柴油乘用车上海市典型道路行驶特征及气态污染物排放特性＊

胡志远 程 鹏 谭丕强 楼狄明

（同济大学）

1 前言

我国采用等同欧盟法规的测试循环对轻型柴油车进行型式认证和生产一致性检查。但是，我国城市机动车行驶的实际工况与欧洲存在差异，采用现行工况测试机动车尾气污染物排放无法得到准确结论，将对排放控制策略的制定产生不利影响。车载排放测试可准确反映机动车的实际道路排放特征，已成为国内外进行机动车排放研究的主要测试手段[1，2]。国外学者利用便携式排放测试设备对汽油乘用车、柴油乘用车的实际道路排放进行了研究[3，4]。我国学者对国IV汽油出租车冷、热起动的排放特性、北京市出租车实际道路行驶特征、轻型汽油车实际道路比功率对CO2排放的影响、轻型车实际道路瞬态排放等进行了研究[5～9]，但对柴油乘用车实际道路排放特性的研究较少。

本文结合上海市道路状况，选择上海市典型路段组成试验路线，对柴油乘用车典型道路的行驶特征和 HC、CO、NOx、CO2排放特性进行试验研究。

2 试验方案

2.1 试验路线

车辆的实际道路行驶状况主要受道路等级、交通强度、交叉口密度及行驶时间等因素的影响。柴油乘用车典型道路车载试验路线覆盖上海市区和郊区的主干道、市区和郊区的次干道、市区快速路、连接市区和郊区的城郊高速公路等典型道路，车辆在各典型道路的行驶时间均超过15 min，以保证每种道路的行驶工况数据有较好的代表性。同时，路线的选择充分考虑了各区道路的行驶特征，如:高架路试验路线包含内环高架路、南北高架路和延安高架路，市区主干道和次干道包括浦西和浦东2个区域。选择的试验路线如图1所示。

试验路线总长84.1km，其中，市区快速路、市区主干道、市区次干道、城郊高速公路、郊区主干道、郊区次干道等道路长度分别为17.5 km、18.4 km、4.9 km、21.8 km、17.2 km和4.3 km。试验时，选择了1名具有多年驾驶经验的驾驶员，要求被测试车辆在各道路上的行驶速度不超出限速规定，尽可能反映车辆在被测道路上的实际行驶状况，消除人为因素对试验结果的影响。

2.2 试验样车及设备

试验样车为某公司生产的装备有TDI 1.9L直列四缸电控泵喷嘴高压直喷涡轮增压柴油机的柴油乘用车，其整车主要技术参数如表1所列。

表1 试验样车主要参数

试验设备为日本Horiba公司生产的OBS-2200车载排放测试系统。该系统由气体分析仪单元、计算机、附属传感器和皮托管流量计组成。采用FID分析仪测量THC浓度，由HNDIR分析仪测量CO、CO2浓度，由CLD分析仪测量NOx浓度。同时，运用GPS测量车辆运行中的行驶速度及经纬度，绝对位置误差小于5 m，利用DGPS技术矫正的速度精度达 0.1 m/s，时间分辨率为 1 μs。

2.3 试验方案

根据选择的试验路线，对柴油乘用车进行道路工况采集试验。试验共持续30天，包含工作日和休息日，每天进行 2 次试验，试验时间为上午8:00～11:30和下午13:00～16:30。 经对车辆30天的行驶数据进行分析，得到上海市典型道路的行驶工况特性，在此基础上进行柴油乘用车典型道路排放特性试验，分析柴油乘用车在典型道路上的HC、CO、NOx和CO2排放特性。

3 试验结果与分析

3.1 柴油乘用车上海市典型道路行驶特征

对获得的车辆行驶工况数据进行统计，得到该柴油乘用车在上海市典型道路上行驶的平均车速、最高车速、平均加速度等行驶特征参数，如表2所列。

由表2可知，试验车辆在试验路线上的平均车速为32.8 km/h，最高车速为120.3 km/h，平均加速度为0.53 m/s2，平均减速度为-0.58 m/s2，怠速比例为18.58%，与相关文献中上海行驶循环平均车速较低等特点相一致[10]。

3.2 车速对尾气排放的影响

为分析车辆行驶速度对尾气排放的影响，将车辆行驶中的（0，10）， （10，20）， （20，30），… ，（110，120）共12个速度区间匀速状态下的排放率进行平均处理，得到 THC、CO、NOx、CO2的单位时间排放率与车速的关系曲线，如图2所示。为对比方便，图2中将THC排放值放大了10倍。

表2 柴油乘用车上海市典型道路行驶特征

由图2可看出，测试车辆的气态排放物THC、CO、NOx、CO2的单位时间排放率随车速的增加而增加，当车速超过90 km/h后，车辆的NOx和CO2的单位时间排放率急剧增加。这是因为，当车速超过90 km/h时，发动机转速和负荷增加，超出了发动机较佳工作区域，燃油消耗增加，导致其CO2排放增加；同时，此时发动机缸内温度较高，导致其NOx排放增加。

3.3 加速度对尾气排放的影响

为分析车辆加速度对尾气排放的影响，选取0～20 km/h、20～50 km/h、50～80 km/h 和 80 km/h 以上等4个速度区间，分别代表柴油乘用车行驶过程中的低速、中低速、中高速和高速行驶状态；将加速度分成 （-∞，-1）、（-1，-0.6）、（-0.6，-0.3）、（-0.3，-0.1）、（-0.1，0.1）、 （0.1，0.3）、 （0.3，0.6）、 （0.6，0.9）、（0.9，1.3）、（1.3，2）、（2，∞） 共 11 个加速度区间，分别计算各区间内的排放率。图3为柴油乘用车THC、CO、NOx、CO2的单位时间排放率与加速度的关系曲线。

由图3可看出，不同污染物的单位时间排放率在不同速度段内的大小不同，随加速度增大而增加的程度也不尽相同，但升高的趋势一致。这是因为，随车辆加速度的增加，发动机的负荷增大，一方面，喷油量增加导致CO2排放增加；另一方面，喷油量增加导致缸内混合气产生过浓区的可能性增大，同时燃烧时间相对变短，THC、CO排放增加；另外，由于车辆加速时发动机的负荷增大，热负荷增加，则NOx排放增加。当车辆减速行驶时，在急减速工况，发动机负荷突然减小，转速下降导致混合气过浓，HC排放增加。

3.4 行驶模式对排放物的影响

图4为柴油乘用车在怠速（v=0）、加速（v≠0且a＞0.1 m/s2）、减速（v≠0 且 a＜-0.1 m/s2）和匀速（v≠0且-0.1 m/s2≤a≤0.1 m/s2） 等行驶模式下的 THC、CO、NOx、CO2排放率。

由图4可看出，柴油乘用车实际道路的THC、CO、NOx、CO2污染物瞬时排放率在加速时最高，匀速次之，怠速最低。加速模式时，THC的平均排放率分别是匀速和减速模式时的1.09倍和1.92倍；CO的平均排放率分别是匀速和减速模式时的1.0倍和4.06倍；NOx的平均排放率分别是匀速和减速模式时的1.11倍和2.01倍；CO2的平均排放率分别是匀速和减速模式时的1.12和2.11倍。导致上述现象的主要原因是，车辆加速时需要通过增加燃油供应以提供足够的能量完成加速过程，发动机通常处于富燃、大负荷状态，排放物的排放率 （特别是CO等不完全燃烧产物）增加；减速和怠速时供油较少，排放率较低。

4 结束语

针对某柴油乘用车进行了上海市典型道路的车载排放测试，分析了该车在典型道路上的行驶特征及车辆的实际道路 THC、CO、NOx、CO2排放特性。 试验用柴油乘用车实际道路行驶工况具有平均车速较低等特点，行驶时主要为加速、减速的行驶模式，其行驶时间和行驶里程分别占整个行驶时间的63.6%和行驶里程的83.2%。被测试车辆实际道路行驶工况的 THC、CO、NOx、CO2污染物排放率随车辆的行驶速度、加速度的增加而增大，当车速超过90 km/h后，其NOx和CO2的单位时间排放率急剧增加。

1 Wang Q，Huo H，He K，et al.Characterization of Vehicle Driving Patterns and Development of Driving Cycles in Chinese Cities.Transportation Research Part D:Transport and Environment，2008，13(5） :289～297.

2 张春化，王奉双，马志义，等.在用汽车不同测试方法的排放特性.长安大学学报(自然科学版），2009，29（2） :88～93.

3 Fruin S， Westerdahl D， Sax T， et al.Measurements and predictors of on-road ultrafine particle concentrations and associated pollutants in Los Angeles.Atmospheric Environment， 2008， 42（2）:207～219.

4 Wehner B， Uhrner U， Von Löwis S， et al.Aerosol number size distributions within the exhaust plume of a diesel and a gasoline passenger car under on-road conditions and determination of emission factors.Atmospheric Environment,2009， 43（6）:1235～1245.

5 王海涛，胡京南，鲍晓峰，等.国IV汽油出租车的冷、热启动污染排放特征.汽车安全与节能学报，2010，1（2）:146～151.

6 王爱娟，葛蕴珊，谭建伟，等.北京市出租车实际道路行驶特征与排放特性的关系研究.北京理工大学学报，2010，30（8）:891～895.

7 胥耀方，于雷，宋国华，等.针对二氧化碳的轻型汽油车VSP 区间划分.环境科学学报，2010，30（7）:1358～1365.

8 马冬，刘焰，刘志华，等.轻型汽车实际行驶工况的排放研究.安全与环境学报，2008，8（5）:66～68.

9 贺克斌，霍红，王岐东，等，城市轻型车实际道路瞬态排放的特性.中国环境科学，2006，26（4）:390～394.

10 孟铭.基于上海市区道路行驶工况的混合动力汽车性能仿真研究.上海汽车，2007（2）:3～6.