輕型車(chē)燃用汽油/天然氣的高原道路排放特征

馬志磊，何 超，劉學(xué)淵，李加強(qiáng)

(1.西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院， 昆明 650224；2.云南省高校高原山區(qū)機(jī)動(dòng)車(chē)環(huán)保與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 昆明 650224)

在濟(jì)南、廊坊、陽(yáng)泉、重慶進(jìn)行的城市道路實(shí)際行駛排放試驗(yàn)顯示，原裝汽油/天然氣雙燃料汽車(chē)在平原地區(qū)燃用天然氣相比燃用汽油CO、CO2排放降低，但NOx排放增加了27%[12]。在天津進(jìn)行的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)顯示，平均車(chē)速為19、62.6 km/h的市區(qū)、市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)試驗(yàn)中，燃用天然氣時(shí)的CO排放降低，但NOx排放較燃用汽油時(shí)高[13]。在北京進(jìn)行的CNG出租車(chē)實(shí)際道路排放顯示，機(jī)動(dòng)車(chē)比功率(VSP)可以較好地反映汽車(chē)運(yùn)行工況與排放的關(guān)系[14]。中國(guó)平均海拔為 1 000～2 000 m的國(guó)土約占中國(guó)陸地面積的1/3，但目前針對(duì)燃用天然氣的汽車(chē)道路排放研究多在低海拔地區(qū)展開(kāi)，且缺少高原實(shí)際道路環(huán)境下的高速、高負(fù)荷行駛工況排放對(duì)比研究。

為明確高原地區(qū)燃用汽油、天然氣時(shí)的NOx、CO、CO2排放特性，以汽油/天然氣雙燃料汽車(chē)作為試驗(yàn)車(chē)輛，在海拔1 075、1 400、1 910 m的開(kāi)遠(yuǎn)市、彌勒市、昆明市分別燃用汽油、天然氣進(jìn)行實(shí)際駕駛排放(RDE)測(cè)試，使用VSP分區(qū)的方法對(duì)排放數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，研究燃用汽油、天然氣時(shí)不同VSP區(qū)間與不同海拔條件與排放的關(guān)系。

1 道路試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理方法

1.1 道路試驗(yàn)

參考GB 18352.6—2016《輕型汽車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》中規(guī)定的RDE試驗(yàn)方法(Ⅱ型試驗(yàn))，由同一駕駛員駕駛一輛原裝汽油/天然氣雙燃料輕型汽車(chē)，分別使用92號(hào)汽油、壓縮天然氣2種燃料，在海拔高度為1 000～2 000 m范圍內(nèi)的3個(gè)城市進(jìn)行道路排放試驗(yàn)，以保證各試驗(yàn)中的駕駛習(xí)慣統(tǒng)一，試驗(yàn)車(chē)輛基本信息如表1所示。

表1 試驗(yàn)車(chē)輛基本信息

使用美國(guó)Sensors公司的SEMTECH設(shè)備作為便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)，在汽車(chē)排氣管后方安裝流量計(jì)測(cè)量排氣并進(jìn)行采樣，該設(shè)備中的NOx模塊使用不分光紫外線分析法測(cè)量排放中的NOx含量，F(xiàn)EM模塊使用不分光紅外分析法測(cè)量排放中的CO、CO2含量。使用GPS采集設(shè)備記錄試驗(yàn)車(chē)輛地理位置、車(chē)速等數(shù)據(jù)，用于VSP中坡度、加速度等參數(shù)的計(jì)算。通過(guò)車(chē)載診斷接口OBD讀取發(fā)動(dòng)機(jī)CAN總線數(shù)據(jù)，記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等數(shù)據(jù)，用于發(fā)動(dòng)機(jī)歷史工作狀態(tài)參數(shù)ES(engine stress)的計(jì)算。試驗(yàn)前使用氮?dú)鈱?duì)設(shè)備標(biāo)零，使用混合氣對(duì)NOx模塊、FEM模塊進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)設(shè)備安裝位置如圖1所示。

RDE試驗(yàn)按市區(qū)、市郊、高速道路的順序依次進(jìn)行，市區(qū)道路行駛時(shí)車(chē)速≤60 km/h，市區(qū)行駛里程占比34%；市郊車(chē)速在60～90 km/h范圍，里程占比33%；高速車(chē)速≥90 km/h，里程占比33%。各里程占比允許有±10%的誤差，但市區(qū)里程占比不得小于29%，各路段最小行駛里程為16 km[15]。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備安裝位置示意圖

開(kāi)遠(yuǎn)市的市區(qū)試驗(yàn)道路為：建設(shè)東路、興遠(yuǎn)北路、靈泉東路、市西中路、人民北路；市郊為：市西北路、開(kāi)河高速；高速為：開(kāi)河高速。彌勒市的市區(qū)試驗(yàn)道路為：髯翁路、環(huán)城西路、溫泉路，市郊為：秀河線、廣昆高速；高速為：廣昆高速。昆明市的市區(qū)試驗(yàn)道路為：環(huán)城東路、環(huán)城北路、一二一大街、環(huán)城西路、環(huán)城南路、北京路；市郊為：灃源路、杭瑞高速；高速為：東繞城高速。

不同海拔地區(qū)的試驗(yàn)在3 d內(nèi)完成。每天分別燃用油試、天然氣完成1地的道路試驗(yàn)，首先燃用天然氣完成1個(gè)RDE循環(huán)，然后改用燃燒汽油在相同的道路中完成另一個(gè)RDE循環(huán)。燃用汽油、天然氣在各海拔地區(qū)的道路試驗(yàn)基本情況如表2、3所示。

表2 燃用汽油時(shí)的試驗(yàn)基本情況

表3 燃用天然氣時(shí)的試驗(yàn)基本情況

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

使用IVE(international vehicle emission)模型中引入的VSP、ES參數(shù)來(lái)反映汽車(chē)運(yùn)行工況，以研究汽車(chē)不同工作狀態(tài)與NOx排放的關(guān)系。VSP的物理含義為機(jī)動(dòng)車(chē)瞬態(tài)輸出功率與機(jī)動(dòng)車(chē)質(zhì)量的比值，單位為kW/t，VSP綜合考慮了汽車(chē)為克服加速、坡度、滾動(dòng)、空氣阻力所需要提供的功率[16]，計(jì)算公式如下。

(1)

式中：v為汽車(chē)行駛速度(m/s);a為汽車(chē)瞬態(tài)加速度(m/s2);θ為坡度。

ES是表征發(fā)動(dòng)機(jī)歷史工作狀態(tài)的無(wú)量綱參數(shù)，與發(fā)動(dòng)機(jī)前20 s的工作狀態(tài)、汽車(chē)行駛速度有關(guān)，計(jì)算公式如下。

ES=0.08×Average+RPMindex

(2)

式中：Average為發(fā)動(dòng)機(jī)前25 s到前5 s的VSP平均值，kW/t;RPMindex為汽車(chē)行駛速度與速度分割常數(shù)的比值，速度分割常數(shù)由汽車(chē)行駛速度與VSP共同決定。若ES值高，則表明前一段時(shí)間汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較高。

使用VSP、ES對(duì)汽車(chē)運(yùn)行工況進(jìn)行劃分。將-80～1 000 kW/t范圍內(nèi)的VSP劃分為20個(gè)區(qū)間，其中-1.6

劃分完VSP區(qū)間后，使用式(3)計(jì)算各VSP區(qū)間行駛過(guò)程的NOx、CO、CO2排放速率。

(3)

式中：Ei為區(qū)間i內(nèi)的排放速率(mg/s);ei, j為區(qū)間i內(nèi)第j個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的排放速率(mg/s);ti為區(qū)間i內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

使用式(4)計(jì)算同屬一個(gè)VSP區(qū)間的行駛過(guò)程的NOx、CO、CO2排放因子。

(4)

式中：EFi為區(qū)間i內(nèi)的排放因子(mg/km);vi為區(qū)間i內(nèi)的平均車(chē)速(km/h)。

得到各VSP區(qū)間的排放速率后，根據(jù)式(5)計(jì)算道路試驗(yàn)總行程的NOx、CO、CO2排放因子。

(5)

式中：EFtot為總行程的排放因子(mg/km);fi為區(qū)間i的分布頻率;va為道路試驗(yàn)平均車(chē)速(km/h)。

2 VSP分布特征分析

根據(jù)ES劃分得到汽車(chē)運(yùn)行工況在低負(fù)荷、中負(fù)荷、高負(fù)荷區(qū)間的分布頻率[17-18]如圖2所示。各試驗(yàn)低負(fù)荷區(qū)間bin0～bin19的分布頻率平均為95.31%，遠(yuǎn)高于中負(fù)荷區(qū)間bin20～bin39的分布頻率，而高負(fù)荷區(qū)間bin40～bin59的分布頻率均為0。

圖2 各ES區(qū)間分布頻率

汽車(chē)運(yùn)行工況主要集中在低負(fù)荷區(qū)間中的bin0～bin19范圍內(nèi)，市區(qū)道路行駛時(shí)，bin9～bin14分布頻率高于1%，如圖3所示。其中bin11(-2.9 kW/t≤VSP<1.2 kW/t)、bin12(1.2 kW/t≤VSP<5.3 kW/t)在各試驗(yàn)中的分布頻率平均為35.96%、38.22%，明顯高于其他工況。bin11主要代表低速、低加速度的行駛工況。當(dāng)行駛過(guò)程中出現(xiàn)急加速、車(chē)速上升的工況，VSP值相應(yīng)升高。

總行程行駛過(guò)程中，bin9～bin15的分布頻率高于1%，如圖4所示。與市區(qū)道路行駛相比，加入了市郊、高速道路行駛，加速、高速行駛工況增加，使VSP較高的bin13(5.3 kW/t≤VSP<9.4 kW/t)等區(qū)間的分布頻率明顯上升。各試驗(yàn)bin11、bin12、bin13分布頻率的平均值分別為25.38%、31.81%、21.18%，明顯高于其他區(qū)間的分布頻率，其中bin12的分布頻率最高。可見(jiàn)，按照輕型車(chē)國(guó)六排放法規(guī)進(jìn)行道路排放試驗(yàn)時(shí)，汽車(chē)運(yùn)行工況主要分布在bin11～bin13所包含的VSP區(qū)間中。

圖3 市區(qū)道路bin分布頻率

圖4 總行程bin分布頻率

3 排放特征分析

為研究汽車(chē)主要的運(yùn)行工況與NOx、CO、CO2排放的關(guān)系，將工況較為集中的VSP區(qū)間按照表4進(jìn)行劃分。因汽車(chē)運(yùn)行工況主要集中在-2.9 kW/t≤VSP<9.4 kW/t范圍內(nèi)，將VSP<-2.9 kW/t的工況劃分為1個(gè)區(qū)間；VSP≥9.4 kW/t的工況劃分為1個(gè)區(qū)間；-2.9 kW/t≤VSP<9.4 kW/t范圍內(nèi)的工況細(xì)分為7個(gè)區(qū)間，使每個(gè)區(qū)間的分布頻率大致相當(dāng)。

表4 劃分VSP區(qū)間

3.1 NOx排放特征

使用式(3)(4)計(jì)算各VSP區(qū)間的NOx排放速率、排放因子，得到各試驗(yàn)中VSP與NOx排放的關(guān)系，如圖5所示?？煽闯龈髟囼?yàn)中的NOx排放速率與排放因子均有隨VSP升高而增加的趨勢(shì)。低海拔條件下，中、低VSP區(qū)間燃用天然氣時(shí)的NOx排放較高，這與文獻(xiàn)[12-13]中低海拔、低負(fù)荷工況試驗(yàn)得到的結(jié)果相符。高海拔條件下，中、低VSP區(qū)間燃用汽油時(shí)的NOx排放升高，與燃用天然氣時(shí)相似。高VSP區(qū)間中，燃用汽油時(shí)的NOx排放上升迅速，超過(guò)或接近燃用天然氣時(shí)的排放。

圖5 VSP對(duì)NOx排放的影響曲線

在汽車(chē)排氣管后方的流量計(jì)處測(cè)量得到排氣溫度，使用排氣溫度作為反映氣缸內(nèi)燃燒溫度的參數(shù)。隨著VSP升高，排氣溫度有上升的趨勢(shì)(圖6)，中、低VSP區(qū)間燃用天然氣時(shí)的排氣溫度較高，燃用汽油時(shí)的排氣溫度在高VSP區(qū)間上升迅速，高于燃用天然氣時(shí)的排氣溫度。燃用汽油與天然氣時(shí)的NOx排放特征與排氣溫度的變化特征相似。

天然氣汽化潛熱較汽油低，且天然氣以氣體狀態(tài)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，而汽油在噴射后需要吸收一部分熱量以在進(jìn)氣道內(nèi)汽化，使燃用天然氣時(shí)的燃燒起始溫度較燃用汽油時(shí)高。由于燃用天然氣時(shí)汽車(chē)動(dòng)力性下降，在高VSP區(qū)間需要加大油門(mén)踏板位置以滿足動(dòng)力性需求(圖6)，新鮮進(jìn)氣充量增加，降低了燃用天然氣時(shí)的燃燒起始溫度。以上因素綜合作用，使中、低VSP區(qū)間燃用天然氣時(shí)的排氣溫度較高，燃用汽油時(shí)的排氣溫度在高VSP區(qū)間上升迅速。

各VSP區(qū)間排氣溫度與NOx排放速率、排放因子的關(guān)系如圖7所示。使用一元線性回歸擬合排氣溫度與NOx排放速率、排放因子的關(guān)系，擬合函數(shù)為y=ax+b，排氣溫度為自變量，NOx排放為因變量，擬合結(jié)果如表5所示，排氣溫度與NOx排放的相關(guān)系數(shù)僅在彌勒燃用天然氣的試驗(yàn)中稍低，主要受該試驗(yàn)中NOx排放因子在第6區(qū)間附近波動(dòng)較大影響。其余試驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)均高于0.95，可見(jiàn)在大部分試驗(yàn)中，排氣溫度與NOx排放速率、排放因子間呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)關(guān)系。

圖6 各VSP區(qū)間排氣溫度、節(jié)氣門(mén)開(kāi)度曲線

圖7 排氣溫度與NOx排放的關(guān)系

表5 排氣溫度與NOx排放的擬合系數(shù)

使用式(5)計(jì)算得到各試驗(yàn)總行程的NOx排放因子，如圖8所示。在1 000～2 000 m海拔范圍，高海拔條件下，受缸內(nèi)反應(yīng)溫度較高與火焰?zhèn)鞑ニ俣认陆档挠绊?，使缸?nèi)高溫持續(xù)時(shí)間增加，NOx排放因子較高，隨著海拔下降，NOx排放因子有下降的趨勢(shì)。

低海拔條件下，燃用天然氣時(shí)的NOx排放較燃用汽油高；高海拔時(shí)，因燃用汽油時(shí)的NOx排放在高VSP區(qū)間上升迅速，使總行程的NOx排放高于燃用天然氣時(shí)的排放。因此，在高海拔條件下使用天然氣作為汽車(chē)燃料能夠減少NOx排放。

圖8 各海拔試驗(yàn)的NOx排放因子曲線

3.2 CO排放特征

各試驗(yàn)中VSP與CO排放速率、排放因子的關(guān)系如圖9所示。同一海拔條件下，燃用汽油時(shí)的CO排放速率與排放因子均高于燃用天然氣時(shí)的排放。天然氣以氣態(tài)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道，與空氣混合情況較好，且天然氣的主要成分甲烷中只有一個(gè)碳原子，較汽油更容易被完全氧化。

圖9 VSP對(duì)CO排放速率的影響曲線

各試驗(yàn)總行程的CO排放因子如圖10所示。在1 000～2 000 m海拔范圍內(nèi)，高海拔條件下，進(jìn)氣中的氧氣含量下降，使燃燒不完全，CO排放因子較高，隨著海拔下降，CO排放因子有下降的趨勢(shì)。在昆明市、彌勒市、開(kāi)遠(yuǎn)市的試驗(yàn)中，燃用天然氣時(shí)的CO排放因子分別較燃用汽油時(shí)低70.36%、80.86%、80.34%，平均降低了77.18%。

3.3 CO2排放特征

各試驗(yàn)中VSP與CO2排放速率、排放因子的關(guān)系如圖11所示?？煽闯龈髟囼?yàn)中的CO2排放速率均有隨VSP升高而增加的趨勢(shì)。同一海拔條件下，由于天然氣熱值高于汽油，燃用汽油時(shí)的CO2排放速率與排放因子均高于燃用天然氣時(shí)的排放。

圖10 各海拔試驗(yàn)的CO排放因子

圖11 VSP對(duì)CO2排放的影響曲線

各試驗(yàn)的CO2排放因子在第3區(qū)間最高，圖12為各試驗(yàn)中VSP區(qū)間內(nèi)的平均車(chē)速，可看出第3區(qū)間(0 kW/t≤VSP<1 kW/t)車(chē)速最低，其中VSP為0 kW/t時(shí)代表的是車(chē)速為0 km/h的怠速停車(chē)工況，由于怠速停車(chē)工況中持續(xù)產(chǎn)生CO2排放，但沒(méi)有產(chǎn)生里程增量，使第3區(qū)間的排放因子上升。各試驗(yàn)CO2排放因子在第1區(qū)間中最低，因?yàn)樵搮^(qū)間VSP為負(fù)值，包含了急減速、下陡坡等工況，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷最小，燃料消耗最少。

圖12 各VSP區(qū)間節(jié)車(chē)速

各試驗(yàn)的CO2排放因子在第3區(qū)間之后呈逐漸下降的趨勢(shì)，雖然隨著VSP升高，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷升高，循環(huán)供油量上升，但隨著車(chē)速上升，行駛檔位升高，變速器傳動(dòng)比下降，單位行駛里程內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)次數(shù)減少，使排放因子呈下降趨勢(shì)。高VSP區(qū)間CO2排放因子再次呈上升的趨勢(shì)，高VSP區(qū)間包含了急加速、高車(chē)速、上陡坡工況，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷最大，由于第8、9區(qū)間的平均車(chē)速均高于60 km/h，基本使用最高檔行駛，傳動(dòng)比固定的情況下，CO2排放因子隨發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大呈上升趨勢(shì)。

各試驗(yàn)總行程的CO2排放因子如圖13所示。在1 000～2 000 m海拔范圍內(nèi)，高海拔條件下的CO2排放因子較高，隨著海拔下降，CO2排放因子有下降的趨勢(shì)。在昆明市、彌勒市、開(kāi)遠(yuǎn)市的試驗(yàn)中，燃用天然氣時(shí)的CO2排放因子分別較燃用汽油時(shí)低26.23%、22.05%、18.69%，平均降低22.32%。隨著海拔上升，進(jìn)氣密度下降，燃用汽油時(shí)，因充量減少使氣體流動(dòng)與油氣混合效果變差，油耗上升，CO2排放因子升高。而天然氣與空氣更容易充分均勻混合，使燃用天然氣時(shí)的燃料消耗隨海拔的升高程度比燃用汽油時(shí)平緩。海拔越高，燃用天然氣的CO2減排效果越明顯。

圖13 各試驗(yàn)的CO2排放因子

4 結(jié)論

1) 按照輕型車(chē)國(guó)六排放法規(guī)RDE試驗(yàn)要求進(jìn)行道路排放試驗(yàn)時(shí)，汽車(chē)運(yùn)行工況主要分布在bin11、bin12、bin13區(qū)間內(nèi)，各試驗(yàn)分布頻率的平均值分別為25.38%、31.81%、21.18%。

2) 在1 000～2 000 m海拔范圍內(nèi)，海拔較高時(shí)，燃用汽油、天然氣時(shí)的NOx、CO、CO2排放因子較高，隨著海拔下降，排放因子下降。

3) 在大部分試驗(yàn)中，NOx排放與排氣溫度呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)關(guān)系。因天然氣汽化潛熱比汽油低，在中、低VSP區(qū)間行駛時(shí)，燃用天然氣時(shí)的燃燒起始溫度比燃用汽油時(shí)高，使燃用天然氣時(shí)的NOx排放較高。在高VSP區(qū)間行駛時(shí)，由于燃用天然氣時(shí)汽車(chē)動(dòng)力性下降，需要通過(guò)加大油門(mén)踏板位置滿足動(dòng)力性需求，使新鮮進(jìn)氣充量增加，降低了燃用天然氣時(shí)的燃燒起始溫度，燃用汽油時(shí)的NOx排放超過(guò)或接近燃用天然氣時(shí)的排放。

4) 在3個(gè)不同海拔的試驗(yàn)中，燃用天然氣時(shí)的CO、CO2排放因子分別較燃用汽油時(shí)平均降低了77.18%、22.32%，且海拔越高，CO2減排效果越明顯。高海拔條件下使用天然氣作為燃料，在RDE試驗(yàn)工況下較燃用汽油時(shí)具有更好的NOx減排效果。