擴(kuò)展及超擴(kuò)展高溫條件對實際行駛排放試驗的影響

摘 要：國內(nèi)外尚沒有直接的試驗數(shù)據(jù)可以支撐和解釋RDE法規(guī)試驗程序中有關(guān)擴(kuò)展高溫條件規(guī)定及其相應(yīng)處理方法的合理性。為研究高溫環(huán)境對RDE試驗的影響，以一輛輕型汽油車在不同環(huán)境溫度下（約10–40℃）的10次實際行駛試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，從標(biāo)準(zhǔn)排放因子和路段排放因子兩個維度評估了高溫條件對RDE試驗的影響。結(jié)果表明在常溫環(huán)境下，環(huán)境溫度（空調(diào)）對排放物的影響很弱，高溫環(huán)境條件（35–40℃）及空調(diào)的使用并不會導(dǎo)致嚴(yán)重異常的污染物排放。在保證測試設(shè)備正常工作的條件下，RDE試驗可以考慮不設(shè)置30-35℃基本擴(kuò)展溫度條件，并將普通溫度條件擴(kuò)展至40℃。

關(guān)鍵詞：實際行駛排放 溫度 高溫條件 行程動力學(xué)

Influence of Extended and Ultra-extended High Temperature Conditions on Actual Driving Emission Tests

Peng Jingde，Wang Rui，Zhang Li，Du Baocheng，Xue Haoyang

Abstract：There is no direct test data at home and abroad that can support and explain the rationality of the extended high temperature conditions and corresponding treatment methods in the test procedures of RDE regulations. In ordNGM7ouKUP6GiaaquHB1FATu8zEJtdPLct+gViU/pMCY=er to study the influence of high temperature environment on the RDE test， based on the data of 10 actual driving tests of a light gasoline vehicle at different ambient temperatures （about 10–40°C）， the influence of high temperature conditions on the RDE test was evaluated from two dimensions： standard emission factors and road section emission factors. The results show that the influence of ambient temperature （air conditioning） on emissions is weak in normal temperature environment， and high temperature environmental conditions （35–40°C） and the use of air conditioning do not lead to serious abnormal pollutant emissions. Under the condition of ensuring the normal operation of the test equipment， the RDE test can consider not setting the basic extended temperature conditions of 30-35 °C， and extend the ordinary temperature conditions to 40 °C.

Key words：actual driving emissions， temperature， high temperature conditions， stroke dynamics

1 引言

鑒于實驗室條件下的標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)缺乏車輛實際道路行駛的完整代表性，難以全面、準(zhǔn)確地反映現(xiàn)代交通系統(tǒng)中車輛的實際使用情況[1-4]。為了縮小實驗室排放與實際道路行駛排放之間的差距，歐盟制定了使用便攜式排放測量系統(tǒng)（PEMS）的實際行駛排放（RDE）測試程序[5-6]；國內(nèi)在《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第6階段）》（GB18352.5-2016）中也參照引入該測試程序[7]。

作為一個受多種因素（環(huán)境條件、駕駛員行為、道路地形、交通狀況、有效載荷等）可變性影響的道路測試，不確定性的試驗邊界對RDE試驗結(jié)果的影響很大[8-9]。故RDE法規(guī)試驗程序?qū)ο嚓P(guān)試驗邊界進(jìn)行了具體的規(guī)定。其中，普通溫度條件為環(huán)境溫度0–30℃；基本擴(kuò)展溫度條件為環(huán)境溫度-7–0℃，或30–35℃（未設(shè)置進(jìn)一步擴(kuò)展溫度條件）。按法規(guī)試驗程序的規(guī)定，擴(kuò)展溫度條件下的排放應(yīng)除以擴(kuò)展系數(shù)（基本擴(kuò)展條件的擴(kuò)展系數(shù)為1.6）后再進(jìn)行評估[7]?？梢姡瑪U(kuò)展低溫條件（-7–0℃）和擴(kuò)展高溫條件（30–35℃）對RDE試驗的影響在試驗程序是按同等的方式進(jìn)行處理的。低溫環(huán)境條件對車輛行駛排放（特別是冷起動排放）的具有重要影響[10-12]，但高溫環(huán)境條件對RDE試驗的影響卻未見有相關(guān)研究報道。

目前，因內(nèi)外尚沒有直接的試驗數(shù)據(jù)可以支撐和解釋RDE法規(guī)試驗程序中有關(guān)擴(kuò)展高溫條件規(guī)定及其相應(yīng)處理方法的合理性。另一方面，國內(nèi)夏季氣溫超過40℃的城市和地區(qū)較多，且30℃以上的高溫天氣持續(xù)時間也較長。在此情況下，擴(kuò)展高溫條件以及進(jìn)一步擴(kuò)展的40℃以上的高溫條件究竟會對RDE試驗產(chǎn)生何種程度的影響的確存在進(jìn)一步探討的必要性。有鑒于此，采用相同的試驗車輛并在相同的行駛路線條件下選擇不同的季節(jié)時間段完成10次RDE法規(guī)試驗，以此分析和評估高溫環(huán)境條件對RDE試驗的影響。

2 道路試驗

試驗車輛選取一輛產(chǎn)自中國境內(nèi)的輕型汽油乘用車，整車測試質(zhì)量為1765kg，為重慶地區(qū)城市道路最為常見的車型之一。試驗車輛發(fā)動機(jī)排量為1.998L，最大扭矩320Nm，最大功率180kW，采用缸內(nèi)直噴的燃油供給方式，燃油標(biāo)號為95號汽油，進(jìn)氣方式為廢氣渦輪增壓；排放后處理配備三元催化器（TWC）和汽油微粒過濾器（GPF），排放滿足國六標(biāo)準(zhǔn)；動力傳動系配置9速手自一體自動變速器。排放測試系統(tǒng)采用奧地利AVL公司生產(chǎn)的M.O.V.E便攜式車載排放檢測設(shè)備，該套PEMS設(shè)備系統(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、全球定位系統(tǒng)（GPS）、溫濕度儀、車載自動診斷系統(tǒng)（OBD）等設(shè)備。試驗開始前，所用設(shè)備按法規(guī)要求進(jìn)行預(yù)熱和標(biāo)定；試驗結(jié)束后需要對設(shè)備進(jìn)行漂移檢查（即對設(shè)備通標(biāo)氣和零氣以對比試驗前和試驗后設(shè)備的穩(wěn)定性）。

參照中國第6階段排放法規(guī)RDE試驗程序的要求，在重慶市渝北區(qū)設(shè)計試驗路線。試驗總行駛距離83km，其中市區(qū)27km、市郊28km、高速28km；全行程累計正海拔增量1178m/100km，全行程平均海拔高度384m，起止點(diǎn)海拔差27m。在上述相同行駛路線條件下選擇不同的季節(jié)時間段完成10次RDE法規(guī)試驗，10次RDE試驗的環(huán)境溫度范圍為10–40℃。用A–J分別標(biāo)識不同輪次RDE試驗，試驗A-J的環(huán)境溫度分別為9.54、10.76、20.61、22.08、28.90、26.44、30.72、32.39、39.05、39.77，其中試驗A-E空調(diào)關(guān)閉，試驗F-J空調(diào)關(guān)閉。其中，有6次RDE試驗滿足普通溫度條件，有2次試驗（編號G、H）符合擴(kuò)展高溫條件，有2次試驗（編號I、J）為超擴(kuò)展高溫條件。

在對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行時序校準(zhǔn)后，根據(jù)測得的各污染物的瞬時濃度（%vol、ppm或#/m3）計算污染物的瞬時質(zhì)量排放（g/s或#/s）。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)中國第6階段排放法規(guī)的要求，排除冷起動排放數(shù)據(jù)、車輛地面速度小于1km/h和發(fā)動機(jī)熄火期間的排放數(shù)據(jù)，并采用移動平均窗口法計算排放數(shù)據(jù)。對試驗有效性進(jìn)行校驗，結(jié)果表明各輪次試驗均能夠通過實際行駛排放試驗法規(guī)窗口正常性和完整性的驗證。

3 結(jié)果分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)排放因子

采用MAW方法分別確定市區(qū)、市郊、高速路段的窗口加權(quán)系數(shù)；將窗口排放進(jìn)行加權(quán)平均得到市區(qū)、市郊和高速路段的污染物排放因子；再次加權(quán)計算總行程污染物排放因子（市區(qū)、市郊、高速路段的加權(quán)系數(shù)分別為0.34、0.33和0.33）。對于滿足擴(kuò)展溫度條件的排放數(shù)據(jù)未除以擴(kuò)展系數(shù)進(jìn)行修正。

圖1給出了各輪次試驗的總行程和路段（市區(qū)、市郊、高速）污染物排放因子。圖中，橫坐標(biāo)為各輪次試驗（編號A、B、C、D、E、F、G、H、I、J從左至右順序排列）的平均溫度，縱坐標(biāo)為污染物排放因子；在A–E次試驗中（白色底板）乘員艙空調(diào)處于關(guān)閉狀態(tài)，在F–J次試驗中（粉色底板）則開啟空調(diào)。

圖中可見，各輪次試驗的CO2排放差異性不大，擴(kuò)展高溫條件RDE試驗的CO2排放不會大幅度高于普通溫度條件RDE試驗的CO2排放。超擴(kuò)展高溫條件RDE試驗CO2排放也沒有表現(xiàn)出奇異性。類似地，擴(kuò)展高溫條件RDE試驗的CO、NOx和PN排放也沒有表現(xiàn)出相對于普通溫度條件RDE試驗的奇異性。超擴(kuò)展高溫條件并不一定會導(dǎo)致異常排放。例如，NOx排放嚴(yán)重的RDE試驗出現(xiàn)在空調(diào)關(guān)閉狀態(tài)下的普通溫度條件（20.61℃）；在環(huán)境溫度最高的超擴(kuò)展高溫條件下（39.77℃），試驗J的污染物排放并不嚴(yán)重。

相較于CO2排放，各輪次試驗的其它污染物排放差異性明顯。但這種差異性與環(huán)境溫度和空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)聯(lián)性不大。在環(huán)境溫度接近的試驗邊界條件下，污染物排放也會表現(xiàn)出明顯不同。如超擴(kuò)展高溫條件下的兩次試驗平均環(huán)境溫度相近，分別39.05℃（試驗I）、39.77℃（試驗J）。但是兩次試驗的PN排放因子差異明顯，試驗I的PN排放因子幾乎是試驗J的兩倍。在普通溫度條件下，試驗C和D平均環(huán)境溫度分別為20.6℃和22.1℃，但試驗C的NOx排放因子卻接近試驗D的兩倍。

2.2 路段排放因子

對于在相同行駛路線上完成的十次RDE試驗，采用直接積分（CA）方法分別計算市區(qū)、市郊和高速路段的污染物排放因子。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合RDE試驗的三個重要試驗邊界條件：路段環(huán)境溫度、路段行程動力學(xué)特性參數(shù)、路段行駛路線地形特征，觀察污染物排放與這些路段試驗邊界條件的相關(guān)性，如圖2–5。圖中橫坐標(biāo)為各輪次試驗的平均環(huán)境溫度，縱坐標(biāo)為路段的污染物排放因子，氣泡直徑代表路段的累計正海拔增量或行程動力學(xué)特性參數(shù)（RPA）的大小。圖中標(biāo)出了RPA為0.1m/s2和累計正海拔增量為2000m/100km時氣泡直徑大小，其它數(shù)據(jù)點(diǎn)的RPA、累計正海拔增量可參照讀取。

如圖2所示，除了試驗B（10.76℃），市區(qū)路段CO2排放隨環(huán)境溫度的增加有增加的趨勢，空調(diào)開啟狀態(tài)下的CO2排放要高于空調(diào)關(guān)閉狀態(tài)下CO2排放；在普通溫度條件下（未開啟空調(diào)）的試驗B（10.76℃）表現(xiàn)出較大的市區(qū)路段CO2排放；究其原因，其市區(qū)路段有最大的RPA和累計正海拔增量。在超擴(kuò)展高溫條件下的試驗J（39.8℃）有最大的市區(qū)路段CO2排放。但這種現(xiàn)象在市郊和高速路段的表現(xiàn)卻不明顯，在高速行駛狀態(tài)車輛行駛阻力增加，空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷對整車行駛負(fù)荷的影響相對較小。因此，CO2排放受環(huán)境溫度的影響相較其受行程動力學(xué)特性和行駛路線地形特征的影響更不明顯。CO排放呈現(xiàn)的情況與CO2排放較為相似（如圖3所見），市區(qū)和高速路段的CO有隨著溫度升高而增加的趨勢。

如圖4所示，試驗C（20.61℃）在市區(qū)、郊區(qū)和高速路段均呈現(xiàn)最大的NOx排放；與之相應(yīng)，可以觀察到試驗C的市區(qū)、市郊、高速路段的RPA、累計正海拔高度增量均較高。同時，難以觀察到NOx排放隨環(huán)境溫度的明確線性變化趨勢，環(huán)境溫度對NOx排放的影響不如其它兩個試驗邊界條件。對于PN排放，在超擴(kuò)展高溫條件下的試驗I（39.1℃）的市區(qū)、市郊路段出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)點(diǎn)；但除這個異常點(diǎn)之處，市區(qū)和市郊路段的PN排放隨環(huán)境溫度的升高略呈下降的趨勢；在高速路段，普通溫度條件下的試驗C仍有較大的PN排放；行程動力學(xué)特性和行駛路線地形對PN排放的影響相對于環(huán)境溫度仍明確可見（如圖5所見）。

由于受到行程動力學(xué)特性、路段行駛路線地形特征等試驗邊界條件的耦合影響，很難將環(huán)境溫度（空調(diào)）因素的影響從RDE試驗的其它試驗邊界的影響中區(qū)分和割裂出來。但值得注意的是，超擴(kuò)展高溫條件下的試驗I（39.05℃）和試驗J（39.77℃）所表現(xiàn)的現(xiàn)象不同。試驗J市區(qū)路段CO2和CO排放因子為最高值，而市區(qū)路段NOx和PN排放并不突出；試驗I市區(qū)路段CO2和CO排放因子與其它普通溫度條件下的試驗相差不大，但市區(qū)路段NOx和PN排放則相當(dāng)突出?？梢?，超擴(kuò)展高溫條件對RDE試驗的影響是與其它試驗邊界相耦合的。

4 總結(jié)

從兩個維度對不同環(huán)境溫度下的10次RDE試驗結(jié)果進(jìn)行分析討論，發(fā)現(xiàn)溫度對市區(qū)路段的CO2、CO和高速路段CO排放有一定的影響，當(dāng)溫度升高時CO和CO2排放值有升高的趨勢；而對于市郊和高速路段的CO2以及市郊路段的CO，溫度對其影響遠(yuǎn)低于累計海拔增量和RPA。NOx和PN排放物在10次試驗中未表現(xiàn)出與溫度有明顯相關(guān)的趨勢。即相對于駕駛行為、地形因素等邊界條件，溫度對污染物排放的影響較弱。

RDE試驗程序中設(shè)置了普通溫度條件（環(huán)境溫度高于或等于0℃，低于或等于30℃）和擴(kuò)展溫度條件（環(huán)境溫度高于或等于-7℃，或高于30℃且低于35℃）。但對于高溫擴(kuò)展溫度條件（30–35℃），其設(shè)置不具合理性，明顯夸大了高溫環(huán)境對污染物排放的影響。在保證測試設(shè)備正常工作的條件下，RDE試驗可將普通溫度條件擴(kuò)展至40℃左右。

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