重型汽车用氢燃料内燃机 污染物排放测量方法

ICS27.020

CCSJ91

团体标准

T/CICEIA/CAMSXX-20XX

重型汽车用氢燃料内燃机污染物排放测量

方法

Hydrogenfueledinternalcombustionenginesforheavy-dutyvehicles-Measurement

methodsforpollutants

（征求意见稿）

T/CICEIA/CAMSXX—20XX

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。

202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施

中国内燃机工业协会

发布

中国机械工业标准化技术协会

T/CICEIA/CAMSXX—20XX

重型汽车用氢燃料内燃机污染物排放测量方法

1范围

本文件规定了重型汽车用氢燃料内燃机污染物排放的测量方法。

本文件适用于M2、M3、N1、N2和N3类及总质量大于3500kg的M1类汽车装用的氢燃料内燃机。氨/

氢、氨/柴等氨燃料内燃机可参考本文件执行。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T15089机动车辆及挂车分类

GB17691-2018重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）

GB18352.6-2016轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）

GB/T37244质子交换膜燃料电池汽车用燃料氢气

GB/T38146.3-2021中国汽车行驶工况第3部分：发动机

GB50016建筑设计防火规范

3术语和定义

GB17691-2018界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

氢燃料内燃机hydrogenfueledinternalcombustionengine

使用氢气为燃料的往复活塞式内燃机。

3.2

未燃氢气unburnedhydrogen

氢燃料内燃机尾气中排放的氢气。

3.3

粒子数量（PN）particlenumber

按照GB17691-2018附件CC中所描述的试验方法，在去除了挥发性物质的稀释排气中，所有粒径超

过23nm的粒子总数，或根据后续相关标准规定测量的粒子总数。

3.4

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排放物emissions

氢燃料内燃机尾气排放的气态组分和颗粒物，本文件指的排放物主要包括：一氧化碳（CO）、二氧

化碳（CO2）、氮氧化物（NOX）、氧化亚氮（N2O）、未燃氢气（H2）、水（H2O）、氨气（NH3）和颗粒

物等。

3.5

污染物pollutants

本文件指的污染物主要为排放物中的一氧化碳（CO）、氮氧化物（NOX）、氧化亚氮（N2O）、氨气

（NH3）、PM和PN。

4试验设备、仪器

4.1测功机

试验用测功机的参数应满足本文件7.1所述试验循环的要求。扭矩和转速的测量仪器应满足循环有

效性判定所需的轴功率测试精度要求。可能需要附加计算。测量设备的精度应符合GB17691-2018附件

CB.2的线性要求，且不超过GB17691-2018附件表CB.1规定的范围。

4.2流量计

进气空气流量、燃料流量、排气流量、稀释空气流量、稀释排气流量等采用流量计测量，流量计的

线性要求应符合GB17691-2018附件表CB.1的要求。

4.3排放物取样和分析系统

4.3.1概述

排放物应按本文件7.1描述的WHTC试验循环或中国发动机瞬态工况来测量，排放物取样和分析系统

应符合GB17691-2018附件CB.2的线性要求，测量系统的技术指标应符合GB17691-2018附件CB.3、CB.4

和附件CE的要求。

4.3.2取样

CO、CO2测量时排气取样可直接从原始排气中取样，也可从稀释排气中取样，可通过连续采样和气

袋采样两种方式采样测量。

NOX和N2O测量时排气取样可直接从原始排气中取样，也可从稀释排气中取样。NOX仅可通过连续采样

测量，N2O可通过连续采样和气袋采样两种方式采样测量。

H2、H2O和NH3测量时排气取样应从原始排气中连续采样测量。

PM和PN测量时排气取样可直接从原始排气中取样，也可从稀释排气中取样。取样探头的安装位置应

靠近气体污染物的取样探头，但其距离应确保不会产生干扰。

直接从原始排气取样时，排气取样探头安装位置应符合GB17691-2018附件CB.3.10的要求。

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从稀释排气中取样时，发动机和全流稀释系统之间的排气管应符合GB17691-2018附件CE规定的要

求。排气取样探头应安装在稀释风道内稀释空气和排气能充分混合的位置。

4.3.3氮氧化物（NOX）的测定

NOX测量共有两种测量方法。只要满足下述的相应标准，可采用其中任一方法。按照GB17691-2018

附件C.3.2确定不同测试系统的等效性，只允许采用化学发光检测器（ChemiluminescentDetector，CLD）

为基准。

a)化学发光检测器

如采用干基测量，氮氧化物分析仪应采用CLD或具有NO2/NO转换器的加热型CLD（Heated

ChemiluminescentDetector，HCLD）。如采用湿基测定，应采用具有温度保持在55℃以上转换器的CO2

和H2O综合熄光检查符合要求的HCLD（不超过满量程的±2%）。无论CLD和HCLD，取样通道内壁温度应保

持在55℃-200℃；对于干基测量，保温取样管路至转换器，对于湿基测量，保温取样管路应至分析仪。

b)不分光紫外探测仪（Non-DispersiveUltra-Violet，NDUV）

氮氧化物可采用不分光紫外线探测仪（NDUV）测定。如NDUV只测量NO，应在NDUV分析仪上游安装

NO2/NO转换器。NDUV应保持一定的温度，以防止水汽冷凝，除非在NO2/NO转换器（如采用）上游或分析

仪的上游安装取样干燥器。

对于NOX干基测量时，应采用取样干燥器去除会对NOX测量产生干扰的水分。取样干燥器应使CLD湿度

保持在每kg干燥空气中含水量不超过5g（大约含水量约为0.8%），即3.9℃和101.3kPa时相对湿度为

100%。在取样干燥器中残留的液态水会去除样气中的NO2。如果取样干燥器与上游不带NO2/NO转化器的

NDUV分析仪组合使用，也会在NOX测定前从样气中去除NO2。NO2最大预期浓度，取样干燥器应能测量NO2

总量的至少95%。

4.3.4氧化亚氮（N2O）的测定

氧化亚氮（N2O）测量共有两种测量方法。

a)GC-ECD法

用气相色谱仪和电子捕获检测器（GC-ECD）联用仪测量稀释排气中N2O的浓度。该方法分别对排气

和环境气袋中的样气进行取样分析。N2O的取样和分析方法应满足GB18352.6-2016附件CD.7的要求。

b)红外吸收光谱法

所使用的分析仪为激光红外光谱仪，即调制的高分辨率窄带红外分析仪（比如：量子级联激光器联

用仪QCL）。也可以使用非分光红外或傅里叶变换红外分析仪，但应充分考虑水、一氧化碳和二氧化碳

的干扰问题。在有异议时，以GC-ECD方法测定结果为准。分析仪的线性化要求和技术参数应满足GB

17691-2018附件CH.4的要求。

4.3.5未燃氢气（H2）的测定

未燃氢气（H2）可采用电子轰击质谱法（ElectronImpactMassSpectrometry,EIMS）测定，采

样管需加热到180℃防止冷凝吸附。分析仪应满足GB17691-2018附件表CB.1规定的线性化要求。至少

每12个月或当系统维护或更改可能影响标定时，按照GB17691-2018附件CB.2.3进行线性化检查。所需

标定气为H2和N2混合气或H2和He混合气，其实际浓度应在标称值的±3%内，且应符合国家或国际标准，

H2浓度应以体积浓度表示（%或ppm）。

3

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4.3.6氨气（NH3）的测定

氨气（NH3）可采用二极管激光光谱仪（LaserDiodeSpectrometer，LDS）测定或傅里叶变换红

外线光谱（FourierTransformInfraredSpectrometer，FTIR）分析仪测定。分析仪的线性化要求和

技术参数应满足GB17691-2018附件CH.4的要求。

4.3.7水（H2O）的测定

水（H2O）可采用傅里叶变换红外线光谱（FTIR）分析仪测定。

4.3.8一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）的测定

一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）可采用不分光红外线吸收型（NonDispersiveInfrared，NDIR）

分析仪测定。分析仪的线性化要求和技术参数应满足GB17691-2018附件CH.4的要求。

4.3.9颗粒物的测定

颗粒物PM质量测量需要颗粒物稀释取样系统、颗粒物取样滤纸、微克天平和控制温度及湿度的称重

室，应满足GB17691-2018附件CB.4的要求。

粒子数量PN测量可采用GB17691-2018附件CE.3.1所述的部分流稀释系统或附件CE.3.2所述的全流

稀释系统连续取样测定，或根据后续相关标准规定测量。

4.4排气质量流量的测定

4.4.1原始排气流量的测定

排气质量流量可以直接测量得到，或者通过进气和燃料流量测量值计算、示踪法或进气和空燃比测

量值计算，采用GB17691-2018附件CA.5.1.3至CA.5.1.6中描述的方法之一确定。

4.4.2稀释排气流量的测定

稀释排气流量通过定容取样系统（CVS）测量，该系统可以选用容积泵（PDP）、临界文丘里管（CFV）

及带或不带流量补偿的亚音速文丘里管（SSV）。整个循环内的总稀释排气流量（kg/test）可按照GB

17691-2018CA.6.1所描述的方法之一，使用整个循环的测量值和相应的流量测量仪器设备的校正系数

计算得到。

5试验条件

5.1试验室安全要求

5.1.1氢燃料内燃机试验室应符合GB50016中3.1的相关要求。

5.1.2氢燃料内燃机试验室应具备氢气浓度监测报警装置，并与氢气紧急切断阀联动。

5.1.3氢燃料内燃机试验室应通风良好，换风量不低于12次/h。

5.1.4氢燃料内燃机试验室的送、排风系统应采用防爆型通风设备。

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5.1.5氢燃料内燃机试验室应具备消防监测报警及灭火装置。

5.1.6氢燃料内燃机试验室应设置紧急泄爆装置。

5.2试验室测试条件

应测量发动机进气口处空气的绝对温度Ta（K）和干空气压力Ps（kPa）。对于具有多组进气歧管

的多缸发动机，如“V型”发动机，应测量各组进气歧管的平均温度。按下列公式（1）确定大气因子fa，

fa与试验结果一并记录，当满足0.93≤fa≤1.07时，认为试验有效。在开展极限环境试验时可不受本规

定限制，但应在试验报告中注明试验环境条件参数。

991.2Ta0.6

fa=()×()………（1）

ps298

5.3其他

若为增压中冷发动机，应符合GB17691-2018附录C.5.2和C.5.3的要求，发动机功率和循环功的

确定按照GB17691-2018附录C.5.3.1至C.5.3.5的规定，发动机进气系统、排气系统、发动机排气后

处理系统、冷却系统及所用润滑油均应符合GB17691-2018附录C.5.4至C.5.8的要求。

6试验准备

6.1试验燃料

试验用燃料可用符合GB/T37244及其他后续相关国家标准规定的氢燃料内燃机用氢气。

6.2磨合及后处理激活稳定

发动机磨合按照企业的规范要求进行。磨合结束后，按生产厂要求对发动机及后处理系统进行稳定

处理。

6.3分析仪准备

6.3.1CLD、HCLD及NDIR准备

试验前分析仪应预热至最佳运行温度范围内，待状态正常后，根据GB17691-2018附件CB.3.4所

述规定，在排放采样开始前8h内，进行泄漏检测。手动选取合适的分析仪量程，带有自动切换量程的

分析仪无需选择量程。使用满足GB17691-2018附件CB.3.3所述技术要求的可溯源的标准气体确定分

析仪的零气和量距气响应。

6.3.2FTIR分析仪准备

排放测试前，首先选择分析仪量程。允许使用具有自动或手动量程切换功能的分析仪，但在试验过

程中，不应切换分析仪的量程。

若GB17691-2018附件CH.3.4.2的规定不适用于仪器，应确定零气和量距气的响应时间。对于量

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距气的响应，应采用符合GB17691-2018附件CH.4.2.7的NH3标准气和符合GB18352.6-2016附件CD.6.2

的N2O标准气。允许使用包含NH3量距气的基准测试间。

6.3.3EIMS分析仪准备

排放测试前，选取合适的测量量程。试验前应使用本文件4.3.5描述的H2标准气确定EIMS分析仪

的零气和量距气响应，使其满足仪器生产企业的规范。

7试验规程

7.1试验循环

试验循环可采用GB17691-2018附录C.6.2.1的瞬态试验循环WHTC（Worldharmonisedtransient

cycle，WHTC）。除上述试验循环外，还可采用GB/T38146.3-20214.2描述的中国发动机瞬态工况。

7.2试验流程

WHTC和中国发动机瞬态工况试验流程见图1。每一步骤的具体内容按照GB17691-2018的要求或GB/T

38146.3-2021的要求。WHTC与中国发动机瞬态工况测试程序均由自然冷却或强制冷却的冷启动试验循环、

发动机热浸期和热启动测试循环组成。

图1试验流程

7.3排放相关数据的记录

若使用原始排气测量方法，应对排放物（CO、CO2、NOX、H2、NH3、N2O、H2O）的浓度和排气质量流

量连续测量并记录到计算机系统中。数据记录频率至少为2Hz，其他数据记录频率至少为1Hz。

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若使用全流稀释系统测量方法，NOX应在稀释通道内连续测量，测量频率最低为2Hz，通过对整个

试验循环分析仪测量值积分计算其平均浓度。N2O应在排气和环境气袋中的样气中进行取样分析。CO与

CO2为连续测量值积分或分析整个循环的袋采结果。系统响应时间不超过20s，如果需要，应与CVS流量

波动、采样时间、测试循环对齐。在连续采样和分析袋采浓度之前需确定背景空气中的排放物浓度。所

有其他需要测量的数据以至少1Hz的频率记录。

a)试验循环开始时，测试设备应同步开始；

b)若为全流稀释系统，开始收集和分析稀释空气；

c)依据使用的方法，开始收集和分析原始排气或稀释后的排气；

d)开始测量稀释排气的量及必要的温度和压力；

e)如果对原始排气分析，开始记录排气质量流量；

f)开始记录测功机转速和扭矩的反馈值。

7.4试验后有效性判定

7.4.1比例采样验证

试验后对于比例采样，例如袋采和PM采样，应根据GB17691-2018附件C.6.6.7和C.6.7.5规定

对比例采样进行验证。任何不符合要求的采样，试验都应该无效。

7.4.2漂移验证

试验循环结束后30min内或者热浸周期中需要对气体分析仪使用量程的零点和距点进行检查。分

析仪的偏差应满足:

1)确定漂移前，将试验前、后的零点和量距气的测量值代入GB17691-2018CA.7.1中公式计算；

2)试验前后的偏差在±1%满量程以内，测量浓度无需修正或按照GB17691-2018CA.7.1的要求对

其进行修正；

3)若超过±1%满量程（对于N2O、NH3和H2，试验前后的偏差要求在±3%满量程），试验无效，或

按照GB17691-2018CA.7.1的要求对其进行修正。

7.4.3试验循环的确认统计

对WHTC循环或者中国发动机瞬态工况下，转速、扭矩和功率进行基于基准值与实际值的线性回归

分析。具体分析方法按照GB17691-2018附录C.6.8.7的要求进行。其中，中国发动机瞬态工况循环的

回归线允差按照GB17691-2018附件表C.2（WHTC）中的标准值进行判定。

7.5排放计算

7.5.1数据处理

所记录的排放物浓度及排气质量流量应按照GB17691-2018附录C.2.1定义的转换时间对齐，并按照

7.5.2至7.5.4所述的方法计算排放物的比排放量。

7.5.2循环功计算

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按照GB17691-2018附录C.6.8.6的要求计算循环功。将实际循环功Wact与基准循环功Wref对比，

Wact应在85%Wref至105%Wref之间。

7.5.3排放物质量计算

a）CO、CO2、NOX和N2O排放质量计算

若未以湿基进行CO、CO2和NOX测量，测得的浓度应按照GB17691-2018附件CA.2进行干湿基转换。

NOX浓度应根据GB17691-2018附件CA.3中的湿度系数进行校正。进气的绝对湿度Ha可由相对湿度

的测量值、露点测量值、蒸汽压测量值或干/湿球温度计测量值用通用的方程计算得出。

若采用气相色谱-电子捕获检测器（GC-ECD）测量N2O，应按照下列公式（2）计算N2O浓度：

……（2）

cN2O=Ssample×RfN2O

式中：

-6

N2O体积浓度，单位为百万分率（1×10）；

cN2O——

Ssample——样本峰面积；

应按照下列公式（3）计算：

RfN2O

c

N2O,standard…………（3）

RfN2O=

Sstandard

式中：

SStandard——标准峰面积。

对于直接从原始排气采样测量，CO、CO2、NOX和N2O排放质量应按照下列公式（4）计算：

1

m=u×∑i=nc×q×（g/test）………（4）

gasgasi=1gas,imew,if

式中：

ugas——表1中排气组分密度和排气密度比；

-6

cgas——排气组分的瞬时体积浓度，单位为百万分率（1×10）；

qmew,i——瞬时排气质量流量，单位为千克每秒（kg/s）；

f——采样频率，单位为赫兹（Hz）；

n——测量次数。

表1原始排气的u值和排气密度

气体

排气密

COCO2NOXN2OH2H2ONH3

度3

ρgas[kg/m]

ρ

31.2501.96362.0531.9770.0890.6000.771

de

[kg/m]a)

ugas

1.18300.0010570.0016600.0017350.0016710.0000750.0005070.000652

a）在λ=2，干空气，273K，101.3kPa下。

CO、CO2、NOX和N2O排放质量也可按照GB17691-2018附件CA.5.2.4基于精确方程计算得出。

对于稀释采样测量，CO、CO2、NOX和N2O排放质量应按照下列公式（5）计算：

mgas=ugas×cgas×med（g/test）……………（5）

式中：

ugas——表2中排气组分密度和稀释排气密度比，假设稀释排气的密度等于空气密度；

-6

cgas——背景修正后的排气组分平均体积浓度，单位为百万分率（1×10）；

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med——整个循环的总稀释排气质量，单位为千克（kg）。

表2稀释排气的u值和成分密度

气体

COCO2NOXN2OH2H2ONH3

排气密度3

3ρgas[kg/m]

ρde[kg/m]

1.2501.96362.0531.9770.0890.6000.771

a)

ugas

1.2930.0009670.0015190.0015880.0015290.0000690.0004640.000596

a）在λ=2，干空气，273K，101.3kPa下。

CO、CO2、NOX和N2O排放质量也可按照GB17691-2018附件CA.5.2.4基于精确方程计算得出。

b）NH3、H2O和未燃H2排放质量计算

NH3、H2O和未燃H2排放质量应按照公式（4）计算或按照GB17691-2018附件CA.5.2.4基于精确方

程计算得出。

c）颗粒物计算

颗粒物若采用部分流稀释系统和原始排气测量，颗粒物PM质量应按照GB17691-2018附件CA5.3

计算；若采用全流稀释系统，颗粒物PM质量应按照GB17691-2018附件CA6.3计算。

粒子数量PN若采用部分流稀释系统取样，应按照GB17691-2018附件CC.4.2或后续相关标准规定

计算；若采用全流稀释系统，应按照GB17691-2018附件CC.4.3或后续相关标准规定计算。

7.5.4比排放量计算

根据采用的测试循环，应按照下列公式（6）计算CO、CO2、NOX、N2O、H2、NH3、H2O和颗粒物PM质

量的比排放量egas（g/kW·h）。冷热态WHTC或中国发动机瞬态工况的比排放量应按照下列公式（7）计

算：

m

e=……………（6）

Wact

(0.14×m)+(0.86×m)

e=coldhot………………（7）

(0.14×Wact,cold)+(0.86×Wact,hot)

式中：

m——排放物的质量，单位为克每循环（g/test）；

Wact——根据本文件7.5.2确定的实际循环功，单位为千瓦时（kW·h）；

WHTC或中国发动机瞬态工况最终的结果为冷态和热态加权的结果；

mcold——冷启动循环各排放物组分的质量，单位为克每循环（g/test）；

mhot——热启动循环各排放物组分的质量，单位为克每循环（g/test）；

Wact,cold——冷启动循环的实际循环功，单位为千瓦时（kW·h）；

Wact,hot——热启动循环的实际循环功，单位为千瓦时（kW·h）。

粒子数量PN的比排放量按照GB17691-2018附件CC.4.4或后续相关标准规定计算。

7.6氢流量检查

试验后进行台架系统的平衡检查，试验循环的氢平衡偏差应在±3%以内，否则试验无效。氢平衡偏

差应按照下列公式（8）计算：

9

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BSFC−BSFC

BSFC%=基于排放物计算基于燃料质量流量计计算×100%…（8）

BSFC基于燃料质量流量计计算

式中：

BSFC%——试验循环的氢平衡偏差（以燃料消耗率相对偏差表示，BrakeSpecificFuelConsumption，

BSFC）；

BSFC基于排放物计算——基于排放物中氢元素采用氢平衡法计算的燃料消耗率，应按照下列公式（9）

计算；

BSFC基于燃料质量流量计计算——基于试验台架燃料供给管路中的燃料质量流量计计算的燃料消耗率，

应按照下列公式（10）计算；

ω∗eH+ω∗eNH+ω∗eHO−ω∗e

BSFC=H2_H2NH3_H3H2O_H2后处理反应剂_H后处理反应剂比消耗……（9）

基于排放物计算ω

Fuel_H

式中：

排放物H2的比排放量，单位为克每千瓦时（g/kW·h）；

eH2——

排放物NH3的比排放量，单位为克每千瓦时（g/kW·h）；

eNH3——

排放物H2O的比排放量，单位为克每千瓦时（g/kW·h）；

eH2O——

e后处理反应剂比消耗——后处理系统引入的后处理反应剂试验循环的消耗量，单位为克每千瓦时

（g/kW·h）；

ω——排放物H2中氢元素的质量百分比，单位为百分比（%）；

H2_H

ω——排放物NH3中氢元素的质量百分比，单位为百分比（%）；

NH3_H

ω——排放物H2O氢元素的质量百分比，单位为百分比（%）；

H2O_H

ωFuel_H——燃料中氢元素的质量百分比，单位为百分比（%）；

ω后处理反应剂_H——后处理反应剂中氢元素的质量百分比，单位为百分比（%）；

Qmf

BSFC基于燃料质量流量计计算=×1000…………（10）

Wact

式中：

Qmf——整个循环的燃料消耗量，单位为千克每循环（kg/test）；

Wact——整个循环的实际循环功，单位为千瓦时（kW·h）。

8试验报告

试验结束后，试验结果应按附录A的要求格式记录。

10

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附录