海拔對(duì)輕型汽油車RDE排放特性影響試驗(yàn)研究

程亮

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司技術(shù)中心，上海 201804)

環(huán)境問題是全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題。當(dāng)前，世界各國法規(guī)規(guī)定的輕型車排放試驗(yàn)均按照特定試驗(yàn)循環(huán)工況在實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行，而單一的實(shí)驗(yàn)室測試循環(huán)不能覆蓋實(shí)際行駛情況下的運(yùn)行工況[1-2]，車輛的實(shí)驗(yàn)室測試循環(huán)排放結(jié)果與實(shí)際排放狀況可能存在較大差異[3-7]。國六排放法規(guī)增加的Ⅱ型試驗(yàn)——實(shí)際行駛污染物排放試驗(yàn)RDE(Real Driving Emission) 補(bǔ)充了實(shí)驗(yàn)室測試不能準(zhǔn)確反映實(shí)際道路排放狀況的不足。

我國海拔1 000 m以上的土地面積占全國陸地總面積的60%，3 000 m以上的面積占16%[8]。針對(duì)高海拔對(duì)機(jī)動(dòng)車影響的研究主要集中在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃料特性方面，很少涉及整車排放和油耗[9]。馬志成等[10]對(duì)一輛輕型柴油車在青海地區(qū)選擇海拔為1 900 m，2 200 m，2 400 m和3 000 m的4個(gè)環(huán)境點(diǎn)進(jìn)行RDE測試，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(shí)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。目前，國內(nèi)外對(duì)高海拔地區(qū)輕型汽油車的RDE排放相關(guān)的研究鮮有報(bào)道，本研究對(duì)1臺(tái)GDI輕型汽油車進(jìn)行了RDE高原排放特性試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)裝置及方案

1.1 試驗(yàn)樣車、設(shè)備及燃料

試驗(yàn)樣車配置了1臺(tái)增壓中冷、直列4缸四沖程、缸內(nèi)直噴式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)及1臺(tái)7擋雙離合變速箱。試驗(yàn)樣車后處理裝置為三元催化器(TWC，Three Way Catalyst)和顆粒捕集器(GPF，Gasoline Particulate Filter)，滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)中未對(duì)樣車進(jìn)行任何調(diào)整。試驗(yàn)樣車主要參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)樣車主要技術(shù)參數(shù)

臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備主要包括HORIBA全流CVS采樣和MEXA-7000系列排放采樣分析系統(tǒng)、MAHA AIP-ECDM-48L-Dyno Server汽車底盤測功機(jī)和Imtech環(huán)境艙。RDE測試設(shè)備為HORIBA OBS-ONE輕型車便攜式排放測試系統(tǒng)PEMS，主要包括：用以測試排氣中CO/CO2/NOx/NO/NO2/PN各污染物濃度的OBS-ONE車載排放測試系統(tǒng)，主分析單元分別采用不分光紅外法(NDIR)測定CO和CO2濃度，化學(xué)發(fā)光探測法(CLD)測定NOx濃度，采用CPC凝結(jié)粒子計(jì)數(shù)器(CPC)測定PN；用以確定車輛的位置、海拔、車輛行駛速度的全球定位系統(tǒng)GPS；用以確定環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、大氣壓力等的車載氣象站；用以確定排氣質(zhì)量流量的流量計(jì)EFM；用以獨(dú)立為測試設(shè)備供電的鋰電池。試驗(yàn)燃料使用國六基準(zhǔn)汽油。

1.2 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)路線

對(duì)裝有PEMS設(shè)備的試驗(yàn)樣車在整車排放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行WLTC試驗(yàn)工況測試，以得到RDE試驗(yàn)輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)，并考察RDE排放測試設(shè)備PEMS的精度。之后對(duì)試驗(yàn)樣車分別在北京(試驗(yàn)線路平均海拔為28.6m，下同)、銀川(1 113.3 m)、蘭州(1 610.8 m)、昆明(1 891.7 m)和西寧(2 255.5 m)5個(gè)不同海拔的典型城市進(jìn)行實(shí)際道路排放測試，分析海拔對(duì)GDI輕型汽油車RDE高原排放的影響。

根據(jù)RDE試驗(yàn)要求及地理信息，在5個(gè)城市選定試驗(yàn)路線并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，確認(rèn)了所選定的試驗(yàn)線路能夠滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.6—2016中對(duì)RDE試驗(yàn)線路的要求。

按照RDE 規(guī)程的要求，試驗(yàn)車輛依次在城區(qū)、城郊和高速公路上連續(xù)行駛，每個(gè)速度區(qū)間至少行駛16 km，試驗(yàn)總時(shí)間在90～120 min，試驗(yàn)開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)之間的海拔差不超過100 m，并且試驗(yàn)車輛的累計(jì)正海拔每100 km增加量應(yīng)不大于1 200 m。城區(qū)工況：停車時(shí)段應(yīng)占城區(qū)行駛時(shí)間的6%～30%，最小里程為16 km，平均速度15～40 km/h；城郊工況：可被城區(qū)(行駛距離很短)行駛中斷；高速工況：車速覆蓋90～110 km/h，且車速大于100 km/h至少5 min，在不超過高速路段行駛時(shí)間3%的時(shí)間內(nèi)，最高車速可增加15 km/h，車速若超過限速規(guī)定，PEMS試驗(yàn)結(jié)果仍有效，可被城區(qū)或城郊(行駛距離很短)行駛中斷。具體車速和里程工況要求見表2。

表2 RDE車速和行駛里程工況要求

為保證試驗(yàn)條件的一致性，減少試驗(yàn)誤差，每次試驗(yàn)前后都會(huì)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)儀器的標(biāo)定，嚴(yán)格按照GB 18352.6—2016試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)操作，在確保試驗(yàn)樣車狀態(tài)已穩(wěn)定的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，并采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。每次試驗(yàn)都盡可能保持行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)接近，以便于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比及分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)選定5個(gè)典型城市的試驗(yàn)路線分別進(jìn)行RDE試驗(yàn)，5組工況下的RDE試驗(yàn)環(huán)境條件及發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速和具體工況下的行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)及平均車速等對(duì)比分別見表3和表4。

由表3可見，隨著海拔的升高，環(huán)境平均壓力逐漸減小，平均溫度有降低趨勢(shì)，平均濕度有增大趨勢(shì)。由表4可見，比較行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)，銀川試驗(yàn)工況下的RDE駕駛相對(duì)其他工況的駕駛更為激烈。

表3 試驗(yàn)環(huán)境條件及發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)對(duì)比

表4 行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)及行程對(duì)比

續(xù)表

2.1 PEMS允許誤差的驗(yàn)證

該車在整車轉(zhuǎn)鼓排放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行WLTC循環(huán)工況試驗(yàn)，分別采用PEMS和實(shí)驗(yàn)室CVS條件下MEXA-7000排放測試系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果，并參照國六排放法規(guī)中對(duì)PEMS驗(yàn)證允許的誤差規(guī)定允許值，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 污染物差值絕對(duì)值與PEMS允許誤差值

由表5可見，PEMS和MEXA-7000系列排放分析儀的污染物測試結(jié)果誤差在國六標(biāo)準(zhǔn)允許誤差范圍內(nèi)。

2.2 RDE環(huán)境條件說明及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

嚴(yán)格按照GB 18352.6—2016試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境海拔擴(kuò)展按照國標(biāo)規(guī)定進(jìn)行。普通海拔條件：海拔不高于700 m；擴(kuò)展海拔條件：海拔高于700 m，不高于1 300 m；進(jìn)一步擴(kuò)展的海拔條件：海拔高于或等于1 300 m，但不高于2 400 m。本研究中RDE各污染物排放試驗(yàn)結(jié)果已除以相關(guān)擴(kuò)展系數(shù)(基本擴(kuò)展條件擴(kuò)展系數(shù)為1.6，進(jìn)一步擴(kuò)展條件擴(kuò)展系數(shù)為1.8)，且不包含冷起動(dòng)排放數(shù)據(jù)。

2.3 海拔艙WLTC試驗(yàn)

試驗(yàn)樣車在整車轉(zhuǎn)鼓海拔艙內(nèi)分別在0，700，1 300，1 900，2 400 m海拔條件下進(jìn)行WLTC試驗(yàn)，得到海拔艙試驗(yàn)條件下的排放結(jié)果(見圖1)。由于設(shè)備的限制，PN測試只能在海拔1 500 m以下進(jìn)行。

圖1 海拔艙試驗(yàn)條件下的WLTC試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可見，隨海拔增加，該車的CO排放呈先升高后降低趨勢(shì)，NOx排放呈升高趨勢(shì)，PN排放呈先降低后升高趨勢(shì)。

2.4 RDE試驗(yàn)結(jié)果及分析

GB 18352.6—2016規(guī)定RDE試驗(yàn)結(jié)果的城區(qū)行程和總行程污染物排放均不得超過國六Ⅰ型試驗(yàn)排放限值與符合性因子CF(Conformity Factor)的乘積，其中CF(NOx)=CF(PN)=2.1，CF(CO)暫為監(jiān)測項(xiàng)。由此可得，污染物i對(duì)應(yīng)的符合性因子CF(i)：

CF(i)=xi/yi。

(1)

式中：xi為RDE試驗(yàn)條件下污染物i排放結(jié)果；yi為國六Ⅰ型試驗(yàn)污染物i對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值。

2.4.1CO排放特性

圖2示出試驗(yàn)樣車在北京、銀川、蘭州、昆明和西寧5個(gè)不同海拔的典型城市分別進(jìn)行實(shí)際道路排放測試的各工況CF(CO)結(jié)果，其中綜合工況為整個(gè)RDE試驗(yàn)的全部工況，包含城市、城郊和高速工況。

由圖2可見：隨著海拔的增加，在城區(qū)工況下CO排放升高；在高速工況和綜合工況下，CO排放呈先升高后降低的趨勢(shì)，且在蘭州試驗(yàn)工況下排放最高。除西寧試驗(yàn)工況外，CO排放主要產(chǎn)在高速工況，城郊工況次之，城區(qū)工況相對(duì)最低。相較北京試驗(yàn)工況下的CF(CO)，銀川、蘭州、昆明和西寧試驗(yàn)工況下的CF(CO)在城區(qū)工況下分別增加32.8%，244.8%，294.0%和406.0%，在城郊工況下分別增加28.1%，149.6%，100.7%和122.2%，在高速工況下分別增加22.6%，110.2%，7.9%和-51.5%，在綜合工況下分別增加24.7%，131.1%，53.2%和26.0%。

圖2 不同海拔下RDE各工況的CF(CO)

CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物。車用汽油機(jī)CO排放主要是冷起動(dòng)、怠速和大負(fù)荷工況下發(fā)生不完全燃燒所致。冷起動(dòng)工況下由于發(fā)動(dòng)機(jī)未達(dá)到正常工作的水溫和油溫，且燃料汽化著火條件差，發(fā)生不完全燃燒；怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，缸內(nèi)殘余廢氣多，為保證燃燒穩(wěn)定，需要加濃混合氣， CO生成量較多；大負(fù)荷工況下，為了提高功率輸出，一般加濃混合氣，導(dǎo)致CO排放量劇增；加速工況時(shí)，為保證加速順滑，在短時(shí)間內(nèi)加濃混合氣，導(dǎo)致出現(xiàn)CO排放高峰[11-12]。

國六排放法規(guī)中對(duì)Ⅱ型試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果中剔除了冷起動(dòng)部分的CO排放，且整個(gè)試驗(yàn)過程中怠速時(shí)長占比較低，而高速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)為全負(fù)荷工況運(yùn)行，根據(jù)安裝在排氣管上的氧傳感器的反饋信號(hào)控制過量空氣系數(shù)小于1.0，電噴汽油機(jī)為了輸出較大的功率將會(huì)增加噴油量以形成濃混合氣，而高轉(zhuǎn)速段混合氣的形成時(shí)間較短，因此，RDE試驗(yàn)中，CO排放主要產(chǎn)生在高速工況。昆明試驗(yàn)工況和西寧試驗(yàn)工況下的高速段CO排放相對(duì)較低，可能是由于高速段的平均車速相對(duì)較低，節(jié)氣門開度相對(duì)較小，混合氣反應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長，燃燒相對(duì)較充分引起的。

總體來看，城區(qū)工況下CO排放最低，且CO排放隨海拔的升高而增加。一方面，城區(qū)工況下發(fā)動(dòng)機(jī)在中、小負(fù)荷工況下運(yùn)行，電噴汽油機(jī)的控制策略是閉環(huán)控制，根據(jù)氧傳感器的反饋信號(hào)控制過量空氣系數(shù)稍大于1.0，基本上保證燃料充分燃燒，CO排放相對(duì)較低。另一方面，試驗(yàn)樣車配置電噴汽油機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的排放是在平原條件下進(jìn)行標(biāo)定，而高海拔下的空氣密度降低，進(jìn)氣壓力隨海拔升高逐漸減小，導(dǎo)致進(jìn)氣量不充足。且海拔越高，排氣溫度上升越慢，對(duì)三元催化器的轉(zhuǎn)換效率也有一定影響，從而CO排放隨海拔的增加而升高。此外，點(diǎn)火提前角隨海拔的升高而增大，對(duì)CO排放惡化可能也有一定的影響[13]。

2.4.2NOx排放特性

圖3示出試驗(yàn)樣車在5個(gè)城市分別進(jìn)行實(shí)際道路排放測試的CF(NOx)結(jié)果。圖4示出試驗(yàn)樣車在測試工況下RDE試驗(yàn)的排氣溫度和車速模態(tài)圖。

圖3 不同海拔下RDE各工況的CF(NOx)

圖4 不同海拔下RDE排氣溫度和車速模態(tài)

由圖3可見，隨著海拔的增加，在城區(qū)工況下NOx排放升高，在高速和綜合工況下，NOx排放呈先降低再升高的趨勢(shì)。且除北京試驗(yàn)工況外，其他工況下城區(qū)排放結(jié)果較綜合排放高。除北京試驗(yàn)工況外，NOx排放主要產(chǎn)在城區(qū)工況，城郊工況次之，高速工況相對(duì)最低。相較北京試驗(yàn)工況下的CF(NOx)，銀川、蘭州、昆明和西寧試驗(yàn)工況下的CF(NOx)在城區(qū)工況分別增加125.4%，147.8%，147.8%和220.9%，在城郊工況下分別增加23.0%，-5.5%，-13.0%和114.5%，在高速工況下分別降低77.9%，76.7%，73.5%和43.9%，在綜合工況下分別降低13.1%，14.0%，13.1%和-46.7%。

汽油機(jī)的NOx排放物包括NO，N2O和NO2。NOx產(chǎn)生條件主要為高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間[14]。由于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)氮氧化物來源中的激發(fā)型和燃料型NO生成量很少，可忽略不計(jì)，則主要的氮氧化物就來源于高溫型NO。根據(jù)高溫NO生成機(jī)理，對(duì)NOx生成起主要影響的是焰后區(qū)混合氣溫度與混合氣中殘留的氧濃度[15]，海拔越高，空氣中的含氧量越少，混合氣中的氧濃度也相對(duì)越低，因此高海拔條件下，影響NOx生成的主要因素為焰后區(qū)混合氣的溫度。

由圖4可見，城區(qū)試驗(yàn)階段，西寧試驗(yàn)工況下排氣溫度最高，北京試驗(yàn)工況下排氣溫度最低，對(duì)應(yīng)圖3中城區(qū)試驗(yàn)階段的NOx排放在西寧試驗(yàn)工況下最高，在北京試驗(yàn)工況下最低。高速試驗(yàn)階段，北京試驗(yàn)工況下的排氣溫度最高，銀川試驗(yàn)工況下的排氣溫度最低，對(duì)應(yīng)圖3中高速試驗(yàn)階段的NOx排放在北京試驗(yàn)工況下最高，在銀川試驗(yàn)工況下最低。

總體來看，NOx排放主要產(chǎn)生在城區(qū)工況。這是由于，國六排放法規(guī)中對(duì)II型試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果中剔除了冷起動(dòng)部分排放，發(fā)動(dòng)機(jī)為熱機(jī)狀態(tài)。RDE試驗(yàn)在城區(qū)工況下的試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間較城郊和高速工況的長(如北京試驗(yàn)工況下，城區(qū)、城郊和高速工況時(shí)間分別為65 min，21 min和15 min)，在城區(qū)工況時(shí)，缸內(nèi)混合氣在高溫且高溫持續(xù)時(shí)間較長的環(huán)境下進(jìn)行反應(yīng)，因此，NOx排放在城區(qū)工況的總排放濃度也較城郊和高速工況時(shí)高。

2.4.3PN排放特性

圖5示出試驗(yàn)樣車在5個(gè)城市分別進(jìn)行實(shí)際道路排放測試的CF(PN)結(jié)果。國六排放法規(guī)中對(duì)Ⅱ型試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果中剔除了冷起動(dòng)部分的PN排放。由圖5可見，熱機(jī)RDE試驗(yàn)工況下的PN排放主要產(chǎn)在高速工況，且北京、銀川和西寧試驗(yàn)工況下的PN排放在高速工況下最高，城郊工況次之，城區(qū)工況最低；而蘭州和昆明試驗(yàn)工況下的PN排放在高速工況下排放最高，城區(qū)工況次之，城郊工況最低。隨著海拔的增加，在城區(qū)、高速和綜合工況下，PN排放變化規(guī)律一致：呈先升再降后升的趨勢(shì)，在銀川試驗(yàn)工況下的PN排放呈現(xiàn)一個(gè)小峰值，在蘭州試驗(yàn)工況下PN排放呈現(xiàn)低谷值，此后隨海拔升高，PN排放升高，且在西寧試驗(yàn)工況下PN排放最高。除蘭州試驗(yàn)工況下的PN排放值差異不大之外，其他工況下的PN排放在綜合工況下的試驗(yàn)結(jié)果較城區(qū)工況下的排放值高。相較北京試驗(yàn)工況下的CF(PN)，銀川、蘭州、昆明和西寧試驗(yàn)工況下的CF(PN)在城區(qū)工況下分別增加341.0%，249.4%，252.2%和461.3%，在城郊工況下分別增加279.4%，152.9%，108.8%和542.6%，在高速工況下分別增加28.1%，-21.3%，17.2%和77.2%，在綜合工況下分別增加118.7%，49.7%，68.8%和216.0%。

顆粒物的生成條件是高溫缺氧。熱機(jī)下的PN排放主要產(chǎn)生在高速工況。這是由于高速工況時(shí)的排氣溫度最高(見圖4)，對(duì)應(yīng)高速工況時(shí)缸內(nèi)溫度也最高，高溫條件下有利于顆粒物的生成。在高速工況，為保證車輛的動(dòng)力性，缸內(nèi)混合氣加濃，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)可燃混合氣混合不均勻，燃料燃燒條件較差，燃燒惡化，進(jìn)而導(dǎo)致某些揮發(fā)性有機(jī)物以及煙粒排放的升高，從而形成新的顆粒物。此外，高速工況下燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒時(shí)間明顯減少，使燃料燃燒不完全，廢氣在缸內(nèi)的滯留時(shí)間也明顯縮短，碳粒來不及氧化就被排出氣缸，也會(huì)導(dǎo)致顆粒物排放數(shù)量的增加。

總體來說，PN排放隨海拔的增加而升高，在西寧試驗(yàn)時(shí)PN排放最高。一方面，西寧試驗(yàn)工況下排氣溫度最高，高海拔下環(huán)境壓力較低，進(jìn)氣量降低，缸內(nèi)氧含量較低，滯燃期增加，燃燒始點(diǎn)推遲，預(yù)混燃燒比例增加，燃燒溫度提高，阻礙了燃燒過程中產(chǎn)生的顆粒物的氧化。缸內(nèi)高溫缺氧的條件有利于PN的生成。另一方面，燃料在開始生成顆粒之前，會(huì)發(fā)生燃料分子的分解以及反應(yīng)物原子的重新排列。裂解通常產(chǎn)生許多分子量低的直鏈不飽和碳?xì)浠衔?。燃油裂解一般是吸熱反?yīng)，需要很高的活化能，因此其反應(yīng)速率受溫度影響較大。海拔的增加導(dǎo)致燃燒溫度的升高，提高了燃油裂解的反應(yīng)速率，從而促進(jìn)了顆粒物的生成[16]。

3 結(jié)論

a) 海拔艙WLTC工況試驗(yàn)條件下，隨海拔增加，CO排放出現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)，NOx排放升高，PN排放有先降低后升高趨勢(shì)；

b) 隨著海拔的增加，CO排放在城區(qū)工況下升高，在高速和綜合工況先升高后降低；除西寧試驗(yàn)工況外，CO排放主要產(chǎn)生在高速工況，CO在綜合工況下的排放結(jié)果較城區(qū)工況下的高；總體來看，城區(qū)工況下的CO排放最低，且CO排放隨海拔的升高有增加趨勢(shì)；

c) 隨著海拔的增加，NOx排放在城區(qū)工況下升高，在高速和綜合工況下呈先降低再升高的趨勢(shì)；除北京試驗(yàn)工況外，NOx排放主要產(chǎn)生在城區(qū)工況，高速工況下排放相對(duì)最低，且NOx在城區(qū)工況下的排放較綜合工況下的高；總體來看，NOx排放主要產(chǎn)生在城區(qū)工況；

d) 隨著海拔的增加，在城區(qū)、高速和綜合工況下PN排放變化規(guī)律一致：呈先升再降后升的趨勢(shì)，在銀川試驗(yàn)工況下PN排放呈現(xiàn)一個(gè)小峰值，在蘭州試驗(yàn)工況下PN排放呈現(xiàn)低谷值，此后隨海拔升高，PN排放升高，在西寧試驗(yàn)工況下PN排放最高；除蘭州試驗(yàn)工況下的PN排放值差異不大之外，其他工況下的PN排放在綜合工況下的試驗(yàn)結(jié)果較城區(qū)工況下的高；總體來說，PN排放主要產(chǎn)生在高速工況，PN排放隨海拔的增加有升高趨勢(shì)。