2 NOx

时, 在 中的含量波动也较大;在扭矩百分比为

80% NO2 NOx 28%

时 约占 的 。

3.2 窗口大小对NOx的影响

AWM PEMS 1/8

使用 对 获得的数据进行处理,选用 、

1/4 1/2 1 3/2 2 4 6 ETC

、 、、 、、、倍的 循环功作为工作窗口。

ETC 12.8 kW·h,

试验车辆的 循环功为 窗口平均功率均

20%,

达到发动机最大功率的 试验结果有效。

5 bsNOx

图 显示了不同工作窗口对 结果的影响。其

1/8 ETC 1.6 kW · h)

中, 倍 循环功( 工作窗口在测试中产

bsNOx

生较高的 结果。对于小型工作窗口,发动机高转 bsNOx, NOx

速和高转矩周期可能产生较高的 也更能反映的瞬时排放情况。随着工作窗口增大,窗口开始时刻更

bsNOx

晚, 结果更接近恒定水平,波动减小,峰值后移,更

NOx 6

能反映整体路况 排放情况,如当工作窗口为 倍

ETC 76.8 kW·h) bsNOx

循环功( 时, 曲线趋于平滑直线。 2 bsNOx

表 显示了测试窗口大小与窗口持续时间和的关系。随着工作窗口的增大,窗口持续时间不断增

bsNOx 8.7 g/kW·h

加。对于大型工作窗口,平均 值接近 。

NOx 7 g/kW·h

该发动机的 排放限值为 。因为每组数据的平均数不同,故使用变异系数来比较数据变异程度的大小:

式中, Vx为变异系数; σx为标准偏差; Ex为平均值。

2

由表 可知,随着工作窗口大小的增加,窗口持续

bsNOx

时间变异系数和 的变异系数大幅降低,这表明当工作窗口过小时,污染物排放量的离散程度大。由此可

bsNOx,

知,要得到更为稳定的 工作窗口不宜过小,但也不能过大,以便在测试时段内能够获得足够数量的有效窗口,提高所测数据的利用率。根据国家第六阶段机动车污染物排放标准征求意

1 ETC

见稿,取 倍 循环功作为工作窗口,得到试验车辆

bsNOx 8.73 g/kW·h,

高原道路环境的 为 高于北京市地方

7 g/kW · h,

标准[17]的 这是高原环境下气压低,导致空气

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