PEMS,在底盘测功机上的测量精度研究

武 鑫 邓 蛟 钱 超 吴凯亮

（华业检测技术服务有限公司 江苏 苏州 215000）

近年来，随着整车实际道路排放试验相继被加入到我国GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[1]、HJ 857-2017《重型柴油车、气体燃料车排气污染物车载测量方法及技术要求》[2]及GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[3]、HJ 1014-2020《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》[4]等排放标准中，作为整车实际道路排放试验的主要测试工具，便携式排放测试系统（PEMS）受到国内外学者的重点关注。Gurdas S.Sandhu 等[5]研究了PEMS 对车辆排放误差的影响因素，指出PEMS、ECU及GPS 数据之间的时间不同步会对最终的污染物排放结果及油耗带来较大影响；
杨国栋[6]利用一辆轻型柴油车对比了PEMS 和CVS（全流定容稀释采样系统）之间的差异，指出在使用PEMS 进行排放测试时，建议增加设备扩展系数，以增加测试结果的可行性；
郭勇等[7]研究了PEMS 在不同环境下的重复性差异，指出对排放浓度较高的污染物，PEMS 的测试结果重复性较好，而对低浓度的污染物重复性较差，尤其在低温环境下差异更为明显。

目前，国内外关于PEMS 测量精度的研究主要基于柴油车，基于汽油车能否取得相应的研究成果还不得而知。为此，本文选用一辆满足国六排放标准的轻型汽油车，在底盘测功机上将PEMS 抽出的排气补充到CVS 中，按照GB 18352.6-2016Ⅰ型试验标准，采用WLTC 循环进行3 组排放型式认证试验，对比PEMS 与实验室测试系统测量结果的差异，为更合理评估整车实际道路排放水平提供参考。

1.1 试验车辆

选用一辆满足国六排放标准的M1 类汽油车，发动机减排技术采用GDI+TWC+GPF 路线。车辆主要参数如表1 所示。

表1 车辆主要参数

1.2 测试设备

实验室测试系统包含轻型底盘测功机、环境舱、全流定容稀释采样系统（CVS）、颗粒物数量（PN）排放测量设备。PEMS 包含气体分析仪、颗粒物计数单元、排气流量计、气象站、OBD（车载自动诊断系统）。其主要技术规格如表2 所示。

表2 测试设备主要技术规格

1.3 测试方法及判定依据

1.3.1 测试方法

首先，将PEMS 安装在试验车后备箱内，用耐高温硅胶管将排气流量计（皮托管）与试验车排气尾管相连接。其次，在皮托管末端增加一段不锈钢弯管，然后将弯管与全流定容稀释采样系统（CVS）的排气管路相连接，以便降低CVS 吸力对PEMS 排气流量计的干扰。最后，在试验开始前完成对CVS 气体分析仪和PEMS 气体分析仪的零点及量距点检查，并保证每次试验前冷却水温度、机油温度都在（23±2）℃内。

由于GPS 无法在环境舱中使用，可通过OBD 来读取车速、发动机转速、冷却水温度等信息。按照WLTC 循环，2 套测试系统同时采样记录。

1.3.2 判定依据

根据GB 18352.6-2016 附件DD.9、DD.10 的标准要求计算由PEMS 测量的气态污染物瞬时质量排放（g/s）及颗粒物瞬时数量排放（#/s），对于气态污染物，将测量结果相加得到气态污染物总质量排放（g），再除以底盘测功机测试的试验车辆行驶距离（km）。需要注意的是，由PEMS 测量的NOx排放测量结果应进行湿度修正；
对于颗粒物数量（PN），将测量结果（#）除以底盘测功机测试的试验车辆行驶距离（km）。PEMS 和实验室测试系统测得的气态污染物比排放（g/km）以及PN 比排放（#/km）之间的差异应满足GB 18352.6-2016 附件DC.2.3 的标准要求。为了便于将PEMS 的排气流量与CVS 的排气流量进行比对，需要先将CVS 的排气流量除以稀释系数得到稀释前排气流量，其中稀释系数DF 可通过以下公式确定：

式中：CCO2、CHC、CCO分别为稀释排气中CO2、HC、CO的体积分数，10-6。

2.1 气态污染物质量排放以及颗粒物数量排放对比

图1 为PEMS 与实验室测试系统测量的气态污染物质量排放以及颗粒物数量排放相对误差对比。

图1 PEMS 与实验室测试系统测量的气态污染物质量排放以及颗粒物数量排放相对误差对比

从图1 可以看出，第1、第2、第3 组试验，PEMS的CO 质量排放分别比实验室测试系统低32.97%、28.25%、33.73%。主要原因是PEMS 中CO 分析仪的量程偏大，试验时测量的CO 浓度负值较多，无法真实反映整车的CO 排放水平；
而3 组试验，PEMS 的CO2质量排放与实验室测试系统相差甚微，说明3 组试验的车辆状态都保持相对稳定；
第1 组试验，PEMS 的NOx质量排放比实验室测试系统高7.43%，第2、第3 组试验，PEMS 的NOx质量排放分别比实验室测试系统低1.66%、9.06%。原因是NOx主要来源于加速工况，PEMS 是直接采样，采样点的尾气无法真实反映实际排放的尾气浓度，而实验室测试系统属于稀释采样，采样点的尾气更具有代表性；
第1、第2、第3 组试验，PEMS 的PN 排放分别比实验室测试系统高40.67%、45.86%、51.72%，原因是PEMS 采样点更靠近汽车排气管尾端，在冷起动阶段，PEMS易出现更多的PN 排放峰值。

2.2 排气流量验证

图2、图3、图4 分别为第1、第2、第3 组试验PEMS 与CVS 的排气流量相关性。其中，y 表示PEMS 的排气流量，x 表示CVS 的排气流量。

图2 第1 组试验PEMS 与CVS 的排气流量相关性

图3 第2 组试验PEMS 与CVS 的排气流量相关性。

图4 第3 组试验PEMS 与CVS 的排气流量相关性。

从图2、图3、图4 可以看出，PEMS 与CVS 的排气流量跟随性较好，但PEMS 对低速工况的测量更为敏感。原因是CVS 的排气流量是通过稀释系数转换而来，而稀释系数是一个理论配比系数，并不能代替实际水平。第1、第2、第3 组试验，PEMS 与CVS的排气流量相关系数R2分别为0.893 7、0.949 8、0.936 5，但斜率无法满足1.000±0.075 要求，主要是在小排气流量区间，PEMS 的排气流量与CVS 相差过大所致。

1）第1、第2、第3 组试验，PEMS 的CO 质量排放分别比实验室测试系统低32.97%、28.25%、33.73%，未来希望能优化PEMS 中CO 分析单元的量程。

2）第1 组试验，PEMS 的NOx质量排放比实验室测试系统高7.43%，第2、第3 组试验，PEMS 的NOx质量排放分别比实验室测试系统低1.66%、9.06%。

3）第1、第2、第3 组试验，PEMS 的PN 排放分别比实验室测试系统高40.67%、45.86%、51.72%。

4）PEMS 与CVS 的排气流量相关性较好，第1、第2、第3 组试验，PEMS 与CVS 的排气流量相关系数R2分别为0.893 7、0.949 8、0.936 5，但还需进一步优化CVS 排气流量的计算公式，降低由计算误差带来的干扰。