輕型汽油車實(shí)際行駛排放試驗(yàn)中冷啟動(dòng)排放的評估

陳凌建，杜寶程,，彭竟德，徐劃龍，王 彬，張 力

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

機(jī)動(dòng)車保有量的持續(xù)增長給中國環(huán)境帶來了巨大壓力。研究表明，大氣中的氮氧化物、顆粒物等污染物主要來源于汽車尾氣排放，尤其是在城市區(qū)域[1-2]。為有效防治機(jī)動(dòng)車尾氣排放，改善環(huán)境質(zhì)量，中國生態(tài)環(huán)境部于2016年12月發(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)》排放法規(guī)。該法規(guī)不僅新采用了WLTC(world light-duty test cycle)測試循環(huán),提高了污染物排放達(dá)標(biāo)的要求，還要求車輛進(jìn)行實(shí)際行駛排放(real driving emission, RDE)試驗(yàn)，進(jìn)一步提高車輛排放測試結(jié)果的可靠性和真實(shí)性[3-4]。

RDE試驗(yàn)采用便捷式車載排放測試系統(tǒng)(portable emissions measurement systems, PEMS)，可在車輛行駛于實(shí)際道路的過程中對其污染物排放進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析，這無疑有利于得到更符合車輛真實(shí)情況的排放結(jié)果[5-6]。為此，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量RDE試驗(yàn)，但絕大部分都僅僅分析了車輛在非冷啟動(dòng)階段的排放特征。宋彬等[7]研究了行駛動(dòng)力學(xué)參數(shù)對RDE試驗(yàn)非冷啟動(dòng)行程排放結(jié)果的影響。鄒杰等[8]利用PEMS分析了路線的累積正海拔增量對RDE試驗(yàn)結(jié)果的影響。Costagliola等[9]和Suarez-Bertoa等[10]都對RDE試驗(yàn)邊界條件與非冷啟動(dòng)階段污染物排放的關(guān)系進(jìn)行了研究。目前國內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注輕型車的非冷啟動(dòng)排放，而對RDE試驗(yàn)中的冷啟動(dòng)排放研究較少。

由于車輛冷啟動(dòng)期間的發(fā)動(dòng)機(jī)、潤滑系統(tǒng)和尾氣后處理系統(tǒng)的溫度尚未達(dá)到正常水平，其污染物排放往往非常嚴(yán)重?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)下冷啟動(dòng)階段的污染物排放比熱機(jī)狀態(tài)下的排放高11～15倍[11-12]。因此，在RDE試驗(yàn)中考慮冷啟動(dòng)排放有較大的實(shí)際意義。歐洲的RDE法規(guī)已經(jīng)走在前列，在其2017年發(fā)布的歐六 Package 3中要求將RDE試驗(yàn)的冷啟動(dòng)排放納入市區(qū)和全行程排放中計(jì)算評估[13]。在此背景下，近幾年已有學(xué)者開始利用PEMS對冷啟動(dòng)排放展開研究。Faria等[14]研究發(fā)現(xiàn)RDE試驗(yàn)中冷啟動(dòng)工況的燃油消耗和污染物排放都顯著高于非冷啟動(dòng)工況。Varella等[15]重點(diǎn)研究了冷啟動(dòng)工況的燃油消耗和NOx排放，發(fā)現(xiàn)初始環(huán)境溫度對兩者有一定影響但并不具備明顯的相關(guān)性。Dimaratos等[16]的研究表明冷啟動(dòng)階段的CO、NOx和PN排放是RDE試驗(yàn)的市區(qū)總排放主要來源。Du等[17]從評估方法、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)熱狀態(tài)以及環(huán)境溫度幾個(gè)角度探究RDE試驗(yàn)下冷啟動(dòng)排放的影響因素。在相關(guān)研究中，國內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注的是溫度因素對冷啟動(dòng)排放的影響，缺少從RDE法規(guī)角度考慮冷啟動(dòng)試驗(yàn)邊界條件(如環(huán)境條件、行程動(dòng)力學(xué)狀態(tài)等)對試驗(yàn)結(jié)果的影響，以此確定可實(shí)施的冷啟動(dòng)試驗(yàn)程序。中國國六法規(guī)正逐步在全國范圍內(nèi)實(shí)施，有關(guān)下一步排放法規(guī)的修訂也在持續(xù)推進(jìn)，將冷啟動(dòng)排放納入RDE試驗(yàn)中評估是未來法規(guī)發(fā)展的必然趨勢。

為探究輕型汽油車在RDE試驗(yàn)中的冷啟動(dòng)排放特征，筆者利用PEMS對1輛輕型汽油車進(jìn)行了共計(jì)8次RDE試驗(yàn)，分析其冷啟動(dòng)階段污染物(CO、CO2、NOx、PN)排放特征及排放結(jié)果產(chǎn)生差異的原因。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)選用1輛滿足國六a階段法規(guī)要求的輕型自動(dòng)擋汽油車，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為2.0 L，最大功率為151 kW，燃油標(biāo)號為92號汽油，采用渦輪增壓和缸內(nèi)直噴技術(shù)，噴油控制策略為閉環(huán)控制，并配備有三效催化轉(zhuǎn)化器和汽油機(jī)顆粒物捕捉器作為尾氣后處理裝置，整車整備質(zhì)量為1 935 kg，進(jìn)行本試驗(yàn)前已行駛里程11 596 km。

1.2 測試設(shè)備

車載排放測試設(shè)備安裝布置如圖1所示，選用日本HORIBA公司生產(chǎn)的OBS-ONE便攜式排放測試系統(tǒng)，其測試模塊主要分為兩大板塊：氣體污染物分析儀(HORIBA-GS)和顆粒物實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)(HORIBA-PN)，分別測量機(jī)動(dòng)車尾氣氣態(tài)污染物和顆粒物的濃度。同時(shí)，利用全球定位系統(tǒng)(GPS)獲取車速、經(jīng)度、緯度和海拔高度信息，環(huán)境溫度和濕度信息由氣象站監(jiān)測，車載診斷(OBD)提供發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度等發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)。

1.OBS-ONE主單元；2.電池；3.GPS；4.氣象站；5.控制計(jì)算機(jī)；6.OBD通訊連接；7.排氣流量計(jì)圖1 車載排放測試設(shè)備安裝布置示意圖Fig. 1 The installation layout of PEMS equipment

1.3 試驗(yàn)路線與測試步驟

所有RDE試驗(yàn)均在重慶市進(jìn)行，在渝北區(qū)和江津區(qū)選取了4條路線，具體試驗(yàn)路線見圖2。此外，表1展示了4條路線的道路坡度信息，表中“平緩路段占比”統(tǒng)計(jì)的為道路坡度在±1%范圍內(nèi)行駛的里程在相應(yīng)路段總行駛里程中的占比；“上坡路段占比”和“下坡路段占比”統(tǒng)計(jì)的分別為道路坡度大于1%和小于-1%的行駛里程在相應(yīng)路段總行駛里程中的占比。所選的試驗(yàn)路線均覆蓋了市區(qū)、市郊和高速3種路段，并確保每條路線的市區(qū)、市郊和高速路段的行駛距離超過16 km，試驗(yàn)總行駛時(shí)長均保持在90～120 min。

表1 試驗(yàn)路線信息

圖2 試驗(yàn)路線Fig. 2 Experimental routes

測試步驟嚴(yán)格按照國六法規(guī)相關(guān)要求執(zhí)行，每條路線完成2次RDE試驗(yàn)，共計(jì)8次試驗(yàn)。每次試驗(yàn)前車輛都經(jīng)過了12 h以上的浸車處理，確保發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油、冷卻液和尾氣后處理裝置的溫度與環(huán)境溫度達(dá)到一致。此外，所有試驗(yàn)均從市區(qū)開始，依次行駛于市區(qū)、市郊及高速3種道路，其中市區(qū)行駛車速低于60 km/h，市郊行駛車速在60 km/h和90 km/h之間，高速路段車速大于90 km/h但低于120 km/h。每次試驗(yàn)都記錄了試驗(yàn)車輛在冷啟動(dòng)、市區(qū)、市郊和高速工況下行駛的測試數(shù)據(jù)。車輛在4條路線的行駛工況信息以及試驗(yàn)過程中的大氣壓力變化如圖3所示。

圖3 行駛工況及測試過程大氣壓力變化圖Fig. 3 Speed-time profile of the four routes and change of atmospheric pressure during tests

2 冷啟動(dòng)行程信息與排放量計(jì)算

2.1 冷啟動(dòng)行程

對于冷啟動(dòng)持續(xù)時(shí)段，國六法規(guī)采用時(shí)間和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度兩條并行判別標(biāo)準(zhǔn)，即車輛初次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后的300 s內(nèi)為冷啟動(dòng)階段；或以冷卻液溫度達(dá)到70 ℃作為冷啟動(dòng)結(jié)束的標(biāo)志，但前提是冷卻液溫度達(dá)到70 ℃的時(shí)間不超過發(fā)動(dòng)機(jī)初次啟動(dòng)后300 s。將8次RDE試驗(yàn)按照1～8進(jìn)行編號，試驗(yàn)的冷啟動(dòng)行程信息如表2所示。T0為初始冷卻液溫度，Tend為冷啟動(dòng)判斷結(jié)束時(shí)冷卻液溫度，P為冷啟動(dòng)行程的平均大氣壓力。

表2 8次RDE試驗(yàn)冷啟動(dòng)行程信息

2.2 排放量計(jì)算方法

國六RDE法規(guī)目前只要求記錄冷啟動(dòng)階段的排放數(shù)據(jù)，而在最終的市區(qū)和全行程排放量計(jì)算過程中需將其剔除(即不考慮冷啟動(dòng)排放)。此外，國六法規(guī)規(guī)定采用移動(dòng)平均窗口法計(jì)算污染物排放因子(單位行駛里程的排放量)，但有研究表明采用移動(dòng)平均窗口法處理包含冷啟動(dòng)的RDE試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不合理[17]，筆者在研究中也發(fā)現(xiàn)移動(dòng)平均窗口法無法準(zhǔn)確得到冷啟動(dòng)排放因子。因此，在后續(xù)分析中沒有采用移動(dòng)平均窗口法計(jì)算冷啟動(dòng)以及市區(qū)的排放因子，而是參照歐六RDE法規(guī)Package 4中的辦法對包含冷啟動(dòng)的瞬時(shí)排放數(shù)據(jù)進(jìn)行直接累積平均得到污染物的排放因子，如式(1)所示。

(1)

式中：Eφ,k為污染物排放因子，下標(biāo)φ表示污染物排放類別(CO、CO2、NOx、PN)，下標(biāo)k指代路段(市區(qū)或全行程)；Mφ,i為污染物瞬時(shí)質(zhì)量排放,i=1,2,…,k；Dk為市區(qū)或全行程的行駛距離。

鑒于冷啟動(dòng)排放最終是被納入RDE的市區(qū)和全行程中進(jìn)行評估，研究中將冷啟動(dòng)行程的瞬時(shí)質(zhì)量排放累積后除以市區(qū)或全行程行駛距離得到冷啟動(dòng)排放因子，以此來量化冷啟動(dòng)排放對市區(qū)或全行程排放因子的貢獻(xiàn)，冷啟動(dòng)排放因子計(jì)算式為

(2)

式中Eφ,c為冷啟動(dòng)污染物排放因子，下標(biāo)c指代冷啟動(dòng)行程。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 冷啟動(dòng)污染物排放結(jié)果

采用累積平均法計(jì)算得到市區(qū)和冷啟動(dòng)行程的CO、CO2、NOx及PN排放因子如圖4所示。此外，圖4還以百分?jǐn)?shù)的形式展示了冷啟動(dòng)行程的污染物排放在整個(gè)市區(qū)行程排放中的占比。由圖可見，冷啟動(dòng)排放在市區(qū)排放中占有相當(dāng)大的比重，其中，8次試驗(yàn)冷啟動(dòng)行程的CO排放在各自市區(qū)CO排放中的占比平均達(dá)到了28.3%，其最高占比達(dá)到51.5%。冷啟動(dòng)行程的NOx排放平均占比高達(dá)31.9%，PN排放平均占比更高達(dá)39.8%。而冷啟動(dòng)行程的CO2排放在市區(qū)排放的占比明顯低于CO、NOx和PN排放，最高占比僅為9.1%。由此說明，雖然冷啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間短(不到300 s)，但期間污染物排放極高，冷啟動(dòng)排放必定是未來傳統(tǒng)燃油車排放控制的重點(diǎn)，因而在RDE試驗(yàn)中考慮冷啟動(dòng)排放有較大的實(shí)際意義。

圖4 市區(qū)(含冷啟動(dòng))行程與冷啟動(dòng)行程的污染物排放結(jié)果對比Fig. 4 Comparison of pollutant emission results between the urban trips (including cold-start) and cold-start trips

此外，從圖4還可以看出，8次試驗(yàn)冷啟動(dòng)污染物排放因子變化范圍很大，尤其是CO、NOx和PN排放，在RDE試驗(yàn)中考慮冷啟動(dòng)排放勢必會進(jìn)一步降低試驗(yàn)的可重復(fù)性和評估結(jié)果的一致性。因此，有必要對冷啟動(dòng)排放差異產(chǎn)生的原因加以研究。

3.2 冷啟動(dòng)排放影響因素

3.2.1 溫度因素

圖5為8次試驗(yàn)冷啟動(dòng)污染物排放因子隨冷啟動(dòng)階段的平均冷卻液溫度變化關(guān)系圖，此外，圖中還以氣泡直徑表示冷啟動(dòng)階段的平均環(huán)境溫度，以氣泡顏色區(qū)分試驗(yàn)路線，從而可綜合考慮平均冷卻液溫度、環(huán)境溫度以及試驗(yàn)路線對冷啟動(dòng)排放因子的影響。每條路線完成了2次試驗(yàn)，故一共有8個(gè)、4種顏色不同的氣泡。由圖5可知，冷啟動(dòng)CO2和CO排放因子都與平均冷卻液溫度表現(xiàn)出良好的負(fù)相關(guān)性，但NOx和PN排放與平均冷卻液溫度沒有明顯的相關(guān)性。從氣泡大小來看，所有污染物排放高的氣泡其直徑時(shí)大時(shí)小，并無明顯的規(guī)律，說明平均環(huán)境溫度對冷啟動(dòng)排放因子影響有限，這可能是由于本文的試驗(yàn)環(huán)境溫度均在20 ℃以上，環(huán)境溫度變化對冷啟動(dòng)排放的影響不明顯；此外，從氣泡顏色分布來看，同一顏色的氣泡對應(yīng)的污染物排放因子有高有低，說明試驗(yàn)路線也不是冷啟動(dòng)排放因子產(chǎn)生差異的主要原因。

圖5 冷啟動(dòng)污染物排放隨平均冷卻液溫度和環(huán)境溫度變化關(guān)系Fig. 5 ollutant emission of cold-start with average coolant temperature and ambient temperature

車輛冷啟動(dòng)階段的平均冷卻液溫度主要與初始冷卻液溫度(通常與環(huán)境溫度一致)及發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況有關(guān)，低溫環(huán)境會影響平均冷卻液溫度、尾氣后處理系統(tǒng)的起燃時(shí)間并延長冷啟動(dòng)持續(xù)時(shí)間，因而會對冷啟動(dòng)排放產(chǎn)生影響[18]。而當(dāng)前RDE法規(guī)的溫度邊界條件(普通條件0～30 ℃；擴(kuò)展條件-7～0 ℃或30～35 ℃)對于開展冷啟動(dòng)試驗(yàn)可能過于寬泛。

3.2.2 行程動(dòng)力學(xué)因素

圖6 冷啟動(dòng)污染物排放隨平均車速和RPA變化關(guān)系Fig. 6 Pollutant emissions of cold-start with average vehicle speed and RPA

圖7 冷啟動(dòng)污染物排放隨平均車速和vapos[95]變化關(guān)系Fig. 7 Pollutant emissions of cold-start with average vehicle speed and vapos[95]

3.3 冷啟動(dòng)前50 s污染物排放

圖8 冷啟動(dòng)全程與冷啟動(dòng)前50 s的污染物排放結(jié)果對比Fig. 8 Comparison of pollutant emission results between total cold-start trips and the first 50 seconds of cold-start

圖9 冷啟動(dòng)前50 s污染物瞬時(shí)排放與瞬時(shí)vapos對比Fig. 9 Comparison of instantaneous pollutant emissions and instantaneous vapos in the first 50 seconds of cold-start

4 結(jié) 論

1)實(shí)際行駛排放(RDE)試驗(yàn)中冷啟動(dòng)排放對市區(qū)排放的貢獻(xiàn)較大，尤其是冷啟動(dòng)初始階段(如冷啟動(dòng)的前50 s)的排放。冷啟動(dòng)階段的CO、NOx和PN排放在市區(qū)排放中的占比分別高達(dá)28.3%，31.9%和39.8%，冷啟動(dòng)階段的CO2排放的平均占比也達(dá)到了5.8%。因此在RDE試驗(yàn)中考慮冷啟動(dòng)排放有較大的實(shí)際意義。

2)冷啟動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果不具有重復(fù)性，不同RDE試驗(yàn)中冷啟動(dòng)CO、NOx和PN排放結(jié)果可能出現(xiàn)較大差別。從冷啟動(dòng)全程來看，CO和CO2排放因子都與平均冷卻液溫度表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性；而NOx和PN排放因子與平均冷卻液溫度的相關(guān)性不明顯。此外，冷啟動(dòng)NOx和PN排放因子與冷啟動(dòng)階段的平均車速存在強(qiáng)相關(guān)性，CO2排放因子也與平均車速具有較強(qiáng)的相關(guān)性，而CO排放因子與平均車速的相關(guān)性不明顯。

4)文中試驗(yàn)所涉及的環(huán)境溫度均在20 ℃以上，而低溫環(huán)境對冷啟動(dòng)排放的影響不可忽視，當(dāng)前RDE法規(guī)的溫度邊界條件對于開展冷啟動(dòng)試驗(yàn)可能過于寬泛，相關(guān)研究有待進(jìn)一步深入。

當(dāng)前國六RDE排放法規(guī)中尚未考慮冷啟動(dòng)排放，為了更加真實(shí)、全面地評價(jià)車輛實(shí)際行駛污染物排放，將冷啟動(dòng)排放納入市區(qū)和全行程排放中評估是十分必要的。但冷啟動(dòng)的試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性差，故在包含冷啟動(dòng)排放的RDE試驗(yàn)程序修訂過程中，需要充分考慮試驗(yàn)邊界條件(如環(huán)境溫度、動(dòng)力學(xué)參數(shù))對冷啟動(dòng)排放的影響，尤其要對冷啟動(dòng)初始階段(如冷啟動(dòng)的前50 s)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格限定，以便在考慮冷啟動(dòng)排放的同時(shí)保證RDE試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性。