RPA對PFI輕型汽油車RDE高原排放特性試驗研究

程 亮，徐志寅，鄔建化，邱曉偉，謝熙鈞

（上海汽車集團股份有限公司乘用車公司試驗認證部，上海 201804）

前言

汽車工業(yè)的發(fā)展，給人們帶來舒適便捷“汽車文明”的同時，也帶來了日益嚴重的環(huán)境問題。研究表明：我國大城市中CO的63.4%，HC的73.5%和NOx的46%來自于機動車尾氣，對底層環(huán)境濃度的分擔(dān)率達70%以上［1］，駕駛行為對車輛燃油消耗量和污染物排放具有重要的影響［2-6］。當(dāng)前，世界各國法規(guī)規(guī)定的輕型車排放試驗均按照特定試驗循環(huán)工況在實驗室轉(zhuǎn)鼓上進行，而單一的實驗室測試循環(huán)不能覆蓋實際行駛情況下的運行工況［7］，車輛的實驗室測試循環(huán)排放結(jié)果與實際排放狀況可能存在較大差異［8-10］。為彌補實驗室測試和實際道路測試結(jié)果的差異，國六排放法規(guī)增加了II型——實際行駛污染物排放試驗（real driving emission，RDE）。目前國內(nèi)對RDE的研究報道較少，王勃等人［11］研究了駕駛行為對法規(guī)要求窗口的適應(yīng)性并提出了滿足RDE窗口邊界條件的車輛駕駛試驗方案；付秉正、楊正軍等人［12-13］對汽油轎車和柴油轎車分別進行了RDE試驗研究，結(jié)果表明，汽油轎車的CO符合因子大于NOx，而柴油轎車的NOx符合因子大于CO。

我國海拔1 000m以上的土地面積占全國陸地總面積的60%，3 000m以上的面積占16%［14］。針對高海拔地區(qū)對機動車影響的研究主要集中在柴油發(fā)動機性能和燃料特性方面，很少涉及整車排放和油耗［15］。目前，國內(nèi)外對高海拔地區(qū) RDE駕駛行為相關(guān)的研究鮮有報道。

RPA（relative positive acceleration）為相對正加速度［16］，即

式中：v為車速，km／h；a＋為正加速度，m／s2；x為里程值，km。RPA代表駕駛員對車輛動力性的需求，也是RDE試驗最重要的行程動力學(xué)特性之一。

本文中對一臺自然吸氣式多點電噴輕型汽油車在整車轉(zhuǎn)鼓實驗室分別進行了AVL-i60排放設(shè)備和AVL-M.O.V.E.輕型車便攜式排放測試系統(tǒng)（portable emissionmeasurement system，PEMS）試驗條件下的 WLTC（worldwide harmonized light vehicles test cycle）試驗結(jié)果對比，并研究在西寧高海拔（試驗路線平均海拔2 313m）條件下的不同RPA值（本文中分別對應(yīng)平緩、一般和激烈3種駕駛行為）對實際行駛污染物的排放特性。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗樣車設(shè)備及燃料

試驗樣車配置了一臺水冷、直列4缸4沖程、電控燃油進氣道多點電噴、自然吸氣式、性能較好的汽油發(fā)動機及一臺4速自動變速器。試驗樣車后處理裝置為三元催化器（three way catalyst，TWC）和下底板催化器（under floor catalyst，UFC），滿足國五排放標(biāo)準要求，試驗中未對樣車進行任何調(diào)整。整車主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗樣車主要技術(shù)參數(shù)

臺架試驗設(shè)備主要包括AVL公司的AMA-i60，AVL-Z?LLNER-4WD底盤測功機和Imtech公司的環(huán)境艙。RDE測試設(shè)備為AVL公司的AVL-M.O.V.E.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和 PN各污染物濃度的AVL-Concerto M.O.V.E車載排放測試系統(tǒng)；用以確定車輛的位置、海拔高度、車輛行駛速度的全球定位系統(tǒng)GPS；用以確定環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力等車載氣象站；用以確定排氣質(zhì)量流量的流量計EFM和用以獨立為測試設(shè)備供電的鋰電池。

試驗燃料使用試驗當(dāng)?shù)厥惺?2#汽油。

1.2 試驗方案

本文中對裝有PEMS設(shè)備的試驗樣車在上海整車排放實驗室進行WLTC試驗工況測試以得到RDE試驗輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)，并驗證PEMS的試驗結(jié)果是否符合國六要求的允許誤差內(nèi)，然后在西寧地區(qū)按照RDE試驗規(guī)程，根據(jù)選定路線進行3組不同駕駛行為（分別為平緩、一般和激烈駕駛）的實際行駛污染物排放試驗，考察該車在高原條件下RPA對RDE試驗排放特性的影響。

西寧試驗路線：（1）市區(qū)工況：由寧張線開始試驗，行駛至青海大學(xué)路后折返，至緯五路經(jīng)西湖路至經(jīng)三路完成市區(qū)工況試驗；（2）市郊工況：在完成城市工況行駛里程后開至京藏高速出發(fā)點，進入京藏高速后，轉(zhuǎn)至寧大高速完成市郊工況試驗；（3）高速路工況：完成市郊工況后直接進行高速工況行駛，途經(jīng)大通收費站掉頭，返程繼續(xù)完成剩余的高速工況試驗。

按照RDE規(guī)程的要求，試驗車輛依次在市區(qū)、市郊和高速公路上連續(xù)行駛，每個速度區(qū)間至少行駛16km，試驗總時間為90～120min，試驗開始點和結(jié)束點之間的海拔高差不超過100m，并且試驗車輛行駛100km的累計正海拔高度增加量應(yīng)不大于1 200m。其中，市區(qū)工況：停車市郊占市區(qū)時間的6%～30%，最小里程為16km，平均速度為15～40km／h；市郊工況：可被市區(qū)（行駛距離很短）行駛中斷；高速工況：車速覆蓋90～110km／h，且車速大于100km／h至少5min，在不超過高速路段行駛時間3%的時間內(nèi)最高車速可增加15km／h，車速若超過限速規(guī)定，PEMS試驗結(jié)果仍有效，可被市區(qū)或市郊（行駛距離很短）行駛中斷。具體車速和里程工況要求如表2所示。

表2 RDE車速和行駛里程工況要求

RDE行程有效性驗證中，需要驗證每個速度組中的RPA值，具體要求如下：

根據(jù)RDE市區(qū)、市郊和高速段對速度的規(guī)定要求，由此可推算出：RPA市區(qū)min＞0.1115，RPA市郊min＞0.0315，RPA高速min＞0.025。

由此可見，國標(biāo)對RDE試驗中RPA值的規(guī)定范圍較大。

為保證試驗條件的一致性，減少試驗誤差，每次試驗前后都會進行相關(guān)儀器的標(biāo)定；嚴格按照GB18352.6—2016試驗規(guī)程進行試驗操作，每次在確保試驗樣車狀態(tài)已穩(wěn)定的條件下由相同試驗人員進行試驗，并采集試驗數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果與分析

按照GB18352.6—2016試驗規(guī)程進行試驗，試驗冷起動時段包括發(fā)動機初始起動后的最初5min。由試驗過程中采集到的發(fā)動機冷卻液溫度得知，平緩、一般和激烈駕駛行為下車輛冷起動300s后的冷卻液溫度分別為69.8，73.5和79.5℃，可見較大的RPA值對應(yīng)的駕駛行為可使車輛預(yù)熱時間提前。

根據(jù)選定的西寧試驗路線分別進行RDE試驗，3組駕駛行為（平緩、一般和激烈駕駛，對應(yīng)本文RDE試驗發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速分別為1 683，1 911和2063r／min）RDE下的對應(yīng)的RPA值及試驗結(jié)果對比如表3所示。

表3 不同駕駛行為RDE工況對比

由表3可見，在市區(qū)、市郊和高速工況下的RPA值與駕駛激烈程度成正相關(guān)，即：RPA激烈駕駛＞RPA一般駕駛＞RPA平緩駕駛。

2.1 PEMS允許誤差的驗證

該車在整車轉(zhuǎn)鼓排放實驗室上進行WLTC循環(huán)工況試驗，分別采用PEMS和實驗室CVS條件下AMA-i60排放測試的試驗結(jié)果并參照國六排放法規(guī)中對PEMS驗證允許的誤差規(guī)定允許值，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 污染物差值絕對值與PEMS允許誤差值

由表4可見，PEMS和AMA-i60的污染物測試結(jié)果誤差在國六標(biāo)準允許誤差范圍內(nèi)。

2.2 RDE試驗數(shù)據(jù)處理

試驗嚴格按照GB18352.6—2016試驗規(guī)程進行，試驗冷起動時段包括發(fā)動機初始起動后的最初5min。由試驗過程中采集到的發(fā)動機冷卻液溫度得知，平緩、一般和激烈駕駛行為下車輛冷起動300s后的冷卻液溫度分別為69.8，73.5和79.5℃，可見較大的RPA可使車輛預(yù)熱時間提前。國標(biāo)規(guī)定只記錄冷起動排放，試驗結(jié)果不計入RDE試驗的最終結(jié)果（即CO2窗口法計算結(jié)果），為了解冷起動階段排放特性，本文中在模態(tài)數(shù)據(jù)分析中包含了冷起動階段排放。本文中試驗路線平均海拔2 313m已達到進一步海拔擴展條件（高于或等于1 300m，但不高于2 400m），RDE試驗結(jié)果已除以進一步擴展系數(shù)1.8。

2.3 RDE試驗結(jié)果分析

圖1～圖3為試驗樣車在RDE高原試驗中3種不同的駕駛行為對應(yīng)的模態(tài)試驗結(jié)果（短虛線、實線和長虛線分別對應(yīng)平緩、一般和激烈駕駛行為時的試驗結(jié)果）。

2.3.1 冷起動排放特性

由圖1～圖3可見，冷起動階段（前300s），平緩、一般和激烈3種駕駛行為下的CO和PN排放量明顯較高。平緩、一般和激烈3種駕駛行為冷起動下的 CO，PN，NOx，O2和 CO2排放量分別占整個 RDE試驗 CO，PN，NOx，O2和 CO2排放總量（包含冷起動階段）的34.4%，42.1%和25.0%；87.7%，95.7%和93.1%；1.1%，3.1%和2.0%；23.3%，46.4%和16.7%；4.8%，4.3%和4.8%。

圖1 車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和排氣溫度模態(tài)

圖2 車速，CO，PN和O2模態(tài)

圖3 車速，NO x和CO2模態(tài)

這是由于冷起動狀態(tài)下的油溫和水溫都未達到設(shè)定值，缸內(nèi)溫度較低，發(fā)動機采用加濃策略，空燃比較低，燃燒不完全。此外，冷起動時的排氣溫度較低，催化器后處理裝置沒有達到最佳工作溫度，催化效率低，導(dǎo)致燃燒不充分，CO排放增加［17］。汽油車冷起動狀態(tài)的顆粒物數(shù)目粒徑表面積體積高于熱起動狀態(tài)，這主要是由于車輛運轉(zhuǎn)狀態(tài)的改變提高了發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度，促進了發(fā)動機燃燒過程中對顆粒物的氧化作用［18］?；旌蠚鉂鈺r，氧的濃度對NO的形成起決定作用［19］，在冷起動階段O2排放較高，催化器效率低，最終導(dǎo)致NOx排放略有升高。

2.3.2 CO排放特性

圖4為該車在平緩、一般和激烈3種駕駛行為RDE高原試驗下的CO排放試驗結(jié)果。

圖4 CO各工況下排放特性

由圖4可見，CO排放量主要產(chǎn)生在市郊和高速工況，且在市區(qū)、市郊和綜合工況下CO排放量的變化規(guī)律相似，即 CO激烈＞CO平緩＞CO一般，而在高速工況下CO一般＞CO平緩＞CO激烈。比較一般駕駛行為，平緩和激烈駕駛行為在市區(qū)、市郊、高速和綜合工況下的CO排放量分別增加：8.2%，82.4%，-15.5%和22.9%；38.8%，205.2%，-57.7%和 48.6%。CO排放隨RPA值的變化無明顯變化規(guī)律。

CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物。一方面，試驗車輛在平原地區(qū)進行標(biāo)定污染物排放，而高海拔下的空氣比較稀薄，空氣密度降低，導(dǎo)致進氣量不充足，且進氣壓力隨海拔升高逐漸減小，車速越高進氣壓力減小的幅度越大，當(dāng)汽車處于高速大負荷狀態(tài)，過量空氣系數(shù)低于1，混合氣加濃，從而CO排放增加。此外，點火提前角隨海拔升高而增大，CO排放進一步惡化［20-21］。另一方面，發(fā)動機在中、小負荷工況下運行時，電噴汽油機的控制策略是閉環(huán)控制，根據(jù)氧傳感器的反饋信號控制過量空氣系數(shù)稍大于1.0，基本上保證燃料充分燃燒。發(fā)動機全負荷工況運行時，電噴汽油機的控制策略為開環(huán)控制，在發(fā)動機達到某一轉(zhuǎn)速或者負荷時，就要增大噴油量，供給發(fā)動機較濃的混合氣，以形成功率混合氣，而高轉(zhuǎn)速段混合氣的形成時間較短。綜合作用下，在高轉(zhuǎn)速段的市郊工況和高速工況下CO的排放較市區(qū)工況排放有所上升［22-23］。

2.3.3 PN排放特性

圖5為該車在平緩、一般和激烈3種駕駛行為RDE高原試驗下的PN排放試驗結(jié)果。

圖5 PN各工況下排放特性

由圖5可見，PN排放量與RPA值在市區(qū)工況下呈現(xiàn)負相關(guān)，而在高速工況呈現(xiàn)正相關(guān)，市郊和綜合工況下無明顯規(guī)律。比較一般駕駛行為，平緩和激烈駕駛行為在市區(qū)、市郊、高速和綜合工況下的PN排放量分別增加：7.0%，-2.1%，-37.5%和12.9%；-48.8%，-53.9%，1.7%和-32.3%。

由圖2可知，整個RDE試驗中，在平緩、一般和激烈駕駛行為中的氧氣排放量大小依次為：O2一般＞O2平緩＞O2激烈。這可能是由于空燃比波動和燃燒不充分，不完全燃燒物質(zhì)形成了大量顆粒物使得PN排放量在一般駕駛時達到最大，在激烈駕駛時最小。

2.3.4 NOx排放特性

圖6為該車在平緩、一般和激烈3種駕駛行為RDE高原試驗下的NOx排放試驗結(jié)果。

圖6 NO x各工況下排放特性

由圖6可見，NOx排放量與 RPA值呈現(xiàn)正相關(guān)，且RPA值越大，NOx排放增加量越明顯。且市區(qū)工況下NOx排放量明顯高于市郊和高速工況。比較一般駕駛行為，平緩和激烈駕駛行為在市區(qū)、市郊、高速和綜合工況下的NOx排放量分別增加：-43.1%，-81.3%，-58.3%和-37.0%；413.8%，160.4%，558.3%和622.2%。

NOx生成的條件是3個方面的統(tǒng)一，即高溫、富氧和高溫持續(xù)時間［24］。由于汽油發(fā)動機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，則主要的氮氧化物就來源于高溫型NO，根據(jù)高溫NO生成機理，對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［25］。由表3和圖1可知，RDE試驗在市區(qū)工況下持續(xù)時間遠大于市郊和高速工況，因此NOx排放在市區(qū)階段的排放量也最多。在市區(qū)、市郊和高速工況下，總體排氣溫度 T：T激烈＞T一般＞T緩和，因此 NOx排放量在激烈駕駛行為時最大，在緩和駕駛行為時最小。

2.3.5 CO2排放特性

圖7和圖8分別為該車在平緩、一般和激烈3種駕駛行為RDE高原試驗下的CO2排放試驗結(jié)果和CO2窗口特性曲線試驗結(jié)果。

圖7 CO2各工況下排放特性

由圖7可見，CO2排放量與RPA值呈現(xiàn)正相關(guān)，且市區(qū)工況下CO2排放量明顯高于市郊和高速工況。比較一般駕駛行為，平緩和激烈駕駛行為在市區(qū)、市郊、高速和綜合工況下的CO2排放量分別增加：-30.5%，-27.8%，-29.0%和-29.9%；4.9%，6.9%，14.4%和7.3%。

由圖8可見，緩和駕駛行為使得CO2排放結(jié)果介于50%擴展下公差和特性曲線之間，一般駕駛行為使得CO2排放結(jié)果主要介于25%基本上下公差之間，激烈駕駛行為使得CO2排放結(jié)果介于特性曲線和50%擴展上公差之間。RPA值影響CO2排放在特性曲線圖上的分布，RPA值越大，CO2排放在特性曲線圖上的分布越靠近上公差。

這是由于，頻繁劇烈的駕駛操作將會導(dǎo)致發(fā)動機較大的工況波動。由于空氣系統(tǒng)跟隨工況變化的滯后性，頻繁的工況波動會導(dǎo)致發(fā)動機新鮮進氣不足。ECU為了滿足駕駛員的轉(zhuǎn)矩需求，將會控制噴油器噴出更多的燃油，這就造成CO2排放升高［26］。

2.3.6 符合性因子

GB18352.6—2016規(guī)定RDE試驗結(jié)果的市區(qū)行程和總行程污染物排放均不得超過國六I型試驗排放限值與符合性因子（conformity factor，CF）的乘積，其中 CF（NOx）=CF（PN）=2.1，CF（CO）暫為監(jiān)測項。由此可得，污染物i對應(yīng)的符合性因子CF（i）：

圖8 3種駕駛行為下RDE特性曲線CO2排放試驗結(jié)果

式中：xi為RDE試驗條件下污染物 i排放結(jié)果，g／km；yi為國六I型試驗污染物i對應(yīng)的標(biāo)準限值，g／km。

圖9為該車在平緩、一般和激烈3種駕駛行為RDE高原試驗下的市區(qū)和綜合工況下的排放符合性因子CF試驗結(jié)果。

由圖9可見，該車在3種駕駛行為下的PN和CO排放遠低于國六標(biāo)準限值。在平緩和一般駕駛行為時可滿足國六排放法規(guī)中RDE海拔擴展工況下的排放要求，且 CF（NOx）＞CF（CO）＞CF（PN），CF（NOx）隨著RPA值的增加，變化幅度明顯增大，高原條件下PFI輕型汽油車進行 RDE試驗時，需注意 NOx排放。

圖9 3種駕駛行為RDE高原排放CF（i）試驗結(jié)果

3 結(jié)論

（1）國標(biāo)對RDE試驗要求的RPA值范圍較大，不同RPA值對應(yīng)的駕駛行為直接影響RDE排放試驗結(jié)果。

（2）RDE冷起動階段對PN和CO的影響較大，且冷起動對PN的影響大于對氣體污染物的影響。

（3）CO和PN排放隨RPA值的變化無明顯變化規(guī)律；NOx和CO2排放量與RPA值呈現(xiàn)正相關(guān)。

（4）CF（NOx）＞CF（CO）＞CF（PN），且 CF（NOx）隨著RPA值的增加，變化幅度明顯增大，高原條件下PFI輕型汽油車進行RDE試驗，需注意NOx排放。

（5）RPA值影響CO2排放在特性曲線圖上的分布，RPA值越大，CO2排放在特性曲線圖上的分布越靠近上公差。