輕型車實(shí)際行駛污染物排放特性試驗(yàn)研究*

汪曉偉 李騰騰 景曉軍 李 迎

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

2016年中國(guó)汽車產(chǎn)銷均超2 800萬(wàn)輛，連續(xù)八年蟬聯(lián)全球第一。隨著汽車保有量的急劇增加，機(jī)動(dòng)車排放引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題也日益突出。為控制機(jī)動(dòng)車排放，我國(guó)制定了嚴(yán)格的法規(guī)，但法規(guī)的排放檢測(cè)方法都是基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試循環(huán)。有大量研究表明，目前所使用的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試循環(huán)不能覆蓋實(shí)際行駛情況下的運(yùn)行工況[1-3]，而且部分汽車廠商會(huì)通過(guò)軟件來(lái)識(shí)別實(shí)驗(yàn)室測(cè)試循環(huán)從而自動(dòng)切換ECU標(biāo)定達(dá)到通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試循環(huán)排放的目的[4-5]。因此，車輛的實(shí)驗(yàn)室排放測(cè)試結(jié)果與實(shí)際排放狀況可能存在較大差異。為了進(jìn)一步嚴(yán)控機(jī)動(dòng)車排放，中國(guó)于2016年底發(fā)布了輕型車國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)（GB 18352.6—2016）[6]。與國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)相比，國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)顯著不同是將實(shí)際行駛污染物排放（RDE）試驗(yàn)定為Ⅱ型試驗(yàn)。但國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)輕型車RDE排放研究還較少?；诖?，本文選取了4輛在用輕型車，其中包括3輛汽油車和1輛柴油車，使用便攜式車載排放測(cè)量系統(tǒng)（PEMs）按照國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)要求的RDE測(cè)試循環(huán)進(jìn)行了實(shí)際行駛排放測(cè)試，以探尋輕型車在實(shí)際行駛條件下的污染物排放特性。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 測(cè)試車輛和測(cè)試設(shè)備

被測(cè)車輛的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。4輛車輛中包括3輛直噴汽油車和1輛直噴柴油車。對(duì)于汽油車，其后處理類型均為三元催化轉(zhuǎn)化器（TWC）。對(duì)于柴油車，其后處理類型為柴油機(jī)顆粒氧化催化器（DOC）和柴油機(jī)顆粒捕集器（DPF）。所用燃料為滿足國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)的市售燃油。

表1 被測(cè)車輛主要技術(shù)參數(shù)

為確定被測(cè)車輛排放狀況，4輛車均在輕型車轉(zhuǎn)轂上按照法規(guī)要求進(jìn)行了NEDC循環(huán)排放測(cè)試，其結(jié)果見(jiàn)表2。由于國(guó)Ⅵ之前的排放法規(guī)并沒(méi)有規(guī)定顆粒物數(shù)量（PN）排放的限值，因此可以認(rèn)為3種污染物排放均滿足當(dāng)時(shí)的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，表明其整車及后處理系統(tǒng)處于良好運(yùn)行的狀態(tài)。

表2 NEDC測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)采用奧地利AVL公司生產(chǎn)的AVL M.O.V.E便攜式車載排放車輛系統(tǒng)（PEMs）。該套PEMs系統(tǒng)包括尾氣氣態(tài)污染物分析系統(tǒng)（GAS PEMs）、尾氣顆粒物數(shù)量分析系統(tǒng)（PN PEMs）、尾氣流量計(jì)（EFM）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、溫濕度儀、OBD 記錄儀等設(shè)備。其中GAS PEMs采用不分光紅外分析儀（NDIR）來(lái)測(cè)量尾氣中的CO和CO2，采用紫外線分析儀（NDUV）來(lái)測(cè)量尾氣中的NO和NO2。而PNPEMs則是利用擴(kuò)散充電的原理（DC），通過(guò)法拉第籠電位計(jì)來(lái)測(cè)量尾氣中的顆粒數(shù)量。由于儀器設(shè)備限制，本文只對(duì)B車進(jìn)行了顆粒物數(shù)量的測(cè)試，其它3輛車均未進(jìn)行顆粒物數(shù)量的測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)路線

按照國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)的要求，試驗(yàn)路線需要覆蓋市區(qū)、市郊和高速3種道路，且每個(gè)速度區(qū)間至少行駛16 km，且每個(gè)速度區(qū)間的距離占比要求分別為：市區(qū)（29%～44%）、市郊（23%～43%）、高速（23%～43%）?？倳r(shí)間需控制在90～120 min。對(duì)于市區(qū)平均車速和停車時(shí)間也有相應(yīng)的要求。最終選取的路線能滿足國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于RDE測(cè)試的要求，且郊區(qū)工況是在高速公路上以車速在60 km/h到90 km/h的范圍內(nèi)行駛[7]。實(shí)際行駛的速度曲線如圖1所示，試驗(yàn)路線依次按市區(qū)、市郊和高速連續(xù)行駛。

圖1 實(shí)際行駛的速度曲線

此外，國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)對(duì)RDE測(cè)試指定了擴(kuò)展的環(huán)境條件。表3列出了這些RDE測(cè)試所對(duì)應(yīng)的環(huán)境條件，其中B車的平均溫度為32.13℃，92%的行駛時(shí)間內(nèi)其環(huán)境溫度達(dá)到了擴(kuò)展的溫度條件（30～35℃），其對(duì)應(yīng)的排放將除以1.6的系數(shù)，其它3輛車的環(huán)境溫度均為非擴(kuò)展的普通溫度條件。平均海拔均為非擴(kuò)展的普通海拔條件。

表3 RDE測(cè)試的環(huán)境條件

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果采用PEMs后處理軟件進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)移動(dòng)窗口平均法（MAW）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。按照國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)要求，在排放結(jié)果的計(jì)算時(shí)并不考慮冷啟動(dòng)排放。其中冷啟動(dòng)定義為發(fā)動(dòng)機(jī)第一次啟動(dòng)后的最初5 min?；蛘呷绻艽_定冷卻液溫度，則當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到70℃且未超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)第一次啟動(dòng)后的5 min，則判定冷啟動(dòng)結(jié)束。

2.1 符合性分析

符合性因子（CF）定義為每一種污染物實(shí)際行駛排放結(jié)果和相應(yīng)排放限值之比[6，8-9]。

式中：下標(biāo)j代表排放污染物。Ereal為RDE污染物排放量，Enorm為法規(guī)限值。在這里，法規(guī)限值采用原車設(shè)計(jì)所滿足排放標(biāo)準(zhǔn)限值（即如果該車滿足國(guó)V排放，則用國(guó)V限值）。

按照國(guó)Ⅵ法規(guī)要求，NOx和PN的符合性因子限值為2.1，而CO的符合性因子待定。

A～D車RDE污染物排放符合性因子如圖2所示。由圖可以看出，4輛車的符合性因子均遠(yuǎn)低于法規(guī)限值。對(duì)于柴油車，其NOx的符合性因子略高，為1.74，但也在法規(guī)規(guī)定的限值以內(nèi)。

圖2 A～D車RDE測(cè)試污染物排放符合性因子

其原因主要包括如下幾個(gè)方面：

1）A～D車原來(lái)的排放就很低。如前面的表2所示的NEDC循環(huán)排放量，氣態(tài)污染物的排放值均大大低于法規(guī)要求的排放限值。以NEDC循環(huán)污染物排放量計(jì)算的當(dāng)量符合性因子如圖3所示，也是遠(yuǎn)低于法規(guī)限值。

圖3 A～D車NEDC測(cè)試污染物排放當(dāng)量符合性因子

2）按照國(guó)Ⅵ法規(guī)要求，每次RDE試驗(yàn)必須對(duì)每段行程（即市區(qū)、市郊和高速路段）的有效性進(jìn)行分析。因此定義了2個(gè)行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)，分別是相對(duì)正向加速度（RPA）和車速與正向加速度乘積的第95個(gè)百分位（（v.apos）[95]），并規(guī)定，對(duì)于不同速度段的平均車速，RPA必須大于某值，以保證駕駛不能太溫和；同時(shí)（v.apos）[95]必須小于某值，以保證駕駛不能太激進(jìn)，否則行程無(wú)效。已經(jīng)有眾多的研究表明，駕駛方式對(duì)污染物的排放有著決定性的影響[10-11]。

表4列出了A～D車駕駛的RPA和（v.apos）[95]值。從表中可以看出，所有4次RDE測(cè)試的各速度段的RPA值都剛剛超過(guò)其限值，而（v.apos）[95]值則大大低于限值。這表明雖然4次RDE試驗(yàn)都滿足法規(guī)要求，但其駕駛方式偏向于溫和駕駛（Moderate Driving Pattern）[10]。

表4 RDE測(cè)試的行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)（*代表當(dāng)前速度段行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)的限值，對(duì)RPA為低限，對(duì)（v.apos）[95]為高限）

而從NEDC循環(huán)和RDE實(shí)際循環(huán)的負(fù)荷來(lái)看，如圖4所示，兩者所覆蓋的工況范圍并沒(méi)有太大差別（如兩者都未覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速的工況），因此各污染物符合性因子低。

3）由于國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)要求，在排放結(jié)果的計(jì)算時(shí)不考慮冷啟動(dòng)排放，而冷啟動(dòng)污染物的排放往往比較高。在排除了冷啟動(dòng)排放后，導(dǎo)致各污染物符合性因子低。下節(jié)將針對(duì)冷啟動(dòng)排放進(jìn)行專門(mén)的分析。

圖4 NEDC和RDE發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速vs.負(fù)荷MAP圖

2.2 冷啟動(dòng)排放

在國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)中，并不要求計(jì)算冷啟動(dòng)排放。但最新的歐洲第六階段法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)明確要求將冷啟動(dòng)排放納入整體的排放評(píng)估中，并且對(duì)冷啟動(dòng)階段的平均車速也提出了相應(yīng)的要求。圖5為各車?yán)鋯?dòng)排放氣態(tài)污染物（CO和NOx）占總行程排放的比例。

圖5 A～D車?yán)鋯?dòng)排放氣態(tài)污染物的占比

從圖5中可以看到，對(duì)于輕型汽油車A和C，其冷啟動(dòng)氣態(tài)污染物排放大概占總排放的20%～25%左右。而B(niǎo)車?yán)鋯?dòng)排放的占比要略低，約占總排放的15%～20%。這主要是由于B車發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)（集成的排氣歧管等）能促使冷卻液溫度快速上升至70℃（在210s左右便達(dá)到70℃，而其它3輛車均超過(guò)300s），且B車行駛時(shí)的環(huán)境溫度也更高，從而使三元催化轉(zhuǎn)化器在很短的時(shí)間內(nèi)便能獲得較高的催化效果。而對(duì)于輕型柴油車D而言，冷啟動(dòng)氣態(tài)排放物的占比低。這主要是因?yàn)楸M管柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)階段也會(huì)增加噴油量，但由于其過(guò)量空氣系數(shù)較高，因此冷啟動(dòng)對(duì)氣態(tài)排放物的影響并沒(méi)有汽油發(fā)動(dòng)機(jī)顯著。

2.3 瞬態(tài)排放特性分析

以輕型車B為例分析了污染物的瞬態(tài)排放特性，如圖6所示。

圖6 B車污染物的瞬態(tài)排放特性

從圖6中可以看出，CO的排放主要集中在冷啟動(dòng)階段和進(jìn)入高速路段的急加速階段。在冷啟動(dòng)階段，由于啟動(dòng)和暖機(jī)加濃策略以及空燃比的開(kāi)環(huán)控制，導(dǎo)致CO和PN生成量多，而三元催化轉(zhuǎn)化器由于溫度低并未處于高效階段，導(dǎo)致CO轉(zhuǎn)化少，綜合2種原因?qū)е翪O和PN的排放量較高。

車輛的排放與汽車的加速度有較為密切的關(guān)系[8，12-15]。圖7為B車排放與車速、加速度的氣泡圖。氣泡大小代表瞬態(tài)排放的高低。

圖7 輕型汽油車B瞬態(tài)排放隨加速度的變化規(guī)律

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，CO排放主要出現(xiàn)在高速段的高加速度區(qū)域，PN排放主要出現(xiàn)在市郊段和高速段的高加速度區(qū)域。CO和PN排放與加速度正相關(guān)，而NOx排放與加速度的相關(guān)性并不明顯。這主要是由于汽油的當(dāng)量比燃燒特性導(dǎo)致在加速時(shí)混合氣會(huì)加濃，因此CO和PN的生成量增多。并且此時(shí)三元催化器的轉(zhuǎn)化效率也降低，導(dǎo)致CO和PN的排放增加。對(duì)于NOx排放，濃混合氣導(dǎo)致三元催化器的轉(zhuǎn)化效率較低，但同時(shí)加濃混合氣會(huì)降低NOx的生成，從而NOx隨加速度的變化不明顯。

輕型柴油車D的CO和NOx瞬態(tài)排放隨加速度的變化規(guī)律如圖8所示，其中NOx排放隨著加速度的增加而增加，而CO排放隨加速度變化的規(guī)律不明顯。這主要是由于柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒屬于富氧燃燒，在加速時(shí)雖然噴油量增加，但總體上缸內(nèi)的氧氣還是富余，因此CO的變化并不顯著。而隨著加速度增加，噴油量增加，缸內(nèi)溫度會(huì)有所升高，有利于NOx排放的生成。

圖8 輕型柴油車D瞬態(tài)排放隨加速度的變化規(guī)律

3 結(jié)論

1）4輛車的原車排放均符合其出廠標(biāo)準(zhǔn)，并且遠(yuǎn)低于法規(guī)要求的限值。而RDE試驗(yàn)的結(jié)果也表明4輛車的符合性因子也都遠(yuǎn)低于法規(guī)要求的限值。

2）符合法規(guī)規(guī)定的行程動(dòng)力學(xué)要求的溫和駕駛RDE排放與實(shí)驗(yàn)室NEDC排放結(jié)果相差并不大。

3）在溫和駕駛的條件下，對(duì)于汽油直噴的輕型車，冷啟動(dòng)排放占RDE總行程總排放的15～25%；對(duì)于輕型柴油車，冷啟動(dòng)階段氣態(tài)污染物的占比相比汽油車要低。較高的環(huán)境溫度以及有利于快速提高冷卻液溫度的設(shè)計(jì)都將降低冷啟動(dòng)排放。

4）對(duì)于輕型汽油車，其CO排放主要集中在啟動(dòng)階段和急加速階段。CO和PN的排放隨加速度增加而增加。而對(duì)于輕型柴油車，NOx排放隨著加速度的增加而增加。