行程動力學(xué)參數(shù)與污染物排放特性的相關(guān)性分析

楊長志,杜寶程,,李岳兵,向 橄，冉林堯，張 力

(1.重慶大學(xué) 汽車工程學(xué)院，重慶 400044；2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全國機(jī)動車保有量至2019年已達(dá)2.07億輛[1]，機(jī)動車尾氣排放對城市空氣質(zhì)量帶來了巨大壓力[2-4]。為此，中國將在2020年全面實施《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》排放法規(guī)。由于車輛單一的實驗室測試循環(huán)排放結(jié)果不能真實反映實際行駛污染物排放狀況，因此國六排放法規(guī)將實際行駛污染物排放試驗作為WLTC(world light duty test cycle)測試循環(huán)作為補(bǔ)充測試程序[5]。

在實際行駛排放試驗中，通過使用車載尾氣檢測裝置(PEMS，portable emission measurement system)設(shè)備來測量車輛在實際道路的真實排放水平。但實際行駛排放結(jié)果受道路坡度[6]、環(huán)境溫度[7]和駕駛員的駕駛行為[8]等條件影響較大，其中駕駛員的駕駛行為和車輛的行程動力學(xué)參數(shù)對排放結(jié)果的影響最明顯[9]。目前國內(nèi)學(xué)者對駕駛行為和行程動力學(xué)參數(shù)對排放結(jié)果的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，王勃等[10]研究了駕駛行為對法規(guī)要求窗口的適應(yīng)性并提出了實際駕駛需要滿足的窗口條件的試驗方案；程亮等[11]研究了高海拔條件下不同駕駛行為的RPA(robotic process automation)對實際行駛污染物排放的影響，結(jié)果表明，CO和PN排放隨RPA值的變化無明顯變化規(guī)律，NOx和CO2排放量與RPA值呈正相關(guān)；宋彬等[12]研究在不同駕駛行為下NOx、CO和PN污染物隨v·apos[95](車速大于0.1 m/s2的正加速度的乘積的第95個百分位)和RPA的變化關(guān)系，結(jié)果表明，NOx和PN排放量與車輛行程動力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA具有明顯的相關(guān)性，而CO排放量與行程動力學(xué)參數(shù)之間相關(guān)性不明顯；耿楊濤等[13]利用動力學(xué)參數(shù)來量化不同駕駛行為，并對各動力學(xué)參數(shù)與車輛實際排放污染物的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)性分析。國外學(xué)者Varella等[14]對2位駕駛員和5輛輕型車來分析不同駕駛行為對實際行駛污染排放物的影響；Gallus等[15]利用動力學(xué)參數(shù)來區(qū)分不同駕駛行為并利用WLTC工況和FOT(field operational test)工況作為正常駕駛的參考值從而分析不同駕駛行為對污染排放的影響。目前國內(nèi)外學(xué)者對駕駛行為和行程動力學(xué)參數(shù)的研究中，主要關(guān)注各個路段的動力學(xué)特性對污染物排放的影響，而不同路段下的動力學(xué)參數(shù)與污染物排放水平的相關(guān)性波動較大，無法真實反映污染物的排放水平的問題,為此，提出了從窗口層面分析動力學(xué)特性對各污染物排放的影響。

筆者在符合法規(guī)要求的測試路線上，采用日本HORIBA公司的PEMS測試系統(tǒng)對3輛國Ⅵ輕型汽油車在不同駕駛行為下進(jìn)行9次實際行駛排放試驗，并分別對各路段的窗口行程動力學(xué)參數(shù)和法規(guī)規(guī)定的行程動力學(xué)參數(shù)與污染物排放特性的相關(guān)性進(jìn)行了深入的對比分析。

1 試驗方案

1.1 試驗車輛

本次試驗按照國Ⅵ法規(guī)RDE(real driving emission)測試要求，使用3輛滿足國Ⅵ排放法規(guī)的輕型汽油車，其排氣后處理均配備三元催化器，車輛主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 測試車輛主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗設(shè)備

試驗采用的設(shè)備為HORIBA公司的OBS-ONE便攜式排放測試系統(tǒng)，主要由氣體分析模塊、顆粒物計數(shù)模塊、排氣流量計、全球定位系統(tǒng)(GPS, global positioning system)、氣象站、與電控單元連接模塊和電源組成。氣體分析模塊采用不分光紅外線吸收型分析儀測量CO和CO2濃度，化學(xué)發(fā)光型分析儀測量NOx濃度，顆粒物計數(shù)模塊采用凝聚粒子計數(shù)法測量顆粒物的數(shù)量。排氣流量計安裝在排氣管上測量排氣體積流量，GPS安裝在車頂上用于測量汽車行駛速度和海拔高度，氣象站同樣安裝在車頂上以測量環(huán)境溫度、大氣濕度和大氣壓力。測試系統(tǒng)在車輛上的布置示意圖如圖1所示。為了不影響車輛正常工作狀態(tài)，保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用獨立電源為主分析單元、排氣流量計等設(shè)備供電。圖2所示為裝有PEMS的測試車輛和RDE測試車輛。

圖1 PEMS在車輛上的布置示意圖

圖2 裝有PEMS的RDE測試車輛

1.3 試驗路線

根據(jù)法規(guī)測試規(guī)程，在重慶市選擇了符合RDE實驗要求的測試路線，按照市區(qū)—市郊—高速路段的順序連續(xù)進(jìn)行。其中市區(qū)路段占總試驗路程的31.1%、市郊路段和高速路段都占總試驗路程31.3%和37.6%。試驗車輛在上述3個路段最小行駛距離均為16 km，整個試驗持續(xù)時間保持在90～120 min，試驗開始點和結(jié)束點之間的海拔高度差不超過100 m，且累計正海拔高度增量為613.1 m/100 km；海拔高度在205.8～380.3 m，滿足RDE法規(guī)要求(<700 m)。每個工況規(guī)定的行駛速度為：市區(qū)行駛車速在60 km/h以下；市郊行駛車速在60 km/h和90 km/h之間；高速路段行駛車速大于90 km/h。

測試路線選擇在重慶市雙福新區(qū)和繞城高速進(jìn)行，其中市區(qū)工況：雙福大酒店—創(chuàng)業(yè)大道—祥福大道—雙福北互通。市郊工況：雙福北互通—重慶繞城高速。高速工況：重慶繞城高速—支坪—返回在適當(dāng)位置停車，試驗測試路線如圖3所示。

圖3 RDE試驗路線圖

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 CO2移動平均窗口法

2.1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于試驗用的PEMS設(shè)備OBS-ONE所附帶軟件具有時間校對功能，在數(shù)據(jù)輸出時可以消除排氣流量、污染物濃度、車速和其他瞬態(tài)數(shù)據(jù)等主要參數(shù)的時間延遲。同時，按法規(guī)要求，在使用移動平均窗口法對污染物的數(shù)據(jù)處理時需要對試驗過程中的冷啟動、車輛地面速度小于1 km/h和發(fā)動機(jī)熄火時的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

2.1.2 窗口的劃分

根據(jù)國Ⅵ法規(guī)規(guī)定，在用CO2移動平均窗口法對設(shè)備所得的瞬時排放數(shù)據(jù)進(jìn)行RDE計算時，要對窗口進(jìn)行劃分，將所測得的瞬時排放數(shù)據(jù)分割成若干個數(shù)據(jù)窗口來計算各污染物的總排放量。其劃分方法為：以車輛WLTC測試循環(huán)工況的CO2排放總質(zhì)量的1/2為參照值，從前往后的數(shù)據(jù)點逐秒對CO2排放量依次進(jìn)行累加，直至CO2排放量的累加值大于或等于參照值，此時記為第一個窗口，依次往后劃分若干個窗口。

2.1.3 窗口完整性與正常性驗證

在對窗口劃分結(jié)束后，要對窗口進(jìn)行完整性和正常性驗證。完整性驗證：市區(qū)、市郊和高速路段的窗口數(shù)量要占總窗口的15%以上，9次RDE試驗均滿足完整性驗證。正常性驗證：以“CO2特性曲線”的基本公差帶作為對各窗口評判標(biāo)準(zhǔn)來驗證其正常性，如圖4所示，P1、P2和P3的參數(shù)相連即組成該車的CO2特性曲線，其不規(guī)則曲線為該車RDE試驗在公差帶內(nèi)的CO2窗口。窗口平均速度小于45 km/h為市區(qū)窗口，介于45 km/h和80 km/h為市郊窗口，高于80 km/h為高速窗口。若市區(qū)、市郊和高速路段的窗口，其50%以上都在CO2特性曲線所定義的基本公差帶(±25%)范圍內(nèi)時,則窗口滿足正常性驗證，9次RDE試驗均滿足正常性驗證。窗口完成驗證后，通過各窗口的加權(quán)系數(shù)得到各路段各污染物的加權(quán)排放量，最后按照市區(qū)0.34、市郊0.33以及高速0.33對每個路段的各污染物加權(quán)排放量進(jìn)行加權(quán)計算后得到總行程的最終排放結(jié)果。

圖4 CO2特性曲線圖

2.2 行程動力學(xué)參數(shù)校驗及計算

2.2.1 行程動力學(xué)校驗

根據(jù)法規(guī)要求，進(jìn)行RDE試驗時首先需要進(jìn)行動力學(xué)校驗，以評估市區(qū)、市郊和高速路段是否存在動力學(xué)不足或過度。其中，RPA用來評價試驗過程中是否存在動力學(xué)不足，v·apos[95](m2/s3)用來評價試驗過程是否存在動力學(xué)特性過度。

圖5 動力學(xué)參數(shù)校驗圖

2.2.2 窗口行程動力學(xué)計算

由于法規(guī)規(guī)定的行程動力學(xué)參數(shù)在各路段的動力學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)量不足，且與污染物排放相關(guān)性波動較大，不能較好地反映污染物的排放水平[16]。因此，對各路段動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行窗口細(xì)化，從窗口層面來分析行程動力學(xué)參數(shù)對各污染物排放的影響。參照法規(guī)中行程動力學(xué)參數(shù)的計算方法計算出各窗口的動力學(xué)參數(shù)。利用python工具作為數(shù)據(jù)處理平臺，按照法規(guī)計算v·apos[95]的方法計算出各窗口的v·apos[95]值，然后對不同路段的上千個窗口數(shù)據(jù)均以2 m2/s3為間隔進(jìn)行分組，并計算出各組數(shù)據(jù)中各污染物的平均排放因子及平均v·apos[95]值。同時，按照相同方法計算出窗口的RPA，然后對不同路段下的上千個窗口數(shù)據(jù)均以0.01 m/s2為間隔進(jìn)行分組，計算出各組數(shù)據(jù)的污染物平均排放因子及平均RPA值。

3 RDE試驗結(jié)果與討論

3.1 不同駕駛行為對動力學(xué)參數(shù)的影響

為了分析不同駕駛行為對行程動力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA的影響，利用3輛滿足國Ⅵ排放法規(guī)要求的輕型汽油車分別進(jìn)行平順、正常和激烈駕駛行為，同時分別計算出不同駕駛行為下的v·apos[95]和RPA值。由圖6可見，行程動力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA在不同的駕駛行為下有很明顯的差異，即隨著駕駛激烈程度的增加，行程動力學(xué)參數(shù)的數(shù)值逐漸增大。相比平順駕駛，正常駕駛的v·apos[95]和RPA平均增長幅度達(dá)51%和57%；激烈駕駛的v·apos[95]和RPA平均增長幅度達(dá)120%和100%。

圖6 不同駕駛行為下的動力學(xué)參數(shù)

3.2 不同駕駛行為下的污染物排放結(jié)果

根據(jù)RDE法規(guī)排放要求，用CO2移動平均窗口法對不同駕駛行為的3輛車的PN、NOx和CO排放進(jìn)行計算，得到結(jié)果如圖7所示。由國Ⅵ法規(guī)規(guī)定RDE試驗結(jié)果的市區(qū)行程和總行程污染物排放均不得超過Ⅰ型試驗排放限值與符合性因子(conformity factor, CF)的乘積，其中CF(NOx)=CF(PN)=2.1，CF(CO)暫為待定項。由此可知，9次RDE試驗污染物排放水平均低于法規(guī)規(guī)定的排放限值。由圖7可見，CO、NOx(除了B車外)和PN排放量隨駕駛的激烈程度越大，排放量越高。相比正常駕駛，激烈駕駛導(dǎo)致了PN排放量增加了59%～382%，NOx的排放量增加了10%～82%，CO的排放量增加了71%～504%。

圖7 不同駕駛行為下各污染物排放結(jié)果

3.3 2種v·apos[95]與污染物排放相關(guān)性對比

3.3.1 2種v·apos[95]與CO排放相關(guān)性對比

為了分析窗口和路段的行程動力學(xué)與污染物排放的相關(guān)性，對3輛輕型汽油車進(jìn)行不同駕駛行為的RDE試驗，對比不同路段窗口行程動力學(xué)參數(shù)和法規(guī)的行程動力學(xué)參數(shù)與污染物排放因子的相關(guān)性。

圖8為市區(qū)、市郊和高速路段下窗口和法規(guī)的v·apos[95]與CO排放因子相關(guān)性對比分布圖。

由圖8可見，在市區(qū)路段下，C車的CO排放因子與2種v·apos[95]呈負(fù)相關(guān)性，都無法反應(yīng)市區(qū)的CO排放水平。在市郊路段下，3輛車的CO排放因子與窗口v·apos[95]有較明顯的相關(guān)性，平均相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.76；但與法規(guī)的v·apos[95]相關(guān)性較差，其相關(guān)系數(shù)的波動幅度較大，不能較好地反映其相關(guān)性。在高速路段下，3輛車的CO排放因子與窗口v·apos[95]保持很好的正相關(guān)性；但路段的v·apos[95]與B車的CO排放因子呈負(fù)相關(guān)，無法反應(yīng)高速路段的排放水平。綜上，對比法規(guī)的v·apos[95]，窗口的v·apos[95]能更好地反映CO的排放水平。

圖8 不同的 v·apos[95]與CO排放的相關(guān)性對比

3.3.2 2種v·apos[95]與PN排放相關(guān)性對比

圖9為市區(qū)、市郊和高速路段下窗口和法規(guī)的v·apos[95]與NOx排放因子相關(guān)性對比分布圖。由圖可知，在市區(qū)路段下，3輛車的PN排放因子與窗口的v·apos[95]正相關(guān)性較差，法規(guī)的v·apos[95]與3輛車的PN排放相關(guān)性更明顯。可能是由于在計算法規(guī)的v·apos[95]時A車的數(shù)據(jù)量少，使其相關(guān)性表現(xiàn)更好。在市郊路段下，3輛車的PN排放因子與窗口v·apos[95]正相關(guān)性穩(wěn)定性有較明顯提升，平均正相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.84；高速路段下，3輛車的PN排放因子與窗口v·apos[95]正相關(guān)性穩(wěn)定性有進(jìn)一步提升，平均正相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.89，明顯優(yōu)于法規(guī)的v·apos[95]與PN排放因子相關(guān)性。綜上，對比法規(guī)的v·apos[95]，窗口的v·apos[95]能更好地反映PN的排放水平。

圖9 不同的v·apos[95]與PN排放相關(guān)性對比

3.3.3 2種v·apos[95]與NOx排放相關(guān)性對比

圖10為市區(qū)、市郊和高速路段下窗口和法規(guī)的v·apos[95]與NOx排放因子相關(guān)性對比分布圖。由圖可知，窗口和路段的v·apos[95]與NOx排放因子相關(guān)性都不明顯，原因可能是其他因素對NOx的排放影響比駕駛激烈程度更大，如不同海拔[17]、車輛后處理系統(tǒng)[18]和設(shè)備操作規(guī)范[19]等。

圖10 不同的v·apos[95]與NOx排放相關(guān)性對比

3.4 2種RPA與污染物排放的相關(guān)性對比

3.4.1 2種RPA與CO排放相關(guān)性對比

圖11為市區(qū)、市郊和高速路段下窗口和法規(guī)的RPA與CO排放因子相關(guān)性對比分布圖。由圖11可見，在市區(qū)路段下，窗口和法規(guī)的RPA與CO排放因子相關(guān)性都不穩(wěn)定，3輛車的相關(guān)系數(shù)的波動幅度都較大，不能反映市區(qū)的CO排放水平；在市郊路段下，窗口RPA與CO排放因子相關(guān)性更加明顯，其中3輛車的平均正相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.88；在高速路段下，窗口RPA與CO排放因子保持很好的正相關(guān)性，路段RPA與CO排放因子相關(guān)性波動幅度較大，無法維持穩(wěn)定的相關(guān)性，無法評估高速的CO排放水平。綜合考慮，窗口RPA比路段RPA能更好地反映CO排放水平。

圖11 不同的RPA與CO排放相關(guān)性對比

3.4.2 2種RPA與PN排放相關(guān)性對比

圖12為市區(qū)、市郊和高速路段下窗口和法規(guī)的RPA與PN排放因子相關(guān)性對比分布圖。由圖12可見，在市區(qū)路段下，窗口和路段的RPA與PN排放因子都呈強(qiáng)相關(guān)性，但窗口RPA有更多的數(shù)據(jù)量，能更好地反映PN的排放水平；在市郊路段下，3輛車PN排放與窗口RPA有強(qiáng)相關(guān)性較弱，相關(guān)系數(shù)波動幅度較大，不能反映市郊的PN排放水平；路段的RPA與3輛車PN的排放相關(guān)性較明顯，能較好地反映市郊PN的排放水平；在高速路段下，窗口RPA與PN排放因子有強(qiáng)相關(guān)性，3輛車的平均相關(guān)系數(shù)為0.87；明顯優(yōu)于路段RPA與PN排放因子相關(guān)性。因此，窗口RPA能更好地反映PN排放水平。

圖12 不同的RPA與PN排放相關(guān)性對比

3.4.3 2種 RPA與NOx排放相關(guān)性對比

圖13為市區(qū)、市郊和高速路段下窗口和法規(guī)的RPA與NOx排放因子相關(guān)性對比分布圖。由圖13可見，在市區(qū)路段下，窗口RPA與NOx排放因子有較明顯的正相關(guān)性；路段RPA與A車NOx排放因子呈負(fù)相關(guān)；在市郊路段下，窗口和路段的RPA與NOx排放因子相關(guān)性都不明顯；在高速路段下，窗口RPA與NOx排放因子有強(qiáng)烈的正相關(guān)性，3輛車平均相關(guān)系數(shù)達(dá)0.86。因此，相比較法規(guī)的RPA，窗口RPA能較好地反映NOx的排放水平。

圖13 不同的RPA與NOx排放相關(guān)系數(shù)

4 結(jié) 論

1)計算各路段的窗口行程動力學(xué)參數(shù)和法規(guī)規(guī)定的行程動力學(xué)參數(shù)并與各污染物排放因子的相關(guān)性進(jìn)行對比，結(jié)果表明：窗口的行程動力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA與CO、PN排放因子的相關(guān)性更明顯；NOx排放因子只與窗口動力學(xué)參數(shù)RPA有較強(qiáng)的相關(guān)性。

2)在市區(qū)路段下，相比法規(guī)規(guī)定的行程動力學(xué)參數(shù)，窗口行程動力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA與CO、PN排放因子的相關(guān)性更加明顯，3輛車的相關(guān)系數(shù)波動幅度分別下降25%～44%。

3)在市郊路段下，CO和PN污染物的排放因子隨動力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA增大依次增大，但窗口行程動力學(xué)參數(shù)與CO、PN排放因子有更強(qiáng)的相關(guān)性，3輛車的相關(guān)性系數(shù)波動幅度分別下降38%～64%。

4)在高速路段下，相比法規(guī)規(guī)定的行程動力學(xué)參數(shù)與污染物排放存在負(fù)相關(guān)性，而窗口行程動力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA與3輛車CO、PN排放因子有強(qiáng)烈的正相關(guān)性，平均正相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85。