輕型汽油車實(shí)際行駛污染物高原排放特性試驗(yàn)研究

孫文芳,張 軍

安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院，安徽合肥，230000

當(dāng)前，世界各國(guó)規(guī)定輕型車排放試驗(yàn)均按照特定試驗(yàn)循環(huán)工況在實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行，而單一的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試循環(huán)不能覆蓋實(shí)際行駛情況下的運(yùn)行工況[1-2]，車輛的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試循環(huán)排放結(jié)果與實(shí)際排放狀況可能存在較大差異[3-5]。為彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和實(shí)際道路測(cè)試結(jié)果的差異，國(guó)六排放法規(guī)增加了II型——實(shí)際行駛污染物排放(Real Driving Emission,RDE)試驗(yàn)。

我國(guó)海拔1 000 m以上的土地面積占全國(guó)陸地總面積的60%；3 000 m以上的面積占16%[6]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高海拔地區(qū)的RDE研究鮮有報(bào)道。本文對(duì)一臺(tái)自然吸氣式多點(diǎn)電噴汽油車在平原整車轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行了AVL-i60排放設(shè)備和PEMS(Portable Emission Measurement System)試驗(yàn)條件下的全球輕型車統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)(WLTC)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，并研究了在高原高海拔條件下的實(shí)際行駛污染物排放特性。

1 試驗(yàn)裝置及方案

1.1 試驗(yàn)樣車設(shè)備及燃料

試驗(yàn)樣車配置了一臺(tái)水冷、直列4缸4沖程、電控燃油進(jìn)氣道多點(diǎn)電噴、自然吸氣式、性能較好的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)及一臺(tái)四速自動(dòng)變速箱。試驗(yàn)樣車后處理裝置為三元催化器(TWC，Three Way Catalyst)和下底板催化器(UFC，Under floor Catalyst)，滿足國(guó)五排放標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)中未對(duì)樣車進(jìn)行任何調(diào)整，樣車整車主要參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣車主要技術(shù)參數(shù)

臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備主要包括AVL公司的AMA-i60、AVL-Z?LLNER-4WD底盤測(cè)功機(jī)和Imtech公司的環(huán)境艙。RDE測(cè)試設(shè)備為AVL公司的AVL-M.O.V.E.輕型車便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)PEMS，主要包括：用以測(cè)試排氣中CO/CO2/NOX/NO/NO2/PN各污染物濃度的AVL-Concerto M.O.V.E車載排放測(cè)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(duì)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(jì)EFM和用以獨(dú)立為測(cè)試設(shè)備供電的鋰電池。

試驗(yàn)燃料使用試驗(yàn)當(dāng)?shù)厥惺?2#汽油。

1.2 試驗(yàn)方案

本文對(duì)裝有PEMS設(shè)備的試驗(yàn)樣車在整車排放實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行WLTC試驗(yàn)工況測(cè)試以得到RDE試驗(yàn)輸入?yún)?shù)數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證PEMS的試驗(yàn)結(jié)果是否符合國(guó)六要求的允許誤差內(nèi)，然后分別在平原地區(qū)(試驗(yàn)路線平均海拔6.13 m)和高原地區(qū)(試驗(yàn)路線平均海拔2 311.88 m)按照RDE試驗(yàn)規(guī)程，根據(jù)選定路線進(jìn)行實(shí)際行駛污染物排放試驗(yàn)，考察該車在高原條件下的RDE排放特性，具體試驗(yàn)線路如下：

合肥平原路線：(1)市區(qū)工況：沿徽州大道至長(zhǎng)江西路、潛山路、南二環(huán)路至徽州大道之間往返完成市區(qū)工況試驗(yàn)；(2)市郊和高速路工況：沿徽州大道前往G40滬陜高速完成市郊工況試驗(yàn)和高速路工況試驗(yàn)。

西寧高原路線：(1)市區(qū)工況：由寧張線開始試驗(yàn)，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(yàn)。(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(diǎn)，進(jìn)入京藏高速后，轉(zhuǎn)至寧大高速完成市郊工況試驗(yàn)。(3)高速路工況：完成市郊工況后直接進(jìn)行高速工況行駛，途徑大通收費(fèi)站掉頭，返程繼續(xù)完成剩余的高速工況試驗(yàn)。

按照RDE 規(guī)程的要求，試驗(yàn)車輛依次在市區(qū)、市郊和高速公路上連續(xù)行駛，每個(gè)速度區(qū)間至少行駛16 km，試驗(yàn)總時(shí)間在90～120 min。試驗(yàn)開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)之間的海拔高差不超過100 m，并且試驗(yàn)車輛的累計(jì)正海拔高度增加量應(yīng)不大于1 200 m/100 km。其中，市區(qū)工況：停車市郊占市區(qū)時(shí)間的6%～30%，最小里程為16 km，平均速度15～30 km/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90～110 km/h，且車速大于100 km/h至少5 min，在不超過高速路段行駛時(shí)間3%的時(shí)間內(nèi)最高車速可增加15 km/h，車速若超過限速規(guī)定，PEMS試驗(yàn)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

為保證試驗(yàn)條件的一致性，減少試驗(yàn)誤差。每次試驗(yàn)前后都會(huì)進(jìn)行相關(guān)儀器的標(biāo)定；嚴(yán)格按照GB18352.6-2016試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)操作，每次在確保試驗(yàn)樣車狀態(tài)已穩(wěn)定的條件下由相同試驗(yàn)人員進(jìn)行試驗(yàn)，并采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)選定的試驗(yàn)路線分別進(jìn)行RDE試驗(yàn)，高原工況和平原工況RDE試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 RDE高原工況和平原工況對(duì)比

*注(1)：指市區(qū)、市郊及高速路段的相對(duì)正向加速度，m/s2或kWs/(kg·km)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 PEMS允許誤差的驗(yàn)證

該車在整車排放實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行WLTC循環(huán)工況下，分別采用PEMS設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室CVS條件下AMA-i60排放測(cè)試的試驗(yàn)結(jié)果并參照國(guó)六排放法規(guī)中對(duì)PEMS驗(yàn)證允許的誤差規(guī)定允許值，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 污染物差值絕對(duì)值與PEMS允許誤差值

由表4可見，PEMS和AMA-i60的污染物測(cè)試結(jié)果在國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)允許誤差范圍內(nèi)。

2.2 RDE試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)嚴(yán)格按照GB18352.6-2016試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行，冷起動(dòng)時(shí)段包括發(fā)動(dòng)機(jī)初始起動(dòng)后的最初5分鐘。由試驗(yàn)過程中采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度得知，在車輛起動(dòng)340 s后冷卻液溫度均在70 ℃之上，可以判定冷起動(dòng)結(jié)束。國(guó)標(biāo)規(guī)定只記錄冷起動(dòng)排放，試驗(yàn)結(jié)果不計(jì)入RDE試驗(yàn)的最終結(jié)果，為了解冷起動(dòng)階段排放特性，本文在模態(tài)數(shù)據(jù)分析中包含了冷起動(dòng)階段排放。根據(jù)國(guó)標(biāo)對(duì)排放和實(shí)際行駛行程的評(píng)估要求，在特定實(shí)際間隔內(nèi)的排放，環(huán)境條件符合擴(kuò)展條件規(guī)定，則特定時(shí)間間隔內(nèi)的排放除以擴(kuò)展系數(shù)后，再評(píng)估其是否符合II型試驗(yàn)排放要求。為了解高原環(huán)境條件下真實(shí)排放水平，在數(shù)據(jù)處理中，將RDE各污染物排放(CO2除外)試驗(yàn)結(jié)果乘以對(duì)應(yīng)條件下的擴(kuò)展系數(shù)1.8進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3 RDE試驗(yàn)結(jié)果分析

GB18352.6-2016規(guī)定考核車輛RDE試驗(yàn)結(jié)果，其中市區(qū)行程和總行車污染物排放均不得超過I型試驗(yàn)排放限值(6b)與符合性因子(Conformity Factor，CF)CF=2.1的乘積，由此可得RDE排放限值分別為NOX=0.073 5 g/km、PN=1.26×1012個(gè)/km，CO測(cè)量和記錄試驗(yàn)結(jié)果，暫不做限值考核項(xiàng)。

圖1—4分別為試驗(yàn)樣車在平原RDE試驗(yàn)工況(模態(tài)圖中為細(xì)實(shí)線并帶有三角標(biāo)記)和高原RDE試驗(yàn)工況(模態(tài)圖中為粗虛線)下的試驗(yàn)工況及對(duì)應(yīng)模態(tài)排放試驗(yàn)結(jié)果。

2.3.1 冷起動(dòng)排放特性

由圖1-4可見，冷起動(dòng)階段(前340 s)，平原工況和高原工況下的CO、PN和NOX排放規(guī)律類似，冷起動(dòng)階段排放結(jié)果明顯較高，且高原工況下的三種污染物排放量高于平原工況下的排放量，較平原工況下的CO2排放量略低。比較平原工況，冷起動(dòng)階段高原工況下的CO、NOX、PN和CO2排放量分別升高90.03%、742.45%、93.9%和-0.50%。

圖1 車速—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速—排氣溫度模態(tài)

圖2 車速—CO模態(tài)

圖3 車速—O2—PN模態(tài)

圖4 車速—NOX—CO2模態(tài)

這是由于冷起動(dòng)狀態(tài)下的油溫和水溫都未達(dá)到設(shè)定值，缸內(nèi)溫度較低，發(fā)動(dòng)機(jī)采用加濃策略，空燃比較低，燃燒不完全，導(dǎo)致形成顆粒物成分的碳煙增加。此外，冷起動(dòng)時(shí)的排氣溫度較低，催化器后處理裝置沒有達(dá)到最佳工作溫度，催化效率低，導(dǎo)致燃燒不充分，CO和PN排放增加[7]?；旌蠚鉂鈺r(shí)，氧的濃度對(duì)NO的形成起決定作用[8]，在冷啟動(dòng)階段O2排放較高，催化器效率低，最終導(dǎo)致NOX排放升高。由于高原環(huán)境下的空氣稀薄，氧含量較低，冷起動(dòng)階段混合氣，燃料燃燒條件惡化，較平原試驗(yàn)工況下的各污染物排放量也隨之增大，而空氣密度減小導(dǎo)致行駛阻力隨之減小，使得CO2排放略有降低。

2.3.2 CO排放特性

圖5為該車在平原和高原RDE試驗(yàn)工況下的CO排放試驗(yàn)結(jié)果。

圖5 CO各工況下排放特性

由圖2和圖5可見，平原工況下CO排放量在城郊工況最多，高速工況次之；高原工況下的CO排放量在高速工況最多，城郊工況次之。高原工況×1.8較平原工況的CO排放量在城區(qū)、城郊、高速和綜合工況下分別升高了-21.9%、-5.3%、218.9%和63.1%。

CO是燃料不完全燃燒的燃燒產(chǎn)物。由圖1-圖3可知，一方面，城郊工況和高速工況下的排氣溫度較城區(qū)工況的高，有利于提高催化器的催化效率，減少排放量。另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)在中、小負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，電噴汽油機(jī)的控制策略是閉環(huán)控制，根據(jù)氧傳感器的反饋信號(hào)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(dòng)機(jī)全負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，電噴汽油機(jī)的控制策略為開環(huán)控制，在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到某一轉(zhuǎn)速或者負(fù)荷時(shí)，就要增大噴油量，供給發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)間較短。所以，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[9-10]。

城區(qū)工況下，比較高原工況，平原工況的RPA值和排氣溫度基本相當(dāng)，氧氣排放量較大，因此CO排放也較高。城郊工況下，比較高原工況，平原工況的RPA值和氧氣排放量較小，有利于CO排放的減少，排氣溫度較低不利于催化器的催化效率，兩者的綜合作用下使得CO排放相對(duì)較高。高速工況下，比較高原工況，一方面，平原工況的RPA值小、排氣溫度低，氧氣排放量較小，CO排放也較低。另一方面，高海拔下的空氣比較稀薄，空氣密度降低，導(dǎo)致進(jìn)氣量不充足，且進(jìn)氣壓力隨海拔升高逐漸減小，車速越高進(jìn)氣壓力減小的幅度越大，當(dāng)汽車處于高速大負(fù)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(diǎn)火提前角隨海拔升高而增大，對(duì)CO排放進(jìn)一步惡化[11-12]。綜上，高速工況下，高原工況下的CO排放明顯高于平原工況排放。

2.3.3 NOX排放特性

圖6為該車在平原和高原RDE試驗(yàn)工況下的NOX排放試驗(yàn)結(jié)果。

由圖4和圖6可見，平原工況下NOX排放量在各工況差異不大；高原工況下的NOX排放量在城區(qū)工況最多，高速工況次之。高原工況×1.8較平原工況的NOX排放量在城區(qū)、城郊、高速和綜合工況下分別升高了320.0%、80.0%、110.1%和194.5%。

圖6 NOX各工況下排放特性

NOX生成的條件是三個(gè)方面的統(tǒng)一，即高溫、富氧及高溫持續(xù)時(shí)間[13]。由于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)，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(jī)理，對(duì)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[14]。由圖1和圖3可見，比較平原工況，高原工況在城區(qū)工況下的排氣溫度總體較高，氧含量總體相差不大；在城郊工況下，排氣溫度相對(duì)較低，而氧含量相對(duì)較高；在高速工況下，排氣溫度和氧含量都相對(duì)較高。因此，比較平原工況下的NOX排放，高原工況在各工況下的NOX排放量較大。由于城區(qū)工況下的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此NOX在城區(qū)工況下的總排放放量也相對(duì)較多。

2.3.4 PN排放特性

圖7為該車在平原和高原RDE試驗(yàn)工況下的PN排放試驗(yàn)結(jié)果。

圖7 PN各工況下排放特性

由圖3和圖7可見，平原工況下的PN排放量遠(yuǎn)高于高原工況時(shí)的排放量。平原工況下PN排放量在城郊工況最多，城區(qū)工況次之；高原工況下的PN排放量在城區(qū)工況最多，高速工況次之。高原工況×1.8較平原工況的PN排放量在城區(qū)、城郊、高速和綜合工況下分別降低了57.0%、91.6%、78.8%和76.7%。

顆粒生成條件是高溫缺氧[15]。平原工況下的PN排放明顯高于高原工況下的PN排放。由圖1-圖3可知，比較高原高海拔工況，平原工況RDE試驗(yàn)條件下的缸內(nèi)燃燒溫度總體來說相對(duì)較高，排氣中的氧含量也相對(duì)較低，符合高溫缺氧的顆粒物生成條件，從而顆粒物排放量也較高。

3 結(jié) 語

(1) 冷起動(dòng)階段各污染物排放明顯較高。比較平原工況，RDE冷起動(dòng)階段高原工況下CO、NOX和PN排放量分別升高90.03%、742.45%和93.9%。

(2) 平原工況下的CO排放量在城郊工況時(shí)最多，城區(qū)工況時(shí)最少；NOX排放量在各工況下差異不大；PN排放量在城郊工況最多，高速工況最少。

(3) 高原工況下的CO排放量在高速工況時(shí)最多，城區(qū)工況時(shí)最少；NOX和PN排放量在城區(qū)工況時(shí)最多，城郊工況時(shí)最少。

(4) RDE試驗(yàn)工況下，平原工況時(shí)PN排放量在城區(qū)、城郊、高速和綜合工況下分別為高原工況時(shí)PN真實(shí)排放量的2.3倍、11.9倍、4.7倍和4.3倍。