CN113806675A - 一种NOx排放与油耗特征分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种NOx排放与油耗特征分析方法，应用于重型柴油车NOx排放与油耗特征分析，包括以下步骤：S1、采集待测车辆的相关实时数据；S2、利用NOx排放与油耗因子数据测算模型对采集的数据进行计算，得到实际道路工况下的重型柴油车瞬态NOx排放与油耗因子数据；S3、进行分析方法对比，确定以短行程法作为远程监测大数据分析方法；S4、建立基于短行程法的重型柴油车实际道路NOx排放与油耗特征数据库；S5、提取NOx排放与油耗特征数据库中片段，分析NOx排放与油耗特征原因。本发明所述的NOx排放与油耗特征分析方法可以实现对实际道路重型柴油车NOx排放与油耗进行监测，弥补了实验室台架检测、整车转鼓检测和PEMS检测等监测范围小、测试成本高的缺点。

Description

一种NOx排放与油耗特征分析方法

技术领域

本发明属于尾气排放与油耗分析技术领域，尤其是涉及一种基于短行程法的重型柴油车实际道路NOx排放与油耗特征分析方法。

背景技术

当前，机动车已成为我国空气污染的重要来源，是造成灰霾、光化学烟雾污染的重要原因。根据2020年生态环境部发布的《中国机动车环境管理年报(2020年)》数据显示：柴油车保有量仅占全国汽车保有量的9.1％，但其颗粒物排放占机动车总排放量的99％(特别是重型柴油车)，是机动车污染排放监管的重中之重。同时，机动车的快速增长也给国内燃油能源带来了严峻的挑战，根据工信部的统计数据：2018年全年重型商业车油耗占汽车总油耗的49.2％，预计2025年商用车的油耗将占汽车油耗的70％以上,。根据美国能源部数据统计：重型货车、公交车的单车年均燃油消耗量约是轿车的20倍以上、出租车的3-5倍。

因此，重型柴油车排放与油耗性能表现已成为管理部门监管和企业产品研发的重点。

按照生态环境部等11部委联合发布的《柴油货车污染治理攻坚战行动计划》明确提出：推进重型柴油车远程在线监控系统建设，2018年重点区域开展试点，2019年年底前重点区域50％以上具备条件的重型柴油车安装远程在线监控并与生态环境部门联网，其他地区城市积极推进,如何利用远程监测数据，研究不同运动状态下NOx排放和油耗特征、分析其影响因素，并提出具体的优化措施，对管理部门监管和企业产品优化具有重要意。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种NOx排放与油耗特征分析方法，通过远程监测大数据研究分析NOx排放及油耗特征，分析导致其高NOx和高油耗的原因并提出对应的优化措施建议，解决当前重型柴油车NOx排放和油耗测试优化依靠实验室转鼓或实际道路PEMS测试，节约人力资源成本。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种NOx排放与油耗特征分析方法，应用于重型柴油车NOx排放与油耗特征分析，包括以下步骤：

S1、采集待测车辆的相关实时数据，包括采集车辆实际运行的车速、柴油机运行状态参数、发动机燃料流量、以及污染控制装置系统运行状态参数；

S2、利用NOx排放与油耗因子数据测算模型对采集的数据进行计算，得到实际道路工况下的重型柴油车瞬态NOx排放与油耗因子数据；

S3、进行分析方法对比，确定以短行程法作为远程监测大数据分析方法；

S4、建立基于短行程法的重型柴油车实际道路NOx排放与油耗特征数据库；

S5、提取NOx排放与油耗特征数据库中片段，分析NOx排放与油耗特征原因。

进一步的，步骤S1中，在重型柴油车OBD-CAN诊断接口处安装数据采集终端设备来采集相关数据，其中；

柴油机运行状态参数包括转速、扭矩参数；

污染控制装置系统运行状态参数包括SCR中NOx浓度、尿素液位参数；

采集的数据利用无线通讯网络传输至监控平台。

进一步的，步骤S1中采集的数据经数据清洗处理后再执行步骤S2；

数据清洗处理的具体方法如下：

对采集的数据中缺失值和异常值进行甄别和处理，剔除由于传感器漂移测得的异常值，采用插值计算的方式对被剔除的数据进行补全。

进一步的，针对缺失值和异常值进行处理的方法如下：

缺失值处理；删除发动机转速、功率、速度、发动机燃料流量及SCR上下游NOx传感器输出值中无数据的缺失值；

异常值处理；结合满足以下任一项条件的，均被认定为异常值，应进行删除；

A.发动机转速、功率以及车速小于等于零；

B.SCR下游NOx传感器输出值小于零或大于等于3000ppm；

C.发动机燃料流量小于零。

进一步的，步骤S2的具体方法如下：

计算重型柴油车在实际道路工况下NOx瞬态排放质量E-NOx：

E-NOx＝0.001587×NOx_conc×G_exh/3600

其中：NOx_conc为原始排气中NOx污染物瞬时湿基浓度；G_exh为瞬时排气流量；

计算重型柴油车在实际道路工况下NOx总排放量Total-NOx：

计算重型柴油车在实际道路工况下油耗量FC,Total-FC：

Total-FC＝ΣR_Fuel

式中：R_Fuel为燃油消耗率；

计算重型柴油车在实际道路工况下发动机瞬时功W_t：

W_t＝π×T_t×n_t/(1.08×10⁸)

其中：T_t瞬时净扭矩；n_t瞬时转速；

计算重型柴油车实际道路工况下NOx排放因子FC_{_}NOx：

FC_{_}NOx＝Total-NOx/W_t

计算重型柴油车实际道路工况下油耗因子FC_{_}Fuel：

FC_{_}Fuel＝Total_FC/W_t。

进一步的，步骤S3中，进行分析方法对比的具体方法如下：

基于NOx排放，对比功基窗口法和NTE法、以及车辆实际道路工况构建中所采用的短行程法，分别利用上述三种方法测算三辆重型柴油车、一周实际道路工况下监测NOx排放因子，并与HJ857-2017标准中规定的NOx排放限值进行比对，统计符合排放限值要求的短行程片段记为有效片段；

根据对比结果可知，通过短行程法进行片段切割可有效提取出排放超限值运行片段。

进一步的，步骤S4的具体方法如下：

S401、利用短行程法对重型柴油车在实际道路运行工况进行切分，建立短行程片段集；

S402、集中每个片段包含车速、柴油机运行状态参数、发动机燃料流量、以及污染控制装置系统运行状态参数数据信号，采用NOx排放和油耗因子测算方法计算每个短行程片段的NOx排放和油耗因子；

S403、以《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》中国五阶段NOx排放限值为基准，提出实际道路工况各短行程片段的NOx排放和油耗“高与低”划定方法：以短行程法获取的各片段NOx排放因子和油耗因子分别与NOx排放限值和平均油耗因子进行比较，建立NOx排放与油耗“高与低”四象限数据库；

其中，四象限数据库包括高排放高油耗、高排放低油耗、低排放高油耗、低排放低油耗。

进一步的，步骤S5的具体方法如下：

S501、短行程提取模块根据提取指令，从四象限数据库中提取相对应的短行程片段；

S502、短行程分析模块对提取出的短行程片段进行分析；

S503、针对短行程片段中导致NOx排放和油耗因子“高与低”特征，提出优化方案。

相对于现有技术，本发明所述的NOx排放与油耗特征分析方法具有以下优势：

(1)本发明所述的NOx排放与油耗特征分析方法可以实现对实际道路重型柴油车NOx排放与油耗进行监测，弥补了实验室台架检测、整车转鼓检测和PEMS检测等监测范围小、测试成本高的缺点。

(2)本发明所述的NOx排放与油耗特征分析方法建立四象限数据库，能够有针对性地对重型柴油车实际道路工况下NOx排放和油耗特征进行分析，并提出优化方案建议。

(3)本发明所述的NOx排放与油耗特征分析方法不需要大量、复杂的实验室或实际道路排放油耗测试，大大降低了排放油耗测试时间、人力和费用，便于整车企业利用远程监控数据进行产品优化改进议纪政府管理部门监管。

(4)本发明所述的NOx排放与油耗特征分析方法不需要利用昂贵、复杂的实验室或车载排放测试的相关设备，采用简便的数据采集终端设备及相关数据算法，即可实现重型柴油车在实际道路运行工况下NOx排放与油耗特征，并分析导致NOx和油耗“高与低”特征的原因并有针对地提出优化措施，节约时间、人力和资源成本。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为基于短行程法的重型柴油车实际道路NOx排放与油耗特征分析优化模型与方法的示意图。

图2为短行程法的运动学片段示意图。

图3为短行程法与功基窗口法、NTE法数据分析对比示意图。

图4为基于短行程法的“NOx排放与油耗因子”四象限数据库特征分布的示意图。

图5为提取高NOx排放与高油耗的短行程数据库片段特征分析的示意图一；

图6为提取高NOx排放与高油耗的短行程数据库片段特征分析的示意图二。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明基于短行程法的重型柴油车实际道路NOx排放与油耗特征分析优化模型与方法。如图1所示，具体步骤如下：

(1)数据采集与传输。通过在重型柴油车OBD-CAN诊断接口处安装一种数据采集终端设备(ZL 2017 2 1220082.6)，实时采集车辆实际运行的车速、柴油机运行状态参数(转速、扭矩等)、发动机燃料流量、以及污染控制装置系统运行状态参数(如SCR中NOx浓度、尿素液位等)等数据信号(数据清单见表1)，并通过数据采集终端设备中4G网络、按照一定的通讯协议将数据实时传输至监控平台，数据采集和传输频率为1Hz。

表1为OBD-CAN采集与远程传输数据

(2)监控平台数据清洗处理。由于网络信号差、数据采集终端设备等原因导致部分参数项的数据存在缺失、异常，因此需要对监测大数据中缺失值和异常值进行必要的甄别和处理，剔除由于传感器漂移等因素测得的异常值，采用插值计算的方式对被剔除的数据进行补全。具体处理方式如下：

1)缺失值处理。删除发动机转速、功率、速度、发动机燃料流量及SCR上(下)游NOx传感器输出值中无数据的缺失值。

2)异常值处理。结合满足以下任一项条件的，均被认定为异常值，应进行删除。

A.发动机转速、功率以及车速小于等于零；

B.SCR下游NOx传感器输出值小于零或大于等于3000ppm；

C.发动机燃料流量小于零；

(3)实际道路工况下瞬态NOx排放与油耗因子(g/kWh)测算。监控平台中嵌入NOx排放与油耗因子数据测算模型，按照以下方法通过对清洗处理的监测数据进行计算，得到实际道路工况下重型柴油车瞬态NOx排放与油耗因子(g/kWh)数据。

①重型柴油车在实际道路工况下NOx瞬态排放质量E_NOx(g/s)^HJ857-2017：

E_NOx＝0.001587×NOx_conc×G_exh/3600 (1)

其中：NOx_conc为原始排气中NOx污染物瞬时湿基浓度，ppm；G_exh为瞬时排气流量，kg/h。

②重型柴油车在实际道路工况下NOx总排放量(g)Total-NOx：

③重型柴油车在实际道路工况下油耗量FC(g)Total_FC：

Total_FC＝ΣR_Fuel (3)

式中：R_Fuel为燃油消耗率，单位g/s；

④重型柴油车在实际道路工况下发动机瞬时功W_t(g/kWh)^HJ857-2017：

W_t＝π×T_t×n_t/(1.08×10⁸) (4)

其中：T_t瞬时净扭矩，Nm；n_t瞬时转速，r/min。

⑤重型柴油车实际道路工况下NOx排放因子FC_{_}NOx(g/kWh)：

FC_{_}NOx＝Total-NOx/W_t (5)

⑥重型柴油车实际道路工况下油耗因子FC_{_}Fuel(g/kWh)：

FC_{_}fuel＝Total_FC/W_t (6)

(4)基于短行程法的OBD-CAN远程监测大数据分析方法。

为研究适用于OBD-CAN远程监测大数据的NOx排放和油耗分析方法，以NOx排放为例，选取欧洲和美国排放标准中重型柴油车实际道路功基窗口法和NTE法、以及车辆实际道路工况构建中所采用的短行程法(见图2)，分别采用上述三种方法测算三辆重型柴油车、一周实际道路工况下OBD-CAN远程监测NOx排放因子，并与HJ857-2017标准中规定的NOx排放限值4.0g/kWh进行比对，统计符合排放限值要求的短行程片段记为有效片段。

对比结果发现(如图3所示)：同一辆车运用不同的片段切割方法，计算出的合格比率也存在较大差异。相比而言，NTE获得的合格片段比例极大，这是由于NTE法数据利用率低，筛选出的排放超限片段极少。功基窗口法获得的合格片段比例也很高，这主要是因为功基窗口法采用移动平均的方法，片段与片段间存在大量重复运算的数据，片段排放数据超过限值的情况经过平均运算而被掩盖。对于大多数车辆而言，运用短行程法获得的片段，合格片段比例最低，由此可以看出：通过短行程法进行片段切割可以有效提取出排放超限值运行片段。

综合分析，短行程法既可以避免功基窗口法的数据重复利用，又能够实现较高的数据利用率。因此本专利中将采用短行程法对重型柴油车NOx排放和油耗远程监测大数据进行筛选和分析。

(5)建立基于短行程法的重型柴油车实际道路NOx排放与油耗特征数据库。

1)利用短行程法对重型柴油车在实际道路运行工况进行切分，建立短行程片段集。

2)短行程片段集中每个片段包含车速、柴油机运行状态参数(转速、扭矩等)、发动机燃料流量、以及污染控制装置系统运行状态参数(如SCR中NOx浓度、尿素液位等)等数据信号，采用NOx排放和油耗因子测算方法计算每个短行程片段的NOx排放和油耗因子(L/kWh)。

3)以《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》(HJ857-2017)中国五阶段NOx排放限值4.0g/kWh为基准，提出一种实际道路工况各短行程片段的NOx排放和油耗“高与低”划定方法：以短行程法获取的各片段NOx排放因子和油耗因子分别与NOx排放限值和平均油耗因子进行比较，建立NOx排放与油耗“高与低”四象限数据库(见图4)。

四象限数据库主要包括高排放高油耗、高排放低油耗、低排放高油耗、低排放低油耗。

(6)提取NOx排放与油耗特征数据库中片段，分析NOx排放与油耗特征原因。

1)“NOx排放与油耗”短行程数据库提取模块根据指令需求(例如高排放高油耗片段)，从四象限数据库中提出相对的短行程片段(包括片段编码、车速、发送机和污染控制装置等信息)；

2)“NOx排放与油耗”短行程分析模块对提取出短行程片段进行分析，如图5、图6所示。例如提取229#片段进行分析：整个片段中排气温度整体较高，最高排气温度超过310℃，表明在此工况片段下SCR未起到明显降低NOx排放的作用，其主要原因是高温富氧条件有利于NOx生成，燃烧温度过高会导致发动机的原排升高。

3)针对短行程片段中导致NOx排放和油耗因子“高与低”特征，提出优化方案。例如229#片段优化建议：当排气温度超过200℃后，应已达到SCR起燃温度、喷射尿素降低NOx排放，理论上SCR应该具有较高的NOx转换效率。但实际情况下，SCR在该片段中整体的NOx转换效率较低，且变化剧烈，考虑可能在此工况下尿素的喷射策略存在问题，有进一步优化和改进的空间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种NOx排放与油耗特征分析方法，其特征在于，应用于重型柴油车NOx排放与油耗特征分析，包括以下步骤：

S1、采集待测车辆的相关实时数据，包括采集车辆实际运行的车速、柴油机运行状态参数、发动机燃料流量、以及污染控制装置系统运行状态参数；

S2、利用NOx排放与油耗因子数据测算模型对采集的数据进行计算，得到实际道路工况下的重型柴油车瞬态NOx排放与油耗因子数据；

S3、进行分析方法对比，确定以短行程法作为远程监测大数据分析方法；

S4、建立基于短行程法的重型柴油车实际道路NOx排放与油耗特征数据库；

S5、提取NOx排放与油耗特征数据库中片段，分析NOx排放与油耗特征原因。

2.根据权利要求1所述的NOx排放与油耗特征分析方法，其特征在于，步骤S1中，在重型柴油车OBD-CAN诊断接口处安装数据采集终端设备来采集相关数据，其中；

柴油机运行状态参数包括转速、扭矩参数；

污染控制装置系统运行状态参数包括SCR中NOx浓度、尿素液位参数；

采集的数据利用无线通讯网络传输至监控平台。

3.根据权利要求1所述的NOx排放与油耗特征分析方法，其特征在于，步骤S1中采集的数据经数据清洗处理后再执行步骤S2；

数据清洗处理的具体方法如下：

对采集的数据中缺失值和异常值进行甄别和处理，剔除由于传感器漂移测得的异常值，采用插值计算的方式对被剔除的数据进行补全。

4.根据权利要求3所述的NOx排放与油耗特征分析方法，其特征在于：

针对缺失值和异常值进行处理的方法如下：

缺失值处理；删除发动机转速、功率、速度、发动机燃料流量及SCR上下游NOx传感器输出值中无数据的缺失值；

异常值处理；结合满足以下任一项条件的，均被认定为异常值，应进行删除；

A.发动机转速、功率以及车速小于等于零；

B.SCR下游NOx传感器输出值小于零或大于等于3000ppm；

C.发动机燃料流量小于零。

5.根据权利要求1所述的NOx排放与油耗特征分析方法，其特征在于：步骤S2的具体方法如下：

计算重型柴油车在实际道路工况下NOx瞬态排放质量E-NOx：

E_-NOx＝0.001587×NOx_conc×G_exh/3600

其中：NOx_conc为原始排气中NOx污染物瞬时湿基浓度；G_exh为瞬时排气流量；

计算重型柴油车在实际道路工况下NOx总排放量Total-NOx：

计算重型柴油车在实际道路工况下油耗量FC,Total-FC：

Total_-FC＝ΣR_Fuel

式中：R_Fuel为燃油消耗率；

计算重型柴油车在实际道路工况下发动机瞬时功W_t：

W_t＝π×T_t×n_t/(1.08×10⁸)

其中：T_t瞬时净扭矩；n_t瞬时转速；

计算重型柴油车实际道路工况下NOx排放因子FC_{_}NOx：

FC_{_}NOx＝Total_-NOx/W_t

计算重型柴油车实际道路工况下油耗因子FC_{_}Fuel：

FC_{_}Fuel＝Total_FC/W_t。

6.根据权利要求1所述的NOx排放与油耗特征分析方法，其特征在于：步骤S3中，进行分析方法对比的具体方法如下：

基于NOx排放，对比功基窗口法和NTE法、以及车辆实际道路工况构建中所采用的短行程法，分别利用上述三种方法测算三辆重型柴油车、一周实际道路工况下监测NOx排放因子，并与HJ857-2017标准中规定的NOx排放限值进行比对，统计符合排放限值要求的短行程片段记为有效片段；

根据对比结果可知，通过短行程法进行片段切割可有效提取出排放超限值运行片段。

7.根据权利要求1所述的NOx排放与油耗特征分析方法，其特征在于，步骤S4的具体方法如下：

S401、利用短行程法对重型柴油车在实际道路运行工况进行切分，建立短行程片段集；

S402、集中每个片段包含车速、柴油机运行状态参数、发动机燃料流量、以及污染控制装置系统运行状态参数数据信号，采用NOx排放和油耗因子测算方法计算每个短行程片段的NOx排放和油耗因子；

S403、以《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》中国五阶段NOx排放限值为基准，提出实际道路工况各短行程片段的NOx排放和油耗“高与低”划定方法：以短行程法获取的各片段NOx排放因子和油耗因子分别与NOx排放限值和平均油耗因子进行比较，建立NOx排放与油耗“高与低”四象限数据库；

其中，四象限数据库包括高排放高油耗、高排放低油耗、低排放高油耗、低排放低油耗。

8.根据权利要求1所述的NOx排放与油耗特征分析方法，其特征在于，步骤S5的具体方法如下：

S501、短行程提取模块根据提取指令，从四象限数据库中提取相对应的短行程片段；

S502、短行程分析模块对提取出的短行程片段进行分析；

S503、针对短行程片段中导致NOx排放和油耗因子“高与低”特征，提出优化方案。

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