輕型汽車(chē)實(shí)際道路行駛與實(shí)驗(yàn)室工況污染物排放對(duì)比研究

朱慶功，楊正軍，溫 溢，周 猛

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300300)

輕型汽車(chē)實(shí)際道路行駛與實(shí)驗(yàn)室工況污染物排放對(duì)比研究

朱慶功，楊正軍，溫 溢，周 猛

(中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300300)

選擇6輛滿(mǎn)足國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車(chē)和柴油車(chē)進(jìn)行了在WLTC和NEDC循環(huán)工況下的試驗(yàn)室排放試驗(yàn)，并對(duì)其中的4輛車(chē)按照RDE測(cè)試規(guī)程進(jìn)行了實(shí)際道路排放測(cè)試。結(jié)果表明：在實(shí)際道路行駛條件下，汽油車(chē)CO和柴油車(chē)NOx排放嚴(yán)重超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值，高排放主要出現(xiàn)在車(chē)速大于60km/h的郊區(qū)和高速公路段，瞬時(shí)排放量會(huì)隨著車(chē)速和加速度的升高而增大；部分汽油車(chē)在WLTC工況的超高速段中出現(xiàn)了很高的CO排放，而WLTC工況THC的排放則小于NEDC工況；4輛汽油車(chē)在NEDC工況和WLTC工況下PN排放都超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值，而柴油車(chē)的PN排放和所有車(chē)輛的PM排放都小于標(biāo)準(zhǔn)限值。建議國(guó)Ⅵ車(chē)型開(kāi)發(fā)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注汽油車(chē)的CO，PN排放以及柴油車(chē)的NOx排放。

實(shí)際道路排放；W LTC工況；NEDC工況；排放特性；排放標(biāo)準(zhǔn)

前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，汽車(chē)保有量逐年增加，汽車(chē)尾氣造成的環(huán)境污染問(wèn)題也日益嚴(yán)峻。世界主要國(guó)家和地區(qū)相繼制定并逐步嚴(yán)格排放法規(guī)來(lái)減少汽車(chē)尾氣所帶來(lái)的環(huán)境污染。研究表明，汽車(chē)使用中的實(shí)際道路排放與實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證排放存在較大差異[1-5]。目前，歐盟和我國(guó)的輕型車(chē)認(rèn)證采用NEDC工況，從2017年歐6C排放標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始，歐盟認(rèn)證工況改變?yōu)閃LTC，同時(shí)增加了實(shí)際道路排放(RDE)測(cè)試要求[6]。我國(guó)第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布，與歐盟相似，Ⅰ型試驗(yàn)工況變?yōu)閃LTC，Ⅱ型試驗(yàn)由國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的汽油車(chē)雙怠速與柴油車(chē)自由加速試驗(yàn)改變?yōu)閷?shí)際道路排放試驗(yàn)[7]。為驗(yàn)證現(xiàn)有排放控制技術(shù)車(chē)輛的實(shí)際行駛污染物排放以及WLTC和NEDC工況下的排放特性，本文中選擇6輛滿(mǎn)足國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車(chē)和柴油車(chē)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行WLTC和NEDC工況排放試驗(yàn)，并使用便攜式車(chē)載排放測(cè)量系統(tǒng)(PEMS)按照RDE測(cè)試規(guī)程進(jìn)行實(shí)際行駛排放測(cè)試，研究國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)下的輕型車(chē)污染物排放特性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)車(chē)輛與測(cè)試設(shè)備

試驗(yàn)車(chē)輛共6輛，其中汽油車(chē)4輛，柴油車(chē)2輛，分別滿(mǎn)足國(guó)Ⅳ、國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)輛的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

所有車(chē)輛在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行排放試驗(yàn)，同時(shí)車(chē)輛C～F使用 PEMS在實(shí)際道路中進(jìn)行排放測(cè)試。PEMS主要由分析單元、排氣流量傳感器、GPS和溫濕度計(jì)等組成。主要測(cè)試設(shè)備見(jiàn)表2。

1.2 測(cè)試工況

試驗(yàn)室內(nèi)排放測(cè)試工況為 NEDC和 WLTC。WLTC工況由低速、中速、高速和超高速4部分組成。在WLTC工況測(cè)試時(shí)，汽油車(chē)4階段分別單獨(dú)采氣分析，柴油車(chē)高速和超高速階段合并用一個(gè)氣袋采氣分析，工況曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室工況曲線(xiàn)

實(shí)際道路排放測(cè)試路線(xiàn)由市區(qū)、市郊和高速路段3部分組成。本文中選擇在北京市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)內(nèi)路段、北京市南六環(huán)和京津高速往返完成實(shí)際道路排放測(cè)試。以C車(chē)為例，實(shí)際速度曲線(xiàn)如圖2所示。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)RDE測(cè)試規(guī)程，采用移動(dòng)平均窗口法進(jìn)行實(shí)際道路排放測(cè)試數(shù)據(jù)處理。移動(dòng)平均窗口以WLTC工況CO2排放量的一半作為窗口劃分條件，計(jì)算各窗口的平均污染物排放與平均車(chē)速，之后根據(jù)CO2特性曲線(xiàn)計(jì)算各窗口的權(quán)重，加權(quán)計(jì)算各個(gè)路段的平均排放，根據(jù)各路段0.34，0.33和0.33的系數(shù)即可得到車(chē)輛的實(shí)際道路排放。

圖2 實(shí)際道路測(cè)試速度曲線(xiàn)

為綜合對(duì)比不同排放階段車(chē)輛轉(zhuǎn)鼓和實(shí)際道路排放，定義了每一種污染物的符合性因子(CF)，計(jì)算公式為

式中： Ej為 j污染物的實(shí)際排放，g/km； Enorm，j為 j污染物在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)下的排放限值，g/km。

2 結(jié)果分析

2.1 不同車(chē)輛的轉(zhuǎn)鼓測(cè)試和實(shí)際道路排放結(jié)果

圖3為NEDC，WLTC工況和實(shí)際道路測(cè)試下CO的排放結(jié)果，其中車(chē)輛A和B只進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室排放測(cè)試，車(chē)輛C，D，E和F除實(shí)驗(yàn)室測(cè)試外，還測(cè)量了實(shí)際道路下的CO排放。由圖可見(jiàn)，對(duì)于汽油車(chē)，A，C和D 3輛車(chē)2種實(shí)驗(yàn)室工況下CO排放差異較小，國(guó)Ⅳ車(chē)輛A的符合性因子要大于2輛國(guó)Ⅴ車(chē)；車(chē)輛B在WLTC工況下CO排放符合性因子為NEDC工況下的3.08倍。圖4為車(chē)輛B在WLTC工況下的瞬時(shí)CO排放數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，超高速段CO排放迅速升高，原因是WLTC工況下超高速段車(chē)輛加速度較大，最大達(dá)到1.58m/s2，而NEDC工況下車(chē)輛最大加速度只有1.04m/s2，較大的負(fù)荷造成CO排放迅速升高。對(duì)于車(chē)輛C和D，RDE測(cè)試時(shí)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)下CO符合性因子都超過(guò)1，車(chē)輛D超排放限值近4倍，而以國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)a階段限值計(jì)算，符合性因子遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.1的符合因子，RDE測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)高于2種實(shí)驗(yàn)室工況的測(cè)試結(jié)果。對(duì)于柴油車(chē)E和F而言，NEDC，WLTC和RDE實(shí)驗(yàn)CO符合性因子都小于1。

圖3 實(shí)驗(yàn)室及實(shí)際道路下CO排放

圖4 車(chē)輛B在WLTC工況下CO瞬時(shí)排放

圖5 為NEDC和WLTC工況下THC的排放結(jié)果，為了便于比較，采用THC+NOx限值減去NOx作為柴油車(chē)THC的限值。由圖可見(jiàn)，不論是柴油車(chē)還是汽油車(chē)，國(guó)Ⅳ車(chē)輛的排放符合性因子都大于國(guó)Ⅴ車(chē)輛。對(duì)于車(chē)輛A而言，2種工況下THC的排放相當(dāng)，NEDC工況略小于WLTC工況下的THC排放；而其余5輛車(chē)，NEDC工況下THC排放都大于WLTC工況。圖6為2種工況下車(chē)輛C和D的催化器溫度曲線(xiàn)。三元催化器的起燃溫度對(duì)車(chē)輛THC排放有較大的影響，一般來(lái)講，起燃溫度在350℃左右，由圖可見(jiàn)，車(chē)輛C和D在WLTC工況下催化器達(dá)到起燃溫度的時(shí)間都小于NEDC工況，分別為NEDC工況的84.7%和71.8%，而NEDC和WLTC工況THC的產(chǎn)生主要集中在冷起動(dòng)階段，因此NEDC工況下THC排放大于WLTC工況。

圖5 實(shí)驗(yàn)室下THC排放

圖6 車(chē)輛C和D實(shí)驗(yàn)室工況下催化器溫度曲線(xiàn)

圖7 為NEDC，WLTC工況和實(shí)際道路測(cè)試下NOx的排放結(jié)果。由圖可見(jiàn)：國(guó)Ⅳ汽油車(chē)A，WLTC工況下NOx的符合性因子接近排放限值，為NEDC工況的1.94倍；其余3輛國(guó)Ⅴ汽油車(chē) NEDC和WLTC工況下NOx符合性因子相近，都低于限值的50%；車(chē)輛C和D在RDE工況下NOx符合性因子較轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)有所升高，但都小于0.5。對(duì)于國(guó)Ⅳ柴油車(chē)E，WLTC工況下NOx排放為NEDC工況的3.16倍，而對(duì)于國(guó)Ⅴ柴油車(chē) F，NEDC和 WLTC工況下NOx排放量相近，符合性因子都小于0.4。對(duì)于2臺(tái)柴油車(chē)，RDE測(cè)試在相應(yīng)排放標(biāo)準(zhǔn)下NOx符合性因子遠(yuǎn)大于限值1，分別為4.82和2.02，而以國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)a階段限值計(jì)算2輛車(chē)NOx排放遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)2.1的符合性因子?？梢钥闯?，不論國(guó)Ⅳ還是國(guó)Ⅴ柴油車(chē)，實(shí)際道路測(cè)試時(shí)NOx排放都是需要關(guān)注的重點(diǎn)。

圖7 實(shí)驗(yàn)室及實(shí)際道路下NO x排放

圖8 為NEDC和WLTC工況下PM的排放結(jié)果，國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于所有車(chē)輛都有PM和PN限值要求，因此6輛車(chē)都進(jìn)行了顆粒物排放測(cè)試。由于國(guó)Ⅳ汽油車(chē)無(wú)顆粒物質(zhì)量限值要求，以國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)4.5mg/km計(jì)算。由圖可見(jiàn)，車(chē)輛A和D在NEDC工況PM小于WLTC工況，而車(chē)輛B和C在NEDC工況PM排放要高于WLTC工況，4輛汽油車(chē)2種工況下PM符合性因子都小于0.6。對(duì)于柴油車(chē)E和F，后處理系統(tǒng)中裝有顆粒捕集器，因此2種工況下PM排放都較小?？梢钥闯?，現(xiàn)有排放控制技術(shù)下國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)PM排放控制壓力較小。

圖8 實(shí)驗(yàn)室下PM排放

圖9 為NEDC，WLTC和實(shí)際道路測(cè)試下PN的排放結(jié)果。車(chē)輛C和D實(shí)際道路測(cè)試時(shí)進(jìn)行了PN測(cè)量，所有車(chē)輛都采用6×1011個(gè)/km的限值標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于4臺(tái)國(guó)Ⅳ和國(guó)Ⅴ汽油車(chē)，不論供油系統(tǒng)是直噴還是非直噴，3種測(cè)試條件下的顆粒物數(shù)量排放都大于標(biāo)準(zhǔn)限值，最小為A車(chē)的NEDC工況，符合性因子為1.26，最大為B車(chē)的NEDC工況，符合性因子達(dá)到6.13。圖10為4臺(tái)汽油車(chē)的WLTC工況下PN瞬時(shí)排放結(jié)果?？梢钥闯?，PN的生成主要集中在低速、高速和超高速的初始部分。由于兩輛柴油車(chē)裝有顆粒捕集器，它們的PN排放要遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖9 實(shí)驗(yàn)室下PN排放

圖10 4輛汽油車(chē)WLTC工況下PN瞬時(shí)排放率

2.2 行駛特征對(duì)實(shí)際道路測(cè)試排放污染物的影響圖11和圖12分別為車(chē)輛C和D在實(shí)際道路測(cè)試時(shí)CO排放隨速度和加速度的變化，圖中氣泡的大小表示CO的瞬時(shí)排放速率。由圖可見(jiàn)：2臺(tái)國(guó)Ⅴ汽油車(chē)實(shí)際道路測(cè)試時(shí)CO排放主要在車(chē)速高于60km/h的郊區(qū)和高速公路段；車(chē)輛C的CO排放和加速度相關(guān)性較小，而與車(chē)速有較大的相關(guān)性；車(chē)輛D的CO排放隨著車(chē)速和加速度的升高而增大。

圖11 車(chē)輛C的CO排放隨速度和加速度變化

圖12 車(chē)輛D的CO排放隨速度和加速度變化

圖13 為車(chē)輛C和D在不同道路上CO排放的符合性因子。由圖可見(jiàn)，市區(qū)工況下，由于車(chē)速較低，CO排放較小，只占標(biāo)準(zhǔn)限值的18%和35%，而市郊和高速公路工況，車(chē)速較高，排放因子都大于1，車(chē)輛D高速公路工況符合性因子達(dá)到9.1，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖13 車(chē)輛C和D在不同道路上CO排放的符合性因子

車(chē)輛在實(shí)際道路行駛時(shí)，速度和加速度同時(shí)影響排放污染物的產(chǎn)生。圖14和圖15分別為車(chē)輛E和F在實(shí)際道路測(cè)試時(shí)NOx排放隨速度和加速度的變化，圖中氣泡的大小表示NOx的瞬時(shí)排放速率。由圖可見(jiàn)：兩輛柴油車(chē)的NOx主要都是在加速工況產(chǎn)生，同時(shí)隨著車(chē)速和加速度的升高而增大；其中國(guó)Ⅴ柴油車(chē)F的80%以上NOx排放主要在車(chē)速高于60km/h的市郊和高速道路上產(chǎn)生，車(chē)速較低的城市道路NOx排放很少。

圖14 車(chē)輛E的NO x排放隨速度和加速度的變化

圖15 車(chē)輛F的NO x排放隨速度和加速度的變化

圖16 為車(chē)輛E和F在不同道路上NOx的符合性因子。由圖可見(jiàn)：車(chē)輛E在3種道路上的NOx排放都遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)限值，郊區(qū)和高速公路工況NOx符合性因子相當(dāng)，大于城市工況的符合性因子；車(chē)輛F在城市工況NOx排放接近標(biāo)準(zhǔn)限值，郊區(qū)工況為標(biāo)準(zhǔn)限值的兩倍左右，高速公路工況約為標(biāo)準(zhǔn)限值的2.5倍；國(guó)Ⅳ車(chē)輛E在3種道路上的NOx排放符合性因子都大于國(guó)Ⅴ車(chē)輛下，約為國(guó)Ⅴ車(chē)輛F的兩倍多。

圖16 車(chē)輛E和F在不同道路上NO x排放的符合性因子

3 結(jié)論

(1)4輛汽油車(chē)3種測(cè)試條件下PN排放都大于標(biāo)準(zhǔn)限值6×1011個(gè)/km，最大值為限值的6.13倍，需要在國(guó)Ⅵ車(chē)型開(kāi)發(fā)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注；2臺(tái)柴油車(chē)由于裝有顆粒物捕集器，PN排放遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值；6輛車(chē)PM排放都小于標(biāo)準(zhǔn)限值。

(2)WLTC和NEDC工況下6輛車(chē)CO排放符合性因子都小于標(biāo)準(zhǔn)限值，部分車(chē)輛WLTC超高速段CO排放會(huì)迅速升高；WLTC工況THC排放要低于NEDC工況；國(guó)Ⅳ柴油車(chē)在WLTC工況下NOx排放比NEDC工況顯著升高。

(3)實(shí)際道路測(cè)試時(shí)兩輛汽油車(chē)CO排放主要集中車(chē)速大于60km/h的郊區(qū)和高速公路段，同時(shí)CO排放會(huì)隨著車(chē)速和加速度的增加而增大。

(4)實(shí)際道路測(cè)試時(shí)兩輛柴油車(chē)NOx排放超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值，且隨著車(chē)速和加速度的升高而增大；其中國(guó)Ⅴ柴油車(chē)80%以上NOx排放在車(chē)速高于60km/h的高速段產(chǎn)生。

(5)面向國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型開(kāi)發(fā)時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注汽油車(chē)CO和PN排放及柴油車(chē)NOx排放。

[1] JERZY Merkisz， JACEK Pielecha， PIOTR Bielaczyc， et al.Analysis of emission factors in RDE testsaswellas in NEDC andWLTC chassis dynamometer tests[C].SAE Paper 2016-01-0980.

[2] NEBOJSA Milovanovic，SHANT Hamalian.The fuel consumption and NOxemission optimisation for future diesel passenger cars[C].SAE Paper 2016-01-0916.

[3] LIU Bin，CHRISTOPHER Frey H.Variability in light-duty gasoline vehicle emission factors from trip-based real-world measurements[J].Environmental Science ＆ Technology，2015，49：12525-12534.

[4] JOHN May， DIRK Bosteels， CECILE Favre.An assessment of emissions from light-duty vehicles using PEMS and chassis dynamometer testing[C].SAE Paper 2014-01-1581.

[5] THANTHEP Puphunwivat.Real driving emissions-a game changer for the industry：mastering on-road emissions targetswith integrated vehicle testing solution AVLM.O.V.E[C].SAE Paper 2015-01-0056.

[6] TIMOTHY V Johnson.Review of vehicular emissions trends[C].SAE Paper 2015-01-0993.

[7] GB 18352.6—2016輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)[S].2016.

A Comparative Research on the Pollutant Emissions of Light-duty Vehicles Under Real Road Driving and Laboratory Condition

Zhu Qinggong，Yang Zhengjun，W en Yi＆ Zhou M eng
China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300300

Laboratory emission tests are conducted on six vehicles(four gasoline vehicles and two diesel vehicles)meeting state-IV and state-V regulation respectivelywith WLTC and NEDC cycles，and real driving emission(RDE)tests are also performed on four of them according to corresponding specifications.The results show thatunder real road driving conditions，the CO emissions of gasoline vehicles and the NOxemissions of diesel vehicles seriously exceed regulation limits，in which high emissionsmainly appear on suburban road and highway where vehicle speed usually higher than 60 km/h，and instantaneous emissions increasewith the rise of vehicle speed and acceleration.Some gasoline vehicles show rather high CO emission with WLTC cycle at ultra high speed section while their THC emissionswith WLTC cycle are lower than thatwith NEDC cycle.The PN emissions of four gasoline vehicles with WLTC cycle and NEDC cycle all exceed regulation limit，while the PN emission of two diesel vehicle and the PM emissions of all vehicles are lower than regulation limits.So it is suggested that in the development of state-VI vehicles，attentions should be focused on the CO and PN emissions of gasoline vehicles and the NOxemission of diesel vehicles.

real driving em ission； W LTC cycle； NEDC cycle； em ission characteristics； em ission regulations

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.10.005

原稿收到日期為2017年7月19日，修改稿收到日期為2017年8月20日。

朱慶功，碩士，E-mail：zhuqinggong＠ catarc.ac.cn。