高原環(huán)境下修正的道路阻力對(duì)輕型汽車排放及油耗影響研究

顧王文 王 猛 許卿云 王計(jì)廣

（1-中汽研汽車檢驗(yàn)中心（昆明）有限公司 云南 昆明 651700 2-云南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 3-紅河州質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督綜合檢測(cè)中心）

引言

截止2020 年底，高原省區(qū)民用汽車保有量為3 477.84 萬輛[1]。大量的汽車保有量必然伴隨著大量的機(jī)動(dòng)車排放污染。以往關(guān)于高原機(jī)動(dòng)車整車排放及油耗測(cè)試研究的主要手段有海拔艙環(huán)境模擬、車載排放測(cè)試系統(tǒng)隨車測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架模擬以及純粹的軟件模擬研究[2-3]，其中海拔艙環(huán)境模擬費(fèi)時(shí)費(fèi)力且成本高，車載排放測(cè)試系統(tǒng)隨車測(cè)試受整車排放及油耗測(cè)試的試驗(yàn)條件限制很難驗(yàn)證重復(fù)性。而GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》[4]中明確要求車載RDE（Real Driving Emission）測(cè)試需要擴(kuò)展到海拔2 400 m，因此，對(duì)輕型汽車在高原條件下的排放及油耗研究對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境、逐步完善排放標(biāo)準(zhǔn)有重大意義。本文基于海拔1 900 m 的高原實(shí)際條件下的輕型汽車排放實(shí)驗(yàn)室，利用穩(wěn)定的環(huán)境控制條件（使用高原地區(qū)的環(huán)境艙，在真實(shí)的海拔環(huán)境下，精確控制溫度和濕度），對(duì)輕型汽車高原排放及油耗進(jìn)行研究。

1 研究方法

采用同一輛輕型增壓汽油乘用車，在高海拔實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的相同溫度、濕度條件下，利用平原道路阻力和修正后的高原道路阻力分別在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行WLTC 循環(huán)測(cè)試，然后對(duì)不同阻力下的排放及油耗測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

高原道路阻力修正方法按照GB/T 19233-2020《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》[5]中C.3.2 規(guī)定，參照GB 18352.6-2016 標(biāo)準(zhǔn)中附件CC 確定的0 m 海拔和20 ℃條件下滑行數(shù)據(jù)擬合出的行駛阻力常數(shù)項(xiàng)系數(shù)a0和二次項(xiàng)系數(shù)b0，按照如下公式計(jì)算得到海拔1 900 m 和23 ℃條件下行駛阻力的常數(shù)項(xiàng)系數(shù)a1和二次項(xiàng)系數(shù)b1，作為設(shè)定用替代的道路行駛阻力系數(shù)[5]。

將利用a1和b1計(jì)算得到的道路阻力作為海拔1 900 m 的高原條件下的道路阻力（簡(jiǎn)稱修正后的高原道路阻力），在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行調(diào)整后，進(jìn)行阻力加載，按照輕型汽車常溫冷起動(dòng)的測(cè)試流程進(jìn)行試驗(yàn)。測(cè)試環(huán)境溫度為（23±2）℃，相對(duì)濕度為（45±5）%。得到兩種道路阻力下的排放及油耗測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行結(jié)果對(duì)比分析和瞬態(tài)排放數(shù)據(jù)分析。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)用車

試驗(yàn)用車為一輛輕型多功能汽油乘用車，主要參數(shù)/特性見表1。

表1 試驗(yàn)車輛主要參數(shù)/特性

2.2 試驗(yàn)循環(huán)

修正后的高原道路阻力與平原道路阻力均采用WLTC 循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，循環(huán)分為4 個(gè)階段：低速、中速、高速和超高速階段。WLTC 循環(huán)曲線圖如圖1 所示。

圖1 WLTC 循環(huán)曲線圖

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

測(cè)試用主要設(shè)備有：德國(guó)AIP 公司的底盤測(cè)功機(jī)、德國(guó)WEISS 公司的氣候環(huán)境艙、日本HORIBA公司的MEXA-ONE 分析采樣系統(tǒng)和SPCS-2000 顆粒計(jì)數(shù)系統(tǒng)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 道路阻力修正結(jié)果

在底盤測(cè)功機(jī)上，采用平原道路阻力和修正后的高原道路阻力對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)整，得到兩組不同車速下的底盤測(cè)功機(jī)加載阻力曲線，如圖2 所示。

圖2 不同海拔下的車輛加載阻力曲線

從圖2 可以發(fā)現(xiàn)，隨著車速增加，特別是車速超過70 km/h 后，修正后的高原道路阻力明顯小于平原道路阻力。車速越高，相比于平原道路阻力，修正后的高原道路阻力減小明顯，減小幅度最多達(dá)18.5%。

3.2 排放和油耗測(cè)試結(jié)果

對(duì)同一輛試驗(yàn)車，在相同環(huán)境溫度、濕度下進(jìn)行常溫冷起動(dòng)排放測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試A 代表平原道路阻力，測(cè)試B 代表修正后的高原道路阻力。兩種道路阻力下的排放和油耗測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 兩種道路阻力下的排放和油耗測(cè)試結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

從表2 可知，在修正后的高原道路阻力下，除了NOx排放升高了8.5%以外，其他污染物排放和油耗均呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，特別是CO 和THC 排放下降明顯，分別下降了26.6%和20.1%；而PN 排放下降了14.3%；油耗則下降了10.7%。

1）兩種道路阻力下CO 瞬態(tài)排放情況如圖3所示。

圖3 兩種道路阻力下CO 瞬態(tài)排放情況

從圖3 可以看出，平原道路阻力對(duì)CO 排放的影響主要在中高速及超高速階段。車速超過60 km/h以后，較高的行駛阻力導(dǎo)致每一次加速過程均有CO 排放峰值出現(xiàn)。特別是行駛至1 200 s 左右的高速階段加速過程，較大的平原道路阻力導(dǎo)致CO 排放急劇升高。超高速階段的加速過程也出現(xiàn)類似情況。行駛阻力加大，必然要求發(fā)動(dòng)機(jī)加濃混合氣。提高動(dòng)力的同時(shí)，導(dǎo)致燃燒不充分。急加速工況，短時(shí)間內(nèi)還可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)控制變?yōu)殚_環(huán)控制，CO 排放急劇升高。

2）兩種道路阻力下THC 瞬態(tài)排放情況如圖4所示。

圖4 兩種道路阻力下THC 瞬態(tài)排放情況

從圖4 可以看出，起步階段，兩種道路阻力下，因冷起動(dòng)過程燃燒不充分，均出現(xiàn)TCH 排放峰值。在較大的平原道路阻力下，150 s 左右，車輛低速階段加速過程中，出現(xiàn)第二次THC 排放峰值。主要原因是該階段加速過程有較大的動(dòng)力需求，而發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度不夠高，迫使混合氣加濃，出現(xiàn)THC 氧化不完全，THC 排放出現(xiàn)第二次峰值。高速和超高速階段加速過程中，在較大的行駛阻力下，需加濃混合氣以提高動(dòng)力輸出，導(dǎo)致燃燒不充分，THC 排放升高。由于修正后的高原道路阻力較小，熱車后的THC 排放峰值明顯低于較大平原道路阻力下的THC 排放峰值。

3）兩種道路阻力下NOx瞬態(tài)排放情況如圖5所示。

圖5 兩種道路阻力下NOx 瞬態(tài)排放情況

從圖5 可以看出，兩種道路阻力下，起步冷車階段，三元催化器還處于較涼的狀態(tài)，工作效果不佳，使得NOx排放較高。發(fā)動(dòng)機(jī)和三元催化器熱車以后，兩種道路阻力下，NOx排放趨勢(shì)幾乎保持一致。在較大的平原道路阻力下，THC 和CO 排放升高還有抑制NOx生成、降低NOx排放的功能。

4）兩種道路阻力下顆粒物數(shù)量PN 瞬態(tài)排放情況如圖6 所示。

圖6 兩種道路阻力下PN 瞬態(tài)排放情況

從圖6 可以看出，PN 排放主要集中在起步冷車階段。此時(shí)車速較低，兩種道路阻力對(duì)PN 的排放影響不大。在超高速階段，由于阻力增大，導(dǎo)致混合氣加濃，在平原道路阻力下，伴隨著加速過程出現(xiàn)較高的PN 排放峰值，導(dǎo)致平原道路阻力下的PN排放高于修正后的高原道路阻力下的PN 排放。

5）兩種道路阻力下CO2瞬態(tài)排放情況如圖7所示。

圖7 兩種道路阻力下CO2 瞬態(tài)排放情況

CO2排放直接決定了車輛的油耗水平。從圖7可以看出，由于高速條件下，修正后的高原道路阻力明顯小于平原道路阻力，整個(gè)高速過程，修正后的高原阻力下的CO2排放均比平原道路阻力下的CO2排放低，使得油耗下降10.7%。

5 結(jié)論

采用同一輛試驗(yàn)樣車，在修正后的高原道路阻力和平原道路阻力下，進(jìn)行了GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》中I 型試驗(yàn)。高原條件對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響主要有以下幾點(diǎn)：

1）海拔從0 m 上升到1 900 m，車輛道路阻力隨車速增加呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。車速?gòu)?0 km/h 開始，行駛阻力產(chǎn)生較大的減小幅度，最多減小了18.5%。

2）在海拔1 900 m 的高原條件下，由于車輛行駛阻力減小，使得THC 排放下降了20.1%，CO 排放下降了26.6%，PN 排放下降了14.3%，NOx排放升高了8.5%。

3）在海拔1 900 m 的高原條件下，在WLTC 循環(huán)，車輛行駛阻力的減小使油耗降低了10.7%。

要強(qiáng)化研究型大學(xué)建設(shè)同國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)、戰(zhàn)略任務(wù)的對(duì)接，加強(qiáng)基礎(chǔ)前沿探索和關(guān)鍵技術(shù)突破，努力構(gòu)建中國(guó)特色、中國(guó)風(fēng)格、中國(guó)氣派的學(xué)科體系、學(xué)術(shù)體系、話語體系，為培養(yǎng)更多杰出人才作出貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在中國(guó)科學(xué)院第二十次院士大會(huì)、中國(guó)工程院第十五次院士大會(huì)、中國(guó)科協(xié)第十次全國(guó)代表大會(huì)上的講話