轻型柴油车实际行驶排放特性的研究∗

杨正军，付秉正，尹 航，谭建伟，周小燕，葛蕴珊

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081； 2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081；3.中国环境科学研究院，北京 100012)

轻型柴油车实际行驶排放特性的研究∗

杨正军1，2，付秉正1，2，尹 航3，谭建伟1，2，周小燕1，2，葛蕴珊1，2

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081； 2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081；3.中国环境科学研究院，北京 100012)

根据欧盟最新制定的实际行驶排放RDE试验规程，使用便携式车载排放测试系统对两辆分别满足欧IV和欧VI排放标准的柴油轿车进行了实际行驶排放试验。结果表明：车辆RDE试验NOx排放因子是实验室认证循环NEDC的6.8～7.7倍，且NEDC，FTP75与WLTC循环和RDE试验中的NOx符合性因子(0.71～7.09)均大于CO符合性因子(0.11～0.63)；NOx瞬时排放率随加速度的增大而升高；市郊和高速公路工况下，NOx瞬时排放率在车辆加速度超过NEDC循环工况的最大加速度时达到峰值。因此在制定RDE法规时，应重点关注轻型柴油车的NOx排放。

轻型柴油车；实际行驶排放

前言

随着经济与社会的发展和居民生活水平的提高，我国机动车数量剧增，民用汽车拥有量至2014年已达1.46亿辆__[1]，由机动车造成的污染问题日益受到关注[2-4]。当前，世界各国法规规定轻型车的排放试验均需按照特定循环在实验室转鼓上进行[5]。相关研究[6-11]表明，单一测试循环不能完全覆盖实际行驶工况，柴油车的实验室与实际道路排放测试结果可能存在较大差异。欧盟委员会在“汽车2020行动计划”和“欧洲清洁空气计划”中宣布，将在欧VI排放标准修订过程中，附加一个由欧盟联合研究中心牵头开发的“轻型车实际驾驶排放(RDE-LDV)”测试程序，作为实验室循环的补充[12]。2015年9月爆出的柴油车“排放门”事件，使欧盟加速了这一进程。

目前，国外有关RDE的研究已取得了一定进展，文献[13]中分析了约150辆乘用车的RDE测试结果，发现被测车辆CO和HC排放均低于法规限值，但柴油车NOx普遍超标严重，最高可达限值的4.8倍。文献[14]中分别对3辆通过FTP-75认证循环测试的柴油车进行了5次按预定路线的车载排放试验，使用CO2移动平均窗口法对数据进行处理，发现其中2辆车的实际道路NOx排放分别达到USEPA Tier2-Bin5的15～35倍和5～20倍。文献[15]中按照欧盟RDE测试规程及相应两种数据处理方法进行案例研究，发现使用功率等级分组法计算所得NOx排放结果较CO2移动平均窗口法低15%。国内相关科研机构利用PEMS开展的实际行驶排放试验主要集中在重型柴油车[16-20]和轻型汽油车[21-24]，有关RDE的探讨尚处于起步阶段。验证轻型柴油车实际行驶排放特性是评价城市机动车污染物排放、并进行有效控制的基础，为此，本文中选取了2辆满足不同排放标准的在用轻型柴油车，使用便携式车载排放测试系统，按照RDE测试规程进行了实际行驶排放试验。

1 试验方法

1.1 试验设备与测试车辆

试验用PEMS设备为Horiba公司的OBS-2200车载气态排放污染物分析系统，主要由主分析单元、尾气流量计、全球卫星定位系统(GPS)接收器和温湿度仪组成。主分析单元分别采用不分光红外法(NDIR)测定CO和CO2浓度，氢火焰离子化检测器(FID)测定THC浓度，化学发光探测法(CLD)测定NOx浓度。尾气流量计可测量排气体积流量，GPS接收器可逐秒提供测试车辆的行驶速度和海拔等信息。PEMS设备在被测车辆上的安装见图1。

选取的2辆在用轻型柴油车分别满足欧Ⅳ和欧Ⅵ排放法规要求，车辆主要技术参数如表1所示。

1.2 试验路线选择

试验选择工作日在北京市大兴区和通州区进行，GPS记录的实际行驶路线见图2，包含了市区(亦庄经济开发区)、市郊(六环路至京津高速)和高速公路(京津高速至六环路)3种工况，行驶方向用箭头标示。

图1 PEMS安装示意图

表1 测试车辆主要技术参数

图2 试验线路

RDE规程要求的速度范围和里程份额如表2所示，为较完整地覆盖各种驾驶工况，试验车辆依次在市区、市郊和高速公路3种道路上连续行驶，每个速度区间应至少行驶16km，试验总时长控制在90～120min，开始点和结束点的海拔高差不得超过100m。

表2 各区间的速度范围及里程份额

1.3 数据处理

1.3.1 CO2移动平均窗口法

由于OBS-2200不具备自动数据对正功能，所以首先须对试验过程中记录的污染物浓度、排气质量流量、车速和其他瞬态数据在Excel表格中进行时间对正，以获取在同一时刻产生的各项参数，然后参照文献[25]计算各气态排放物的瞬时排放率。

根据欧盟RDE法规的规定，应使用CO2移动平均窗口法(moving averaging window，MAW)对瞬时排放数据进行处理，现以A车为例，简述计算过程。在该车RDE试验获得的CO2连续排放曲线上，从最后1s(或第1s)开始以1Hz的频率(为清晰起见，仅显示1 850s数据)，以该车WLTP的Ⅰ型试验CO2排放量的一半(MCO2，ref＝2044.56g)作为参考从后向前(或从前向后)确定窗口大小并划定若干窗口。图3中的点划线标示了MCO2，ref的大小，两条斜线分别代表第200和第1 000个窗口内随时间累积的CO2排放量，对应两组虚线包括的范围即为两个CO2窗口。根据划分完成的窗口可得到各窗口气态排放物的排放因子和平均车速。

图3 A车窗口计算示意图

此外，为验证RDE试验的完整性和正常性，应采用“CO2特性曲线”对所得窗口进行评估。图4中P1，P2和P3点的参数由该车Ⅰ型试验WLTC循环低速段、高速段和超高速段的平均车速及CO2排放因子确定，3点连线即组成该车的CO2特性曲线，不规则曲线由A车RDE试验得到的3 748个CO2窗口在坐标图中对应的点组成。窗口平均车速按45和80km/h划分为市区、市郊和高速公路，若上述3类窗口数量分别至少占总窗口数量的15%以上且分别至少有50%的窗口落在特性曲线定义的基本公差(±25%)范围内，则完整性和正常性验证通过。

基于各窗口的数据，可得到3个速度区间污染物排放因子的均值。按照标准规定，使用CO2移动平均窗口法计算前应将法规中定义的冷起动、零车速和发动机熄火时的数据剔除。

图4 A车CO2特性曲线

CO2移动平均窗口法的优点是可从一组完整的行程排放数据中获得大量窗口，并将每个窗口视作代表一定基本特征的小循环，继而分别计算每个小循环内各污染物的排放因子，从而估计总行程排放因子的统计分布。窗口的尺寸越大(持续时间越长)，则窗口化的数据计算越平滑、稳定[26]。

1.3.2 符合性因子

每一种污染物排放因子与试验车辆对应法规限值的比值定义为符合性因子(conformity factor，CF)，则

式中：CFj为j排放物的符合性因子；Ei，j为i试验(包括NEDC，FTP75，WLTC和RDE)中j排放物的排放因子，mg/km；Enorm，j为适用法规规定的j排放物限值，mg/km。

2 结果与分析

2.1 RDE与各循环工况试验结果对比

A和B两车均通过了完整性和正常性验证，因此，可使用实际道路上得到的数据计算RDE排放因子，并与实验室循环工况排放结果进行对比。试验车分别在转鼓上进行了NEDC[27]，FTP75[28]和WLTC[29]试验，上述3种循环和RDE污染物排放结果见图5。

可以看出，各工况THC排放因子较低且基本接近，NEDC循环的CO排放因子高于其他循环和RDE试验，可能原因是CO在冷起动阶段排放较多(缸内温度低造成燃烧不良，DOC未达起燃温度等)，且相对于FTP75和WLTC，NEDC循环行驶距离最短，RDE计算将冷起动数据剔除，这也是NEDC循环THC排放因子稍高的原因。A和B两车RDE试验NOx排放因子都较高，分别是认证循环NEDC的6.8和7.7倍，其中B车RDE试验NOx排放因子是WLTC循环的5.7倍，而A车两者的结果接近。

图5 测试车辆污染物排放分布

2.2 符合性分析

两车各循环和RDE试验的符合性因子见表3，欧IV和欧VI法规均未单独规定THC标准限值，而是规定了THC+NOx的限值，故未计算THC符合性因子。

表3 循环及RDE试验污染物符合性因子

由表可见，A和B两车各循环及RDE试验的CFNOx及CFTHC+NOx均大于CFCO，且RDE试验的NOx及THC+NOx排放因子均显著高于适用法规限值，甚至达到限值7倍以上。与NOx和CO相比，两车的THC排放因子都非常低，所以THC+NOx超过限值主要原因是NOx排放过高。

为进一步分析速度对RDE试验符合性因子的影响，计算两试验车不同速度区间CO和NOx的符合性因子，结果如图6所示。

图6 试验车辆不同速度区间CO及NOx符合性因子

可以看出，各速度段CFCO均小于1，且市区CFCO最高；各速度段CFNOx均大于1，且随速度的增加而升高。对于两辆试验车，市区工况对总行程CO排放分担率最高，高速工况对总行程NOx排放分担率最高。

综上所述，对于试验用柴油车，RDE试验中排放超标的风险主要来自于NOx。

2.3 加速度对NOx排放的影响

为了进一步分析加速度对NOx瞬时排放率的影响，将机动车加速度a分为7个区间，如表4所示。同时，为避免速度干扰，仍然按照3种不同行驶工况(市区、市郊和高速公路)，分别对两车加速度与NOx瞬时排放率的关系进行分析，结果见图7。

表4 加速度区间划分

由图可见，两车NOx瞬时排放率整体上随车速的增加而升高。市区工况下，瞬时排放率随加速度的变化幅度较小；在市郊和高速公路工况下，车辆处于匀速和减速行驶状态时，瞬时排放率随加速度的增加而缓慢升高，加速行驶时，瞬时排放率随加速度的增加呈现快速升高的趋势。

图7 NOx瞬时排放率随加速度的变化

以A车为例，将RDE试验加速度与NOx瞬时排放率进行对照分析，见图8。可以看出，在市郊和高速公路工况下，加速会使NOx排放出现峰值，且这些峰值基本出现在行驶加速度超过NEDC最大加速度(图8中横线)的时刻，虽然这些峰值的持续时间非常短，但最大值可达0.27g/s，对RDE试验排放因子贡献较大。主要原因是：(1)在行驶到车流量较大且有车速限制的路段时，试验人员为在有限行驶距离和时间内达到规程对里程份额和速度的要求，需要不断加减速，高负荷工况下，可燃混合气加浓，燃烧油量增加，缸内燃烧温度升高，使NOx原始排放升高[30]；(2)被测车辆的实验室测试循环为NEDC，汽车制造商基于NEDC循环对排放系统进行的标定未能覆盖实际工况中加速度较大的情况，致使加速度超过NEDC最大加速的时刻NOx瞬时排放明显偏高。

图8 A车全行程NOx瞬时排放率随加速度的变化

3 结论

(1)试验用轻型柴油车转鼓测试循环和RDE试验的THC排放因子基本接近，且维持在较低水平，NEDC循环的CO排放因子高于其他工况，RDE试验NOx排放因子与实验室认证循环差异较大，是NEDC循环的6.8～7.7倍。

(2)A和B两车各循环和RDE试验的CFNOx及CFTHC+NOx均大于CFCO，且实际道路行驶工况特别是高速高负荷工况下，试验车辆NOx排放严重超过法规限值，应对NOx实际道路排放予以重点关注，制定有针对性的相关规定。

(3)市郊和高速公路工况下，NOx瞬时排放率的峰值大多出现在加速度大于NEDC循环最大加速度的时刻。

(4)在满足实验室测试排放法规限值的基础上，应进一步扩大排放系统标定范围，才能有效降低实际道路排放。

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A Research on the Real Driving Emission Characteristics of Light-duty Diesel Vehicles

Yang Zhengjun1，2，Fu Bingzheng1，2，Yin Hang3，Tan Jianwei1，2，Zhou Xiaoyan1，2＆Ge Yunshan1，2
1.School ofMechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081；2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing，Beijing 100081；3.Chinese Research Academy of Environmental Science，Beijing 100012

The real driving emissions from two diesel vehiclesmeeting Euro-IV and Euro-VIemission regulations respectively aremeasured using portable emission measurement system in accordance with real driving emissions(RDE)procedure newly formulated by EU.The results show that the NOxemission factors of two vehicleswith RDE procedure are 6.8～7.7 times as high as thosewith laboratory certification cycle NEDC，and the NOxconformity factors(0.71～7.09)with NEDC，FTP75 and WLTC cycles and RDE procedure are all larger than those of CO (0.11～0.63).The instantaneous emission rate of NOxriseswith the increase of vehicle acceleration and under the suburban and motorway conditions，peaks in instantaneous emission rate of NOxappear whenever vehicle acceleration exceeds themaximum acceleration in NEDC cycle.Accordingly particular attentions should be paid on the NOxemission of light-duty diesel vehicles in formulating RDE regulation.

light-duty diesel vehicles；real driving em issions

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.05.002

∗国家自然科学基金(51276021)、科技部大气专项(2016YFC0208005)和青海省科技项目(2013-J-A4)资助。原稿收到日期为2016年7月20日，修改稿收到日期为2016年8月16日。

付秉正，硕士研究生，E-mail：fubingzheng1991＠163.com。