不同海拔下國(guó)Ⅵ輕型汽油車(chē)實(shí)際道路排放特性分析

潘仲浦 陸雅婷 韓飛 余煒

摘要：為了研究不同海拔國(guó)Ⅵ輕型汽油車(chē)的實(shí)際道路排放特性，分別在開(kāi)遠(yuǎn)和建水開(kāi)發(fā)RDE測(cè)試路線(xiàn)，利用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）在兩個(gè)城市開(kāi)展國(guó)Ⅵ輕型汽油車(chē)實(shí)際道路排放測(cè)試。結(jié)果表明：隨著海拔的升高，CO2、NOX、PN排放呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，建水的CO2綜合排放因子是開(kāi)遠(yuǎn)的116倍，NOX綜合排放因子是開(kāi)遠(yuǎn)的103倍，PN綜合排放因子是開(kāi)遠(yuǎn)的146倍；當(dāng)速度為定值時(shí)，隨著加速度增大，CO2排放速率增大，當(dāng)加速度為定值時(shí)，隨著速度增大，CO2排放速率增大；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、速度、加速度與CO2排放表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：高海拔；國(guó)Ⅵ輕型汽油車(chē)；排放特性

中圖分類(lèi)號(hào)：U4613? 收稿日期：2024-04-08

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405032

1 前言

目前，機(jī)動(dòng)車(chē)排放是空氣污染的主要來(lái)源。汽車(chē)在給人們的生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也造成了環(huán)境污染。汽車(chē)尾氣排放的CO、HC、NOx和顆粒物等有毒物質(zhì)不僅污染環(huán)境，而且危害人體健康[1]。為了平衡汽車(chē)產(chǎn)業(yè)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展，各國(guó)紛紛出臺(tái)更加嚴(yán)格的排放法規(guī)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)政策。據(jù)公安部統(tǒng)計(jì)，2023年全國(guó)機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)435億輛，其中汽車(chē)336億輛。因此，降低機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放對(duì)大氣污染具有重要意義。

與低海拔地區(qū)相比，高海拔地區(qū)的機(jī)動(dòng)車(chē)排放呈現(xiàn)出明顯的特點(diǎn)。高海拔獨(dú)特的環(huán)境條件，空氣壓力和氧氣含量降低，顯著影響發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部負(fù)荷和燃燒狀態(tài)[2]。此外，高海拔路段會(huì)影響駕駛員的駕駛行為，進(jìn)而影響汽車(chē)排放。Huang等[3]研究發(fā)現(xiàn)高海拔對(duì)燃油車(chē)的實(shí)際駕駛排放有著顯著影響；Jiang等[2]發(fā)現(xiàn)隨著海拔升高，燃燒效率下降，駕駛條件對(duì)排放率的整體影響減少，海拔和氣象對(duì)CO2的排放有顯著影響；Wang等[4]研究發(fā)現(xiàn)，CO排放量隨著海拔的升高而增加，PN和NOX排放也隨之海拔增加而增加，但是在海拔2 990 m處，NOX排放呈下降趨勢(shì)；Serrano等[5]研究發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境濕度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)外NOx排放有了持續(xù)和顯著的降低；王欣等[6]發(fā)現(xiàn)在所有海拔高度，隨著車(chē)速的增加，CO和HC排放量下降。在海拔高度的影響方面，CO、HC和PM隨海拔高度的升高而增加。氮氧化物的排放表現(xiàn)不同，氮氧化物的排放量隨著海拔變化呈現(xiàn)先增加再減小的趨勢(shì)。

本文對(duì)國(guó)Ⅵ輕型汽油車(chē)實(shí)際道路污染物排放進(jìn)行了測(cè)試，分析不同海拔下污染物排放特性，對(duì)比不同海拔下污染物排放因子，分析污染物排放的影響因素。

2 試驗(yàn)方案

21 試驗(yàn)車(chē)輛

本研究選取國(guó)Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)下的一款輕型汽油車(chē)作為測(cè)試車(chē)輛，研究不同海拔下對(duì)實(shí)際道路排放的影響。試驗(yàn)車(chē)輛的具體信息如表1所示。此外，本研究所有測(cè)試數(shù)據(jù)均由同一臺(tái)PEMS測(cè)試。

22 試驗(yàn)路線(xiàn)

為分析海拔高度對(duì)國(guó)Ⅵ輕型汽油車(chē)的實(shí)際行駛過(guò)程中污染物排放的影響，分別在開(kāi)遠(yuǎn)和建水開(kāi)發(fā)RDE測(cè)試路線(xiàn)。考慮市區(qū)、市郊、高速的行車(chē)比例和測(cè)試總時(shí)長(zhǎng)以及海拔增量等，確保兩條試驗(yàn)路線(xiàn)均能通過(guò)RDE法規(guī)要求。測(cè)試路線(xiàn)具體信息如圖1、圖2所示。

23 試驗(yàn)設(shè)備

測(cè)試設(shè)備采用PEMS設(shè)備（AVL MOVE GAS PEMS 493），用于測(cè)量柴油、汽油車(chē)輛和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的THC、NO/NO2、CO/CO2和O2濃度。PEMS設(shè)備使用加熱式FID分析儀測(cè)量THC的濃度，除燃燒器氣體（He/H2混合氣）外，無(wú)需攜帶其他工作氣體。NO/NO2測(cè)量由紫外分析儀進(jìn)行，該儀器可以同時(shí)直接測(cè)量NO和NO2，可使用內(nèi)部校準(zhǔn)比色皿進(jìn)行校準(zhǔn)。CO/CO2的測(cè)量，使用的是NDIR分析儀，該分析儀經(jīng)過(guò)特別優(yōu)化，在測(cè)量范圍低于01vol%時(shí)，CO通道具有高精度和高分辨率。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，每次測(cè)試前對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行了60 min的預(yù)熱。此外，使用高純度的氮?dú)夂透鞣N標(biāo)準(zhǔn)氣體污染物來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。取樣管和稀釋系統(tǒng)經(jīng)過(guò)仔細(xì)的清潔和干燥過(guò)程，沒(méi)有殘留的污染物或水。

24 數(shù)據(jù)處理

下面計(jì)算瞬時(shí)質(zhì)量排放。根據(jù)污染物瞬時(shí)濃度（10-6）、瞬時(shí)排氣質(zhì)量流量（kg/s）（傳遞時(shí)間校正和校準(zhǔn)后）與響應(yīng)污染物的密度，確定瞬時(shí)質(zhì)量排放（g/s）。公示如下：

[mgas，i=ρgas，iρgas，e]×[cgas，i]×[qmew，i]×10-3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[mgas，i]為污染物組分質(zhì)量，g/s；[ρgas，i]為氣體污染物組分密度，kg/m3;[ρgas，e]為排期密度，kg/m3;[cgas，i]為排氣中測(cè)得的氣體污染物組分的濃度，10-6;[qmew，i]為測(cè)得的排氣質(zhì)量流量，kg/s;gas為相應(yīng)污染物的標(biāo)號(hào)；i為測(cè)量值編號(hào)。

計(jì)算加速度：

ai=（vi+1-vi-1）/（2×36），i=1-Nt? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

計(jì)算每個(gè)速度組的相對(duì)正加速度和v·apos-[95]

[j（?t?（v?apos）j，k]，j=1-Mk，i=1-Nk，k=u，r，m

RPAk=[idi，k]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，RPAk為市區(qū)、市郊、高速路段的相對(duì)正加速度，m/s2;[?t]為1 s；Mk為具有相對(duì)正加速度的市區(qū)、市郊、高速路段的樣本數(shù)；Nk為市區(qū)、市郊、高速路段的樣本總數(shù)。

[v?apos=v?apos3.6]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

31 不同道路類(lèi)型下污染物排放因子

比較國(guó)Ⅵ輕型汽油車(chē)在兩個(gè)海拔下市區(qū)、市郊、高速還有總試驗(yàn)的CO2排放因子，如圖3所示。隨著海拔升高，CO2排放因子呈增大的趨勢(shì)。在兩種海拔下，三種道路類(lèi)型的CO2排放因子從高到低依次為市區(qū)＞市郊＞高速。建水的CO2綜合排放因子是開(kāi)遠(yuǎn)的116倍。出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象是由于隨著海拔的升高，氧氣稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率下降，油耗升高，CO2排放增加[7]。

由于NO的生成反應(yīng)比燃料燃燒反應(yīng)慢，所以雖然火焰前鋒的溫度很高，但也只有很小一部分產(chǎn)生于此，大部分是在焰后高溫區(qū)生成[8]。由圖4可以看出，建水的RDE試驗(yàn)NOX排放高于開(kāi)遠(yuǎn)，NOX綜合排放因子是開(kāi)遠(yuǎn)的103倍。這是由于隨著海拔的升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的滯燃期和燃燒后期延長(zhǎng)，缸內(nèi)溫度升高，從而促使了NOX的生成[9]。

圖5顯示了測(cè)試車(chē)輛在不同海拔高度的PN排放因子的變化。試驗(yàn)車(chē)輛的總出行PN排放因子隨海拔高度的增加而增加。這一方面是由于海拔升高引起的缸內(nèi)局部缺氧促進(jìn)了PN排放的產(chǎn)生；另一方面，CH自由基促進(jìn)了PM的產(chǎn)生。由于海拔高度的增加，缸內(nèi)溫度升高，更多的CH自由基被分解，進(jìn)一步促進(jìn)PN排放的產(chǎn)生。因此，車(chē)輛的PN排放隨著海拔的增加而增加[10]。

32 行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)驗(yàn)證

篩選車(chē)速大于3 km/h的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算加速度、apos、RPA值。將速度小于60 km/h的數(shù)據(jù)劃分為市區(qū)組，速度大于60 km/h且小于或等于90 km/h的數(shù)據(jù)劃分為市郊組，速度大于90 km/h的數(shù)據(jù)劃分為高速組。計(jì)算每個(gè)速度組的平均速度[vk]，保證每個(gè)速度組中加速度值ai＞01 m/s2的數(shù)據(jù)集合數(shù)量不小于150個(gè)[11]。分別驗(yàn)證三個(gè)速度組的（v·apos）k? [95]和RPA，驗(yàn)證行程有效性的標(biāo)準(zhǔn)如下：如果vk＞746 km/h，并且（v·apos）k? [95]>（00742vk+18966），行程無(wú)效。對(duì)RPA進(jìn)行驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)為：如果vk≤9405 km/h，并且RPAk<（-00016·vk+01755），行程無(wú)效；如果vk＞9405 km/h，并且RPAk＜0025，行程無(wú)效。通過(guò)計(jì)算，實(shí)際道路能耗試驗(yàn)各路段的v·apos? [95]和RPA驗(yàn)證結(jié)果如表2和表3所示，建水和開(kāi)遠(yuǎn)各路段v·apos? [95]的實(shí)際值均小于括號(hào)內(nèi)的參考值，RPA的實(shí)際值均大于括號(hào)內(nèi)的參考值，兩種海拔下的v·apos? [95]與RPA均通過(guò)驗(yàn)證。

33 速度和加速度對(duì)CO2排放的雙重影響

圖6展示了在不同海拔下，車(chē)輛行駛速度和加速度對(duì)CO2排放速率的耦合影響。結(jié)果表明，在速度不變的情況下，加速度的變化對(duì)CO2排放速率有直接影響，加速度越大，CO2排放速率越大。這是由于在加速過(guò)程中，車(chē)輛需要增加燃料來(lái)產(chǎn)生更強(qiáng)的動(dòng)力去提高速度，從而增大了CO2排放速率。當(dāng)加速度為定值時(shí)，隨著速度的增大，CO2排放速率增大。隨著速度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，使其排放更多的污染物氣體[12]?？傊?，車(chē)輛行駛速度和加速度是影響CO2排放速率的關(guān)鍵因素。

34 相關(guān)性分析

采用Spearman法來(lái)確定所有特征參數(shù)與污染物排放速率之間的相關(guān)性。圖7顯示了相關(guān)性分析的結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、速度、加速度與CO2排放速率有明顯的正相關(guān)，其Spearman系數(shù)均大于或等于05。環(huán)境條件與CO2排放速率相關(guān)性不強(qiáng)。然而環(huán)境條件、發(fā)動(dòng)機(jī)特性、駕駛特性似乎與NOX排放速率和PN排放速率無(wú)明顯相關(guān)性。

4 結(jié)語(yǔ)

a.隨著海拔的增加，國(guó)Ⅵ輕型汽油車(chē)CO2排放增加。

b.車(chē)輛行駛速度和加速度是影響CO2排放速率的關(guān)鍵因素。

c.發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、速度、加速度與CO2排放速率有明顯的正相關(guān)；環(huán)境條件、發(fā)動(dòng)機(jī)特性、駕駛特性與NOX排放速率和PN排放速率無(wú)明顯關(guān)系。

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作者簡(jiǎn)介：

潘仲浦，男，1994年生，助理工程師，研究方向?yàn)檎?chē)測(cè)試技術(shù)。