增壓直噴汽油車在不同海拔地區(qū)的RDE 排放特性研究

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心 安徽 合肥 230601）

引言

隨著汽車保有量的持續(xù)增長，汽車尾氣排放給環(huán)境帶來越來越大的壓力。美國、歐盟等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)為了減少汽車尾氣排放，均制定了更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。相比于之前的排放標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)對如何真實反映實際道路駕駛排放情況部分做了較大改動。我國于2016 年年底發(fā)布了GB18352.6-2016 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[1]（簡稱國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)），對實際駕駛排放部分，重新定義Ⅱ型試驗，將原標(biāo)準(zhǔn)中的雙怠速試驗或自由加速煙度試驗變更為實際行駛污染物排放（real driving emission，RDE）試驗。要求使用RDE 試驗來評估汽車在實際道路上的排放情況。

目前，國內(nèi)對RDE 的研究較少。汪曉偉等人[2]及李岳兵等人[3]分別研究了駕駛行為激烈程度對RDE排放和評判有效性分析的影響；鄭思凱等人[4]研究了CO2移動平均窗口法與功率等級分組法的排放分析結(jié)果的區(qū)別。

我國海拔700 m 以上的國土面積占全國陸地總面積的70%，海拔1 300 m 以上的國土面積占全國陸地總面積的50%[5]。目前，針對高海拔地區(qū)RDE 的研究主要集中在駕駛習(xí)慣對排放的影響，如程亮等人[6]研究了在高原地區(qū)RPA（relative positive acceleration，相對正加速度）參數(shù)對排放的影響，但并沒有探討海拔高度和RDE 排放的關(guān)系[7]。目前，國內(nèi)外對不同海拔地區(qū)RDE 窗口符合性和污染物趨勢相關(guān)的研究鮮有報道。基于此，本文在不同的海拔下，使用便攜式車載排放測量系統(tǒng)（portable emission measurement system，PEMS），按照國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)要求的RDE 測試循環(huán)，對一輛滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車進(jìn)行了實際行駛排放測試，以探尋不同海拔對RDE 排放的影響。

1 試驗資源與試驗方案

1.1 試驗車輛

選用一輛滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型增壓直噴自動擋汽油車，在不同海拔地區(qū)進(jìn)行RDE 試驗。試驗車輛生產(chǎn)于2018 年，其主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

1.2 便攜式排放測試設(shè)備

國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)對于測試過程、需要測量和記錄的數(shù)據(jù)、測試設(shè)備相關(guān)參數(shù)等進(jìn)行了比較詳細(xì)的規(guī)定，本文所使用的便攜式排放測試設(shè)備為日本HORIBA 公司的PEMS，其所包括的組成部分[8]有分析儀模塊、PN 模塊、流量計模塊、GPS 模塊、環(huán)境傳感器、OBD 連接設(shè)備、電池模塊、計算機控制單元等。

表1 車輛主要技術(shù)參數(shù)

測試設(shè)備各模塊之間的工作關(guān)系如圖1 所示。

圖1 RDE 測試設(shè)備總體關(guān)系圖

1.3 試驗方案

本文對裝有PEMS 設(shè)備的試驗車輛在合肥整車排放實驗室進(jìn)行WLTC 試驗工況測試，以得到RDE試驗輸入?yún)?shù)，并驗證PEMS 的試驗結(jié)果是否在國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)要求的允許誤差內(nèi)。測試方法為：通過PEMS 設(shè)備與實驗室排放CVS 測試系統(tǒng)同步測試，對PEMS 設(shè)備測試精度進(jìn)行系統(tǒng)驗證。驗證結(jié)果表明，各模塊測試精度符合國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的附件DC 中DC.2.3 條款規(guī)定的允許誤差要求。具體結(jié)果如表2所示。

表2 PEMS 精度確定表

然后按照國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)中Ⅱ型試驗的規(guī)定，選擇試驗地點。國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)中對于擴(kuò)展情況定義為，滿足擴(kuò)展情況時，排放限值可乘以大于1 的擴(kuò)展系數(shù)，以應(yīng)對擴(kuò)展情況對排放的影響。海拔高度為擴(kuò)展情況考察的重要項目，國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，海拔高度≤700 m 時，為普通海拔條件；海拔高度≥700 m且≤1 300 m 時，為擴(kuò)展海拔條件；海拔高度≥1 300 m時，為進(jìn)一步擴(kuò)展海拔條件。為此，本文試驗選擇了4個典型地區(qū)，分別是安徽省合肥市、甘肅省敦煌市、甘肅省張掖市臨澤縣、甘肅省張掖市山丹縣，分別代表3 種環(huán)境條件，對應(yīng)不同的擴(kuò)展情況。4 個地區(qū)的情況具體見表3。

表3 不同海拔地區(qū)簡介

對所選擇的4 個地區(qū)，在3 種環(huán)境條件下，使用試驗車輛進(jìn)行RDE 試驗，每個地區(qū)有效試驗次數(shù)必須≥2 次。對試驗排放結(jié)果進(jìn)行評估，并就測試窗口符合性以及排放結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和分析。

RDE 試驗過程中規(guī)定了3 種工況，分別是城市工況、郊區(qū)工況、高速工況。RDE 試驗必須在實際道路上開展，路面不可控因素較多，例如堵車、出現(xiàn)交通事故等情況都會導(dǎo)致試驗無效作廢。所以，為了減小試驗無效的概率，在不同地區(qū)，試驗人員先進(jìn)行多次摸索，尋找最優(yōu)路線。所制定的試驗路線如表4所示。

2 RDE 試驗驗證

2.1 試驗概述

對試驗車輛進(jìn)行車輛檢查，確認(rèn)車輛的狀況良好。在進(jìn)行試驗前，按車輛使用說明書中的規(guī)定，選用對應(yīng)牌號的燃油、機油、齒輪油、冷卻液等，檢查蓄電池狀態(tài)。確認(rèn)車輛進(jìn)排氣系統(tǒng)無堵塞與漏氣現(xiàn)象，確認(rèn)車輛OBD 系統(tǒng)無警告信號和故障指示信號。

根據(jù)試驗需求進(jìn)行加載，一般使用假人進(jìn)行加載，加載和設(shè)備安裝完成后，按照試驗時整車狀態(tài)使用地磅或軸荷計計量整車質(zhì)量，并記錄稱重質(zhì)量。整車加載完成后，質(zhì)量應(yīng)不超過其最大總質(zhì)量的90%。

使用整車排放實驗室進(jìn)行WLTC 試驗工況測試，以得到RDE 試驗輸入?yún)?shù)，即基于里程的CO2排放值（g/km），是進(jìn)行移動平均窗口法的CO2窗口符合率計算的基礎(chǔ)，該參數(shù)為該車輛進(jìn)行WLTC 試驗時測得的市區(qū)、市郊、高速等3 個工況的CO2排放值。

本文共進(jìn)行了18 次有效試驗，對試驗排放結(jié)果取算術(shù)平均值來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，具體如表5、表6、表7 所示。

表5 各地區(qū)RDE 測試CO 排放結(jié)果

表6 各地區(qū)RDE 測試NOx排放結(jié)果

表7 各地區(qū)RDE 測試PN 排放結(jié)果

使用表5、表6、表7 的結(jié)果，取平均值和排放結(jié)果進(jìn)行比對，判定是否滿足國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)要求，并得到不同海拔下試驗車輛的實際污染物排放情況。具體如圖2、圖3、圖4 所示。

圖2 為測試結(jié)果平均值及符合性判定，圖3 為調(diào)整后的測試結(jié)果平均值及符合性判定。

圖2 測試結(jié)果平均值及符合性判定

圖3 調(diào)整后的測試結(jié)果平均值及符合性判定

圖4 為污染物排放隨海拔的變化關(guān)系圖。

圖4 污染物排放隨海拔變化關(guān)系圖

通過上述地區(qū)的試驗統(tǒng)計和匯總分析，可得出如下結(jié)論：

1）試驗車輛為國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)車輛，以國Ⅵb 階段排放限值作為評價指標(biāo)。結(jié)果表明，以合肥市為代表的普通海拔條件地區(qū)（平原）的NOx排放不符合國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，其他海拔條件地區(qū)的污染物排放測試結(jié)果均符合國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)。

2）隨著海拔升高，CO 排放值較平原地區(qū)有升高趨勢，NOx排放較平原地區(qū)有下降趨勢，PN 排放變化不明顯。

3）對于國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ型試驗，需對擴(kuò)展系數(shù)重新考量。從本文的試驗來看，擴(kuò)展系數(shù)明顯偏大。在高海拔地區(qū)，試驗車輛的NOx排放甚至出現(xiàn)了下降的趨勢。

將擴(kuò)展系數(shù)由國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.6 調(diào)整為1.4，將進(jìn)一步擴(kuò)展系數(shù)由國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.8調(diào)整為1.6，擴(kuò)展海拔地區(qū)和進(jìn)一步擴(kuò)展海拔地區(qū)的排放結(jié)果仍舊滿足調(diào)整后的閥值。此部分國內(nèi)同行有相似的試驗測試，使用多車在高原地區(qū)進(jìn)行試驗發(fā)現(xiàn)，NOx的排放和海拔的關(guān)系并不明顯[9]。

2.2 CO2 平均窗口移動法結(jié)果評估

RDE 試驗使用CO2平均窗口移動法進(jìn)行測試窗口符合性判定，本文對符合性進(jìn)行了統(tǒng)計和分析，各地區(qū)均選取最接近上述平均值的數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，具體分析結(jié)果如表8 所示。

表8 移動平均窗口符合性數(shù)據(jù)%

通過分析表8 可得出如下結(jié)論：

各地區(qū)窗口均滿足國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)要求，且市區(qū)、市郊、高速等3 工況窗口的完整性分布數(shù)量比例相差不大。同時，隨著海拔升高，窗口正常性數(shù)量比例有下降趨勢。原因在于：RDE 試驗使用CO2平均窗口移動法時，是在平原地區(qū)應(yīng)用WLTC 測試循環(huán)進(jìn)行試驗。而在高原地區(qū)，對于汽油機而言，由于環(huán)境氣壓的變化，導(dǎo)致發(fā)動機瞬態(tài)工況油耗發(fā)生改變[10-11]，進(jìn)而影響多窗口的判定。張掖市的窗口正常性數(shù)量比例已接近國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)要求的50%，而張掖市山丹縣的海拔為1 773 m，遠(yuǎn)未到進(jìn)一步擴(kuò)展要求的2 400 m，建議國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)中高海拔地區(qū)的符合性要求進(jìn)行修改。

3 結(jié)論

1）在不同海拔地區(qū)進(jìn)行RDE 試驗，試驗車輛的排放未出現(xiàn)隨海拔升高而惡化的現(xiàn)象。相比于平原地區(qū)，隨著海拔升高，CO 排放有升高趨勢，NOx排放有下降趨勢，PN 排放變化不明顯。對于國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)中的擴(kuò)展系數(shù)，建議重新考量修改。

2）隨著海拔升高，窗口正常性數(shù)量比例有下降趨勢。在海拔為1 773 m 地區(qū)，窗口正常性數(shù)量比例最低的已經(jīng)為52.6%，距離國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)限值的50%很接近。而國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)要求的進(jìn)一步擴(kuò)展海拔上限為2 400 m。對于國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)中的符合性要求，建議重新考量修改。

3）對于增壓直噴汽油發(fā)動機，隨著海拔的升高，CO 排放升高。這是海拔升高時低轉(zhuǎn)速瞬態(tài)工況所導(dǎo)致，對發(fā)動機開發(fā)而言，需要多關(guān)注瞬態(tài)工況下CO排放的控制。