累計(jì)正海拔增量對(duì)輕型汽油車實(shí)際行駛排放試驗(yàn)的影響

鄒 杰,杜寶程,,岳大俊,陳凌建,徐劃龍,張 力

(1.重慶大學(xué) 汽車工程學(xué)院，重慶 400044；2.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

機(jī)動(dòng)車道路排放是大氣污染的主要原因之一，特別是在大、中城市的主要干道污染尤為嚴(yán)重。中國(guó)汽車的保有量在2018年達(dá)到了2.4億輛，并且連續(xù)多年產(chǎn)銷量位居世界第一[1]。為了控制車輛排放以減少大氣污染物的生成，國(guó)內(nèi)于2017年引入了實(shí)際行駛排放測(cè)試程序，作為WLTC(world light duty test cycle)測(cè)試循環(huán)的補(bǔ)充試驗(yàn)。RDE(real driving emission)作為國(guó)六排放法規(guī)的Ⅱ型試驗(yàn),用于檢測(cè)和限制車輛在實(shí)際駕駛條件下的污染物排放量，已逐步在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施。

近年來，國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者都開展了車輛實(shí)際行駛排放的測(cè)試研究?，F(xiàn)有結(jié)論表明，RDE試驗(yàn)的污染物排放量與實(shí)驗(yàn)室使用WLTC循環(huán)的結(jié)果之間有顯著差異，大多數(shù)的實(shí)際行駛試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序[2-6]。此外，車輛實(shí)際行駛排放的測(cè)量結(jié)果可重復(fù)性較差。這是由于RDE試驗(yàn)的海拔條件[7]、環(huán)境溫度[8]、交通狀況[9]、駕駛行為[10]、道路坡度[11]及車輛起動(dòng)狀態(tài)[12]等測(cè)試因素不確定性較高，這些試驗(yàn)邊界因素影響著RDE的測(cè)試結(jié)果。雖然國(guó)六排放法規(guī)中對(duì)一些試驗(yàn)邊界做了較為詳細(xì)的規(guī)定，但這些限制條件難以有效消除試驗(yàn)邊界因素對(duì)車輛實(shí)際行駛排放測(cè)試的影響。特別是在中國(guó)西南地區(qū)，由于路面起伏較大導(dǎo)致測(cè)試路線的坡度變化較為明顯，有必要深入探究坡度對(duì)在這些區(qū)域開展的RDE試驗(yàn)結(jié)果的影響。

現(xiàn)有研究中，Gallus等[13]使用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(portable emission measurement system, PEMS)在符合RDE測(cè)試要求的路線上檢測(cè)了2輛柴油車排放特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CO2和NOx的排放量與道路坡度呈良好的線性關(guān)系，坡度從0%～5%變化時(shí)，CO2與NOx排放物分別增加了65%～81%和85%～115%。里斯本大學(xué)Varella等[14]在葡萄牙里斯本的大都市區(qū)進(jìn)行了RDE測(cè)試，發(fā)現(xiàn)車輛CO2排放峰值主要出現(xiàn)在速度為120～140 km/h且坡度在5%～10%之間的路段，NOx排放峰值主要出現(xiàn)在中速高坡度和高速中等坡度路段。長(zhǎng)安大學(xué)孫文圃等[15]仿真模擬了高速公路縱坡段下柴油車的碳排放量，發(fā)現(xiàn)柴油車在上坡段的碳排放最為嚴(yán)重。在相關(guān)研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注坡度對(duì)柴油車實(shí)際行駛排放的影響，而對(duì)輕型汽油車的研究較少，并且未同國(guó)六法規(guī)聯(lián)系起來，沒有從累計(jì)正海拔增量這方面考慮其對(duì)車輛實(shí)際行駛排放的影響。

鑒于以上因素，筆者使用PEMS設(shè)備對(duì)1輛輕型汽油車在不同路線上進(jìn)行多次RDE試驗(yàn)。分析過程中選取了累計(jì)正海拔增量作為坡度的特征指標(biāo)，從路段和窗口2個(gè)方面研究了其對(duì)RDE試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)所選的測(cè)試車輛為1輛滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型自動(dòng)擋汽油車，配有三元催化器排氣后處理裝置和汽油機(jī)顆粒捕集器，使用92號(hào)汽油，整備質(zhì)量為2 060 kg，供油方式為缸內(nèi)直噴，發(fā)動(dòng)機(jī)排量2 L，最大功率180 kW，已行駛里程18 450 km。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用日本HORIBA公司生產(chǎn)的OBS-ONE便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)輕型汽油車在實(shí)際道路上行駛時(shí)產(chǎn)生的排放進(jìn)行測(cè)試。該設(shè)備主要由氣體分析模塊、顆粒物計(jì)數(shù)模塊、排氣流量計(jì)、全球定位系統(tǒng)、氣象站、電控單元和電源組成。試驗(yàn)設(shè)備安裝見圖1，實(shí)物圖見圖2。

1.GPS;2.氣象站;3.OBS-ONE主要單元;4.氣罐;5.附加排氣管; 6.電源;7.控制電腦;8.緊急開關(guān);9.OBD接口 圖1 PEMS設(shè)備安裝示意圖Fig. 1 The installation instruction of PEMS

1.3 試驗(yàn)過程及路線

在重慶渝北區(qū)、江津區(qū)等地選取了4條路線，每條路線上進(jìn)行了2次RDE試驗(yàn)。試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照國(guó)六法規(guī)進(jìn)行，所有路線的特征符合法規(guī)要求(累計(jì)正海拔高度增加量除外)。4條實(shí)際行駛路線如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)路線Fig. 3 Experimental routes

2 數(shù)據(jù)處理

對(duì)采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種參數(shù)的時(shí)間校正，按照法規(guī)要求剔除冷起動(dòng)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)熄火數(shù)據(jù)以及車速小于1 km/h數(shù)據(jù)，用移動(dòng)平均窗口法對(duì)污染物排放因子進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)每個(gè)窗口的平均速度對(duì)窗口進(jìn)行分組，市區(qū)窗口平均車速小于45 km/h，市郊窗口平均速度在45～80 km/h，高速窗口平均速度大于80 km/h。所有試驗(yàn)市區(qū)、市郊和高速窗口數(shù)量均占總窗口數(shù)的15%以上，試驗(yàn)完整性通過。每次試驗(yàn)50%以上的市區(qū)、市郊和高速窗口落在特性曲線的基本公差范圍內(nèi)，試驗(yàn)正常性通過。按照法規(guī)對(duì)RDE試驗(yàn)市區(qū)(速度小于60 km/h)、市郊(速度在60～90 km/h之間)和高速(速度大于90 km/h)路段的車輛動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行校驗(yàn)，也都符合要求。

累計(jì)正海拔高度增量是正道路坡度的積分，單位為m/100 km，反映了一條路線的總體上坡量的大小。累計(jì)正海拔高度增量通過以下步驟進(jìn)行計(jì)算：首先檢查車輛速度數(shù)據(jù)的完整性和海拔高度數(shù)據(jù)的完整性，對(duì)有錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；接著計(jì)算海拔高度數(shù)據(jù)產(chǎn)生離散路徑點(diǎn)及其相應(yīng)插值海拔高度值，得到統(tǒng)一的空間分辨率(1 m)，并對(duì)每個(gè)離散路徑點(diǎn)的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑處理；最后對(duì)正道路坡度進(jìn)行積分，并除以總里程得到累計(jì)海拔高度增量。

3 累計(jì)正海拔增量的影響

3.1 路線累計(jì)海拔增量信息

每條路線的市區(qū)、市郊、高速和總行程的累計(jì)海拔增量信息見表1。路線1的總行程累計(jì)正海拔增量比其他3條路線小，符合法規(guī)要求，路線2和路線3的總行程累計(jì)正海拔增量超過了法規(guī)限值。相比于路線1，路線2～4的總行程累計(jì)正海拔增量分別增加了37%，41%和34%。觀察每條路線各路段的累計(jì)正海拔增量，發(fā)現(xiàn)4條路線的市郊和高速路段累計(jì)正海拔增量都符合法規(guī)要求，而路線2～4的市區(qū)累計(jì)正海拔增量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過法規(guī)限值，這也是導(dǎo)致路線2和3總行程累計(jì)海拔增量超過限值的原因。由圖3可知，路線1的市區(qū)段選在了重慶江津區(qū)，路線2～4的市區(qū)段選在了重慶渝北區(qū)。而重慶渝北區(qū)屬于主城區(qū)，相對(duì)于江津區(qū)其地勢(shì)起伏較大，上下坡路面多，說明了累計(jì)正海拔增量可以較為準(zhǔn)確地描述實(shí)際行駛路線的特征。

表1 路線的累計(jì)正海拔增量

3.2 路段累計(jì)正海拔增量對(duì)排放影響

圖4 CO排放因子隨vapos[95]和累計(jì)正海拔增量變化氣泡圖Fig. 4 Bubble chart of CO emission factor change with vapos[95] and cumulative positive elevation gain

圖5 CO2排放因子隨vapos[95]和累計(jì)正海拔增量變化氣泡圖Fig. 5 Bubble chart of CO2emission factor change with vapos[95] and cumulative positive elevation gain

圖6 NOx排放因子隨vapos[95]和累計(jì)正海拔增量變化氣泡圖Fig. 6 Bubble chart of NOxemission factor change with vapos[95] and cumulative positive elevation gain

圖7 PN排放因子隨vapos[95]和累計(jì)正海拔增量變化氣泡圖Fig. 7 Bubble chart of PN emission factor change with vapos[95] and cumulative positive elevation gain

3.3 窗口累計(jì)正海拔增量對(duì)排放影響

圖8 CO排放因子隨窗口vapos[95]和窗口累計(jì)正海拔增量變化氣泡圖Fig. 8 Bubble chart of CO emission factor change with window vapos[95] and window cumulative positive elevation gain

圖9 CO2排放因子隨窗口vapos[95]和窗口累計(jì)正海拔增量變化氣泡圖Fig. 9 Bubble chart of CO2emission factor change with window vapos[95] and window cumulative positive elevation gain

圖10 NOx隨窗口vapos[95]和窗口累計(jì)正海拔增量變化氣泡圖Fig. 10 Bubble chart of NOxemission factorchange with window vapos[95] and window cumulative positive elevation gain

圖11 PN排放因子隨窗口vapos[95]和窗口累計(jì)正海拔增量變化氣泡圖Fig. 11 Bubble chart of PN emission factor change with window vapos[95] and window cumulative positive elevation gain

由上面的分析可知，平坦路線的RDE試驗(yàn)可難以正確反映車輛在丘陵地區(qū)實(shí)際行駛排放的真實(shí)情況。另一方面，即使是全行程的累計(jì)正海拔增量在法規(guī)的限值之內(nèi)，部分路段的累計(jì)正海拔增量也可能會(huì)存在大幅超過法規(guī)限值的情況，如果采用移動(dòng)平均窗口法對(duì)RDE數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，則會(huì)出現(xiàn)窗口累計(jì)正海拔增量大幅超過1 200 m/100 km的情況，從而對(duì)RDE測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。由于污染物排放因子存在與行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性，因此可以對(duì)市區(qū)、市郊和高速路段的累計(jì)正海拔增量分段設(shè)限，同時(shí)可將路線的中低速路段的累計(jì)正海拔增量的設(shè)限更高一點(diǎn)，以便于在丘陵地區(qū)開展RDE試驗(yàn)。

4 結(jié) 論

3)平坦路線的RDE試驗(yàn)可能難以正確反映車輛在丘陵地區(qū)實(shí)際行駛排放的真實(shí)情況，并且即使全行程的累計(jì)正海拔增量在法規(guī)的限值之內(nèi)，一些窗口累計(jì)正海拔增量也可能會(huì)大幅超過1 200 m/100 km，從而對(duì)RDE測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。建議對(duì)市區(qū)、市郊和高速路段的累計(jì)正海拔增量分段設(shè)限，同時(shí)可將路線的中低速路段的累計(jì)正海拔增量的設(shè)限更高一點(diǎn)，以便在丘陵地區(qū)開展RDE試驗(yàn)。