輕型柴油車道路運行排氣污染物排放評價

孫智成，邵宇，李來寶

（200093 上海市 上海理工大學）

0 引言

內(nèi)燃機汽車是污染物排放總量的主要貢獻者，其排放的CO 和HC 超過80%[1]，NOX和顆粒物超過90%，這些污染物會嚴重危害自然環(huán)境和人類健康。CO 無色無味，是一種降低血液輸氧能力的有毒氣體，高濃度的CO 對人體健康有很大影響，引起頭痛、嘔吐、乏力等癥狀。氮氧化物是NO 及NO2的總稱。NO 有輕度刺激性，高濃度時會造成中樞神經(jīng)的輕度障礙。NO2是一種有強烈刺激性氣味的氣體，降低人體血液輸氧能力，會損害心臟、肝、腎等器官[2]。碳氫化合物中的不飽和烴對人體有很大的危害性。

為了控制機動車污染物排放，各國都制定了嚴格的法規(guī)加強對機動車排放的監(jiān)管和控制。2016年之前，世界各國的排放法規(guī)規(guī)定排放限值試驗都是在試驗室內(nèi)進行的，然而經(jīng)過大量的試驗發(fā)現(xiàn)，試驗室循環(huán)工況不能體現(xiàn)復雜多變的實際道路工況，實際道路排放遠超限值[3-4]。目前，針對傳統(tǒng)試驗法的缺陷，國內(nèi)外大量學者利用便攜式排放測試系統(tǒng)（PEMS）測量車輛的實際行駛排放，總結(jié)出車輛各個排放因子的基本排放規(guī)律。周小燕[5]、RAMOS[6]、RUBINO[7]等人分別對比了室內(nèi)排放試驗與實際道路排放測試2 種評價排放法，得出PEMS是測試車輛在各種工作條件下車輛排放性能的最簡單方法；張會松[8]、彭美春[9]等分別研究了RDE測試下不同路段排放因子的差異；RAI[10]對雙燃料輕型車進行了RDE 試驗。

本文基于GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[11]設計了RDE 試驗方案，選用國Ⅴ柴油車完成試驗，用車載設備記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。用CO2移動平均窗口法進行數(shù)據(jù)處理，對比污染物排放測試結(jié)果與國標限值，分析排放因子在不同路段的差異。繪制車輛速度占比圖與工況占比圖，建立速度、加速度與排放的三維圖，分析加速度與速度對排放因子的影響。

1 試驗方案和數(shù)據(jù)處理

1.1 測試車輛的選擇

本次試驗選用的車輛是上汽大通的一輛柴油車，具體規(guī)格如表1 所示。

表1 試驗車輛車輛的規(guī)格參數(shù)Tab.1 Specification parameters of test vehicle

1.2 測試路線的選擇

根據(jù)國Ⅵ標準中規(guī)定的行駛路線要求，選擇代表性的路線如下：

（1）市區(qū)去程：上海理工大學軍工路校區(qū)北校-軍工路-軍工路輔路-中環(huán)路-金橋路-張楊路-華潤時代廣場；返程：張楊路-世紀大道-楊高中路-羅山路立交橋-張楊路-中環(huán)路-軍工路-上海理工大學軍工路校區(qū)北校。市區(qū)段總長28 km，耗時共63 min，路程占比31.11%。

（2）市郊路段：中芯學校-華夏高架路-迎賓高速入口（西北向），市郊段總長30 km，耗時共35 min，路程占比33.33%。

（3）高速路段：迎賓高速-外環(huán)高速-楊高南路立交橋，高速段總長29 km，耗時24 min，路程占比32.22%。

1.3 試驗步驟

1.3.1 試驗開始

在發(fā)動機起動前開始取樣、測量和記錄。采用一個單獨數(shù)據(jù)記錄裝置記錄參數(shù)，從而方便進行時間校準。

1.3.2 試驗過程

按照選定的試驗道路開始行駛，在行駛過程中連續(xù)取樣、測量和記錄，在滿足標準中的動力學參數(shù)要求下進行RDE 測試試驗，控制每次測試平均速度、最高車速及加減速度值的大小，同時保證測試路線一致。

整個測試為“正常駕駛”測試，在滿足每個工況路段行駛速度范圍要求的同時，保證各路段勻速行駛階段的最高車速分別為50，75，100 km/h，可適當超車急加速、變道或突然減速，全程除十字路口外均沿中間車道行駛。

1.3.3 試驗結(jié)束

完成整個行程后，關(guān)閉發(fā)動機結(jié)束試驗，記錄數(shù)據(jù)到取樣系統(tǒng)的響應時間為止。

1.4 移動平均窗口法

移動平均窗口法用來分析實際行駛污染物排放，它根據(jù)CO2積累量將試驗數(shù)據(jù)分為不同窗口，然后確定有效的RDE 窗口。整個處理過程分為4個步驟：

（1）分割試驗數(shù)據(jù)，去除冷起動排放數(shù)據(jù)：

（2）窗口排放計算和平均值計算：

式中：Mgas，d，j——第j 個窗口單位距離污染物排放，g/km；∑Mgas，j——第j 個窗口污染物的累積量，g；Dj——第j 個窗口覆蓋的距離，km。

（3）窗口評估，詳見文獻[11]。

（4）對正常窗口進行排放計算

市區(qū)、市郊和高速各窗口特性排放的加權(quán)平均值：

式中：k——窗口類型；u——市區(qū)；r——市郊；m ——高速。

總行程的排放計算公式：

式中：Mgas,d,t——總行程排放因子排放量，mg/km；fu=0.34；fr=0.33；fm=0.33。

2 結(jié)果與討論

2.1 完整性與正常性驗證

P1，P2和P3三個點的車速分別是WLTC 循環(huán)低速階段平均速度、WLTC 循環(huán)高速階段平均車速和WLTC 循環(huán)超高速階段平均速度，見表2。

表2 參考點車速Tab.2 Reference point speed

Ⅰ型試驗CO2排放結(jié)果見表3。

表3 Ⅰ型試驗CO2 排放結(jié)果Tab.3 CO2 emission results of Type I test

由表2、表3，可確定CO2排放特性，如圖1所示。

根據(jù)每個窗口的平均車速進行劃分，如表4所示。

表4 窗口占比Tab.4 Windows proportion

由于市區(qū)、市郊和高速窗口占比都大于15%，所以試驗完整。

將窗口平均車速和對應的每公里CO2排放量導入圖1，結(jié)果如圖2 所示。

圖1 CO2 排放特性圖Fig.1 CO2 emission characteristic diagram

圖2 正常性驗證圖Fig.2 Normality verification diagram

市區(qū)、市郊和高速窗口落在圖2 中兩條折線內(nèi)的點有2 764 個，整幅圖一共有5 524 個點。由于2 764/5 524=50.03%＞50%，所以試驗結(jié)果正常。

2.2 加速度和速度對排放影響

2.2.1 加速度與速度對CO 排放的影響

為了綜合分析加速度與速度這2 個因素對CO排放量的影響，把瞬時的速度與加速度作為X 軸和Y 軸，CO 排放量作為Z 軸，得到相應的三維坐標點。把這些點全部導入三維圖，如圖3 所示。

圖3 加速度與速度對CO 影響Fig.3 Effect of acceleration and velocity on CO

由圖3 可以看出，當車速逐漸增加，且加速度維持在-0.5～0.5 m/s2時，CO 排放量逐漸增加；當車速增加到40 km/h 左右時，此時的CO 排放量達到最大值；隨著車速的進一步增加，CO 排放量急劇減小。此外，當加速度絕對值大于0.5 m/s2時，CO 排放量幾乎為零。綜上可得到，在加速度維持較小值時，CO 排放量隨著車速增加到接近中低車速而達到最大值，CO 排放量到達最大值后隨著車速的繼續(xù)增加而基本為0；在加速度較大時，CO排放量基本為0。

2.2.2 加速度與速度對NOX 的影響

由圖4 可見，當車速小于50 km/h 時，無論加速度如何變化，NOX排放量始終維持在較低范圍內(nèi)。當車速大于50 km/h 時，隨著車速的增加，NOX排放量不斷增加。與此同時，當加速度為正且不斷增加時，NOX排放量也不斷增加；當加速度為負時，NOX排放量很小。綜上可得到，當車速在較小值時，NOX排放量始終較小且不隨加速度變化而變化；當車速在較大值時，NOX排放量隨著車速增加而增加，隨著加速度增加而增加，且隨著車速與加速度同時增加而顯著增加。

圖4 加速度與速度對NOX 影響Fig.4 Effect of acceleration and velocity on NOX

2.2.3 加速度與速度對HC 的影響

由圖5 可見，當車速在低速段且小于20 km/h時，無論加速度如何變化，HC 排放量很小。當車速大于20 km/h 時，隨著車速增加，且加速度維持在較低范圍時，HC 排放量逐漸增加；在車速接近中低車速時，HC 排放量達到最大值。當車速在高速段時，無論加速度如何變化，HC 排放量都很小。綜上可得到，在車速非常小和中速及其以上時，HC 排放量很小且不受加速度影響；在車速接近中低車速區(qū)間，且加速度較小時，HC 排放量隨著車速增加而增加，當加速度較大時，HC 排放量很小。

圖5 加速度與速度對HC 影響Fig.5 Effect of acceleration and velocity on HC

2.3 各污染物窗口排放分析

2.3.1 CO 窗口排放分析

根據(jù)排放計算結(jié)果，市區(qū)、市郊和高速窗口的平均CO 排放量如圖6 所示。CO 排放量在市區(qū)最多，高速次之，市郊最小。市區(qū)、市郊和高速路段的CO 排放占比分別為67.5%、15%和17.5%。當燃燒溫度低時，CO 排放量會較高。由于市區(qū)、市郊和高速路段的發(fā)動機燃燒溫度依次升高，所以CO 排放量在市郊和高速路段低于市區(qū)。且該試驗車輛排氣后處理系統(tǒng)采用DOC，DOC 氧化效率與排氣溫度和排氣流速等有關(guān)，所以CO 排放量在市郊路段小于高速路段是由于DOC 在市郊路段的氧化效率大于高速路段。

圖6 各路段平均CO 排放Fig.6 Average CO emission of each road section

2.3.2 NOX 窗口排放分析

市區(qū)、市郊和高速窗口的平均NOX排放量如圖7 所示。NOX排放量在市郊最多，市區(qū)與高速都較低，市郊、市區(qū)和高速路段的NOx排放占比分別為37.4%、31.3%和31.3%。當燃燒溫度高時，NOX生成量會高。由于市區(qū)、市郊和高速路段的發(fā)動機燃燒溫度依次升高，所以NOX排放量在市區(qū)低于市郊。并且，該試驗車輛排氣后處理系統(tǒng)采用EGR，EGR在中低速時為了保證汽車動力性不工作，在高速時工作，所以NOX排放量在高速路段小于市郊路段。

圖7 各路段平均NOX 排放Fig.7 Average NOX emission of each road section

2.3.3 HC 窗口排放分析

由圖8 可以看出，HC 排放量在市區(qū)、市郊與高速路段都很小，其中在市區(qū)路段最多，高速次之，市郊最小。市區(qū)、高速與市郊路段的HC 排放占比分別為79%、17%和4%。

圖8 各路段HC 排放Fig.8 Average HC emission of each road section

當燃燒室壁溫低時，HC 排放量會較高。由于市區(qū)、市郊和高速路段的發(fā)動機燃燒室壁溫依次升高，所以CO 排放量在市郊和高速路段低于市區(qū)。并且，該試驗車輛排氣后處理系統(tǒng)采用DOC，DOC 氧化效率與排氣溫度和排氣流速等有關(guān)，所以CO 排放量在市郊路段小于高速路段是由于DOC在市郊路段的氧化效率大于高速路段。

3 結(jié)論

本文通過對GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中Ⅱ型試驗的學習，設計RDE 試驗方案。按照要求完成RDE 測試，用SEMTECH-DS 和PN 分析儀進行試驗數(shù)據(jù)的測量。在得到試驗數(shù)據(jù)后，用CO2移動平均窗口法處理數(shù)據(jù)，對正常性窗口進行排放計算，比較了排放因子實際結(jié)果與標準限值，分析了加速度與速度對排放因子的影響和各污染物窗口排放。研究結(jié)論總結(jié)如下：

（1）當加速度較小時，CO 排放量在低速段隨車速增加而增加，在高速段排放量基本為零；當加速度較大時，CO 排放量基本為零；

（2）當車速較小時，無論加速度如何變化，NOX排放量始終較小；當車速較大時，NOX排放量隨著車速增加而增大，隨著加速度增加而增大，若車速與加速度同時增加，NOX排放量會顯著上升；

（3）HC 排放量一直控制在較低水平，只有當車速接近中低車速且加速度較小時，HC 排放量才會隨著車速增加而增加；

（4）市區(qū)路段時影響CO 排放的主要路段，市區(qū)、市郊和高速路段的NOX排放量都很高，HC排放量在不同路段都很小。