不同海拔下輕型汽油車RDE排放特性研究

摘 要：為探究在不同海拔下輕型車實(shí)際行駛污染物排放的變化規(guī)律，在柳州（100m）、蒙自建水（130m）、昆明（1900m）和西寧（2400m）這四個(gè)不同海拔的城市下，采用輕型車便攜式排放測(cè)試設(shè)備PEMS對(duì)一輛輕型汽油車進(jìn)行了實(shí)際行駛工況的NOx、CO、CO2、PN（顆粒物數(shù)量 Particle Number）排放試驗(yàn)的研究。研究表明，隨著海拔的升高，空氣密度降低，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷減小，CO隨海拔升高是增大的趨勢(shì)；CO2隨海拔整體變化差異不大；NOx隨海拔升高有先降低再升高的趨勢(shì)，2400m時(shí)，排放相比1900m升高5倍；PN隨海拔升高有先降低再升高的趨勢(shì)，1900m時(shí)比100m海拔排放降低至原來的三分之一。

關(guān)鍵詞：輕型車 實(shí)際行駛污染物排放 海拔 排放特性

環(huán)境的問題依然是全球十分密切關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一[1]，汽車尾氣排放對(duì)環(huán)境造成的污染問題確實(shí)是一個(gè)需要重視的問題。中國第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)（China VI）的實(shí)施，引入了實(shí)際行駛排放（Real Driving Emission，RDE）測(cè)試，這是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室排放測(cè)試的重要補(bǔ)充，它能夠更真實(shí)地反映車輛在實(shí)際道路上的排放情況。

RDE測(cè)試考慮了車輛在不同條件下的排放表現(xiàn)，包括：有效載荷：車輛在不同載荷下的排放情況。環(huán)境參數(shù)：如溫度、濕度、氣壓等對(duì)排放的影響。海拔：不同海拔對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響。駕駛模式：車輛在不同駕駛模式下的排放表現(xiàn)。車輛狀態(tài)：車輛的維護(hù)狀態(tài)、使用年限等對(duì)排放的影響。載荷代表性：測(cè)試車輛是否能夠代表同一系族的其他車輛。這些因素對(duì)RDE測(cè)試結(jié)果的影響是多方面的，需要汽車制造商和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)深入研究，以確保車輛在各種條件下都能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。這不僅有助于環(huán)境保護(hù)，也推動(dòng)了汽車技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新[2-5]。

總之，RDE測(cè)試的引入是中國汽車排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)步的重要標(biāo)志，它對(duì)汽車制造商提出了更高的要求，同時(shí)也為環(huán)境保護(hù)和公眾健康帶來了積極的影響。

中國擁有多樣的地形，其中大部分地區(qū)位于較高海拔。具體來說，超過70%的國土海拔超過700米，而海拔超過1300米的地區(qū)則占據(jù)了國土總面積的一半。這表明，中國的地理特征以高原和山地為主，形成了獨(dú)特的自然景觀和生態(tài)環(huán)境[6]。中國地域遼闊，緯度跨度大，因此氣候類型多樣，溫度帶覆蓋廣泛。此外，中國也是一個(gè)高原眾多的國家，許多城市坐落在海拔2000米以上，這些地區(qū)的氣候和生態(tài)環(huán)境與低海拔地區(qū)有顯著差異。目前，針對(duì)高海拔地區(qū)RDE的研究主要集中在駕駛習(xí)慣對(duì)排放的影響，對(duì)高海拔對(duì)機(jī)動(dòng)車影響的研究主要集中在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能和燃料特性方面，很少涉及整車排放和油耗[7]。

本文旨在探究海拔對(duì)輕型汽油車排放特性的影響。為此，研究團(tuán)隊(duì)運(yùn)用便攜式車載排放測(cè)量系統(tǒng)（PEMS），在多個(gè)不同海拔的條件下，對(duì)輕型汽油車進(jìn)行了實(shí)際道路排放測(cè)試。通過這項(xiàng)測(cè)試，研究了NOx、CO、CO2和PN（顆粒物）等污染物的排放，并對(duì)比了不同海拔條件下這些污染物的排放因子。此外，還分析了不同道路類型對(duì)NOx、CO、CO2和PN排放的影響，旨在為高海拔地區(qū)輕型汽油車排放控制提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)資源與試驗(yàn)方案

1.1 測(cè)試車輛

選用一輛滿足國ⅤI排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車，在不同海拔地區(qū)進(jìn)行RDE試驗(yàn)。

1.2 測(cè)試設(shè)備

測(cè)試設(shè)備使用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)PEMS（AVL M.O.V.E is+），如圖1、圖2所示，進(jìn)行車輛排放測(cè)試。PEMS設(shè)備至少應(yīng)包含以下零部件：分析儀：確定排氣中各種污染物的濃度；一個(gè)或多個(gè)儀器或傳感器：確定排氣質(zhì)量流量；北斗衛(wèi)星、全球定位系統(tǒng)（GPS）或其他系統(tǒng)：確定車輛的位置、海拔和行駛速度；車輛本身以外的傳感器和其他設(shè)備：確定環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、大氣壓力和車速等。使用獨(dú)立的電源為PEMS設(shè)備供電。為保障試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，在正式試驗(yàn)前，對(duì)PEMS設(shè)備進(jìn)行泄漏檢查和標(biāo)零及標(biāo)定，試驗(yàn)后進(jìn)行漂移檢查。

本文在車輛排放測(cè)試中，應(yīng)用了一套名為AVL M.O.V.E is+的便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)（PEMS），如圖1、圖2所示。其組成和操作流程如下：

核心組件：系統(tǒng)包含用于檢測(cè)排氣污染物濃度的分析儀，以及測(cè)量排氣流量的傳感器設(shè)備。定位技術(shù)：集成了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或GPS，以實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的定位、高度和速度。環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)：系統(tǒng)還配備了監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、濕度、氣壓和車速的傳感器。電源供應(yīng)：PEMS設(shè)備通過獨(dú)立電源進(jìn)行供電。測(cè)試前準(zhǔn)備：為確保數(shù)據(jù)的精確度，測(cè)試前對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行了細(xì)致的泄漏檢查，并進(jìn)行了零點(diǎn)和量程的校準(zhǔn)。測(cè)試后驗(yàn)證：測(cè)試結(jié)束后，進(jìn)行漂移測(cè)試，以驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的連續(xù)性和可靠性。通過這些嚴(yán)格的測(cè)試流程，確保了PEMS系統(tǒng)在車輛排放測(cè)試中的高效和準(zhǔn)確性。

1.3 試驗(yàn)路線及測(cè)試工況

在柳州（100m）、蒙自建水（130m）、昆明（1900m）和西寧（2400m）這4個(gè)海拔不相同的城市來進(jìn)行輕型汽油車RDE測(cè)試，測(cè)試路線如圖3-6所示。

根據(jù)國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，輕型車排放測(cè)試的路線設(shè)計(jì)需滿足以下要點(diǎn)：行駛環(huán)境：路線應(yīng)包括城市、郊區(qū)和高速公路三種路況。環(huán)境條件：測(cè)試應(yīng)在溫度-7℃至35℃之間，海拔從0米至2400米，不同條件對(duì)應(yīng)不同的測(cè)試要求。車速分布：路線分為三個(gè)主要部分，城市路段車速低于60km/h，郊區(qū)路段車速在60至90km/h之間，高速路段車速超過90km/h。行駛距離：每段路線至少16公里，總長度大約均分為三等分，允許有±10%的誤差，城市路段至少占總行程的29%。海拔變化：起點(diǎn)和終點(diǎn)海拔差不超過100米，每100公里正海拔增加不超過1200米。行駛時(shí)間：總行駛時(shí)間介于90至120分鐘，車速超過100km/h的持續(xù)時(shí)間至少5分鐘。最高車速：常規(guī)情況下車速不超過120km/h，高速路段行駛時(shí)間的3%內(nèi)可將車速提高最多15km/h。城市路段車速：平均車速在15至40km/h之間。停車時(shí)間：城市路段停車時(shí)間（車速低于1km/h）占總行駛時(shí)間的6%至30%，允許包含10秒以上的停車，但超過180秒的停車需在數(shù)據(jù)處理時(shí)排除，否則測(cè)試無效。這些要求確保了測(cè)試結(jié)果能夠全面反映車輛在不同路況和環(huán)境條件下的排放性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文通過上述4個(gè)不同海拔的地區(qū)進(jìn)行了實(shí)際行駛排放測(cè)試，并且對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了研究以及分析。

2.1 不同海拔下的NOx排放特性

汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排放的氮氧化物主要包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）和一氧化二氮（N2O）。這些氮氧化物的形成主要依賴于高溫環(huán)境、高溫持續(xù)的時(shí)間以及氧氣的充足供應(yīng)。在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于由燃料直接產(chǎn)生的氮氧化物（即燃料型NO）和由空氣中氮?dú)饧ぐl(fā)產(chǎn)生的氮氧化物（即激發(fā)型NO）的量相對(duì)較少，因此可以忽略，主要的氮氧化物排放來源于高溫條件下的化學(xué)反應(yīng)。

圖7為不同海拔下MAW法計(jì)算NOx排放及符合因子圖，從圖中我們可以看到：NOx排放在各海拔下市區(qū)相比總行程都要偏高，符合性因子均要大2倍左右，因?yàn)镹Ox是在高溫富氧下生成，中高速負(fù)荷下都進(jìn)行噴油加濃，不易形成NOx，市區(qū)中低負(fù)荷下增多；而且當(dāng)隨著海拔的不斷升高，NOx的排放呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)，但總體上經(jīng)擴(kuò)展系數(shù)校正后高原NOx排放結(jié)果要優(yōu)于平原；相比較來看：昆明1900m海拔測(cè)得的NOx較其他海拔都有優(yōu)勢(shì)。

2.2 不同海拔下的CO排放特性

CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物。RDE試驗(yàn)中，CO排放主要產(chǎn)生在高速工況。圖8為不同海拔下MAW法計(jì)算CO排放及符合因子圖，從圖中我們可以看到：昆明試驗(yàn)工況和西寧市CO市區(qū)排放隨海拔升高呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，符合性因子從0.01增大到0.2，與低海拔地區(qū)相比，高海拔地區(qū)的空氣氧含量較低，這會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率，尤其在城市行駛中的低負(fù)荷工況下，這種影響尤為顯著。CO全行程排放也是隨海拔升高呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但倍數(shù)關(guān)系不明顯，蒙自建水1300m海拔的CO比其他各海拔高是由于在市郊和高速工況下V.A明顯高于其他，激烈程度高也會(huì)導(dǎo)致CO排放劇烈惡化。

2.3 不同海拔下的PN排放特性

顆粒物的形成通常發(fā)生在高溫和缺氧的環(huán)境中。在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，PN的排放量會(huì)增加，這是因?yàn)楦咚龠\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)排氣溫度和氣缸內(nèi)溫度都達(dá)到峰值，這些高溫條件促進(jìn)了顆粒物的生成。圖9為不同海拔下MAW法計(jì)算PN排放及符合因子圖，從圖中我們可以看到：PN排放隨著海拔升高先降低后升高，1900mPN排放最低，與100m相比降低至十分之一左右；在市區(qū)和全行程中PN排放比較接近，100m市區(qū)略高于全行程。

圖10為4個(gè)不同海拔的全行程比排放測(cè)試結(jié)果圖，從圖中可以看到：CO隨海拔升高而增高、CO2隨海拔整體無明顯變化差異、NOx隨海拔升高先降低再升高、PN隨海拔升高先降低再升高。

3 結(jié)論

本文在不同海拔對(duì)輕型汽油車進(jìn)行了實(shí)際道路排放測(cè)試，并得出了以下結(jié)論。

（1）NOx隨海拔升高有先降低再升高的趨勢(shì)，2400m時(shí)，排放相比1900m升高5倍；

（2）CO隨海拔升高是增大的趨勢(shì)，實(shí)際的變化規(guī)律并不明顯，與路況累計(jì)海拔增加量、坡度和駕駛行為相關(guān)性強(qiáng)；

（3）CO2隨海拔整體變化差異不大，略有增加（7%以內(nèi)）。相對(duì)平原地區(qū)，高海拔地區(qū)累計(jì)正海拔增加量大，溫度比平原低，會(huì)導(dǎo)致油耗增加；

（4）PN隨海拔升高有先降低再升高的趨勢(shì)，1900m時(shí)比100m海拔排放降低至原來的三分之一。

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