基于PEMS的國Ⅴ重型柴油客車排放特性研究

劉蒙蒙，常玉林，2，張 瑋，張樹培

（1.江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.東南大學 城市智能交通江蘇省重點實驗室，南京 211189）

隨著汽車保有量的逐年增加，機動車已成為污染物排放總量的主要來源。柴油車數(shù)量雖然僅占機動車總數(shù)的10.2%，但因其NOx、HC、CO污染物排放量分別占汽車排放總量的68.7%、24.0%、12.6%，所以柴油車已成為節(jié)能減排的主要研究對象之一［1-2］。同時，重型柴油客車因動力性強、熱效率高等優(yōu)點依舊占有很大的市場比例［3］。因此，研究重型柴油客車的污染物排放特性和排放規(guī)律在交通大氣污染領(lǐng)域具有重要意義。

近幾年來，隨著交通環(huán)境問題的日益嚴峻和便攜式排放測試系統(tǒng)（PEMS）的逐漸發(fā)展，一些學者開始通過PEMS排放測試，研究柴油車的實際道路排放問題。國外學者Kousoulidou等［4］研究柴油客車NOx排放量及其對空氣質(zhì)量的影響，其結(jié)果與歐5標準下NOx排放量的限定值存在較大差異。O’Driscoll等［5］對39輛滿足歐6標準的柴油轎車的NOx排放水平進行分析，發(fā)現(xiàn)這些車輛的NOx平均排放量大大減少；Gallus等［6］認為不同駕駛習慣會導致客車的CO2和NOx排放量差異，但對CO和HC影響不大。李振華等［7］對比了采用高壓共軌和廢氣再循環(huán)系統(tǒng)技術(shù)的重型柴油車尾氣染物排放狀況，表明采用高壓共軌噴油方式的柴油車污染物排放強度較低；吳曉偉等［8］研究國Ⅲ柴油公交車排放狀況，發(fā)現(xiàn)排放因子與車速以及排放速率的變化密切相關(guān)。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，選擇江蘇省的南京市、常州市、鎮(zhèn)江市為測試城市，研究一輛滿足國Ⅴ排放標準的重型柴油客車在實際道路運行工況下的排放特征，并從不同角度進行分析。

1 試驗設(shè)計

1.1 測試系統(tǒng)

在重型柴油測試客車于3個城市交通路網(wǎng)的實際行駛過程中，使用SEMTECH-DS便攜式尾氣測定系統(tǒng)采集車輛的瞬時氣態(tài)排放物。其中，CO和CO2含量測試技術(shù)為加熱型不分光紅外法（Heated NDIR），NO和NOx的測量技術(shù)為加熱型化學發(fā)光檢測器（Heated CLD），THC的測量使用氫火焰離子檢測器（FID），O2含量測量技術(shù)為電化學法。經(jīng)電腦端輸出車載排放測試儀測出的尾氣排放量等數(shù)據(jù)。

PEMS測試流程為：①首先經(jīng)過連接管的流量計（EFM）測出排氣溫度和流量，同時使用溫度濕度計和GPS逐秒記錄空氣環(huán)境、行駛速度及地理位置信息；②通過EFM 的取樣管采集尾氣樣品，再由車載排放測試儀對樣品進行分析；③最后，測試儀將數(shù)據(jù)輸入電腦，由電腦對測試數(shù)據(jù)進行收集和處理［9］。

1.2 測試車輛

我國從2017年1月1日起開始對柴油車全國范圍實施國五標準，因此本文選用滿足國Ⅴ標準的2017年3月生產(chǎn)的新款金龍牌XMQ6821CYD5C型柴油大型普通客車作為測試車輛，車輛核定載質(zhì)量為2.8 t。具體車輛相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 測試車輛相關(guān)參數(shù)

1.3 測試路線

試驗測試分別在江蘇省南京市、常州市與鎮(zhèn)江市共3個城市進行，上述測試城市涵蓋了3種不同等級的城市類型（二線強、二線準、三線中），可較全面地覆蓋江蘇省的不同交通路網(wǎng)種類。為了能夠反映車輛真實道路行駛工況下的排放情況，線路規(guī)劃方案嚴格按照2017年9月正式引入的RDE（實際駕駛排放測試）檢測規(guī)程進行設(shè)計。依據(jù)RDE測試規(guī)程，本試驗選取市區(qū)、市郊和高速3種路段類型作為測試路況；且根據(jù)車輛的行駛速度，結(jié)合實際道路情況，最終確定試驗規(guī)劃方案中的市區(qū)路段約占總里程的44%，市郊約占27%，高速約占29%。按照上述線路選取原則，各城市試驗測試的具體規(guī)劃線路如圖1所示，其中四角星標注點為試驗測試起點，五角星標注點為試驗測試終點，每條測試線路均包含市區(qū)、市郊和高速路段，各測試城市具體測試線路中各路段的工況比例如表2所示。此外，為了能夠全面獲取重型柴油客車在實際道路行駛過程中的尾氣排放數(shù)據(jù)，試驗測試時間段應該涵蓋交通流的高峰時段和平峰時段。因此，測試時間段分別定為13∶00—17∶00、15∶00—19∶00、10∶00—15∶00。在每個城市均進行為期1 d的PEMS測試，試驗測試順序依次為鎮(zhèn)江市、南京市、常州市，測試日期分別為9月28日、11月10日、11月11日。

圖1 各城市試驗測試的具體規(guī)劃線路

表2 試驗柴油客車測試路段類型的工況比例

2 試驗結(jié)果

本次試驗共獲得33 612組逐秒有效的重型柴油客車實際道路行駛試驗數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)均包括車速、燃油消耗、NOx及CO排放等信息。由于道路的實際路況對車輛的排放情況影響較大，為使所采集數(shù)據(jù)能夠準確反映柴油客車的排放特征，將3個城市的實測數(shù)據(jù)進行整合，減小因不同路況造成的影響，并剔除異常數(shù)據(jù)。

圖2所示為測試車在市區(qū)路段、市郊路段和高速路段實際行駛工況下的速度和加速度工況點分布。其中市區(qū)段、市郊段、高速段的主要時速范圍為0～45、40～70、60～90 km／h。從圖中可以看出：加速度工況點主要集中在［-1.5，1.5］區(qū)間內(nèi)，其占總工況點的99.4%。加速度大于1.5 m／s2或小于-1.5 m／s2的工況點主要集中在0～10 km／h的低速區(qū)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于市區(qū)路段中交通流量大、道路容量不足、交通管控頻繁以及道路交匯過多等，造成車輛出現(xiàn)頻繁的制動和啟動現(xiàn)象。此外，高速路段的加速度主要范圍為［-0.6，0.6］。與市區(qū)和市郊路段相比，高速路段駕駛環(huán)境良好，且考慮到高速駕駛安全性等原因，其加速和減速的幅度大大縮小。

圖2 重型柴油試驗客車行駛的速度-加速度工況分布

表3所示為統(tǒng)計分析測試車輛在不同交通路網(wǎng)中的數(shù)據(jù)而獲得的行駛狀況特征指標。南京市作為江蘇省的省會城市，交通流量大，交叉口控制信號數(shù)量多，造成車輛間斷性行駛現(xiàn)象更加明顯，導致加速、減速以及怠速時間增多，因此南京市柴油客車的行駛條件與常州、鎮(zhèn)江相比更為惡劣。分析可知，試驗所測數(shù)據(jù)能夠真實反映3個城市的實際駕駛狀況。

表3 重型柴油試驗客車在不同路段的行駛特征指標

3 柴油客車實際道路排放特征

3.1 實際道路工況油耗與排放變化特征

因試驗數(shù)據(jù)總量過多易導致分析處理的不便性，該部分選取與總體測試數(shù)據(jù)相關(guān)性最強的1 800組數(shù)據(jù)作為瞬時油耗與排放速率的實際道路分析數(shù)據(jù)。圖3所示為柴油客車車速與油耗速率、NOx和CO排放速率的關(guān)系。從圖中可知，油耗速率和NOx排放速率對車速變化都具有高敏感性。試驗客車車速增大過程中，油耗速率和NOx排放速率均呈現(xiàn)出與之正相關(guān)的增長趨勢，但CO對速度的敏感性相對較低。此外，瞬時油耗及尾氣排放速率的數(shù)據(jù)曲線都存在多個增長幅度較大的高峰值，并且這些大幅度增長的高峰值多產(chǎn)生于車速不斷增大或車速由增大變?yōu)闇p小的過程中。該趨勢符合柴油車的運行機理，在加速運行過程中，機動車所需能量增大，根據(jù)能量守恒定律，需要提供更多的燃油滿足機動車加速需求，而大量燃料的燃燒使瞬時燃油消耗量增加，同時，燃料濃度的增加使不完全燃燒產(chǎn)物CO排放量增加，燃燒產(chǎn)生的熱能使發(fā)動機氣缸內(nèi)的溫度越來越高，高溫富氧環(huán)境又使得NOx瞬時排放量增大。結(jié)合柴油車運行機理、測試數(shù)據(jù)及圖3所示的趨勢可知，油耗速率對速度的敏感性最高，隨速度的變化幅度最為明顯。

圖3 車速與油耗速率、NO x和CO排放速率的關(guān)系

3.2 勻速工況油耗與排放變化特性

排放因子不能表示車輛怠速工況時的排放情況，因此在總測試數(shù)據(jù)中篩選勻速工況數(shù)據(jù)時，將怠速工況數(shù)據(jù)分離。將速度以10 km／h為間隔，劃分成9個速度區(qū)間，計算各速度區(qū)間內(nèi)燃油消耗、百公里油耗、NOx和CO排放速率及排放因子的平均值，如圖4所示。

由圖4（a）可知，客車的燃油消耗隨著勻速行駛車速的增大呈上升趨勢，百公里油耗則隨著勻速行駛時車速的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。雖然在低速時客車的燃油消耗比較低，但低速導致單位距離行駛時間增加，使得低速區(qū)百公里油耗值較高；隨著速度增大，單位距離行駛時間逐漸減小，油耗速率逐漸增大，但油耗增大的幅度小于單位距離行駛時間的減少幅度，因此百公里油耗逐漸減??；隨著速度繼續(xù)增大，車輛行駛所需的動力迅速增大，使油耗速率的增大程度大于速度增大引起的時間減小程度，因此在高速區(qū)的百公里油耗呈上升趨勢；勻速工況時最低油耗水平的速度區(qū)間為30～50 km／h。

圖4（b）中，勻速車速對NOx排放特性的影響趨勢具有良好的規(guī)律性，NOx排放速率和NOx排放因子的變化趨勢不同之處在于其排放速率與速度呈正相關(guān)增長關(guān)系，而排放因子則為負相關(guān)增長關(guān)系。產(chǎn)生該現(xiàn)象原因與百公里油耗變化原因類似，唯一不同的是測試客車采用了高壓共軌的噴油技術(shù)，該技術(shù)在一定程度上降低了氣缸內(nèi)的溫度，破壞了高溫富氧環(huán)境，減少了NOx的生成，使得高速區(qū)NOx排放因子并沒有明顯增大。NOx排放的最佳狀態(tài)在排放速率與排放因子的交叉點處，該點勻速車速范圍為40～50 km／h。

由圖4（c）可以看出，CO排放因子與勻速車速呈負相關(guān)增長關(guān)系，但CO排放速率與勻速車速沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。CO排放水平的最佳狀態(tài)出現(xiàn)在高速區(qū)、最差狀態(tài)出現(xiàn)在0～10 km／h的車速區(qū)間內(nèi)。綜合分析可得，在重型柴油客車車速從0 km／h增大到50 km／h的過程中，百公里油耗、NOx與CO的排放因子均在不斷降低；車速大于50 km／h后，百公里油耗逐漸升高，NOx與CO的排放因子繼續(xù)減小但減小幅度逐漸變緩。此外，將柴油客車控制在40～50 km／h的勻速行駛狀態(tài)，既有利于減少能源消耗，又能減少污染物的排放。

圖4 勻速工況下油耗與排放因子變化趨勢

此外，因道路條件限制等原因，車輛運行過程中無法避免怠速工況的發(fā)生，所以對怠速工況的研究也十分必要。統(tǒng)計整理試驗測試數(shù)據(jù)獲得怠速工況數(shù)據(jù)3 302組，占總采集數(shù)據(jù)的9.8%。經(jīng)計算可得怠速工況下重型柴油客車的平均油耗速率為0.000 52 L／s，而NOx與CO的平均排放速率分別為0.013 09與0.012 17 g／s。與其他工況相比，怠速工況下的油耗速率與排放速率最低，但從單位距離產(chǎn)生的油耗和排放量方面來講，怠速工況下的百公里油耗和污染物排放因子都處于較高水平。

3.3 加速工況油耗與排放變化特性

加速工況及減速工況的工況參數(shù)不僅與車輛的行駛速度有關(guān)，而且與加速度密切相關(guān)。因此本文以速度和加速度為著重點研究加、減速工況對油耗和排放產(chǎn)生的影響。將速度以15 km／h為間隔，把總測試數(shù)據(jù)劃分為6個區(qū)間，統(tǒng)計各速度區(qū)間中加速度范圍處于-1.5～1.5 m／s2時，以0.1 m／s2為最小區(qū)間的各加速度點的平均燃油消耗、NOx及CO平均排放速率，如圖5所示。

圖5 速度及加速度對油耗速率、NO x及CO排放速率的影響結(jié)果

由圖5可知，在各速度區(qū)間內(nèi)，油耗速率和排放速率大小均與加速度的變化緊密相關(guān)，且表現(xiàn)為一致的正相關(guān)關(guān)系；當指定某個加速度值時，油耗速率和排放速率隨速度的變化規(guī)律與二者在勻速工況時隨速度的變化趨勢大致相同，說明柴油客車以一定的加速度高速行駛時，燃料消耗和NOx污染物的排放將會急劇增大。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，減速工況區(qū)間內(nèi)，各個速度段的油耗速率和排放速率與勻速工況時相差較小。而在加速工況區(qū)間內(nèi)，隨著加速度的變化，各速度段的油耗速率和排放速率值比勻速工況時高1.5倍以上，且加速度為0.6 m／s2左右時達到最大值。

圖6所示為各速度區(qū)間內(nèi)，加速度取0.6 m／s2時的油耗速率、NOx及CO排放速率值與勻速工況時的比值。通過對比3條曲線發(fā)現(xiàn)，燃油消耗、NOx和CO排放速率三者中，CO排放速率對加速度的敏感性最高，隨速度變化產(chǎn)生的變化量最大。說明在車輛駕駛過程中，應該盡量避免頻繁的猛踩加速踏板行為或激烈駕駛風格，這將有利于減少因加速產(chǎn)生的CO污染物的高排放量。此外，加速度取0.6 m／s2且車速在45～60 km／h時，該加速度工況下的油耗速率、NOx及CO排放速率與勻速工況時的比值最高，分別高達勻速時的2.6、2.3和8.3倍。

圖6 加速度0.6 m／s2時油耗和排放速率值與勻速時的比值

3.4 不同路段條件下的油耗與排放

由表3可知，重型柴油客車在市區(qū)、市郊、高速3種路段上的車輛行駛特征存在很大差異，導致不同路段交通路網(wǎng)中的燃油消耗、NOx及CO排放速率也有所不同。表4所示為不同路段條件下重型柴油客車的平均油耗速率與NOx、CO平均排放速率。從表中可知，重型柴油客車油耗速率和NOx排放速率由大到小對應的路段依次為高速路段、市郊路段、市區(qū)路段，CO平均排放速率最低的是市郊路段。這說明不同的路段類型會對車輛的油耗及排放特性產(chǎn)生較大影響。

表4 不同路段條件下油耗速率與排放速率

表5所示為3個城市交通路網(wǎng)條件下的汽車油耗率和排放水平。對比發(fā)現(xiàn)，南京的汽車油耗率與排放水平最高，其次是常州，而鎮(zhèn)江最低，這一趨勢與城市類型等級順序一致。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明城市越大，油耗和排放越大，這一趨勢與機動車保有量、交通路網(wǎng)擁擠程度、車輛行駛環(huán)境等因素有關(guān)。此外，統(tǒng)計分析3個城市所有測試道路上的油耗和排放數(shù)據(jù)，得到國Ⅴ標準的重型柴油測試客車的平均百公里油耗為17.6 L，NOx與CO的平均排放因子分別為2.529 g／km、2.760 g／km。

表5 3個市道路條件下燃油經(jīng)濟性和排放水平

4 結(jié)論

1）統(tǒng)計分析測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，重型柴油客車的加速度工況點主要集中在［-1.5，1.5］區(qū)間，占總工況點的99.4%；其中，高速路段的加、減速度主要范圍為［-0.6，0.6］；高加速度和高減速度工況點主要出現(xiàn)在市區(qū)路段。

2）實際道路工況下，油耗速率對速度的敏感性最高，隨速度變化的響應幅度最明顯。勻速工況下，客車車速介于0～50 km／h范圍內(nèi)時，百公里油耗、NOx與CO的排放因子均隨速度值的增大而不斷降低；車速大于50 km／h后，百公里油耗隨速度值的增大而逐漸升高，NOx與CO的排放因子繼續(xù)減小但減小幅度越來越小。說明柴油客車的行駛速度控制在40～50 km／h的中速區(qū)間且保持勻速行駛時，有利于減少能源消耗，減少污染物的排放。

3）加速工況下，隨著加速度的變化，各速度區(qū)間內(nèi)的油耗速率和排放速率值較勻速工況時高1.5倍以上，且在加速度為0.6 m／s2左右時達到最大值。該加速度工況下，CO排放速率對加速度的敏感性最高。說明車輛駕駛過程中，應避免頻繁地踩動加速踏板操作或激烈駕駛風格，這將有利于減少因加速產(chǎn)生的CO高排放量。

4）不同城市等級和不同路段類型對油耗和排放也有較大影響。統(tǒng)計分析3個城市中所有測試道路上的油耗和排放數(shù)據(jù)，得到國Ⅴ標準的重型柴油測試客車的平均百公里油耗為17.6 L，NOx及CO平均排放因子分別為2.529 g／km、2.760 g／km。