國(guó)六輕型車實(shí)際道路與實(shí)驗(yàn)室工況排放特性對(duì)比研究

羅佳鑫，溫溢，楊正軍，朱慶功，潘朋

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)車輛與設(shè)備

本研究中涉及的試驗(yàn)車輛均為國(guó)六輕型汽油車，試驗(yàn)車的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

試驗(yàn)車在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行NEDC和WLTC工況下的排放試驗(yàn)，使用PEMS在實(shí)際道路工況下進(jìn)行RDE試驗(yàn)。PEMS系統(tǒng)主要由分析單元(包括氣體分析單元與PN分析單元)、排氣流量傳感器、GPS以及溫濕度計(jì)等組成。試驗(yàn)過程中使用的主要測(cè)試設(shè)備見表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備信息

1.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)室排放測(cè)試工況為NEDC測(cè)試循環(huán)與WLTC測(cè)試循環(huán)，其中WLTC循環(huán)時(shí)長(zhǎng)1 800 s，由低速段、中速段、高速段和超高速段四部分組成(見圖1)。

圖1 試驗(yàn)室工況速度曲線

實(shí)際道路排放試驗(yàn)由市區(qū)、市郊和高速路段組成，按照國(guó)六法規(guī)規(guī)定，各個(gè)速度區(qū)間至少行駛16 km，試驗(yàn)總時(shí)間為90～120 min。本研究中實(shí)際道路排放試驗(yàn)選擇的路線是北京市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)路段、北京市南六環(huán)和京津高速部分路段。以23號(hào)試驗(yàn)車為例，該車實(shí)際速度曲線見圖2。

圖2 RDE速度曲線

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)國(guó)六法規(guī)中的相關(guān)規(guī)定，利用移動(dòng)窗口法即CO2窗口法對(duì)實(shí)際道路排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該方法以WLTC循環(huán)中CO2排放量的一半作為窗口，在各個(gè)窗口內(nèi)分別計(jì)算各污染物的排放因子、CO2排放因子及平均車速，利用車輛CO2特性曲線確定各個(gè)窗口的權(quán)重，根據(jù)權(quán)重計(jì)算窗口特性排放的加權(quán)平均值，計(jì)算公式見式(1)。最后根據(jù)各路段0.34,0.33和0.33的系數(shù)即可得到車輛的實(shí)際道路排放因子。

(1)

式中：Mi,d,k表示各速度段內(nèi)污染物排放因子的加權(quán)平均值；k可取u,r,m，分別代表市區(qū)、市郊和高速路段；wj表示窗口j的加權(quán)系數(shù)；Mi,d,j表示窗口j內(nèi)的平均排放因子。

西門子雙源CT冠狀動(dòng)脈成像技術(shù)存在比較高的密度分辨率和時(shí)間分辨率高，較短的掃描時(shí)間，可提升圖像質(zhì)量[1-2]。西門子雙源CT冠狀動(dòng)脈成像技術(shù)屬于無創(chuàng)的一種影像學(xué)檢查措施，在臨床中已經(jīng)獲得診斷冠狀動(dòng)脈狹窄的應(yīng)用價(jià)值。本次數(shù)據(jù)結(jié)果表明，診斷金標(biāo)準(zhǔn)即為冠狀動(dòng)脈造影(CAG)，診斷基礎(chǔ)即為冠狀動(dòng)脈病變節(jié)段，可獲得較好的特異性、敏感性、準(zhǔn)確率，但也可能發(fā)生漏診或者過診現(xiàn)象，一般是由于血管細(xì)小、血管壁鈣化、走形迂曲等導(dǎo)致的，且造影劑推注速度過快、服用硝酸甘油也可能影響診斷結(jié)果[3]。

為了對(duì)比不同車輛在試驗(yàn)室工況和實(shí)際道路工況下的排放情況，本研究參照了國(guó)六法規(guī)中對(duì)于符合性因子(conformity factor,CF)的規(guī)定，計(jì)算了每一種污染物在不同工況下的符合性因子，計(jì)算公式見式(2)。

(2)

式中：i表示某種污染物(CO,NOx或PN)；Ei表示在WLTC工況或RDE工況下污染物i的排放因子；Elimit,i表示該污染物在不同階段法規(guī)中的排放限值。

2 結(jié)果分析

2.1 實(shí)際道路與實(shí)驗(yàn)室工況排放對(duì)比

對(duì)比分析了試驗(yàn)車在不同測(cè)試工況下的排放情況，圖3至圖6示出試驗(yàn)車在不同測(cè)試工況下不同污染物的符合性因子分布情況。

由圖3可知，所有試驗(yàn)車的CO符合性因子均較低，基本低于0.6，說明在NEDC、WLTC循環(huán)與RDE實(shí)際道路工況中CO排放均相對(duì)較低，滿足法規(guī)限值要求的壓力較小。同時(shí)對(duì)比可知，對(duì)于大部分試驗(yàn)車，RDE工況下的CO符合性因子較低，其原因主要是在RDE工況中不包含冷起動(dòng)過程中的排放；而冷起動(dòng)過程中缸內(nèi)混合氣較濃，燃燒不充分，同時(shí)三元催化劑未能達(dá)到起燃溫度，導(dǎo)致冷起動(dòng)過程中的CO排放量相當(dāng)可觀，去除冷起動(dòng)過程的CO排放將導(dǎo)致RDE工況下的CO排放量相對(duì)較少。

圖4與圖5分別示出試驗(yàn)車NOx與THC符合性因子分布情況。目前國(guó)六法規(guī)中對(duì)RDE工況下NOx排放的CF限值為2.1，由圖4可知，大部分車型的符合性因子低于1.5，可以滿足2.1的限值要求，本研究認(rèn)為目前國(guó)六法規(guī)針對(duì)NOx的CF限值相對(duì)較為寬松。THC在NEDC工況與WLTC工況下的符合性因子對(duì)比表明，THC滿足法規(guī)要求的壓力較小。此外，試驗(yàn)車在NEDC工況下的THC排放量相對(duì)高于WLTC工況，該情況主要是由于在WLTC工況中，冷起動(dòng)階段時(shí)間較短，三元催化劑能夠較快達(dá)到起燃溫度，而在整個(gè)循環(huán)中，冷起動(dòng)過程中THC的排放量貢獻(xiàn)份額相對(duì)較高，導(dǎo)致WLTC工況內(nèi)THC排放較低。

圖3 試驗(yàn)車CO符合性因子

圖4 試驗(yàn)車NOx符合性因子

圖5 試驗(yàn)車THC符合性因子

圖6示出試驗(yàn)車在WLTC工況與RDE工況下的PN排放符合性因子分布情況。由圖6可知，目前國(guó)六輕型車PN排放符合性因子分布較不均勻，存在排放較高的情況，符合性因子最高可達(dá)9.2。對(duì)比上文中其他污染物情況可知，目前國(guó)六輕型車滿足限值要求的重點(diǎn)在PN排放。同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)車技術(shù)方案可知，采用缸內(nèi)直噴技術(shù)的國(guó)六輕型車PN排放較高。

圖6 試驗(yàn)車PN符合性因子

2.2 PN排放特性對(duì)比

由2.1節(jié)中可知，國(guó)六輕型車滿足法規(guī)限值要求的重點(diǎn)為RDE工況下的PN排放。因此本研究中對(duì)WLTC與RDE工況下試驗(yàn)車的PN瞬態(tài)排放情況進(jìn)行了分析。

以24號(hào)試驗(yàn)車為例， WLTC工況與RDE工況下車速與加速度分布的差異見圖7。由圖7可知，與WLTC工況相比，RDE工況加速度分布范圍更加廣泛，說明車輛在實(shí)際道路行駛過程中更容易出現(xiàn)加速度較大的加速或減速工況，從而影響污染物的排放。

圖7 WLTC與RDE工況車速-加速度分布

根據(jù)車速與加速度對(duì)WLTC與RDE的行駛工況進(jìn)行區(qū)間劃分，其中速度劃分為14個(gè)區(qū)間，加速度劃分為7個(gè)區(qū)間。各加速度區(qū)間對(duì)應(yīng)范圍見表3。

表3 加速度區(qū)間劃分

對(duì)于缸內(nèi)直噴汽油車，以24號(hào)車為例，表4列出WLTC工況下不同區(qū)間內(nèi)PN排放的符合性因子。由表4可知，PN排放相對(duì)較高的工況集中于低速區(qū)間，在加速度區(qū)間內(nèi)分布較為均勻，需要注意的是，在0 km/h≤v<10 km/h，-0.1 m/s2

表4 WLTC工況下PN符合性因子(24號(hào)試驗(yàn)車)

而在RDE工況下，直噴汽油車的PN排放呈現(xiàn)出與WLTC工況截然不同的特點(diǎn)。表5列出24號(hào)試驗(yàn)車在RDE各工況區(qū)間內(nèi)的符合性因子，圖8示出WLTC工況與RDE工況下不同加速度區(qū)間內(nèi)PN排放因子。由表5與圖8可知，PN排放隨著行駛速度的增加呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，加速度的增加直接伴隨著PN排放的增加。PN排放較高的工況集中于P2(0.5 m/s21 m/s2)這兩個(gè)加速度較大的區(qū)間內(nèi)。該現(xiàn)象說明，缸內(nèi)直噴汽油車在實(shí)際道路行駛過程中，PN排放與車輛的行駛速度與加速度有較強(qiáng)的相關(guān)性。

表5 RDE工況下PN符合性因子(24號(hào)試驗(yàn)車)

圖8 各加速度區(qū)間內(nèi)的PN排放因子

對(duì)于進(jìn)氣道噴射汽油車，以25號(hào)試驗(yàn)車為例，WLTC工況內(nèi)PN排放情況與24號(hào)車較為接近，不再贅述。由表6可知，RDE工況內(nèi)的PN排放與24號(hào)車存在一些差異，具體體現(xiàn)在非直噴車型的PN排放相對(duì)較低， PN排放較高的工況主要集中在a>1 m/s2的加速度區(qū)間內(nèi)，說明非直噴汽油機(jī)只有在急加速且加速度較大的過程中，才會(huì)產(chǎn)生較高的PN排放。

表6 RDE工況下PN符合性因子(25號(hào)試驗(yàn)車)

對(duì)于非直噴汽油車，在完成冷起動(dòng)的暖機(jī)過程后，油氣混合較為均勻，缸內(nèi)不容易出現(xiàn)局部混合氣混合不均勻的現(xiàn)象，只有在加速工況，缸內(nèi)混合氣普遍偏濃的條件下，才容易出現(xiàn)油氣混合不均勻的現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生較高的PN排放。而采用缸內(nèi)直噴技術(shù)的車輛，燃油直接噴入氣缸，油氣組織時(shí)間較短，容易出現(xiàn)局部混合不均勻，而在加速工況下噴油量加大，缸內(nèi)局部混合氣混合不均勻程度進(jìn)一步增加，從而導(dǎo)致PN排放的增加。

2.3 不同VSP區(qū)間內(nèi)的排放特性

為了將車速與加速度結(jié)合起來，利用機(jī)動(dòng)車比功率[14-15](VSP,Vehicle Specific Power)對(duì)23號(hào)試驗(yàn)車在實(shí)際道路工況下的排放特性進(jìn)行了分析，VSP的計(jì)算公式見式(3)。

VSP=v[1.1a+9.81(atan(sinθ) )+
0.132]+0.000 302×v3。

(3)

式中：v為車速；a為加速度；θ為坡度。

圖9與圖10示出不同VSP區(qū)間內(nèi)CO與PN的排放因子。由圖示可知，在VSP≤0 kW/t的區(qū)間內(nèi)，CO與PN排放均較低，隨著VSP值逐漸增大，CO與PN排放呈現(xiàn)出較為明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于VSP是結(jié)合車速與加速度的參數(shù)，VSP≤0 kW/t的區(qū)間所對(duì)應(yīng)的工況主要為車速較低或加速度為負(fù)即減速工況，而VSP值越大，對(duì)應(yīng)工況行駛狀態(tài)越激烈，即車速較高且加速度較大的工況，在此類工況下CO與PN排放相對(duì)較高，與前文得出結(jié)論可相互印證。

圖9 不同VSP區(qū)間內(nèi)的CO排放因子

圖10 不同VSP區(qū)間內(nèi)的PN排放因子

2.4 起動(dòng)狀態(tài)對(duì)排放結(jié)果的影響

目前國(guó)六法規(guī)規(guī)定，RDE試驗(yàn)中需要去除冷起動(dòng)階段的排放，而發(fā)動(dòng)機(jī)在冷起動(dòng)階段將產(chǎn)生大量的CO與PN排放。為了分析冷起動(dòng)階段排放對(duì)RDE試驗(yàn)結(jié)果的影響，以23號(hào)試驗(yàn)車為例，對(duì)比研究了RDE工況下包含冷起動(dòng)過程與不包含冷起動(dòng)過程兩種情況下的排放。參照國(guó)六法規(guī)，將冷起動(dòng)過程定義為RDE試驗(yàn)開始后冷卻水溫度達(dá)到70 ℃且不遲于5 min之前的時(shí)段。

表7列出不同工況下的排放因子對(duì)比。由表7可知，在WLTC的低速段與RDE冷起動(dòng)過程中，CO、NOx與PN排放均相對(duì)較高，冷起動(dòng)過程中的排放遠(yuǎn)高于全程；對(duì)比是否包含冷起動(dòng)過程的兩種情況下的RDE排放結(jié)果可知，在冷起動(dòng)過程中CO排放與PN排放較高，是否包含冷起動(dòng)過程將對(duì)RDE工況的排放結(jié)果，尤其是對(duì)CO與PN排放造成極大影響，包含冷起動(dòng)過程的CO與PN排放因子分別是不包含冷起動(dòng)過程的5.56倍與1.35倍。

表7 低速段與冷起動(dòng)排放對(duì)比

在RDE工況的冷起動(dòng)過程中，導(dǎo)致CO與NOx排放較高的原因主要是三元催化劑尚未達(dá)到起燃溫度，不能正常工作，而在三元催化劑達(dá)到起燃溫度后，CO與NOx排放迅速降低。對(duì)于PN排放，由于冷起動(dòng)過程對(duì)排放的影響主要發(fā)生在低速段，本研究對(duì)比了WLTC循環(huán)低速段與RDE冷起動(dòng)過程內(nèi)PN的瞬態(tài)排放情況，結(jié)果見圖11與圖12。由圖11與圖12對(duì)比可知，在冷起動(dòng)的初始階段，PN排放迅速增加，主要是因?yàn)樵诶淦饎?dòng)的暖機(jī)過程中，缸內(nèi)溫度較低，燃油蒸發(fā)霧化較差，為了達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的要求，需要提高噴油量，導(dǎo)致混合氣濃度過高，混合氣混合不均勻程度加劇，缸內(nèi)混合氣局部過濃將導(dǎo)致PN排放的偏高。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，與WLTC工況相比，在RDE工況下，PN的瞬時(shí)排放量較高，且高PN排放的時(shí)刻主要發(fā)生于車輛加速過程。

圖11 WLTC低速段PN瞬態(tài)排放

圖12 RDE冷起動(dòng)過程PN瞬態(tài)排放

3 結(jié)論

a) 國(guó)六輕型車在NEDC、WLTC與RDE工況下，CO與THC排放均較低，其符合性因子基本低于0.6，對(duì)于NOx排放，其符合性因子基本低于1.0；直噴汽油車的PN排放較高，尤其是RDE工況下，PN排放成為目前國(guó)六輕型車需要關(guān)注的重點(diǎn)；

b) 直噴汽油車在實(shí)際道路行駛工況下的PN排放與車速、加速度存在較強(qiáng)的相關(guān)性，PN排放主要集中于車速高于50 km/h且加速度大于0.5 m/s2的加速工況內(nèi)，而在WLTC工況下，PN排放主要集中于低速段；

c) RDE工況下冷起動(dòng)過程中車輛的CO與PN排放較高，是否包含冷起動(dòng)過程將對(duì)RDE試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響。