輕型車實際行駛污染物排放特性試驗研究

李軍偉　劉偉文　程東

摘 要：本研究采用可攜帶式汽車尾氣檢測裝置（PEMS）并以我國輕型車為研究對象，對其在不同工況下的真實尾氣進行檢測。研究發(fā)現(xiàn)，在以行駛動力為指標的平緩行車條件下，4臺輕型車的 RDE排放遵從系數(shù)均達到了規(guī)定的標準。在適當?shù)男旭偔h(huán)境中，汽油車輛冷氣起動氣體污染約為柴油車輛的15-25%，而在柴油車輛中，其冷氣起動氣體污染所占的比重低于汽油車輛。結果表明：輕質(zhì)燃油汽車的 CO、 PN濃度均隨著加速而升高，且在高轉速時表現(xiàn)出較高的相關性；輕柴油汽車尾氣NOx排放量隨著加速而上升。

關鍵詞：輕型車 實際行駛 溫和駕駛 排放特性冷啟動

Experimental Study on the Emission Characteristics of Pollutants in Light Vehicle Actual Driving

Li Junwei，Liu Weiwen，Cheng Dong

Abstract：In this study， a portable automobile exhaust gas detection device （PEMS） was used to detect the real exhaust gas under different working conditions by taking light vehicles in China as the research object. It is found that under the gentle driving conditions of driving power， the RDE emission compliance coefficients of the four light vehicles all meet the specified standards. In the appropriate driving environment， the air-conditioning starting gas pollution of gasoline vehicles is about 15-25% of that of diesel vehicles， while in diesel vehicles， the proportion of air-conditioning starting gas pollution is lower than that of gasoline vehicles. The results showed that the CO and PN concentrations of light fuel vehicles increased with acceleration， and showed high correlation at high speeds. NOx emissions from light diesel vehicles rise with acceleration.

Key words：light vehicle， actual driving， gentle driving， emission characteristics cold start

1 引言

中國在2016年度實現(xiàn)了兩汽車銷量突破2800萬臺的目標，并在過去的8年里穩(wěn)居世界首位。在車輛數(shù)量快速增長的同時，其所造成的污染也越來越嚴重。目前，國家對汽車尾氣進行了較為嚴厲的管理，但是管理部門對汽車尾氣進行檢驗的手段均以室內(nèi)試驗為基礎。有很多的調(diào)查結果顯示，當前所使用的實驗室測試循環(huán)不能涵蓋實際行駛情況下的運行工況，并且一些汽車廠家會利用軟件來識別實驗室測試循環(huán)，然后自動切換 ECU標定，以實現(xiàn)通過實驗室測試循環(huán)排放的目的。因而，汽車尾氣試驗與真實尾氣情況有很大差別。為更好地控制汽車尾氣的污染，中國于2016年底頒布了《輕型汽車國家 VI》（GB15352.6-2016）。與國V汽車尾氣排放測試相比，其最大的區(qū)別就是將汽車尾氣真實排放測試定義為Ⅰ類測試。但是，對于輕型汽車的 RDE排放，我國相關的科研單位幾乎沒有進行過深入的研究。以此為基礎，本文選擇了4輛在用的輕型車，其中包含3輛燃油車和1輛柴油車，利用便攜式車載排放測量系統(tǒng)（PEMs），按照國 VI標準要求的 RDE測試循環(huán)，對其進行了實際行駛排放測試，以此來探索該車輛在真實行駛條件下的污染物排放特征。

2 測試原理與方法

采用便攜式排放分析儀（PEMS），測試車輛為4種不同類型的輕型車，分別是汽油車、柴油車、重型車和輕型商用車（輕卡）。尾氣分析采用三元催化轉化器（三元催化器）凈化后的氣體進行測試，采用示功儀測試排氣背壓[1]。

2.1 尾氣分析流程

試驗時，車輛按照試驗工況行駛，其中汽油車和柴油車的試驗工況與實際行駛時一致。重型貨車和輕型商用車的試驗工況與實際行駛時一致，輕卡測試時的實際行駛工況與實際行駛時不一致。

2.2 測試環(huán)境

采用便攜式排放分析儀，在實驗室內(nèi)進行測試。機動車尾氣污染通常分為兩種：一種是在怠速工況下檢測出的顆粒物（PM），另一種是在穩(wěn)定工況下檢測出的CO、HC和NOx。由于測試條件不可能完全一致，因此為了能盡可能全面地反映車輛排放特征，研究人員通常將怠速工況下和穩(wěn)定運行工況下的測試結果進行比較分析。

2.3 排放分析方法

由于實際行駛工況下車輛發(fā)動機運行不穩(wěn)定，導致試驗數(shù)據(jù)有較大偏差。為了解決該問題，采用模擬實際駕駛工況的方法進行試驗。模擬駕駛工況分為3種：（1）勻速行駛，即車輛以勻速狀態(tài)在城市道路上行駛；（2）加減速過程，即車輛在城市道路上加減速；（3）急加速和急減速過程，即車輛在高速公路上以一定速度勻速行駛。汽車實際行駛時的燃油消耗量為3L/100 km。根據(jù)發(fā)動機工作特性、道路條件及測試車輛性能等因素的影響，分別選取以下4個典型的運行工況進行實際行駛污染物排放分析：（1）勻速行駛（I）；（2）加減速過程（II）；（3）急加速過程（III）；（4）急減速過程（IV）。（4）試驗儀器 為了獲得準確的試驗結果，需要精確地測量汽車尾氣中各種成分的質(zhì)量濃度。根據(jù) JB/T10815-2007 《便攜式氣體分析儀》，本試驗采用質(zhì)量流量計測量尾氣中CO、HC、NOx和PM含量。為了便于比較分析不同類型車輛排放特性的差異，試驗選取了4種典型車型進行了對比分析。通過計算得到汽車尾氣中CO、HC、NOx和PM含量如表1所示。

3 試驗設備和方法

3.1 測試車輛和測試設備

所測試汽車的技術指標見下表1。4臺車輛其中3臺是直接噴射的汽油車，1臺是直接噴射的柴油車。就汽油汽車而言，所有的后續(xù)處理機都是三效觸媒轉換器（tripwater-water converter， TWC）。在柴油車上，主要采用柴油粒子氧化催化劑（DOC）與柴油粒子捕獲裝置（DPD）兩種方式。所使用的燃料均為商用汽油，符合國家排放標準[2]。

為了解被測汽車的尾氣情況，4臺汽車都在輕型汽車轉向架上做了相應的 NEDC試驗，試驗結果如表2所示。因為在國 V之前的排放規(guī)范中，并沒有對粒子數(shù)量（PN）的限值進行限定，所以我們可以將這3種污染物排放都設定為符合當時的排放標準，這說明其整車和后處理系統(tǒng)都是在正常工作。

實驗使用了由奧地利 AVL公司制造的可攜帶式汽車排氣裝置（PEMS）。其中包含了尾氣氣體成分分析系統(tǒng)（GASPEMS）、尾氣顆粒物含量分析系統(tǒng)（PNPEMS）、尾氣流量計（EFM）、GPS、溫度和濕度計（OBD）等。其中，GAS PEMs使用不能分離的紅外分析儀（NDIR）對廢氣中的CO和CO2進行了測定，使用紫外分析儀（NDUV）對廢氣中的NO和NO2進行了測定。而PNPEM采用的是法拉第籠電勢儀，采用了擴散式電荷（DC）技術，實現(xiàn)了對汽車排氣中微粒含量的檢測。因受實驗條件的影響，僅在B型轎車上做了微粒含量的測定，其他三種轎車都沒有做。

3.2 號試驗線

根據(jù)國VI的規(guī)定，實驗路線需要覆蓋市區(qū)、市郊和高速三種不同的道路，每段車速范圍內(nèi)的路程比例要求是：市區(qū)（29%～44%），市郊（23%～43%），高速（23%～43%）。此外，還對城市中的車輛行駛速度和停留時間提出了相關的要求。最后選擇的道路可以達到國家 V的 RDE試驗要求，并且在市郊條件下，以60公里/h至90公里/h的速度在高速公路上運行。實驗線路按市區(qū)、郊區(qū)、高速公路順序依次進行。

另外，在國V的規(guī)定中，RDE試驗的擴展環(huán)境狀況已被確定。表3是與 RDE試驗相適應的環(huán)境狀況，B型汽車的平均溫度是32.13℃，在運行過程中有92%的車輛的環(huán)境氣溫符合延長的氣溫狀況（30-35℃），相應的廢氣會被除以1.6，其他三型汽車的溫度都不符合延長的常規(guī)氣溫狀況。所有的平均高度都是不擴大的共同高度。

4 試驗結果

實驗采用 PEM后處理軟件，對試驗結果進行了分析，在此基礎上，結合我國 VI標準對汽車排氣進行分析，得到其冷啟動時的排放數(shù)值。“冷起動”意味著發(fā)動機第一次啟動后的最初5分鐘。如果能夠確定冷卻劑的溫度，則在不超出引擎首次起動5分鐘的前提下，可以判定冷啟動結束。

4.1 符合性分析

遵從系數(shù)（CE）是指每個污染物的實際駕駛排放結果與對應的排放限制的比率。

（1）

式中：下標j表示污染物的排放量。Ereal指的是RDE的污染排放，Enorm指的是規(guī)定的限度。在這里，規(guī)定的限制使用了原有的汽車設計所達到的排放標準限制（即，若汽車達到了國家V的排放，就使用國家 V的限制）。

在國家VI規(guī)定中，NOx與PN的一致性系數(shù)被限定為2.1，但CO的一致性系數(shù)還沒有被確定。A-D型號車輛的RDE排氣遵從系數(shù)如表2所示。從表中可以看出，這四種類型的汽車，其性能指標均遠低于法律規(guī)定的要求。且柴油車的排放標準達到了1.74，雖略高于標準，但仍處于標準管制范圍內(nèi)。

造成這一現(xiàn)象的原因有：

（1）A-D車型排放的廢氣量本身就很小。對于 NEDC的循環(huán)量，如表2所示，氣體污染物的排放量均遠遠低于指定的排放量。表3所示為基于 NEDC的循環(huán)污染物排放所得出的等效遵從系數(shù)，其系數(shù)同樣遠低于所法律所規(guī)定的標準。

（2）按照我國的 VI標準，在 RDE試驗中，將試驗結果各階段進行對比，從而確定兩個行程動力學參數(shù)，即相對正向加速度 RPA和車速與正向加速度乘積的第95個百分位數(shù)，為了保證駕駛不會過于溫和，在各速度區(qū)間中， RPA必須在某一數(shù)值以上；但同時也必須將改數(shù)值設定在某一特定值之下，以保證駕駛員不會過于激進，否則行程無效。研究表明，駕駛方式對廢氣排放量起著決定性的作用[3]。在4RDE試驗中， RPA數(shù)值僅僅剛超出其極限，并且VAp數(shù)值遠遠小于極限。這說明，盡管4次 RDE測試都滿足了規(guī)范要求，但是其行駛方式偏向于溫和駕駛（ModerateDriv-ing Pattern），而從 NEDC循環(huán)和 RDE實際循環(huán)的負載來看，二者所覆蓋的工況范圍并沒有很大的差異（例如，二者都沒有覆蓋發(fā)動機高轉速的工況），所以，各污染物符合性系數(shù)較低。

（3）為滿足國 VI的相關規(guī)定，在進行尾氣分析時，未將冷啟動污染物排放納入到尾氣的分析中，但是其排放量一般占比偏大。在排除了冷起動的廢氣后，各項污染物的一致性系數(shù)偏低。下一節(jié)將特別地分析冷起動廢氣。

4.2 冷啟動排放

在國VI標準中，沒有對發(fā)動機的冷態(tài)起動進行規(guī)定。然而，最近的歐洲六級排放標準中，卻將汽車的冷態(tài)起動過程作為一個綜合評價指標，并對車輛的冷態(tài)起動過程中的車輛行駛速度進行了嚴格的控制。冬季車輛在行駛過程中所釋放出的污染氣體（CO、 NO）在整個行駛過程中所占據(jù)的比重

就輕質(zhì)汽油汽車A和 C而言，其冷起動氣體污染排放量約為整個排放量的20%-25%。而 B型汽車的冷態(tài)起動所占的比例則稍小一些，大約只有15-20%左右。這主要是因為 B車發(fā)動機的設計（集成的排氣歧管等）可以將冷卻劑的溫度迅速提高到70 C。 （在210 s左右就可以達到70 C。），而其他3輛車都在300 s以上， B車運行時的環(huán)境溫度也更高，因此可以在很短的時間里得到更高的催化效果，而對于輕型柴油車 D來說，冷啟動氣態(tài)排放的比例比較小。這是因為雖然柴油機在冷起動時也會產(chǎn)生更多的噴射，但是其過?？諝庖蜃颖容^高，所以其對氣體排放的影響并不明顯。

4.3 瞬態(tài)排放特性分析

在車輛剛開始行駛，發(fā)動機低溫起步突然提速時，一氧化碳濃度較高。這是由于在冷起動時，采用熱機增富、開環(huán)調(diào)節(jié)等方式，造成CO、PN產(chǎn)生增多，并且三相催化劑因低溫不能進入高效率狀態(tài)，CO轉化率降低，從而造成CO、PN排放超標。而機動車的尾氣則與機動車的加速運動有關。

CO的排放量多集中于高速路段的高加速區(qū)，而PN的排放量多集中于郊區(qū)路段及高速路段的高加速區(qū)。CO、PN的排放量與加速有顯著的正向關系，NOx的排放量與加速沒有顯著的相關性[4]。這是因為在加速過程中，汽油的等效比燃性質(zhì)使其燃料混合物變得更加稠密，因而產(chǎn)生更多的CO和PN。同時三元催化劑的轉換效率也隨之下降，造成CO、PN等污染物的排放量增大。對于NOx來說，濃密空氣造成三效催化劑催化轉化率低下，但濃密空氣又可減少NOx產(chǎn)生，因此，在加速過程中NOx含量并不顯著[5]。

輕型柴油車D的CO和NOx，暫態(tài)排放隨加速度的變化趨勢，具體見圖8。其中，NOx，排放隨著加速度的增加而增加，而co排放隨加速度變化的趨勢不顯著。這是因為在發(fā)動機燃燒過程中中，發(fā)動機處于富氧狀態(tài)，盡管發(fā)動機的噴油速度有所提高，但是發(fā)動機中的整體氧含量仍然比較豐富，所以 CO含量的改變并不明顯。同時，加速時，發(fā)動機的噴油能力也會隨之提高，這對NOx、廢氣的產(chǎn)生是有利的。

5 結語

（1）這4種車輛的原始尾氣都達到了其出廠標準，遠遠小于國家規(guī)定的規(guī)定限度。RDE測試結果顯示，4臺汽車的性能指標均遠遠小于標準規(guī)定的極限值。

（2）在滿足規(guī)范行駛動力需求的條件下，汽車 RDE的尾氣排放量與實驗室中 NEDC尾氣排放量差異不大。

（3）在中速行駛情況下，以汽油直接噴射為動力的輕型汽車為例，其冷態(tài)起動廢氣約為全沖程廢氣總量的15-25%；結果表明，與普通汽油汽車相比，輕質(zhì)柴油汽車在冷起動時的氣體污染所占比例較小。周圍的溫度越高冷卻劑的溫度越高，這樣的設計會減少冷起動時的排放。

（4）輕質(zhì)汽油汽車的起動和急速行駛時 CO的排放有明顯的增加。隨著加速度的增大， CO和 PN排放也隨之增大。而在小型柴油機上，NOx排放則會隨加速而升高。

參考文獻：

[1]朱慶功，楊正軍，溫溢，等.輕型汽車實際道路行駛與實驗室工況污染物排放對比研究[J].汽車工程，2017，39（10）：6.

[2]朱慶功，楊正軍，溫溢，等.輕型汽車實際道路行駛與實驗室工況污染物排放對比研究[C]//第19屆亞太汽車工程年會暨2017中國汽車工程學會年會.

[3]孫文芳，張軍.輕型汽油車實際行駛污染物高原排放特性試驗研究[J].宿州學院學報，2019，34（6）：6.

[4]陳凌建.計及冷起動排放的輕型汽車實際行駛排放試驗的評價方法[D].重慶大學，2021.

[5]楊正軍，付秉正，尹航，等.輕型柴油車實際行駛排放特性的研究[J].2022（5）.