駕駛模式對輕型汽油車PN排放影響試驗研究

彭美春，黎育雷，李繼龍，張偉倫

(廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

大量研究表明，實驗室試驗工況比較固定，較難全面反映真實駕駛條件下的車輛運行狀態(tài)，車輛在道路上行駛的排放與實驗室測試值存在較大的差異[1-3]。國家環(huán)保部2016年頒布的GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》首次增加了對點燃式發(fā)動機輕型車輛開展排氣顆粒數(shù)(Particulate Number，簡稱PN)排放檢測的要求，規(guī)定了輕型車實際道路排放(Real Driving Emission，簡稱RDE)試驗內(nèi)容與排放污染物符合性因子限值。該標準規(guī)定了RDE測試行程動力學(xué)特性有效性判斷方法，規(guī)定了基于CO2移動平均窗口評價RDE試驗是否正常、完整的方法，以及基于CO2移動平均窗口法的污染物排放因子計算方法。

宋彬等[4]對一輛缸內(nèi)直噴式汽油車進行多次RDE試驗發(fā)現(xiàn)，實際道路排放結(jié)果不具有重復(fù)性，行駛動力學(xué)特性參數(shù)對排放結(jié)果影響較大。付秉正等[5]使用便攜式車載排放設(shè)備對多輛輕型汽油車進行RDE試驗，發(fā)現(xiàn)CO和NOx的瞬時排放率與車輛加速度有較大關(guān)聯(lián)。J. Gallus等[6]對2輛輕型柴油車進行車載排放試驗，發(fā)現(xiàn)激烈駕駛行為會導(dǎo)致NOx和CO2排放劇增。目前國內(nèi)外學(xué)者針對輕型車的RDE試驗研究較多集中在氣態(tài)排放污染物的排放特性上，對輕型汽油車PN排放研究成果的報道相對較少，關(guān)于駕駛行為對PN排放影響的評價研究更少。本研究選取一輛進氣道噴射輕型汽油車作為試驗車輛，依據(jù)GB 18352.6—2016給出的RDE試驗方法開展車載試驗，研究運行工況、駕駛行程動力學(xué)特性對車輛RDE車載試驗下PN排放特性的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗設(shè)備和車輛

選取一輛輕型汽油乘用車作為試驗車輛開展RDE測試，該試驗車輛的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗車輛主要技術(shù)參數(shù)

采用Sensor SEMTECH-DS作為氣態(tài)污染物排氣濃度測量儀器。該便攜式車載排放分析儀采用不分光紅外法采集CO2排放濃度，用于計算CO2移動窗口。應(yīng)用AVL M.O.V.E-PN便攜式車載排放分析儀測量PN排放濃度。車載測試儀器還包括GPS模塊、溫濕度計模塊、排氣流量計模塊等，可以實時測量車輛行駛過程中的速度、排氣體積流量、海拔及溫濕度等數(shù)據(jù)。試驗使用的PEMS設(shè)備均自帶時間修正、干濕基修正等排放數(shù)據(jù)處理功能，所輸出排放污染物瞬時排放數(shù)據(jù)已進行了環(huán)境修正。試驗設(shè)備安裝示意圖見圖1。

1—電池組；2—排氣流量計；3—流量計主機；4—溫濕度計；5—GPS；6—SEMTECH-DS模塊；7—M.O.V.E-PN模塊；8—主控電腦；9—OBD模塊。圖1 測試設(shè)備安裝示意

1.2 試驗線路及試驗方案

在廣州市實際道路上開展RDE車載測試，按照GB 18352.6—2016標準中附錄D[7]提出的RDE試驗路段車速與測試里程等要求，選擇試驗線路(見圖2)。以廣州大學(xué)城外環(huán)路的廣東工業(yè)大學(xué)公交站作為起點，試驗車輛繞行外環(huán)路逆時針運行約30 km，作為市區(qū)道路行駛線路；然后進入南沙港快速路南行運行，以模擬市郊道路行駛；再經(jīng)黃欖快速路轉(zhuǎn)入廣澳高速路運行。當(dāng)市區(qū)、市郊行駛里程相當(dāng)時把車速提高到90 km/h以上。測試車輛在高速路長洲出口處結(jié)束試驗。試驗路線全程約90 km，最大海拔差值不超過50 m。

圖2 試驗行駛線路

設(shè)計駕駛行為方案如下：第一次試驗按正常駕駛行為習(xí)慣完成駕駛，第二次試驗在確保行車安全的前提下采取頻繁的急加減速駕駛行為，完成較為激進的駕駛。

2 試驗有效性分析

2.1 行程動力學(xué)特性檢驗

根據(jù)GB 18352.6—2016關(guān)于RDE試驗數(shù)據(jù)處理的要求對測試獲得的瞬時行駛速度進行平滑處理，處理后的兩次試驗行駛速度曲線見圖3?？梢?，激進駕駛模式下車速波動比正常駕駛模式顯著。兩次試驗的行程數(shù)據(jù)信息見表2，均符合GB 18352.6—2016關(guān)于RDE測試總里程、行程占比等要求。兩次不同駕駛模式試驗平均速度較為接近，但加減速度有所不同。

GB 18352.6—2016中規(guī)定了用v·apos-[95]和RPA兩項指標對RDE試驗行駛數(shù)據(jù)進行行程動力學(xué)車速與加速特征校驗，以確定市區(qū)、市郊和高速各路段行駛過程中動力學(xué)特性是否過度或不足。

圖3 試驗行駛速度曲線

2.1.1v·apos-[95]驗證

v·apos-[95]是指車速v與大于0.1 m/s2的正加速apos乘積的第95個百分位，用于檢驗車輛在RDE試驗中駕駛行為激烈程度是否超過允許范圍。v·apos-[95]的值越大，表明駕駛行為越激烈。兩次試驗各速度組的(v·apos)k-[95](k=1，2，3，分別代表市區(qū)、郊區(qū)、高速速度組)的統(tǒng)計結(jié)果見圖4。

表2 兩次試驗的行程信息

圖4 試驗的v·apos-[95]統(tǒng)計結(jié)果

2.1.2RPA驗證

RPA值指行程的相對正加速度，是各速度組內(nèi)瞬時車速與大于0.1 m/s2的正加速度和時間步長乘積的累加值與各速度組內(nèi)的累計行駛距離相除所得商。RPA用于檢驗車輛在RDE試驗中駕駛行為的激烈程度是否低于試驗要求。計算得到的各速度組RPAk實際值與最小允許值結(jié)果見圖5。由圖5可見，兩組不同駕駛行為模式試驗的RPAk值均高于標準規(guī)定的最小允許值，滿足試驗要求，證明行程有效。激進駕駛模式下各速度組的RPAk值顯著高于正常駕駛模式。

綜上，兩種駕駛模式下的行程動力學(xué)檢驗均符合RDE測試標準要求，但是激進駕駛模式的駕駛激烈程度顯著高于正常駕駛模式。

圖5 試驗的RPA統(tǒng)計結(jié)果

2.2 窗口的正常性和完整性驗證

2.2.1CO2窗口劃分及計算

CO2移動平均窗口法是一種判斷RDE試驗是否完整有效，以及計算評價實際行駛污染物排放值的方法。以本研究試驗車輛在實驗室臺架測試WLTC運轉(zhuǎn)循環(huán)中實際排放的CO2總質(zhì)量的50%(1 916.75 g)作為窗口的CO2排放基準質(zhì)量MCO2,ref，對RDE車載測試數(shù)據(jù)總集進行劃分，得到正常駕駛模式下5 060個窗口子集，激進駕駛模式下5 000個窗口子集。

根據(jù)該試驗車輛在WLTC運轉(zhuǎn)循環(huán)中的低速、高速和超高速段的CO2平均排放因子及WLTC運轉(zhuǎn)循環(huán)中對應(yīng)速度段的平均車速，確定出基準點P1，P2，P3的位置，作出CO2基準特性曲線，并計算出該特性曲線基本公差帶±tol1與擴展公差帶±tol2。再以車輛平均地面速度45 km/h和80 km/h為界，把窗口劃分為市區(qū)、市郊和高速窗口(見圖6)。計算出本研究RDE測試獲得的各窗口的平均車速vj及各窗口內(nèi)的CO2平均排放因子MCO2,d,j，在CO2特性曲線圖中繪出所有窗口子集(vj，MCO2,d,j)的分布情況。

2.2.2試驗完整性與正常性判斷

落在CO2特性曲線的基本公差帶±tol1(±25%)范圍內(nèi)的窗口稱為正常窗口，如果市區(qū)、市郊和高速窗口的正常性窗口占比均超過50%，則可以判定該試驗符合正常性檢驗。

圖6 車輛CO2特性曲線及RDE試驗窗口分布

兩次試驗各速度組的正常性窗口數(shù)占比及各速度組窗口數(shù)占總窗口數(shù)的比例見表3?？梢娂みM駕駛模式的窗口100%落在基本公差帶范圍內(nèi)，正常駕駛模式的市區(qū)窗口也100%落在基本公差帶范圍內(nèi)，市郊和高速的正常性窗口占比分別為96.34%和94.09%，遠超窗口正常性校驗限值50%，因此兩次試驗均滿足正常性要求。兩組試驗的市區(qū)、市郊和高速3組速度組窗口數(shù)量均占總窗口數(shù)量的15%以上，滿足窗口完整性檢驗要求。

表3 正常性窗口占比及各工況路段窗口占比

3 PN排放特性分析

3.1 速度、加速度與PN排放關(guān)系

以10 km/h作為區(qū)間長度對兩組駕駛行為的RDE車載試驗數(shù)據(jù)的行駛速度進行劃分，共得到12個速度區(qū)間，其中大于120 km/h的數(shù)據(jù)點過少，舍去。計算各區(qū)間內(nèi)的PN排放平均值，結(jié)果見圖7。

圖7 各車速區(qū)間下的PN排放

由圖7可以看出，隨著行駛車速的增加，PN排放總體呈增加趨勢。圖8示出試驗車輛各速度區(qū)間對應(yīng)的平均排氣溫度。由圖8可見，隨著車速的增加，排氣溫度增加。排氣溫度高意味著燃燒溫度也高。顆粒物是碳氫燃料高溫缺氧不完全燃燒產(chǎn)物，車速增大，所需發(fā)動機功率增大，噴油量增大，燃燒放熱量增大，燃燒溫度隨之升高，有利于顆粒物生成，故PN排放隨車速增大而增大。

圖8 各車速區(qū)間對應(yīng)的平均排氣溫度

當(dāng)行駛車速低于60 km/h時，兩種駕駛模式下的PN排放均處于較低水平，僅為對應(yīng)駕駛模式總PN排放平均值的19.49%和12.60%。分析認為，該區(qū)間為市區(qū)路段，車速較低，發(fā)動機負荷較低，噴油量少。從圖8看出，該行駛車速區(qū)間的排氣溫度低，說明缸內(nèi)燃燒溫度不高。因此該速度區(qū)間PN生成量少， PN排放濃度低。

當(dāng)車輛行駛速度大于60 km/h后，PN排放隨車速的增加迅速增大。在[60,120) km/h車速區(qū)間，激進駕駛模式的PN排放明顯高于正常駕駛模式，約為正常駕駛行為模式的1.96倍。激進駕駛模式下排氣溫度高于正常駕駛，對應(yīng)燃燒溫度也應(yīng)高于正常駕駛，因此有利于PN的生成。

以0.5 m/s2作為區(qū)間長度對兩組駕駛行為的RDE車載試驗數(shù)據(jù)的行駛加速度進行劃分，共得到11個加減速度區(qū)間，各加速度區(qū)間的時間占比見圖9。由圖9可見，兩種駕駛模式下的加速度區(qū)間主要集中在(-1.5,1.5] m/s2，在該區(qū)間的時間占比分別為96.52%和98.35%，激進駕駛行為在區(qū)間(0.5,3.0] m/s2的時間分布占比比正常駕駛多。

圖9 各加速度區(qū)間下的時間占比

加速度對PN排放的影響見圖10。可見在減速工況下隨減速度絕對值變小，PN排放升高，在(-1,0] m/s2區(qū)間出現(xiàn)第1個峰值。進入加速工況，隨加速度增大，PN濃度先減小然后增大，在(2.0,3] m/s2區(qū)間出現(xiàn)第2個峰值。并且在絕大多數(shù)加減速區(qū)間，激進駕駛模式下PN排放濃度均高于正常駕駛模式。

圖10 PN排放與加速度的關(guān)系

對減速工況下的空燃比進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)正常駕駛模式和激進駕駛模式下空燃比低于理論空燃比14.7的數(shù)據(jù)占比分別為35.2%和9.2%，表明減速工況下存在混合氣加濃情況。減速過程中發(fā)動機會進入減速斷油控制，斷油期間排氣三元催化凈化器中的氧含量會增大，將使NOx的轉(zhuǎn)化效率大大下降。為了退出減速斷油后能將排氣管內(nèi)的氧迅速消耗以保證排氣催化凈化效果，發(fā)動機會采取適當(dāng)增加混合氣濃度的控制策略[8]。另，進氣管噴射的發(fā)動機存在燃油沉積于進氣管上形成油膜的現(xiàn)象，減速時因真空度增大油膜容易蒸發(fā)，隨進氣進入氣缸可能導(dǎo)致混合氣加濃[9]。分析認為減速期間的混合氣加濃是導(dǎo)致PN排放增加的主要原因。

比較(-1.0,0] m/s2和(-2.5,-1.0] m/s2區(qū)間的排放結(jié)果發(fā)現(xiàn)，前者PN排放遠高于后者。分析認為：(-1.0,0] m/s2區(qū)間，減速度較小，發(fā)動機負荷依然較大，(-2.5,-1.0] m/s2區(qū)間減速度大，發(fā)動機負荷大幅度降低。測得正常駕駛、激進駕駛在(-2.5,-1.0] m/s2區(qū)間的平均排氣溫度分別較(-1.0,0] m/s2區(qū)間下降了37.51 ℃和44.54 ℃，表明缸內(nèi)燃燒溫度低，抑制了PN的生成。因此(-2.5,-1.0] m/s2區(qū)間的PN濃度低于(-1.0,0] m/s2區(qū)間。

統(tǒng)計測試數(shù)據(jù)得出(2.0,3.0] m/s2加速度區(qū)間空燃比為14.3～14.5，低于理論空燃比，有加濃趨勢，導(dǎo)致該區(qū)域PN生成量有所增大，出現(xiàn)PN排放小峰值。

大多情形下激進駕駛PN排放濃度高于正常駕駛。分析原因為在高速進氣氣流的作用下，會有少量未完全汽化的燃油粘附在燃燒室壁面形成壁面油膜，因壁面溫度相對較低，燃油蒸發(fā)較慢，且蒸發(fā)后也難以與缸內(nèi)空氣充分混合，該區(qū)域容易生成顆粒物[10]。統(tǒng)計發(fā)動機平均轉(zhuǎn)速，得出在加速工況下正常駕駛模式為1 769 r/min，激進駕駛模式為2 122 r/min?？梢?，激進駕駛模式的發(fā)動機進氣氣流流速更大，可能容易導(dǎo)致濕壁現(xiàn)象，從而加劇局部擴散燃燒，因此，在加速度區(qū)間激進駕駛模式的PN排放濃度高于正常駕駛模式。

3.2 駕駛行為對PN排放因子的影響

使用移動平均窗口法分別對兩組RDE試驗數(shù)據(jù)進行處理，計算得到市區(qū)、市郊和高速區(qū)間內(nèi)窗口的PN平均排放因子。各窗口子集平均車速與PN排放因子的散點分布見圖11。由圖11可見，當(dāng)窗口平均車速小于75 km/h時，兩組試驗的窗口PN排放因子分布重合度較高，當(dāng)窗口平均車速超過75 km/h后，激進駕駛模式下的窗口PN排放因子明顯高于正常駕駛模式。高速區(qū)間內(nèi)激進駕駛模式的PN排放因子離散程度較高。

按GB 18352.6—2016規(guī)定，計算得出各速度組PN平均排放因子，分別以0.34，0.33和0.33的加權(quán)系數(shù)對市區(qū)、市郊和高速路段的PN平均排放因子進行加權(quán)相加，得到總行程的PN平均排放因子，結(jié)果見圖12?？梢姡瑑山MRDE試驗的PN排放因子都按市區(qū)—市郊—高速的順序逐漸增大，且激進駕駛行為下3種路段的PN排放因子均高于正常駕駛。激進駕駛模式下市區(qū)PN平均排放因子為正常駕駛的1.56倍。隨著行駛路段的平均車速增大，激進駕駛行為下的PN排放因子與正常駕駛行為的PN排放因子差距變大。激進駕駛行為下市郊路段PN排放因子是正常駕駛行為的1.87倍，高速路段是正常駕駛行為的3.59倍。

圖11 窗口子集平均車速與PN排放因子的關(guān)系

圖12 實測PN排放因子與排放限值

從總行程排放結(jié)果來看，正常駕駛行為的PN總排放因子為3.16×1010個/km，激進駕駛行為的PN總排放因子為9.05×1010個/km，激進駕駛行為的PN總排放因子是正常駕駛行為的2.86倍。以國Ⅵ標準WLTC工況下的排放限值為基準，計算得出正常駕駛模式下車載RDE試驗的PN排放符合性因子為0.05，激進駕駛模式為0.15，均遠低于國Ⅵ的RDE測試PN排放符合性因子標準限值2.1，該進氣道噴射試驗車輛的PN排放量較低。

4 結(jié)論

a) 通過增加急加減速頻次產(chǎn)生的激進駕駛行為，會使v·apos-[95]值和RPA值增大，急加減速駕駛模式的駕駛激烈程度明顯高于正常模式；

b) 車速低于60 km/h時，PN排放較低；車速高于60 km/h后，PN排放隨著車速的增加迅速增大；PN排放較高的區(qū)域主要集中在加速度為(-1.0,0] m/s2的區(qū)間范圍，PN排放因子按市區(qū)—市郊—高速的順序逐漸增大；

c) 正常駕駛模式與激進駕駛模式測試行程的動力學(xué)特性、窗口的正常性與完整性均在GB 18352.6—2016中規(guī)定的RDE測試正常值范圍之內(nèi)，測試有效；激進駕駛模式下的PN排放因子顯著高于正常駕駛行為，且隨著行駛路段的車速增加兩者差異逐漸增大，尤其當(dāng)窗口平均車速高于75 km/h后更為明顯，可見，駕駛激進程度對PN排放評價的影響不容忽視；

d) 與WLTC工況下國Ⅵ排放限值比較，本測試的MPFI國Ⅴ車輛正常駕駛與激進駕駛模式下RDE測試PN符合性因子分別為0.05和0.15，均遠低于國Ⅵ標準RDE符合性因子限值2.1。