不同測(cè)試循環(huán)工況下的輕型車污染物排放特性分析

張鵬宇， 張新宇， 郝利君， 王雪松

(1. 北京現(xiàn)代汽車有限公司，北京101300；2. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

不同測(cè)試循環(huán)工況下的輕型車污染物排放特性分析

張鵬宇1， 張新宇1， 郝利君2， 王雪松1

(1. 北京現(xiàn)代汽車有限公司，北京101300；2. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

歐盟6c階段輕型車排放測(cè)試循環(huán)(WLTC工況)和美國(guó)輕型車排放測(cè)試循環(huán)(FTP-75工況)均為瞬態(tài)工況，與NEDC工況相比，更接近實(shí)際行駛狀況.行駛工況對(duì)車輛的排放特性具有至關(guān)重要的影響.為了對(duì)比各排放測(cè)試循環(huán)，選用4種不同車型分別進(jìn)行WLTC工況、NEDC工況和FTP-75工況的排放試驗(yàn)，分析不同循環(huán)工況下污染物的排放特性，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)WLTC工況對(duì)污染物排放控制要求更加嚴(yán)苛，為車輛生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)變化升級(jí)提供參考.

排放標(biāo)準(zhǔn)，行駛工況，污染物，排放特性

近幾年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展正處于持續(xù)提升階段，機(jī)動(dòng)車保有量穩(wěn)步增長(zhǎng).與此同時(shí)，機(jī)動(dòng)車尾氣排放帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日益加劇，以PM10、PM2.5為特征污染物的區(qū)域性環(huán)境問(wèn)題日益突出[1].中國(guó)自2001年起開(kāi)始實(shí)施輕型汽車污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[2]，2016年5月12日，國(guó)家環(huán)保部發(fā)表國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)征求意見(jiàn)稿[3]，首次提出使用WLTC工況(World Light Vehicle Test Cycle)取代NEDC工況(New European Driving Cycle)進(jìn)行排放試驗(yàn)，并分階段加嚴(yán)限值，增加顆粒物數(shù)量(PN)要求.

行駛工況對(duì)車輛的排放特性具有至關(guān)重要的影響.本文選取多輛不同配置，狀態(tài)良好的在售輕型車進(jìn)行工況對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)分析車輛排放試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出不同工況下污染物的排放特性，并對(duì)污染物的排放特性進(jìn)行分析.

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在專門的排放試驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備同時(shí)滿足GB18352.5-2013國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，EPA美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，及EURO歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的所有要求.

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所使用的排放測(cè)試系統(tǒng)包括如下設(shè)備.

(1)AVL-48英寸底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)

由控制計(jì)算機(jī)(MMI)、電力測(cè)功機(jī)、轉(zhuǎn)鼓、迎面風(fēng)機(jī)、測(cè)量控制柜等設(shè)備構(gòu)成，可用于進(jìn)行前驅(qū)車、后驅(qū)車、四驅(qū)車的排放試驗(yàn).

(2)Horiba-7000系列氣體分析儀

氣體分析儀由排氣稀釋系統(tǒng)、氣體排放物測(cè)量系統(tǒng)、顆粒物質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)和主控系統(tǒng)組成.氣體測(cè)量系統(tǒng)包括CO/CO2分析單元、THC分析單元、CH4分析單元和NOx分析單元.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)車輛均采用國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的在售輕型車型，基本參數(shù)如表1所示.考慮到影響車輛排放結(jié)果的因素很多，車輛狀態(tài)、設(shè)備條件、環(huán)境條件、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)因素、駕駛員因素等[4].本試驗(yàn)過(guò)程在同一駕駛員，相同燃料汽油，保證試驗(yàn)條件穩(wěn)定，車輛狀態(tài)良好的條件下進(jìn)行排放試驗(yàn).同一車輛分別進(jìn)行NEDC工況(國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn))，WLTC工況(歐洲標(biāo)準(zhǔn))和FTP-75工況(Federal Test Procedure -75，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn))的排放試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析比較，總結(jié)出不同工況下的污染物排放特性.

(1)試驗(yàn)車輛參數(shù)

試驗(yàn)車輛均選用市場(chǎng)在售輕型車，驅(qū)動(dòng)輪輪胎壓力控制在230kPa，燃油加注到油箱的40%，排放水平達(dá)到國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)要求，車輛狀態(tài)穩(wěn)定.試驗(yàn)中選定的試驗(yàn)車型信息如表1所示.

表1 試驗(yàn)車輛基本信息表

(2)工況特性分析

試驗(yàn)中分別采用3種不同工況進(jìn)行車輛排放試驗(yàn)，其中NEDC工況由勻速行駛、勻加速/減速和怠速行駛組成.而WLTC和FTP-75工況在整個(gè)試驗(yàn)循環(huán)周期內(nèi)車速不斷發(fā)生變化，加減速頻繁，又稱為瞬態(tài)工況.工況特性分析如下表2所示.

表2 NEDC、FTP-75、WLTC 工況對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

選擇4種不同在售車型分別進(jìn)行三種測(cè)試循環(huán)工況排放試驗(yàn)，對(duì)比排放污染物中一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)和氮氧化物(NOx)的含量，分析不同工況下的車輛排放特性，并說(shuō)明原因.

2.1 CO排放特性

CO是汽油中烴類燃料燃燒的中間產(chǎn)物，當(dāng)O2不充足時(shí)，易造成部分燃料燃燒不充分而生成CO.從圖1中結(jié)果可以看出，WLTC工況下，CO排放量最高，NEDC次之，F(xiàn)TP工況下CO排放量最低.在排放循環(huán)中，CO的生成主要集中在3個(gè)部分：?jiǎn)?dòng)開(kāi)環(huán)階段、閉環(huán)暖機(jī)階段、急加速過(guò)渡工況和高轉(zhuǎn)速階段.

圖1 不同工況下CO排放結(jié)果對(duì)比

分析圖2中不同工況下的CO瞬態(tài)排放數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，3種工況下CO排放的峰值主要發(fā)生在冷啟動(dòng)階段，主要由于發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)燃料加濃導(dǎo)致CO排放增加.WLTC工況下的冷啟動(dòng)和高速階段，是造成CO排放明顯高于其他工況的主要原因.FTP工況下，雖然冷啟動(dòng)階段CO排放高于NEDC，但其計(jì)算方法與WLTC和NEDC不同，冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)階段采用不同加權(quán)系數(shù)計(jì)算最終結(jié)果，其熱啟動(dòng)階段幾乎不產(chǎn)生CO排放，因此最終排放結(jié)果低于NEDC工況.

圖2 不同工況下CO瞬時(shí)排放

2.2 HC排放特性

尾氣中HC的來(lái)源有很多可能，缸壁激冷反應(yīng)及不完全燃燒等.圖3中結(jié)果表明，NEDC工況下HC排放量最高，相比NEDC工況，WLTC工況HC排放下降20%，F(xiàn)TP工況HC排放降低50%.在排放循環(huán)中，HC的生成主要集中在啟動(dòng)、開(kāi)環(huán)和暖機(jī)循環(huán)階段以及高速階段.

圖3 不同工況下HC排放結(jié)果對(duì)比

圖4中，不同工況下的HC瞬時(shí)排放結(jié)果表明，冷啟動(dòng)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)還未充分熱機(jī)，3工況下的HC排放都很高，其中FTP-75與WLTC工況的排放峰值基本持平，均高于NEDC工況.WLTC工況的高速階段仍有一定的HC生成，此階段急加速較多，噴油量增加，燃燒不充分導(dǎo)致HC增加，但催化器的儲(chǔ)氧能力有限不足以釋放足夠的氧氣，HC排放惡化.雖然NEDC工況下瞬時(shí)排放并不是最高，但其全工況運(yùn)行距離不足WLTC工況的一半，導(dǎo)致其按km計(jì)算排放結(jié)果最高，而FTP則依然因?yàn)榧訖?quán)系數(shù)計(jì)算方法導(dǎo)致結(jié)果最低.

2.3 NOx排放特性

NOx是指NO、NO2、N2O、N2O3等氮氧化物的總稱，其生成的機(jī)理主要是高溫、富氧以及足夠的反應(yīng)時(shí)間.圖5中結(jié)果表明，NEDC工況下NOx排放量最低，相比NEDC工況，F(xiàn)TP工況NOx排放量增加120%，WLTC工況NOx排放量增加180%.在排放循環(huán)中，NOx的生成主要集中在過(guò)渡急加速和高速階段.

圖4 不同工況下HC瞬時(shí)排放

圖5 不同工況下NOx排放結(jié)果對(duì)比

圖6中，NOx的瞬時(shí)排放結(jié)果表明：不同工況下，在車輛急加速和高速運(yùn)行階段條件下，NOx排放較高.NEDC工況為穩(wěn)態(tài)工況，共有加速16次，減速18次，且均為勻加/減速，因此NOx排放最低.WLTC和FTP-75工況為瞬態(tài)工況，具有頻繁的速度變化，且非勻速變化，導(dǎo)致各階段的NOx排放都明顯高于NEDC.WLTC工況的平均速度及最大加/減速均高于FTP工況，這可能是導(dǎo)致WLTC工況NOx排放最高的原因，也是應(yīng)對(duì)排放標(biāo)準(zhǔn)需要重點(diǎn)調(diào)整的方面.

圖6 不同工況下NOx瞬時(shí)排放

3 結(jié) 論

綜合以上分析，通過(guò)對(duì)比WLTC工況、NEDC工況和FTP-75工況結(jié)果，行駛工況對(duì)排放結(jié)果產(chǎn)生較大影響，結(jié)論如下.

1)WLTC工況下，由于車速的頻繁變化以及較高的平均車速，導(dǎo)致CO和NOx排放量最高.

2)FTP工況下，各污染物瞬時(shí)排放也較高，但由于冷啟動(dòng)與熱啟動(dòng)階段的加權(quán)系數(shù)的計(jì)算方式，最終計(jì)算結(jié)果并不明顯.

3)NEDC是穩(wěn)態(tài)工況，污染物排放水平相對(duì)較低，且均集中在冷啟動(dòng)階段，但由于其工況距離較短，導(dǎo)致HC排放最高.

因此，采用WLTC工況將對(duì)車輛的污染物排放控制要求更加嚴(yán)苛，各車輛生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)及時(shí)做好調(diào)整應(yīng)對(duì)，使車輛滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求.

[1] 謝生偉.機(jī)動(dòng)車尾氣污染現(xiàn)狀與對(duì)策研究[J]. 大眾汽車,2013,4(2):18-19.

[2] GB 18352.3-2001, 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第Ⅰ階段)[S].北京:環(huán)境保護(hù)部,2001.

[3] 輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第Ⅵ階段)(征求意見(jiàn)稿). 北京: 環(huán)境保護(hù)部, 2016.

[4] 崔正來(lái),高俊華,陸紅雨.影響法規(guī)試驗(yàn)的試驗(yàn)條件[C].上海:2005中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)制造年會(huì), 2005,11.

Analysis of Pollutant Emission Characteristics for Light-dutyVehicles under Different Test Cycles

ZHANG Peng-yu1， ZHANG Xin-yu1， HAO Li-jun2， WANG Xue-song1

(1. Beijing Hyundai Motor Co., Ltd.，Beijing 101300，China； 2. School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of technology，Beijing 100081，China)

A transient driving cycle used in EU6c (WLTC driving cycle) and U.S. standards (FTP-75 driving cycle), compared with the New European Driving Cycle (NEDC), is much closer to the actual driving situations, which has a significant influence on the vehicle emission characteristics. Four different light-duty vehicles are chosen to carry out the emission tests under the driving cycles of WLTC, NEDC and FTP-75 respectively, and the pollutants emission characteristics is analyzed. The results from comparative tests show that there are more stringent requirements for the pollutant emission control in WLTC cycles, providing reference for manufacturers to respond to the upgrades in emissions standards.

emission standards；driving cycle；pollutant；emission characteristics

1009-4687(2016)04-0010-03

2016-9-6

張鵬宇(1983 - )，男，工程師，碩士.

TK417

A