山路行駛的柴油車污染物排放特性試驗

彭美春，廖清睿，王海龍，葉偉斌

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

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）》[1]（以下簡稱國VI標(biāo)準(zhǔn)）在中國首次對輕型汽車規(guī)定了實際道路行駛排放(real driving emission, RDE)試驗要求及排放限值，適用于型式檢驗、生產(chǎn)一致性檢查與在用車符合性檢查，是一革命性的進(jìn)步。

RDE試驗車輛運行條件包括：駕駛行為激烈程度、車輛載荷、道路坡度、海拔等均影響車輛排放。學(xué)者吳亮[2-3]在香港山區(qū)道路上開展車輛排放試驗研究，發(fā)現(xiàn)山區(qū)道路的地形地貌影響車輛燃油消耗、一氧化碳(CO)、氮氧化物(nitrogen oxides, NOx)及碳?xì)浠衔?hydrogen carbonite, HC)排放。學(xué)者孟雄[4]在重慶市區(qū)路段開展車載排放試驗研究，發(fā)現(xiàn)上坡行駛時CO、NOx及HC排放比平路多，尤其在20-50 km/h車速區(qū)間增幅更明顯，仿真分析發(fā)現(xiàn)NOx排放與路面坡度相關(guān)性較高。Barth M等[5-6]的研究表明，當(dāng)機動車在坡度為3.76%的路面上行駛時，CO、HC、NOx的排放速率比同等車速下水平路面增加1倍。鄭春燕等[7]研究城市道路坡度對機動車排放的影響，發(fā)現(xiàn)車速相同的情況下，道路坡度越大CO、NOx及HC質(zhì)量排放速率越高。在大坡度路面，速度越高，NOx的質(zhì)量排放率越高。另，相關(guān)研究表明載荷大小影響車輛排放特性[8-10]。Alam等[11]基于MOVE軟件仿真計算公交車在某線路上運行排放，研究乘客數(shù)量差異對公交車排放的影響，結(jié)果顯示公交車輛爬坡行駛時，載荷的變化對排放影響顯著。于謙等[12]學(xué)者研究得出載荷會顯著影響車輛行駛排放，排放在大載荷下比小載荷高出許多。

國VI標(biāo)準(zhǔn)中對RDE試驗車輛運行條件的規(guī)定比較寬泛，如規(guī)定了試驗起始點與結(jié)束點之間海拔落差不超過100 m，每100 km的正海拔增量不超過1 200 m；包括駕駛員與試驗設(shè)備在內(nèi)的總載荷不超過車輛最大載荷的90%等。但平路與坡路RDE差別大小，坡度與RDE的量化關(guān)系，車輛載荷，比如乘用車空載與50%的負(fù)載運行對RDE影響大小等沒有答案，這些問題的答案有助于科學(xué)選擇RDE測試車輛運行條件，有助于車輛排放控制技術(shù)的開發(fā)。目前山路路況下RDE研究報道較少，坡度與載荷對車輛排放綜合影響試驗研究更少見。

本文研究山路工況下坡度與載荷綜合變化對柴油車排放的影響規(guī)律，在山路和平路下分別開展不同載荷下的車輛實際道路排放試驗，采集車速、海拔、NOx和顆粒物數(shù)量(particle number, PN)排放濃度等數(shù)據(jù)，分析載荷、坡度與車輛輸出功率的關(guān)系，分析坡度、載荷、輸出功率對柴油車排放NOx和PN影響機理與規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 試驗車輛與設(shè)備

選取SH6591A2D5型兩廂式柴油乘用車作為測試車輛，具有 6速手動型變速箱，采用廢氣渦輪增壓技術(shù)、電控高壓共軌的燃油供給方式，配置了廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)、柴油機氧化催化器(diesel oxidation catalyst, DOC)、柴油機顆粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)系統(tǒng)，符合國V排放標(biāo)準(zhǔn)。該車輛其他技術(shù)參數(shù)如表1所示。該車車廂空間較大，滿足車載設(shè)備安裝要求，車輛滿足研究目的要求。

表1 測試車輛主要技術(shù)參數(shù)與信息

采用美國SENSORS公司生產(chǎn)的SEMTECH-DS車載尾氣分析系統(tǒng)測試NOx、CO、HC及CO2等氣態(tài)排氣污染物排放濃度，奧地利AVL公司制造的M.O.V.E PN便攜式車載排放分析儀測量排氣中的PN濃度，配備有全球定位系統(tǒng)(global position system, GPS)模塊、溫濕度計模塊以及排氣流量計模塊等，可實時測量車速、海拔、濕度、溫度、排氣溫度和排氣體積流量等瞬時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz?？蓪商變x器導(dǎo)出的排放數(shù)據(jù)等進(jìn)行時序校正。使用獨立的電源系統(tǒng)為測試儀器供電。試驗設(shè)備的安裝連接如圖1所示。

圖1 試驗設(shè)備的安裝連接

1.2 試驗線路與載荷設(shè)計

圖2為山路試驗路線，此路線為封閉循環(huán)，2次循環(huán)作為1次完整試驗。試驗路段概況：最大海拔落差85 m，單次試驗行駛里程8.6 km，耗時25 min，平均車速20 km/h。該路線位于景區(qū)，全路段行駛車速規(guī)定不允許超過50 km/h，落在國VI標(biāo)準(zhǔn)RDE測試行程規(guī)范中的市區(qū)車速區(qū)段。設(shè)計3組載荷：第1組僅包含試驗儀器、試驗人員，不包含額外負(fù)載，稱為空載山路試驗；第2組增加250 kg負(fù)載；第3組再增加250 kg負(fù)載。試驗車輛為兩箱式乘用車，所有試驗設(shè)備、加載的負(fù)載、試驗人員均位于同一乘員艙中，最大載荷組設(shè)置到車輛最大允許載荷的約1/3，即500 kg。圖3為平路試驗路線，屬于市區(qū)線路，總長約27 km，海拔差值不超過25 m。為與山路試驗比較，平路試驗車速低于40 km/h。平路試驗設(shè)計了2組載荷：空載、加載500 kg。

圖2 山路試驗線路

圖3 平路試驗線路

2 山路行駛工況特征分析

2.1 海拔與車速曲線

圖4所示為山路試驗道路海拔(h)與車速(v)隨時間(t)的變化。試驗起始點海拔約75 m，最高處約為110 m，最低處約為25 m。受景區(qū)交通管制限制，加上路面坡度較大，測試車速基本不超過40 km/h，保持在10～40 km/h，位于RDE測試行程中的市區(qū)工況區(qū)段，行駛連貫，中途停車次數(shù)較少，2次試驗線路循環(huán)車速分布相似，重復(fù)性較好。

2.2 車輛輸出功率時間占比分布

圖4 試驗道路海拔、車速隨時間變化

因該測試車輛車載診斷系統(tǒng)(on-board diagnostics,OBD)接口無法通訊讀取發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩等瞬時信息，為計算車輛輸出功率，本論文根據(jù)測試車速、加速度等數(shù)據(jù)計算車輛質(zhì)量比功率（vehicle specific power,VSP），即移動單位質(zhì)量車輛所需的輸出功率，與車輛質(zhì)量相乘得出車輛輸出功率(P)。參考孫鳳[13]推導(dǎo)的輕型汽車VSP計算式，代入試驗車輛的行駛阻力因數(shù)、滾動質(zhì)量系數(shù)、車輛迎風(fēng)面積、車輛質(zhì)量、環(huán)境空氣密度等相關(guān)參數(shù)值，得出車輛質(zhì)量比功率為

式中：v為瞬時車速；a為車輛的瞬時加速度；Δh為單位時間海拔增量；d為單位時間行駛距離。

得出山路試驗車輛P區(qū)間的時間占比分布，如圖5所示。

圖5 山路試驗車輛功率分布

由圖5可知：空載試驗與兩組加載試驗的功率分布差異顯著，加載250 kg與加載500 kg試驗的功率分布特性差異不明顯。

3 試驗結(jié)果對比與排放特性分析

3.1 山路與平路行駛排放結(jié)果對比

山路與平路兩種路況下車速相近。2種路況、3種載荷，共5組試驗數(shù)據(jù)。以平均排放因子作為評價參數(shù)。經(jīng)整理后得到5組試驗NOx、PN平均排放因子結(jié)果，如圖6所示。

圖6 NOx與PN排放因子山路、平路對比

由圖6可見：山路試驗NOx排放明顯大于平路，空載下高約20%，加載500 kg下高約74%，表明山路工況相比平路使NOx排放惡化。該試驗車輛只匹配廢氣再循環(huán)(exhaust gas recirculation, EGR)，未匹配其它控制NOx排放后處理裝置，NOx排放量取決于發(fā)動機工況與EGR對NOx生成的抑制效果，同樣車速下山路工況相比平路需求功率增大，發(fā)動機循環(huán)噴油量增大，燃燒溫度升高，分析認(rèn)為這是導(dǎo)致山路較平路NOx排放量高的主要原因。

發(fā)現(xiàn)山路PN排放低于平路，空載下低約20%，加載500 kg下低約22%；山路試驗載荷增大PN排放因子增加，每增加250 kg載荷，PN排放因子約增加1×109/km。山路相比平路PN排放下降，分析認(rèn)為與顆粒物生成機理以及氧化催化轉(zhuǎn)化器(diesel oxidation catalyst, DOC)及顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)的凈化效果有關(guān)。同樣車速下山路狀態(tài)相比平路需求功率增大，發(fā)動機循環(huán)噴油量增大，燃燒溫度升高，導(dǎo)致燃料熱裂解生成的碳顆粒物量增多，但是排氣溫度升高，氧化催化轉(zhuǎn)化器對顆粒物的氧化凈化效果也加強，綜合結(jié)果，山路情景下PN排放因子低于平路。

3.2 坡度與載荷對山路行駛排放影響分析

山路試驗線路的坡度(λ)區(qū)間分布時間占比如圖7所示。由圖7可見： -8%至8%間坡度累計占比大于70%，平均坡度約6%。隨著坡度的增大，其時間占比逐漸降低，大于12%與小于-12%的坡度占比較少。下文主要比較上下坡路段排放差異，以及分析0～8%上坡路段坡度對排放的影響。

圖8所示為山路試驗車輛NOx、PN排放濃度與坡度的關(guān)系統(tǒng)計結(jié)果。從圖8可見，上坡路段的NOx、PN排放濃度均高于下坡路段；0～8%上坡路段隨著坡度的增加，NOx排放濃度升高約1倍以上，PN排放濃度升高約20%～60%；載荷增大NOx、PN排放濃度均升高。分析原因認(rèn)為是坡度增大、載荷增大，要求的輸出功率增大，柴油機循環(huán)噴油量增大，燃燒溫度增大，混合氣局部容易缺氧，使得NOx、PN生成量均上升。

圖7 時間占比沿坡度分布

圖8 NOx、PN排放濃度沿坡度分布

坡度大于8%后，隨坡度增大NOx與PN排放濃度上升趨勢變緩，繼而下降，其原因認(rèn)為與后處理凈化技術(shù)相關(guān)。坡度增大隨發(fā)動機功率增大，排氣溫度也升高，使得該試驗車輛配置的DOC對排氣中一氧化氮( NO)的氧化效果加強，較多的NO氧化為二氧化氮( NO2)，NO2與布置在DOC下游的DPF中過濾的顆粒物發(fā)生氧化反應(yīng)，消耗顆粒物與NO2。綜合效果，道路坡度大于8%以后，隨坡度增大PN與NOx排放濃度上升變緩，或者有所下降。

道路坡度從0增大到8%，導(dǎo)致的NOx、PN排放升高率顯著大于載荷增加250、500 kg帶來的NOx、PN排放升高率。

3.3 基于功率、坡度的污染物排放速率分布特性

圖9、10分別為山路試驗基于車輛輸出功率、坡度的NOx、PN排放速率統(tǒng)計分布圖?？梢?，隨著載荷的增加，相同坡度區(qū)間的功率覆蓋范圍逐漸變廣。

圖9 基于功率-坡度的NOx排放速率分布

圖10 基于功率-坡度的PN排放速率分布

由圖9、10可見：中高NOx、PN排放速率主要出現(xiàn)在 [10,40]kW區(qū)域范圍，一些下坡行駛負(fù)功率區(qū)PN排放速率也較高。坡度增大，PN排放速率升高?？蛰d試驗下NOx、PN高排放速率點相對最少，分布范圍較窄。加載使得NOx、PN中高排放速率點增多，分布范圍拓寬，載荷越大，高排放速率區(qū)域越多，排放速率值越大。

4 結(jié) 論

進(jìn)行了配置EGR+DOC+DPF的排放控制技術(shù)的國V柴油車輛，山路實際道路行駛排放RDE試驗研究。遂得出以下結(jié)果結(jié)論：

1） 在平均坡度6%山路上，NOx排放因子明顯大于平路試驗的20%以上，PN排放因子低于平路約20%；

2） 0～8%坡度范圍內(nèi)，隨坡度增大，NOx與PN排放濃度增加。坡度進(jìn)一步增大，NOx、PN排放濃度上升變緩慢甚至下降。

3） 隨著載荷增大，NOx與PN排放逐漸升高，且高排放速率點分布區(qū)域更廣。

研究成果可為RDE測試設(shè)置測試車輛運行條件提供本參考。