海拔對輕型柴油車實際駕駛排放的影響

馬志成， 付鐵強， 戴春蓓， 郭紅松， 王勃， 閆峰

(中國汽車技術研究中心， 天津 300300)

海拔對輕型柴油車實際駕駛排放的影響

馬志成， 付鐵強， 戴春蓓， 郭紅松， 王勃， 閆峰

(中國汽車技術研究中心， 天津 300300)

在青海省選擇海拔為1 900 m，2 200 m，2 400 m和3 000 m的4個環(huán)境點，對一輛輕型柴油車按照實際駕駛排放(RDE)測試要求進行試驗，并利用移動平均窗口法處理數(shù)據(jù)，得到車輛實際駕駛排放數(shù)據(jù)。對車輛的排放結(jié)果進行了評估，并分析了海拔對排放的影響。結(jié)果表明：隨著海拔的增加，CO與PN排放先增加后減小，在2 400 m時出現(xiàn)最大值，NOx排放先減小后增加，在2 400 m處出現(xiàn)最小值；4個海拔點CO與PN排放值均低于法規(guī)限值，NOx排放值均高于法規(guī)限值，符合性系數(shù)分別為7.44，7.11，6.44，8。

輕型柴油車； 實際駕駛排放； 移動平均窗口法； 排放測量

改革開放以來，中國機動車保有量呈指數(shù)型增長，截至2016年6月底，全國機動車保有量達2.85億輛。機動車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展也給環(huán)境帶來了巨大的污染。針對日益嚴重的機動車排放，各國都制定了嚴格的法規(guī)來加強對機動車排放的監(jiān)管和控制。試驗室檢測法是當前車輛排放管理的主要措施，但是它只能測量在某些特定工況下(如NEDC，F(xiàn)TP75等)車輛的排放水平，而在實際道路行駛過程中，車輛的行駛工況千變?nèi)f化，再加上環(huán)境條件的差異，車輛的排放都是極其不同。研究表明，車輛的實際道路排放要比試驗室測得的排放值高很多[1-3]。國際清潔交通委員會(ICCT)使用便攜式排放測試系統(tǒng)(PEMS)測量了15輛相當于歐Ⅵ排放標準的柴油乘用車實際道路排放，其中10輛采用SCR控制技術，4輛采用EGR控制技術，1輛采用LNT控制技術。研究報告指出，目前歐洲地區(qū)的歐Ⅵ排放標準柴油車平均實際的氮氧化物排放水平高出歐Ⅵ排放標準限值7倍多，15輛車中只有1輛采用SCR技術的柴油車實際排放滿足歐Ⅵ限值[4-5]。北京理工大學與中國環(huán)境科學研究院的葛蘊珊、丁焰等人應用PEMS測試了北京市車輛在實際道路上的污染物排放特征，結(jié)果表明實際道路上的排放明顯高于試驗室認證工況下的排放，空調(diào)的開啟導致公交車的排放明顯惡化[6]。所以，有必要測量車輛實際駕駛排放(RDE)，RDE試驗指利用PEMS測量車輛的實際道路排放。目前，《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》征求意見稿已經(jīng)發(fā)布，其中將RDE試驗定為Ⅱ型試驗。

歐洲平均海拔只有340 m，海拔在200 m以下的平原約占全洲總面積的60%。而中國海拔1 000 m以上的土地面積占全國陸地面積60%，3 000 m以上的占16%[7]。隨著機動車保有量的不斷增長，高海拔城市的機動車排放總量和分擔率也不斷增加，所以在中國有必要考慮海拔因素對機動車排放的影響。

綜上所述，本研究采用PEMS在不同海拔對一輛國Ⅴ輕型柴油車進行RDE試驗，得到車輛的實際駕駛排放數(shù)據(jù)，并分析海拔對其排放的影響。

1 試驗設備與方法

1.1 測試車輛

本研究中使用的試驗車輛為2014年生產(chǎn)的2.0 L渦輪增加手動擋輕型柴油車，滿足國Ⅴ排放標準，排放控制技術為DPF+EGR。試驗燃油為95號(Ⅴ)汽油，相關參數(shù)見表1。該車在試驗室轉(zhuǎn)鼓上的NEDC循環(huán)排放結(jié)果以及國Ⅴ標準限值見表2。從表中可以看出該車排放滿足國Ⅴ限值。

表1 試驗用油相關參數(shù)

表2 NEDC循環(huán)排放結(jié)果及國Ⅴ標準限值

1.2 試驗要求

按照《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》征求意見稿以及歐Ⅵ標準中的要求，整個測試過程持續(xù)時間應在 90～120 min之間，試驗開始點和結(jié)束點之間的海拔差不得超過100 m。應由外部電源為PEMS 供電，不能直接或間接從試驗車輛獲取電能。車輛基本載荷應包含駕駛員、試驗人員(如適用)和試驗裝備(包括安裝支架和電源設備等)，基本載荷和附加載荷的總和不超過車輛最大載荷的90%。

試驗由市區(qū)、郊區(qū)和高速路段組成，且各自行駛里程均要大于等于16 km。市區(qū)行駛車速在60 km/h以下，市郊行駛車速在60～90 km/h之間，高速公路行駛車速大于90 km/h。行駛路線應包括34%的市區(qū)路段、33%的市郊路段和33%的高速路段，上述各段行駛比例誤差應控制在±10%以內(nèi)，但是市區(qū)路段的行駛比例不能低于總行駛距離的29%。在道路行駛試驗中，市區(qū)行駛的平均車速(包括停車)應在15～30 km/h之間。停車階段的定義是實際車速小于1 km/h的時段，至少應占市區(qū)行駛時間的10%，市區(qū)行駛應包含10 s 或更長時間的停車階段，但停車階段不能過長，總停車時間不能超過市區(qū)行駛時間的80%。高速段行駛至少應覆蓋90～110 km/h的車速范圍，車速高于100 km/h的時間至少5 min。正常情況下，車速應不超過145 km/h，在不超過高速公路段行駛時間3%的時間內(nèi)，最高車速最多可增加 15 km/h[8]。

1.3 測試設備

本次試驗所用車載設備PEMS的氣體分析儀可以測量CO2，CO，NOx，HC；顆粒測量設備可以測量排氣中的顆粒物質(zhì)量以及顆粒物數(shù)量(PN)；GPS可以逐秒記錄車輛行駛過程中的地理位置、海拔和車速；氣象站可以記錄環(huán)境溫度以及相對濕度；PEMS還可以記錄車輛ECU中相關的數(shù)據(jù)。試驗過程中，車輛尾氣經(jīng)排氣管進入流量計(EFM)，測得尾氣的總流量和溫度等，再經(jīng)過流量計后的取樣孔進入氣體分析儀與顆粒設備，分析得到排放數(shù)據(jù)。試驗前要對設備進行泄漏檢查、調(diào)零與標定等，試驗后要進行漂移檢查。

氣體分析儀分別使用不分光紅外分析法(NDIR)測試CO，CO2，使用不分光紫外分析法(NDUV)測試NOx，使用氫火焰離子化檢測儀(FID)測試HC。由于高海拔地區(qū)壓力較低，氧濃度較小，F(xiàn)ID可能無法正常點火，所以此次試驗不測量HC。進行RDE試驗前，先在試驗室進行了車載設備與CVS系統(tǒng)的比對試驗，以確保后續(xù)RDE試驗結(jié)果的準確性。比對試驗采取串聯(lián)方式，尾氣先經(jīng)過PEMS再流經(jīng)CVS系統(tǒng)。表3列出車載設備與試驗室CVS系統(tǒng)對比試驗的結(jié)果。其中CO2，CO以及NOx排放相差都在6%以內(nèi)，PN相差78.35%。PN相差較大主要是兩套設備的稀釋系統(tǒng)以及PN的取樣位置不同造成的。車載設備在其流量計后直接采樣，再經(jīng)過稀釋10倍后送入分析儀；而CVS系統(tǒng)是在定容稀釋(稀釋后固定流量為10.4 m3/min，第一階段平均稀釋比為40.858，第二階段平均稀釋比為18.114)后再取樣，然后再經(jīng)過兩級稀釋(750倍)后送入分析儀。兩套設備的PN取樣點位置大概相差6 m。圖1為設備比對試驗示意，圖2為RDE試驗的示意。

表3 PEMS與試驗室CVS系統(tǒng)比對結(jié)果

1.4 試驗環(huán)境與工況

由于目前車載設備在3 000 m海拔以上時無法保證精度和正常使用，所以本試驗海拔最高為3 000 m。在青海省選擇了4個海拔點進行試驗，分別為1 900 m，2 200 m，2 400 m和3 000 m。依照上述RDE試驗的要求進行試驗。4個海拔點的試驗環(huán)境見表4，其中平均溫度最大相差0.87 ℃，相對濕度最大相差1.2%，差別都很小。

圖1 設備比對試驗示意

圖2 RDE試驗示意

將4個海拔點試驗的車輛速度以5 km/h的間隔分為24段，并統(tǒng)計各段的時間占比(見圖3)，各段相差最大為1.48%；將4個試驗的加速度以0.25 m/s2的間隔分為14段，并統(tǒng)計各段時間占比，各段相差最大為2.99%(見圖4)。

從表4、圖3與圖4可以看出4個海拔點試驗的環(huán)境溫度和環(huán)境濕度沒有太大差別，試驗工況以及駕駛情況也幾乎相同，所以可以認為4個試驗的排放結(jié)果差異是由海拔高度的不同造成的。

表4 4個海拔點試驗環(huán)境情況

圖3 4個海拔點試驗速度分布

2 試驗結(jié)果與分析

本次研究采用移動平均窗口法處理車輛排放數(shù)據(jù)，得到車輛實際駕駛排放結(jié)果。移動平均窗口法的具體原理可以參閱《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》征求意見稿。

圖4 4個海拔點試驗加速度分布

2.1 實際駕駛排放的評估

表5列出了4個海拔點的試驗結(jié)果。定義符合性系數(shù)CF為排放結(jié)果與法規(guī)限值之比。

表5 4個海拔點試驗污染物排放結(jié)果

CO排放的最大值為0.22 g/km，出現(xiàn)在海拔2 400 m時。各海拔下的CO排放均低于國Ⅴ限值，符合性系數(shù)CF分別為0.192，0.26，0.44，0.36。

PN排放的最大值為2.10×1010個/km，出現(xiàn)在海拔2 400 m時。由于試驗車輛加裝了DPF，有效地捕集了尾氣中顆粒物，使得各海拔下PN排放均低于國Ⅴ限值，符合性系數(shù)CF分別為0.006 8，0.008 4，0.035，0.02。

NOx排放的最大值為1.44 g/km，出現(xiàn)在海拔3 000 m時。各海拔下NOx排放均高于國Ⅴ限值，符合性系數(shù)CF分別為7.44，7.11，6.44，8。該結(jié)論與國際交通委員會(ICCT)研究報告得出的結(jié)論相符合。

2.2 海拔對實際駕駛排放的影響

圖5示出不同海拔時CO，NOx和PN的排放。隨著海拔的增加，CO和PN排放出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，均在海拔2 400 m時達到最大值；NOx排放出現(xiàn)先降低后增加的趨勢，在海拔2 400 m時達到最小值。海拔由1 900 m升高到2 400 m時，CO和PN排放增幅分別為129.2%和414.7%，NOx排放降幅為13.43%。

圖5 不同海拔下車輛排放

隨著海拔增加，環(huán)境壓力降低，海拔1 900 m，2 200 m，2 400 m，3 000 m測得的平均環(huán)境壓力分別為80.96 kPa，77.41 kPa，75.99 kPa，70.87 kPa。壓力降低導致空氣密度減小，同工況下發(fā)動機進氣量減小，發(fā)動機處于缺氧狀態(tài)。有研究表明，隨著海拔升高，燃油消耗率增加，本次試驗沒有直接測量油耗，但可以通過CO2的排放間接證明此說法。海拔1 900 m，2 200 m，2 400 m，3 000 m試驗的CO2排放分別為169.05，178.79，183.37，189.74 g/km。由于壓力降低，進氣量減小，以及油耗的增加，共同造成了CO排放隨海拔增加而增加。燃燒溫度、氧氣濃度和反應時間共同決定了NOx的生成。環(huán)境壓力降低導致氧含量減少，同時導致燃燒始點推遲，增加了預混合燃燒比例，燃燒持續(xù)期會縮短，最高燃燒溫度增加，但是同時也減少了反應時間，幾者共同決定了NOx隨海拔升高而降低。顆粒生成條件是高溫缺氧，海拔的升高同時滿足了這兩個條件，所以PN隨海拔升高而升高[9-11]。從圖中可以看出海拔2 400 m是個轉(zhuǎn)折點。這是由于《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)》[12]中要求海拔高于2 500 m的條件下OBD系統(tǒng)可以中斷。經(jīng)確認，海拔3 000 m時該試驗車輛OBD系統(tǒng)中斷，EGR開環(huán)不工作，導致NOx排放增加。廢氣中含有一定量的CO與顆粒物，無廢氣進入氣缸又使CO與PN降低。

3 結(jié)束語

本試驗按照《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》征求意見稿中的工況要求進行了RDE試驗，并使用移動平均窗口法對車輛的排放數(shù)據(jù)進行處理并評估排放結(jié)果。4個海拔點的車

輛實際駕駛CO與PN排放均滿足國Ⅴ限值，NOx排放均超出國Ⅴ限值，符合性系數(shù)CF分別為7.44，7.11，6.44，8。

隨著海拔高度增加，環(huán)境壓力降低，CO和PN排放出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，在海拔2 400 m時達到最大值；NOx排放出現(xiàn)先降低后增加的趨勢，在海拔2 400 m時達到最小值。

[1] 杜青，楊延相，鄭偉，等.機動車實際道路排放特性及若干影響因素的研究[J]．內(nèi)燃機學報，2002,20(4)：297-302.

[2] 陳長虹，景啟國，王海鯤，等.重型機動車實際排放特性與影響因素的實測研究[J]．環(huán)境科學學報，2005，25(7)：870-878.

[3] LIU Zhihua，GE Yunshan，JOHNSON K C，et al. Real-world operation conditions and on-road emissions of measurement system and electric low-pressure impactor[J]．Sci Total Environ，2011，409(8)：1476-1480.

[4] 李昆生.中國適合發(fā)展柴油轎車嗎[N]．中國環(huán)境報，2015-9-29(11).

[5] 戴朝典.歐Ⅵ柴油車NOx排放量實測[J]．汽車與配件，2014，47：37.

[6] 葛蘊珊，王愛娟，丁焰，等.PEMS用于城市車輛實際道路氣體排放測試[J]．汽車安全與節(jié)能學報，2010，1(2)：141-145.

[7] 倪紅，趙偉，劉樂，等.不同海拔對汽油車排放與油耗影響的研究[J]．汽車工程學報，2014，36(10)：1205-1209.

[8] EU.Amending Commission Regulation (EC) No692/2008 as regards emissions from light passenger and commercial vehicles (Euro 6) [EB/OL]．(2015). https://circabc.europa.eu/sd/a/751657be-f83b-49d8-9454-f53f4ecd30af/1515125-RDE%20act.pdf.

[9] 聶存慶.高海拔地區(qū)汽車排放特性研究[J]．科學之友，2012(16)：141-144.

[10] 趙偉，葛蘊珊，譚建偉.不同海拔工況下發(fā)動機排放特性研究[C]//中國內(nèi)燃機學會燃燒節(jié)能凈化會2011年學術年會論文集.天津:中國內(nèi)燃機學會燃燒節(jié)能凈化分會，2011.

[11] 余林嘯，葛蘊珊，譚建偉，等.重型柴油機在不同海拔地區(qū)的燃燒與排放特性[J]．內(nèi)燃機學報，2013,31(6)：507-602.

[12] 國家環(huán)境保護部.GB 18352.5—2013 輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)[S]．北京：中國環(huán)境科學出版社，2013.

[編輯： 袁曉燕]

Effects of Altitude on Real Driving Emission of Light-duty Diesel Vehicle

MA Zhicheng, FU Tieqiang, DAI Chunbei, GUO Hongsong, WANG Bo, YAN Feng

(China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300, China)

The real driving emissions of a light-duty diesel vehicle at plateau areas of 1 900 m, 2 200 m, 2 400 m and 3 000 m in Qinghai province were tested and the collected data were processed with the moving average window method to form the emission data. The vehicle emission results were evaluated and the effects of altitude on emissions were analyzed. The results indicate that the CO and PN emissions first increase and then decrease with the increase of altitude and reach the peak at 2 400 m. However, NOxemissions first decrease and then increase and reach the minimum at 2 400 m. In addition, CO and PN emissions and NOxemissions in four areas are lower and higher than the regulated limits respectively and the conformity factors are 7.44, 7.11, 6.44 and 8.

light-duty diesel vehicle; real driving emission(RDE); moving average window method; emission measurement

2016-07-18；

2016-12-16

馬志成(1990—)，男，工程師，碩士，主要研究輕型汽車實際駕駛排放；mazhicheng0723@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.017

TK421.5

B

1001-2222(2017)04-0084-04