基于RDE試驗(yàn)的車用發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)和排放淺析

張帥，宋鐵兵，谷家鑫，李向飛，繆曙霞，白寶國，譚建松

(北京汽車股份研究院動(dòng)力中心，北京 101300)

隨著汽車數(shù)量的增加，汽車尾氣對(duì)環(huán)境帶來的危害也日益引起人們的關(guān)注。我國在2016年發(fā)布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》國家標(biāo)準(zhǔn)(后文標(biāo)準(zhǔn)即為該標(biāo)準(zhǔn))，該標(biāo)準(zhǔn)首次引入了RDE(Real Driving Emission)試驗(yàn)，旨在規(guī)范車輛實(shí)際道路駕駛的排放。

近年來，諸多學(xué)者針對(duì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)RDE試驗(yàn)排放結(jié)果的影響展開了研究[1-4]，研究結(jié)果表明，駕駛行為是影響車輛RDE排放的重要因素。李岳兵等[5]指出，當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)駕駛激烈程度進(jìn)行嚴(yán)格限制，不同駕駛行為下排放結(jié)果差異較大，甚至?xí)^標(biāo)準(zhǔn)限值。楊長志等[6]研究了市區(qū)、市郊和高速路段排放物和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的相關(guān)系數(shù)，研究結(jié)果表明：CO和PN排放與動(dòng)力學(xué)參數(shù)正相關(guān)，且高速段上述相關(guān)性大于市郊和市區(qū)段。彭美春等[7]研究了駕駛行為對(duì)PN排放的影響，結(jié)果表明：速度越高，激烈駕駛對(duì)PN的影響越大，尤其是車速大于75 km/h時(shí)，上述趨勢更加明顯。耿楊濤[8]指出排放物的排放符合因子隨 RPA 的增加而增加，當(dāng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)足夠大時(shí)，CO和PN排放與動(dòng)力學(xué)參數(shù)呈非線性關(guān)系，低速時(shí)頻繁加速或減速會(huì)導(dǎo)致 NOx排放升高。程亮等[9]指出：在高原地區(qū)，提高激烈駕駛程度能夠提高窗口內(nèi)的CO2排放量；隨著海拔的增加，市區(qū)工況下的CO和NOx排放隨海拔的升高有增加趨勢；在高速工況，PN排放隨海拔的升高有增加趨勢。孫文芳等[10]指出，與平原相比，高原地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)階段的排放物明顯較多。鄒杰等[11]指出，不同駕駛激烈程度下累計(jì)正海拔增量對(duì)排放結(jié)果有很大影響。上述研究多是關(guān)于駕駛行為對(duì)整車排放的影響，對(duì)于駕駛行為對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)影響的分析卻相對(duì)較少。

本研究分別在北京、重慶和昆明地區(qū)開展RDE試驗(yàn)，分析研究駕駛行為對(duì)輕型汽油車發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的影響，進(jìn)而分析發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)對(duì)排放的影響。

1 試驗(yàn)車輛和設(shè)備

1.1 試驗(yàn)車輛

本研究中涉及的試驗(yàn)車輛為國六輕型汽油車，車輛后處理裝置是三元催化器和GPF，試驗(yàn)車輛主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)車輛技術(shù)參數(shù)

續(xù)表

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本研究采用的PMES設(shè)備為HORIBA OBS-ONE 便攜式排放測試系統(tǒng)，該設(shè)備主要包括氣象站、GPS定位系統(tǒng)、氣體分析模塊、顆粒物計(jì)數(shù)模塊、流量計(jì)和電源等附件，各模塊設(shè)備反饋信號(hào)見圖1。本研究中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)通過INCA數(shù)據(jù)軟件采集[13]。

a—OBD整車信號(hào)；b—溫度和濕度信號(hào)；c—GPS信號(hào)；d—尾氣流量信號(hào)；e—CO濃度信號(hào)；f—NOx濃度信號(hào)；g—PN個(gè)數(shù)信號(hào)。 圖1 PMES設(shè)備采集信號(hào)圖

1.3 試驗(yàn)路線

本研究分別在北京、重慶和昆明展開RDE試驗(yàn)，試驗(yàn)路線見表2。

表2 北京、重慶和昆明地區(qū)的路線

北京、重慶和昆明地區(qū)的海拔分別為15～45 m，250～460 m和1 900～2 200 m。北京和重慶地區(qū)屬于普通海拔條件，昆明為進(jìn)一步擴(kuò)展的海拔條件。北京、重慶和昆明地區(qū)道路坡度最大幅度分別為±0.01，±0.05和±0.04。重慶地區(qū)的坡度變化幅度和坡度變化頻率均明顯高于北京和昆明地區(qū)。上述路線均滿足RDE試驗(yàn)的時(shí)間、里程和占比要求。開始和結(jié)束點(diǎn)海拔不超100 m，累計(jì)正海拔不超過1 200 m。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析

RDE試驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要是RPA和V·apos[95]，這兩個(gè)參數(shù)反映RDE試驗(yàn)過程中駕駛激烈程度，其中RPA僅與車輛正向加速度有關(guān)，而V·apos[95]與車輛加速度和速度均相關(guān)。依據(jù)國六b標(biāo)準(zhǔn)可以看出，RPA是用于界定RDE試驗(yàn)過程中激烈程度下限的最主要參數(shù)，當(dāng)RDE試驗(yàn)過程駕駛過于平穩(wěn)時(shí)，試驗(yàn)有失敗的可能。而V·apos[95]是用于界定試驗(yàn)過程的激烈程度上限，當(dāng)真實(shí)駕駛中V·apos[95]大于所規(guī)定的上限值時(shí)，試驗(yàn)因駕駛過于激烈而失敗。本研究中針對(duì)駕駛激烈程度下限提出下式：

λR=Ra/Rt。

(1)

式中：Ra為RDE試驗(yàn)中RPA實(shí)測值；Rt為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的RPA門檻值；λR為RPA實(shí)測值和門檻值之比，當(dāng)λR>1時(shí)，試驗(yàn)通過最低激烈駕駛程度要求，λR越大駕駛越激烈。

此外，對(duì)于激烈程度上限，本研究提出下式：

λP=Pa/Pt。

(2)

式中：Pa為RDE試驗(yàn)中V·apos[95]實(shí)測值；Pt為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的V·apos[95]門檻值；λP為V·apos[95]實(shí)測值和門檻值之比，λP越接近1，試驗(yàn)越激烈，當(dāng)λP>1時(shí)，駕駛激烈程度過大，試驗(yàn)失敗。

北京地區(qū)RDE試驗(yàn)中，λR和λP的變化趨勢如圖2所示。由圖2可知，在RDE試驗(yàn)中，雖然兩個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的作用不同，但是隨著試驗(yàn)進(jìn)行，兩者的變化趨勢基本相同。與λR相比，λP不僅反映加速

圖2 北京地區(qū)RDE試驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

度的大小，也反映速度的大小，λP更能反映車輛的真實(shí)駕駛激烈程度，因此本研究采用λP作為評(píng)價(jià)駕駛風(fēng)格的參數(shù)，λR僅作試驗(yàn)通過驗(yàn)證參數(shù)。本研究中，當(dāng)λP>0.8時(shí)為激烈駕駛，λP≤0.8時(shí)為平穩(wěn)駕駛。

2.2 高原地區(qū)動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析

高原地區(qū)RDE試驗(yàn)中的CO2特性曲線根據(jù)平原WLTC循環(huán)的低速、高速和超高速段車輛的CO2排放結(jié)果獲得。特性曲線的基本公差和擴(kuò)展公差分別為tol1=25%和tol2=50%。高原地區(qū)空氣稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)排出的CO2較少，這種情況下市區(qū)、市郊和高速窗口容易落在特性曲線所定義的下偏差附近，尤其是在高速段窗口(見圖3)。

圖3 高原地區(qū)窗口特性

高原對(duì)高速正常性窗口占比的影響如圖4所示。由圖4可以看出，與北京地區(qū)相比，昆明地區(qū)高速段的正常性窗口占比較低，標(biāo)準(zhǔn)要求高速段正常性占比應(yīng)超過50%，此時(shí)必須通過提高駕駛激烈程度λP來提高上述窗口占比。當(dāng)λP大于0.7時(shí)，上述窗口才大于50%。但是當(dāng)λP大于1時(shí)，試驗(yàn)由于駕駛過于激烈而失敗。由此可見，高原地區(qū)在高速路段對(duì)駕駛要求高于平原地區(qū)。

圖4 高原對(duì)高速正常性窗口占比的影響

2.3 WLTC和RDE發(fā)動(dòng)機(jī)載荷對(duì)比分析

試驗(yàn)車輛分別在轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行WLTC排放試驗(yàn)和在北京道路進(jìn)行RDE試驗(yàn)，RDE試驗(yàn)市區(qū)、市郊和高速段的λP分別為0.8，0.57和0.58。獲得的RDE試驗(yàn)和WLTC循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)載荷如圖5所示。

圖5 WLTC循環(huán)和北京地區(qū)RDE試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)載荷

由圖5可以看出，在1 000 r/min附近，RDE試驗(yàn)的載荷大于WLTC循環(huán)。轉(zhuǎn)速變化范圍在1 000～2 500 r/min時(shí)，WLTC在此區(qū)域的載荷較集中，一般小于200 N·m。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2 500 r/min時(shí)，WLTC循環(huán)的載荷大于200 N·m，但是工況點(diǎn)較少；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min時(shí)，WLTC循環(huán)的工況點(diǎn)更少，而RDE的工況點(diǎn)較多。因此可以得出結(jié)論，與WLTC循環(huán)相比，RDE試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)工作載荷范圍更寬。

2.4 激烈駕駛對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作載荷的影響

動(dòng)力學(xué)參數(shù)λP是評(píng)價(jià)駕駛激烈程度的重要參數(shù)，不同的駕駛激烈程度下，發(fā)動(dòng)機(jī)所工作的區(qū)域也不同，駕駛激烈程度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作載荷的影響如圖6所示。

圖6 駕駛激烈程度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作載荷的影響

由圖6可以看出，在北京地區(qū)，當(dāng)高速段λP為0.68時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)主要的工作轉(zhuǎn)速為1 000～3 500 r/min，在轉(zhuǎn)速大于2 200 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)載荷范圍較寬，為0～275 N·m。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速大于3 000 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)只工作在高載荷區(qū)。當(dāng)高速段λP為0.86時(shí)，這意味著動(dòng)力學(xué)參數(shù)較大，駕駛激烈，這種情況下發(fā)動(dòng)機(jī)工作的轉(zhuǎn)速較高，且轉(zhuǎn)速范圍較寬，為2 000～5 500 r/min。載荷范圍也較寬，為0～260 N·m。駕駛激烈程度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍有很大的影響，且激烈駕駛不能覆蓋平穩(wěn)駕駛時(shí)的主要工作范圍。

2.5 駕駛工況切換對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)載荷的影響

北京地區(qū)RDE試驗(yàn)結(jié)果表明，駕駛較激烈時(shí)，λP較高，高速段的CO排放會(huì)明顯高于平穩(wěn)駕駛模式，高速段CO的CF符合因子隨λP的變化如圖7所示。

圖7 北京地區(qū)λP對(duì)CO的CF符合因子的影響

由圖7可以看出，隨著λP增大，CO排放不斷增加，在λP從0.5變化到0.85時(shí)，CO的CF符合因子隨著λP增加而緩慢增加，當(dāng)λP大于0.85時(shí)，CO的CF符合因子隨λP的增加非線性增加。λP越大，駕駛情況越激烈，這種情況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和載荷均較大，發(fā)動(dòng)機(jī)釋放的能量多，缸內(nèi)溫度高，排氣溫度隨之升高。而催化器、渦輪和排氣歧管均需要工作在合適的溫度下，過高的溫度會(huì)對(duì)零部件造成熱損傷，降低零部件的使用壽命。發(fā)動(dòng)機(jī)EMS策略對(duì)排氣溫度進(jìn)行預(yù)估，且該預(yù)估溫度在臺(tái)架標(biāo)定過程中予以校驗(yàn)。為了降低熱損傷，以保證預(yù)估模型的準(zhǔn)確性，通過燃油加濃降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和尾氣處理系統(tǒng)的溫度(見圖8)。

圖8 重慶地區(qū)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入加濃保護(hù)

由圖8可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)催化器實(shí)際溫度約為845 ℃，發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)估模型溫度為900 ℃，預(yù)估模型能夠真實(shí)反映實(shí)際催化器溫度。當(dāng)排氣溫度較高時(shí)，保護(hù)加濃標(biāo)志位從0變至1，加濃保護(hù)打開，目標(biāo)過量空氣系數(shù)從1降低至0.85，燃油加濃，氧傳感器信號(hào)會(huì)檢測到空燃比不間斷減小。

RDE試驗(yàn)中主要包含市郊、市區(qū)和高速段三部分，市郊段速度為60～90 km/h，高速段速度為90～145 km/h。且高速路段行駛至少應(yīng)覆蓋90～110 km/h車速范圍，高于100 km/h的時(shí)間應(yīng)達(dá)到5 min以上。RDE試驗(yàn)中由市郊切換到高速時(shí)，或由市區(qū)直接切換至高速工況，上述切換過程長時(shí)間大扭矩需求會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間工作在高載荷區(qū)，易進(jìn)入加濃保護(hù)。這種主動(dòng)的加濃會(huì)導(dǎo)致CO排放急劇上升，而《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》標(biāo)準(zhǔn)參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)制定，對(duì)CO排放僅作記錄，無CF符合因子要求，排溫過高引起的加濃保護(hù)是導(dǎo)致本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CO排放目前僅作記錄項(xiàng)的原因之一。

2.6 冷起動(dòng)對(duì)RDE排放的影響

RDE試驗(yàn)中冷起動(dòng)0～300 s和300～600 s兩個(gè)階段排放量的倍數(shù)關(guān)系如圖9所示。由圖9可以看出，本次試驗(yàn)冷起動(dòng)前300 s的CO、NOx和PN排放分別是起動(dòng)后300 s的16倍、7倍和25倍，冷起動(dòng)對(duì)CO、NOx和PN排放均有較大的影響，但是影響機(jī)理并不相同。冷起動(dòng)階段CO和NOx排放較高的原因主要有兩方面：一方面是起動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作未進(jìn)入扭矩模型，此時(shí)混合氣較濃，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定起動(dòng)。另外一方面是只有達(dá)到起燃溫度后[13]，催化器對(duì)排放污染物才有較高的催化效率。當(dāng)溫度低于起燃溫度時(shí)，催化器的效率較低，排出的氣體污染物未經(jīng)催化，NOx和CO排放較高。此外，冷起動(dòng)階段PN值遠(yuǎn)大于冷起動(dòng)后的PN值，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁面溫度較低，不利于汽油的氣化，導(dǎo)致混合氣不均勻，燃燒不完全，會(huì)形成較多的顆粒物。冷起動(dòng)結(jié)束后，水溫大于70 ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室壁面溫度較高，燃油充分霧化，混合氣均勻，燃燒完全，PN值也會(huì)迅速降低。因此，將冷起動(dòng)的排放納入檢測范圍很有必要。

圖9 RDE試驗(yàn)中冷起動(dòng)階段和冷起動(dòng)后排放物倍數(shù)關(guān)系

3 結(jié)論

a) RDE試驗(yàn)中的動(dòng)力參數(shù)λP是衡量汽車激烈駕駛程度的重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)，正常駕駛情況下λP取值距離激烈邊界較遠(yuǎn)，在正常駕駛和激烈失效駕駛之間有較大的跨度；激烈駕駛會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)主動(dòng)進(jìn)入加濃保護(hù)，這種情況下CO排放會(huì)隨著λP的增大非線性增加；

b) 基于平原地區(qū)CO2特性曲線進(jìn)行高原地區(qū)的RDE試驗(yàn)時(shí)，其窗口的正常性在正常駕駛模式難以完成，需要提高激烈駕駛程度，以提高窗口的正常性，高原地區(qū)的RDE試驗(yàn)應(yīng)對(duì)CO2特性曲線予以修正；

c) 與冷起動(dòng)后排放相比，冷起動(dòng)階段的CO、NOx和PN排放均較大，故將冷起動(dòng)階段的排放納入檢測范圍很有必要。