基于車載測(cè)試的輕型汽車排放特征

陳婷，何瀟，陳文倩，顏敏，徐光儀，鄭軒*

1.深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院

2.深圳市環(huán)境科學(xué)研究院

3.河北省環(huán)境科學(xué)研究院

中國(guó)機(jī)動(dòng)車高速增長(zhǎng)、高頻使用和高度聚集的綜合特征給城市空氣質(zhì)量管理帶來極大挑戰(zhàn)[1-2]。機(jī)動(dòng)車排放的氮氧化物（nitrogen oxides，NOx）和總碳?xì)浠衔铮╰otal hydrocarbons，THC）是二次污染物的重要前體物[3]；高濃度一氧化碳（carbon monoxide，CO）會(huì)損害人類的神經(jīng)系統(tǒng)和氧氣運(yùn)輸。因此，機(jī)動(dòng)車氣態(tài)污染物（CO、THC和NOx）的排放特征一直是研究熱點(diǎn)。輕型汽車是中國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量的主體，截止到2018年，我國(guó)輕型汽車保有量已經(jīng)超過2.3億輛，約占機(jī)動(dòng)車總量的72%[4]。目前，對(duì)于輕型汽車常規(guī)氣態(tài)污染物的排放，國(guó)內(nèi)已進(jìn)行了大量研究[5-7]。但目前缸內(nèi)直噴（gasoline direct injection，GDI）技術(shù)已在中國(guó)市場(chǎng)廣泛應(yīng)用，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)差異〔如GDI和進(jìn)氣道噴射(port fuel injection，PFI)〕引起的污染物排放和油耗差異的研究相對(duì)較少。

國(guó)外研究表明，由于噴油方式和混合方式的不同，GDI和PFI車輛的氣態(tài)污染物排放存在顯著差異。如Graham[8]基于臺(tái)架測(cè)試發(fā)現(xiàn)GDI車輛平均CO排放因子比PFI車低40%；Singh[9]基于車載測(cè)試（portable emission measurement system，PEMS）發(fā)現(xiàn)，GDI車輛的CO和THC排放量分別比PFI車低33%和44%；王軍方等[10]的研究表明，GDI汽油車的CO和HC排放比PFI車低4.3%～39.5%。此外，因?yàn)镚DI能更精準(zhǔn)地控制燃料噴射時(shí)間和進(jìn)入氣缸的實(shí)際燃油量[11]，通常其燃油經(jīng)濟(jì)性比PFI要高，然而在Singh[9]的研究中真實(shí)狀況下油耗對(duì)GDI和PFI的差別并不敏感。因此，需要針對(duì)不同發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的污染物排放和油耗開展深入的研究。

運(yùn)行工況也是影響車輛污染物排放和油耗的重要因素。以冷啟動(dòng)為例，由于啟動(dòng)期間發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理催化劑在低溫條件下運(yùn)行，導(dǎo)致車輛的氣態(tài)污染物排放量急劇增加[12-13]。如Weilenmann等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)，冷啟動(dòng)階段汽油車的CO和HC排放量相較熱啟動(dòng)增加11倍以上。此外，Yao等[14]發(fā)現(xiàn)，CO、NOx和THC排放速率隨發(fā)動(dòng)機(jī)比功率（vehicle specific power，VSP）的增大而增加。Zhang等[15]的研究結(jié)果表明，輕型汽油車在較高車速下（35 km/h）的油耗比低速（15 km/h）時(shí)要高81%±16%，且實(shí)際道路的油耗比在整車轉(zhuǎn)轂下的油耗要高約10%。

以往對(duì)輕型汽車的排放研究主要采用實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架測(cè)試。但有研究[16-17]表明，臺(tái)架測(cè)試法難以反映車輛在實(shí)際道路時(shí)的污染物排放和油耗，因此，GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》已明確將實(shí)際道路PEMS列為法規(guī)測(cè)試方法[18]。雖然目前國(guó)內(nèi)已有研究者利用PEMS方法測(cè)量了輕型汽車CO、NOx和THC等污染物的排放情況[5,19]，但針對(duì)實(shí)際道路上不同發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)（GDI和PFI）氣態(tài)污染物排放差異的研究較少。綜上，筆者選取不同噴油技術(shù)的輕型汽車為研究對(duì)象，利用PEMS分析不同發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、道路工況和發(fā)動(dòng)機(jī)工況對(duì)氣態(tài)污染物的排放以及油耗的影響，以期為精細(xì)化排放清單以及新政策措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 測(cè)試車輛

測(cè)試對(duì)象為11輛輕型汽油車（4輛噴油方式為GDI，7輛噴油方式為PFI），每輛測(cè)試車輛均裝備三元催化轉(zhuǎn)化器（three-way catalyst converter，TWC）。測(cè)試車輛的詳細(xì)信息見表1。

表1 測(cè)試車輛基本信息Table 1 Details of tested vehicles

1.2 測(cè)試設(shè)備和路線

車載測(cè)試系統(tǒng)主要包括Semtech-EFM尾氣流量計(jì)、Semtech-Ecostar氣態(tài)污染物分析儀和全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）。尾氣流量計(jì)采用皮托管原理測(cè)量排氣流量；氣態(tài)污染物分析儀采用不分光紅外法測(cè)量CO2和CO排放量，采用不分光紫外法測(cè)量NOx排放量，采用氫離子火焰法測(cè)量THC排放量；GPS記錄測(cè)試車輛的逐秒行駛速率和瞬時(shí)排放速率。在實(shí)際道路上開展測(cè)試時(shí)車輛PEMS設(shè)備的安裝情況如圖1所示。

圖1 車輛排放測(cè)試系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of vehicle emission test system

車輛測(cè)試分別在北京市和深圳市進(jìn)行，其中有3輛車（9#～11#）在北京市，測(cè)試時(shí)平均環(huán)境溫度為1 ℃；其余8輛車在深圳市，測(cè)試時(shí)平均環(huán)境溫度為20 ℃。測(cè)試路線包括城市道路（速度小于60 km/h）、市郊道路（速度為60～90 km/h）和高速路（速度大于90 km/h），具體信息如表2所示。測(cè)試前車輛經(jīng)過6 h以上浸車，機(jī)油溫度和環(huán)境溫度的差值在2 ℃之內(nèi)，以測(cè)量車輛在冷啟動(dòng)時(shí)的排放情況。車輛所用燃油均為從加油站統(tǒng)一采購的國(guó)6汽油。

表2 測(cè)試車輛在不同道路上的行駛里程和平均速度Table 2 Mileage and average speed of tested vehicles on different roads

1.3 數(shù)據(jù)處理

測(cè)試車輛的排放因子（emission factor，EF）和車輛油耗速率（fuel consumption rate，F(xiàn)R）計(jì)算公式如下：

利用污染物的瞬時(shí)排放速率來模擬車輛瞬態(tài)工況下的油耗，采用VSP劃分瞬態(tài)行駛工況，表征單位車輛質(zhì)量的瞬時(shí)輸出功率[21]，輕型汽車VSP計(jì)算公式如下：

表3 輕型汽車Bin劃分方法Table 3 Bin distributions of light vehicles in this study

Zhang等[15]研究表明，油耗與車速之間存在定量響應(yīng)關(guān)系。為了更好地理解車速與油耗的關(guān)系，使用短工況法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以消除車輛自身因素（車質(zhì)量、駕駛習(xí)慣等）帶來的影響。將車輛的油耗速率代入到特定工況下，得到該車輛的基準(zhǔn)油耗。然后將車輛在一個(gè)短時(shí)間段內(nèi)（取300 s為1個(gè)短工況）的油耗總量與上述基準(zhǔn)油耗進(jìn)行比較，即可得到該車輛該短工況內(nèi)的相對(duì)油耗因子，計(jì)算公式如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 氣態(tài)污染物排放特征

表4展示了本研究基于車載測(cè)試和其他研究基于臺(tái)架測(cè)試的氣態(tài)污染物排放因子的對(duì)比。從表4可以看出，CO、NOx和THC排放因子分別為（910.4±822.6）、（58.0±48.3）和（21.6±16.1）mg/km。其中CO和NOx排放因子與其他研究相差不大，而THC的排放因子低于其他研究結(jié)果（40.6～72.3 mg/km）。不同研究中結(jié)果差異較大可能是由于采用了不同的測(cè)試工況和儀器，此外不同車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、空燃比和溫度等因素也會(huì)造成結(jié)果的差異。1#車符合國(guó)2排放標(biāo)準(zhǔn)，其CO、NOx和THC的排放因子分別為1 020.5、83.5和62.7 mg/km，是相同條件下符合國(guó)4排放標(biāo)準(zhǔn)車輛的7.7倍；與此同時(shí)，由于機(jī)械磨損和催化劑老化等因素，生產(chǎn)年份較早以及高行駛里程車輛的后處理裝置的效率降低，導(dǎo)致排放劣化[24-25]。

表4 本研究與其他研究氣態(tài)污染物的排放因子Table 4 Emission factors of gaseous pollutants from this study and other studies mg/km

2.1.1 行駛工況和環(huán)境溫度對(duì)氣態(tài)污染物排放的影響

車輛CO、NOx和THC在熱穩(wěn)運(yùn)行階段基于發(fā)動(dòng)機(jī)比功率-車速（VSP-velocity，VSP-v）在不同環(huán)境溫度（1和20 ℃）時(shí)的排放速率如圖2所示。從圖2可以看出，在環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，3個(gè)速度區(qū)間的CO、NOx和THC排放速率都隨VSP-v增加而增加。如低速（ Bin0～Bin18）和中速區(qū)（Bin21～Bin2Y）CO的排放速率分別增加了6.8和4.9倍，在高速區(qū)（Bin35～Bin3Y）CO的排放速率從Bin35的（15.8±30.5）mg/s增加為 Bin3Y的（94.5±19.3）mg/s，提高了5.0倍。NOx和THC的排放速率從Bin35到Bin3Y分別增加了6.2和2.3倍。環(huán)境溫度為1 ℃時(shí)各氣態(tài)污染物排放速率同樣隨著VSP-v的增加而增加。如在低速區(qū)CO排放速率從Bin1的（1.8±1.6）mg/s增加為 Bin18 的（11.4±14.6）mg/s，增加了 2 倍，而THC的排放速率從Bin1的（0.01±0.01）mg/s增加為 Bin18 的（0.2±0.3）mg/s，增加了 15 倍。

圖2 微觀運(yùn)行模態(tài)下CO、NOx和THC的排放速率Fig.2 Emission rates of CO, NOx, and THC under micro-operating mode

高速區(qū)20 ℃時(shí)CO和NOx的排放速率分別比1 ℃時(shí)高139%±189%和90%±66%；在低速、中速和高速區(qū)內(nèi)，20 ℃時(shí)THC的排放速率分別比1 ℃時(shí)高217%±137%、129%±65%和 710%±402%；而低速和中速區(qū)內(nèi)，20 ℃和1 ℃時(shí)CO和NOx排放速率無顯著差異。此外，以往的研究[28]表明，低溫環(huán)境下（-7 ℃）CO和 THC排放速率比 22 ℃時(shí)高423%±104%和225%±165%，與本研究結(jié)果不同，可能是由于本研究中測(cè)試環(huán)境低溫（1 ℃）未達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)條件〔環(huán)境平均溫度應(yīng)為（-7±3）℃〕[18]，另外低溫條件對(duì)冷啟動(dòng)階段的排放有顯著影響，而本研究的低溫測(cè)試中浸車位置處于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，導(dǎo)致沒有獲得低溫冷啟動(dòng)階段的排放。因此，今后的研究應(yīng)在增加測(cè)試車輛數(shù)、更低的環(huán)境溫度以及低溫室外浸車等方面加強(qiáng)，以獲得更真實(shí)的污染物排放特征。

2.1.2 冷啟動(dòng)對(duì)氣態(tài)污染物排放的影響

為研究冷啟動(dòng)對(duì)車輛氣態(tài)污染物排放的貢獻(xiàn)，本研究將車輛在啟動(dòng)后污染物排放的瞬時(shí)濃度降至熱穩(wěn)定運(yùn)行階段（啟動(dòng)300 s后）的平均濃度作為冷啟動(dòng)階段的結(jié)束。圖3分別展示了GDI和PFI車輛氣態(tài)污染物冷啟動(dòng)階段在整個(gè)運(yùn)行工況的排放貢獻(xiàn)。從圖3可以看出，雖然GDI車輛冷啟動(dòng)階段只占整個(gè)行駛里程的1.5%±1.1%，然而該階段CO、NOx和THC排放的貢獻(xiàn)分別占總排放的9.3%±8.6%、1.3%±0.7%和 48.9%±49.9%；同樣，PFI車輛冷啟動(dòng)階段只占整個(gè)行駛里程的2.0%±3.6%，然而該階段CO、NOx和THC排放的貢獻(xiàn)分別占總排放的12.3%±7.8%、8.9%±6.1%和 55.4%±32.2%。其中THC排放因子冷啟動(dòng)階段的貢獻(xiàn)率最高，表明冷啟動(dòng)對(duì)THC排放的影響更為顯著[26]。由于車輛在啟動(dòng)階段排氣溫度低，TWC無法及時(shí)達(dá)到工作溫度（250～300 ℃）[29]，導(dǎo)致冷啟動(dòng)階段污染物排放急劇增加。因此，開發(fā)新型催化劑是進(jìn)一步減少車輛在冷啟動(dòng)階段污染物排放量的方法之一[30]。GDI車輛冷啟動(dòng)階段CO、NOx和THC的排放量分別為（3.9±3.1）、（0.1±0.1）和（0.6±0.4）g，分別是 PFI車輛排放量的0.5、0.3和0.6倍。這是由于PFI發(fā)動(dòng)機(jī)噴射點(diǎn)在進(jìn)氣門的上游，進(jìn)氣口壁和進(jìn)氣門上會(huì)形成液體燃料膜，液膜在壁上的積聚改變空燃比，使PFI發(fā)動(dòng)機(jī)更容易形成富燃區(qū)[11,31]，導(dǎo)致不完全燃燒；GDI發(fā)動(dòng)機(jī)中分層進(jìn)氣實(shí)現(xiàn)的分級(jí)燃燒和燃料汽化的冷卻作用有助于減少NOx的形成[11,32]。

圖3 GDI和PFI車?yán)鋯?dòng)階段CO、NOx和THC排放貢獻(xiàn)Fig.3 Emission contributions of CO, NOx, and THC for GDI and PFI vehicles in cold start phase

2.2 行駛工況和環(huán)境溫度對(duì)油耗的影響

圖4 為GDI和PFI車輛基于瞬態(tài)工況的平均油耗速率。從圖4可以看出，在3個(gè)速度區(qū)間內(nèi)，平均油耗速率都隨VSP-v的增加而增加。GDI車輛在低速區(qū)（Bin0～Bin18）的平均油耗從 Bin0的 0.3 mL/s增加到 Bin18的 1.9 mL/s，中速區(qū)（Bin21～Bin2Y）的平均油耗增加了4.5倍。PFI車輛平均油耗在中速和高速區(qū)分別增加了2.9和1.0倍。此外，在中高速區(qū)內(nèi)，GDI車輛平均油耗速率隨VSP-v增加的幅度要高于PFI車，表明GDI車輛在高加速狀態(tài)下的燃油經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)低于預(yù)想結(jié)果（GDI車油耗比PFI車低 13%～15%）[26,33]。

圖4 GDI和PFI車輛在微觀運(yùn)行模態(tài)下的平均油耗速率Fig.4 Average fuel consumption rates in micro-operating modes for GDI and PFI vehicles

以中國(guó)輕型汽車測(cè)試循環(huán)（China light-duty vehicle test cycle，CLTC）作為測(cè)試車輛的基準(zhǔn)工況，分析該基準(zhǔn)工況下的相對(duì)油耗。以短工況（本研究為300 s）內(nèi)的平均速度作為自變量，該工況對(duì)應(yīng)的相對(duì)油耗因子為因變量作測(cè)試車輛油耗散點(diǎn)圖并進(jìn)行擬合，得到相對(duì)油耗因子的速度修正曲線，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，短工況下相對(duì)油耗因子和平均車速存在強(qiáng)相關(guān)性（R2=0.853）。在交通堵塞區(qū)間內(nèi)車輛的相對(duì)油耗因子隨速度減小而顯著增加，尤其是在車速小于15 km/h時(shí)，這通常發(fā)生在大城市的早晚高峰時(shí)期；車速在40 km/h以上時(shí)車輛油耗受車速變化影響并不顯著。這與Zheng等[34]研究得到的出租車CO2排放趨勢(shì)相似。而輕型乘用車行駛速度多以怠速為主，加減速比例較高[35]。因此，緩解交通擁堵狀況對(duì)于降低機(jī)動(dòng)車油耗非常重要。短工況下GDI和PFI車輛的相對(duì)油耗因子僅相差0.4%，GDI車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性在實(shí)際駕駛條件下優(yōu)勢(shì)并不明顯。Saliba等[26,33]基于臺(tái)架測(cè)試的研究結(jié)果表明，GDI車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性比PFI車輛高出13%～15%；另有研究[36]表明，GDI車輛的油耗僅減少1.5%；Confer等[37]研究發(fā)現(xiàn)，GDI車輛油耗優(yōu)勢(shì)為2%～4%。這可能是由于汽車生產(chǎn)商會(huì)針對(duì)特定工況進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)致GDI車輛的油耗測(cè)試結(jié)果理想化。此外行駛工況[15]、整車質(zhì)量[38]和車輛排量[39]也可能會(huì)造成結(jié)果的差異。

圖5 車輛平均速度和相對(duì)油耗因子的相關(guān)性Fig.5 Correlations between averaged vehicle speeds and relative fuel consumption

如圖6所示，整體而言，環(huán)境溫度為1 ℃時(shí)車輛的平均油耗速率均高于環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)。這可能是由于在低溫條件下，曲軸箱機(jī)油黏度高，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)機(jī)械摩擦大，需消耗更多燃料以克服其工作時(shí)的摩擦；此外，可能還由于低溫時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率低，需消耗更多燃料以避免熄火[33]，同樣導(dǎo)致油耗增加。未來需要針對(duì)排放因子的不同影響因素開展進(jìn)一步研究。在不同的速度區(qū)間內(nèi)，環(huán)境溫度從20 ℃降到1 ℃時(shí)，車輛油耗速率隨VSP-v增加的增幅不同。如在低速和中速區(qū)，環(huán)境溫度為1 ℃時(shí)車輛油耗速率分別比20 ℃時(shí)高14.5%±14.0%和19.6%±9.9%；高速區(qū)內(nèi)，1 ℃時(shí)的車輛油耗速率比20 ℃時(shí)高27.1%±24.5%（從Bin35的50.3%到Bin3Y的-3.4%）。顯然，高速區(qū)內(nèi)因環(huán)境溫度降低而導(dǎo)致油耗速率增幅更高。因此，應(yīng)更多地關(guān)注高速區(qū)的油耗特征。

圖6 微觀運(yùn)行模態(tài)下不同環(huán)境溫度的平均油耗速率Fig.6 Average fuel consumption rates in micro-operating modes under different ambient temperatures

3 結(jié)論

（1）微觀運(yùn)行工況下的3個(gè)速度區(qū)間內(nèi)，車輛的CO、NOx和THC排放速率都隨VSP-v增加而增加，且低速區(qū)THC排放速率的增幅更大；20 ℃時(shí)CO、NOx和THC排放速率高于1 ℃時(shí)的排放速率，尤其在高速區(qū)間差異更加顯著。

（2）冷啟動(dòng)階段對(duì)機(jī)動(dòng)車氣態(tài)污染物排放存在顯著影響，GDI車輛冷啟動(dòng)階段只占整個(gè)行駛里程的1.5%±1.1%，然而該階段CO、NOx和THC排放的貢獻(xiàn)分別占總排放的9.3%±8.6%、1.3%±0.7%和48.9%±49.9%；同樣，PFI車輛冷啟動(dòng)階段只占整個(gè)行駛里程的2.0%±3.6%，然而該階段CO、NOx和THC排放的貢獻(xiàn)分別占總排放的12.3%±7.8%、8.9%±6.1%和55.4%±32.2%。

（3）微觀運(yùn)行工況下的3個(gè)速度區(qū)間內(nèi)，車輛平均油耗速率都隨VSP-v增加而增加，且GDI車輛在中高速區(qū)內(nèi)的增幅高于PFI車輛。短工況下車輛的相對(duì)油耗因子和平均車速存在強(qiáng)相關(guān)性（R2=0.853），在平均車速小于15 km/h的擁堵工況下，油耗隨車速降低迅速增加；平均車速大于40 km/h時(shí)，油耗受車速變化影響并不明顯。

（4）環(huán)境溫度為1 ℃時(shí)車輛的平均油耗速率高于20 ℃。高速區(qū)內(nèi)，1 ℃時(shí)的車輛油耗速率比20 ℃時(shí)高27.1%±24.5%，該區(qū)間溫度對(duì)油耗的影響比低中速區(qū)更加顯著。