柴油乘用車上海市典型道路行駛特征及氣態(tài)污染物排放特性＊

胡志遠 程 鵬 譚丕強 樓狄明

（同濟大學）

1 前言

我國采用等同歐盟法規(guī)的測試循環(huán)對輕型柴油車進行型式認證和生產一致性檢查。但是，我國城市機動車行駛的實際工況與歐洲存在差異，采用現行工況測試機動車尾氣污染物排放無法得到準確結論，將對排放控制策略的制定產生不利影響。車載排放測試可準確反映機動車的實際道路排放特征，已成為國內外進行機動車排放研究的主要測試手段[1，2]。國外學者利用便攜式排放測試設備對汽油乘用車、柴油乘用車的實際道路排放進行了研究[3，4]。我國學者對國IV汽油出租車冷、熱起動的排放特性、北京市出租車實際道路行駛特征、輕型汽油車實際道路比功率對CO2排放的影響、輕型車實際道路瞬態(tài)排放等進行了研究[5～9]，但對柴油乘用車實際道路排放特性的研究較少。

本文結合上海市道路狀況，選擇上海市典型路段組成試驗路線，對柴油乘用車典型道路的行駛特征和 HC、CO、NOx、CO2排放特性進行試驗研究。

2 試驗方案

2.1 試驗路線

車輛的實際道路行駛狀況主要受道路等級、交通強度、交叉口密度及行駛時間等因素的影響。柴油乘用車典型道路車載試驗路線覆蓋上海市區(qū)和郊區(qū)的主干道、市區(qū)和郊區(qū)的次干道、市區(qū)快速路、連接市區(qū)和郊區(qū)的城郊高速公路等典型道路，車輛在各典型道路的行駛時間均超過15 min，以保證每種道路的行駛工況數據有較好的代表性。同時，路線的選擇充分考慮了各區(qū)道路的行駛特征，如:高架路試驗路線包含內環(huán)高架路、南北高架路和延安高架路，市區(qū)主干道和次干道包括浦西和浦東2個區(qū)域。選擇的試驗路線如圖1所示。

試驗路線總長84.1km，其中，市區(qū)快速路、市區(qū)主干道、市區(qū)次干道、城郊高速公路、郊區(qū)主干道、郊區(qū)次干道等道路長度分別為17.5 km、18.4 km、4.9 km、21.8 km、17.2 km和4.3 km。試驗時，選擇了1名具有多年駕駛經驗的駕駛員，要求被測試車輛在各道路上的行駛速度不超出限速規(guī)定，盡可能反映車輛在被測道路上的實際行駛狀況，消除人為因素對試驗結果的影響。

2.2 試驗樣車及設備

試驗樣車為某公司生產的裝備有TDI 1.9L直列四缸電控泵噴嘴高壓直噴渦輪增壓柴油機的柴油乘用車，其整車主要技術參數如表1所列。

表1 試驗樣車主要參數

試驗設備為日本Horiba公司生產的OBS-2200車載排放測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由氣體分析儀單元、計算機、附屬傳感器和皮托管流量計組成。采用FID分析儀測量THC濃度，由HNDIR分析儀測量CO、CO2濃度，由CLD分析儀測量NOx濃度。同時，運用GPS測量車輛運行中的行駛速度及經緯度，絕對位置誤差小于5 m，利用DGPS技術矯正的速度精度達 0.1 m/s，時間分辨率為 1 μs。

2.3 試驗方案

根據選擇的試驗路線，對柴油乘用車進行道路工況采集試驗。試驗共持續(xù)30天，包含工作日和休息日，每天進行 2 次試驗，試驗時間為上午8:00～11:30和下午13:00～16:30。 經對車輛30天的行駛數據進行分析，得到上海市典型道路的行駛工況特性，在此基礎上進行柴油乘用車典型道路排放特性試驗，分析柴油乘用車在典型道路上的HC、CO、NOx和CO2排放特性。

3 試驗結果與分析

3.1 柴油乘用車上海市典型道路行駛特征

對獲得的車輛行駛工況數據進行統(tǒng)計，得到該柴油乘用車在上海市典型道路上行駛的平均車速、最高車速、平均加速度等行駛特征參數，如表2所列。

由表2可知，試驗車輛在試驗路線上的平均車速為32.8 km/h，最高車速為120.3 km/h，平均加速度為0.53 m/s2，平均減速度為-0.58 m/s2，怠速比例為18.58%，與相關文獻中上海行駛循環(huán)平均車速較低等特點相一致[10]。

3.2 車速對尾氣排放的影響

為分析車輛行駛速度對尾氣排放的影響，將車輛行駛中的（0，10）， （10，20）， （20，30），… ，（110，120）共12個速度區(qū)間勻速狀態(tài)下的排放率進行平均處理，得到 THC、CO、NOx、CO2的單位時間排放率與車速的關系曲線，如圖2所示。為對比方便，圖2中將THC排放值放大了10倍。

表2 柴油乘用車上海市典型道路行駛特征

由圖2可看出，測試車輛的氣態(tài)排放物THC、CO、NOx、CO2的單位時間排放率隨車速的增加而增加，當車速超過90 km/h后，車輛的NOx和CO2的單位時間排放率急劇增加。這是因為，當車速超過90 km/h時，發(fā)動機轉速和負荷增加，超出了發(fā)動機較佳工作區(qū)域，燃油消耗增加，導致其CO2排放增加；同時，此時發(fā)動機缸內溫度較高，導致其NOx排放增加。

3.3 加速度對尾氣排放的影響

為分析車輛加速度對尾氣排放的影響，選取0～20 km/h、20～50 km/h、50～80 km/h 和 80 km/h 以上等4個速度區(qū)間，分別代表柴油乘用車行駛過程中的低速、中低速、中高速和高速行駛狀態(tài)；將加速度分成 （-∞，-1）、（-1，-0.6）、（-0.6，-0.3）、（-0.3，-0.1）、（-0.1，0.1）、 （0.1，0.3）、 （0.3，0.6）、 （0.6，0.9）、（0.9，1.3）、（1.3，2）、（2，∞） 共 11 個加速度區(qū)間，分別計算各區(qū)間內的排放率。圖3為柴油乘用車THC、CO、NOx、CO2的單位時間排放率與加速度的關系曲線。

由圖3可看出，不同污染物的單位時間排放率在不同速度段內的大小不同，隨加速度增大而增加的程度也不盡相同，但升高的趨勢一致。這是因為，隨車輛加速度的增加，發(fā)動機的負荷增大，一方面，噴油量增加導致CO2排放增加；另一方面，噴油量增加導致缸內混合氣產生過濃區(qū)的可能性增大，同時燃燒時間相對變短，THC、CO排放增加；另外，由于車輛加速時發(fā)動機的負荷增大，熱負荷增加，則NOx排放增加。當車輛減速行駛時，在急減速工況，發(fā)動機負荷突然減小，轉速下降導致混合氣過濃，HC排放增加。

3.4 行駛模式對排放物的影響

圖4為柴油乘用車在怠速（v=0）、加速（v≠0且a＞0.1 m/s2）、減速（v≠0 且 a＜-0.1 m/s2）和勻速（v≠0且-0.1 m/s2≤a≤0.1 m/s2） 等行駛模式下的 THC、CO、NOx、CO2排放率。

由圖4可看出，柴油乘用車實際道路的THC、CO、NOx、CO2污染物瞬時排放率在加速時最高，勻速次之，怠速最低。加速模式時，THC的平均排放率分別是勻速和減速模式時的1.09倍和1.92倍；CO的平均排放率分別是勻速和減速模式時的1.0倍和4.06倍；NOx的平均排放率分別是勻速和減速模式時的1.11倍和2.01倍；CO2的平均排放率分別是勻速和減速模式時的1.12和2.11倍。導致上述現象的主要原因是，車輛加速時需要通過增加燃油供應以提供足夠的能量完成加速過程，發(fā)動機通常處于富燃、大負荷狀態(tài)，排放物的排放率 （特別是CO等不完全燃燒產物）增加；減速和怠速時供油較少，排放率較低。

4 結束語

針對某柴油乘用車進行了上海市典型道路的車載排放測試，分析了該車在典型道路上的行駛特征及車輛的實際道路 THC、CO、NOx、CO2排放特性。 試驗用柴油乘用車實際道路行駛工況具有平均車速較低等特點，行駛時主要為加速、減速的行駛模式，其行駛時間和行駛里程分別占整個行駛時間的63.6%和行駛里程的83.2%。被測試車輛實際道路行駛工況的 THC、CO、NOx、CO2污染物排放率隨車輛的行駛速度、加速度的增加而增大，當車速超過90 km/h后，其NOx和CO2的單位時間排放率急劇增加。

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