轻型汽油车实际行驶污染物高原排放特性试验研究

孙文芳,张 军

安徽新华学院电子通信工程学院，安徽合肥，230000

当前，世界各国规定轻型车排放试验均按照特定试验循环工况在实验室转鼓上进行，而单一的实验室测试循环不能覆盖实际行驶情况下的运行工况[1-2]，车辆的实验室测试循环排放结果与实际排放状况可能存在较大差异[3-5]。为弥补实验室测试和实际道路测试结果的差异，国六排放法规增加了II型——实际行驶污染物排放(Real Driving Emission,RDE)试验。

我国海拔1 000 m以上的土地面积占全国陆地总面积的60%；3 000 m以上的面积占16%[6]。目前，国内外对高海拔地区的RDE研究鲜有报道。本文对一台自然吸气式多点电喷汽油车在平原整车转鼓实验室分别进行了AVL-i60排放设备和PEMS(Portable Emission Measurement System)试验条件下的全球轻型车统一测试循环(WLTC)试验结果对比，并研究了在高原高海拔条件下的实际行驶污染物排放特性。

1 试验装置及方案

1.1 试验样车设备及燃料

试验样车配置了一台水冷、直列4缸4冲程、电控燃油进气道多点电喷、自然吸气式、性能较好的汽油发动机及一台四速自动变速箱。试验样车后处理装置为三元催化器(TWC，Three Way Catalyst)和下底板催化器(UFC，Under floor Catalyst)，满足国五排放标准要求，试验中未对样车进行任何调整，样车整车主要参数如表1所示。

表1 试验样车主要技术参数

台架试验设备主要包括AVL公司的AMA-i60、AVL-ZÖLLNER-4WD底盘测功机和Imtech公司的环境舱。RDE测试设备为AVL公司的AVL-M.O.V.E.轻型车便携式排放测试系统PEMS，主要包括：用以测试排气中CO/CO2/NOX/NO/NO2/PN各污染物浓度的AVL-Concerto M.O.V.E车载排放测试系统；用以确定车辆的位置、海拔高度、车辆行驶速度的全球定位系统GPS；用以确定环境温度、相对湿度、大气压力等车载气象站；用以确定排气质量流量的流量计EFM和用以独立为测试设备供电的锂电池。

试验燃料使用试验当地市售92#汽油。

1.2 试验方案

本文对装有PEMS设备的试验样车在整车排放实验室进行WLTC试验工况测试以得到RDE试验输入参数数据，并验证PEMS的试验结果是否符合国六要求的允许误差内，然后分别在平原地区(试验路线平均海拔6.13 m)和高原地区(试验路线平均海拔2 311.88 m)按照RDE试验规程，根据选定路线进行实际行驶污染物排放试验，考察该车在高原条件下的RDE排放特性，具体试验线路如下：

合肥平原路线：(1)市区工况：沿徽州大道至长江西路、潜山路、南二环路至徽州大道之间往返完成市区工况试验；(2)市郊和高速路工况：沿徽州大道前往G40沪陕高速完成市郊工况试验和高速路工况试验。

西宁高原路线：(1)市区工况：由宁张线开始试验，行驶至青海大学路后折返，至纬五路经西湖路至经三路完成市区工况试验。(2)市郊工况：在完成城市工况行驶里程后开至京藏高速出发点，进入京藏高速后，转至宁大高速完成市郊工况试验。(3)高速路工况：完成市郊工况后直接进行高速工况行驶，途径大通收费站掉头，返程继续完成剩余的高速工况试验。

按照RDE 规程的要求，试验车辆依次在市区、市郊和高速公路上连续行驶，每个速度区间至少行驶16 km，试验总时间在90～120 min。试验开始点和结束点之间的海拔高差不超过100 m，并且试验车辆的累计正海拔高度增加量应不大于1 200 m/100 km。其中，市区工况：停车市郊占市区时间的6%～30%，最小里程为16 km，平均速度15～30 km/h；市郊工况：可被市区(行驶距离很短)行驶中断；高速工况：车速覆盖90～110 km/h，且车速大于100 km/h至少5 min，在不超过高速路段行驶时间3%的时间内最高车速可增加15 km/h，车速若超过限速规定，PEMS试验结果仍有效，可被市区或市郊(行驶距离很短)行驶中断。具体车速和里程工况要求如表2所示。

表2 RDE车速和行驶里程工况要求

为保证试验条件的一致性，减少试验误差。每次试验前后都会进行相关仪器的标定；严格按照GB18352.6-2016试验规程进行试验操作，每次在确保试验样车状态已稳定的条件下由相同试验人员进行试验，并采集试验数据。根据选定的试验路线分别进行RDE试验，高原工况和平原工况RDE试验结果对比如表3所示。

表3 RDE高原工况和平原工况对比

*注(1)：指市区、市郊及高速路段的相对正向加速度，m/s2或kWs/(kg·km)。

2 试验结果及分析

2.1 PEMS允许误差的验证

该车在整车排放实验室转鼓上进行WLTC循环工况下，分别采用PEMS设备和实验室CVS条件下AMA-i60排放测试的试验结果并参照国六排放法规中对PEMS验证允许的误差规定允许值，试验结果如表4所示。

表4 污染物差值绝对值与PEMS允许误差值

由表4可见，PEMS和AMA-i60的污染物测试结果在国六标准允许误差范围内。

2.2 RDE试验数据处理

试验严格按照GB18352.6-2016试验规程进行，冷起动时段包括发动机初始起动后的最初5分钟。由试验过程中采集到的发动机冷却液温度得知，在车辆起动340 s后冷却液温度均在70 ℃之上，可以判定冷起动结束。国标规定只记录冷起动排放，试验结果不计入RDE试验的最终结果，为了解冷起动阶段排放特性，本文在模态数据分析中包含了冷起动阶段排放。根据国标对排放和实际行驶行程的评估要求，在特定实际间隔内的排放，环境条件符合扩展条件规定，则特定时间间隔内的排放除以扩展系数后，再评估其是否符合II型试验排放要求。为了解高原环境条件下真实排放水平，在数据处理中，将RDE各污染物排放(CO2除外)试验结果乘以对应条件下的扩展系数1.8进行对比分析。

2.3 RDE试验结果分析

GB18352.6-2016规定考核车辆RDE试验结果，其中市区行程和总行车污染物排放均不得超过I型试验排放限值(6b)与符合性因子(Conformity Factor，CF)CF=2.1的乘积，由此可得RDE排放限值分别为NOX=0.073 5 g/km、PN=1.26×1012个/km，CO测量和记录试验结果，暂不做限值考核项。

图1—4分别为试验样车在平原RDE试验工况(模态图中为细实线并带有三角标记)和高原RDE试验工况(模态图中为粗虚线)下的试验工况及对应模态排放试验结果。

2.3.1 冷起动排放特性

由图1-4可见，冷起动阶段(前340 s)，平原工况和高原工况下的CO、PN和NOX排放规律类似，冷起动阶段排放结果明显较高，且高原工况下的三种污染物排放量高于平原工况下的排放量，较平原工况下的CO2排放量略低。比较平原工况，冷起动阶段高原工况下的CO、NOX、PN和CO2排放量分别升高90.03%、742.45%、93.9%和-0.50%。

图1 车速—发动机转速—排气温度模态

图2 车速—CO模态

图3 车速—O2—PN模态

图4 车速—NOX—CO2模态

这是由于冷起动状态下的油温和水温都未达到设定值，缸内温度较低，发动机采用加浓策略，空燃比较低，燃烧不完全，导致形成颗粒物成分的碳烟增加。此外，冷起动时的排气温度较低，催化器后处理装置没有达到最佳工作温度，催化效率低，导致燃烧不充分，CO和PN排放增加[7]。混合气浓时，氧的浓度对NO的形成起决定作用[8]，在冷启动阶段O2排放较高，催化器效率低，最终导致NOX排放升高。由于高原环境下的空气稀薄，氧含量较低，冷起动阶段混合气，燃料燃烧条件恶化，较平原试验工况下的各污染物排放量也随之增大，而空气密度减小导致行驶阻力随之减小，使得CO2排放略有降低。

2.3.2 CO排放特性

图5为该车在平原和高原RDE试验工况下的CO排放试验结果。

图5 CO各工况下排放特性

由图2和图5可见，平原工况下CO排放量在城郊工况最多，高速工况次之；高原工况下的CO排放量在高速工况最多，城郊工况次之。高原工况×1.8较平原工况的CO排放量在城区、城郊、高速和综合工况下分别升高了-21.9%、-5.3%、218.9%和63.1%。

CO是燃料不完全燃烧的燃烧产物。由图1-图3可知，一方面，城郊工况和高速工况下的排气温度较城区工况的高，有利于提高催化器的催化效率，减少排放量。另一方面，发动机在中、小负荷工况下运行时，电喷汽油机的控制策略是闭环控制，根据氧传感器的反馈信号控制过量空气系数稍大于1.0，基本上保证燃料充分燃烧。发动机全负荷工况运行时，电喷汽油机的控制策略为开环控制，在发动机达到某一转速或者负荷时，就要增大喷油量，供给发动机较浓的混合气，以形成功率混合气，而高转速段混合气的形成时间较短。所以，在高转速段的市郊工况和高速工况下CO的排放较市区工况排放有所上升[9-10]。

城区工况下，比较高原工况，平原工况的RPA值和排气温度基本相当，氧气排放量较大，因此CO排放也较高。城郊工况下，比较高原工况，平原工况的RPA值和氧气排放量较小，有利于CO排放的减少，排气温度较低不利于催化器的催化效率，两者的综合作用下使得CO排放相对较高。高速工况下，比较高原工况，一方面，平原工况的RPA值小、排气温度低，氧气排放量较小，CO排放也较低。另一方面，高海拔下的空气比较稀薄，空气密度降低，导致进气量不充足，且进气压力随海拔升高逐渐减小，车速越高进气压力减小的幅度越大，当汽车处于高速大负荷状态，过量空气系数低于1，混合气加浓，从而CO排放增加。此外，点火提前角随海拔升高而增大，对CO排放进一步恶化[11-12]。综上，高速工况下，高原工况下的CO排放明显高于平原工况排放。

2.3.3 NOX排放特性

图6为该车在平原和高原RDE试验工况下的NOX排放试验结果。

由图4和图6可见，平原工况下NOX排放量在各工况差异不大；高原工况下的NOX排放量在城区工况最多，高速工况次之。高原工况×1.8较平原工况的NOX排放量在城区、城郊、高速和综合工况下分别升高了320.0%、80.0%、110.1%和194.5%。

图6 NOX各工况下排放特性

NOX生成的条件是三个方面的统一，即高温、富氧及高温持续时间[13]。由于汽油发动机氮氧化物来源中的激发型和燃料型NO生成量很少，可忽略不计，则主要的氮氧化物就来源于高温型NO，根据高温NO生成机理，对NOX生成起主要影响的是焰后区混合气温度与混合气中残留的氧浓度[14]。由图1和图3可见，比较平原工况，高原工况在城区工况下的排气温度总体较高，氧含量总体相差不大；在城郊工况下，排气温度相对较低，而氧含量相对较高；在高速工况下，排气温度和氧含量都相对较高。因此，比较平原工况下的NOX排放，高原工况在各工况下的NOX排放量较大。由于城区工况下的持续时间较长，因此NOX在城区工况下的总排放放量也相对较多。

2.3.4 PN排放特性

图7为该车在平原和高原RDE试验工况下的PN排放试验结果。

图7 PN各工况下排放特性

由图3和图7可见，平原工况下的PN排放量远高于高原工况时的排放量。平原工况下PN排放量在城郊工况最多，城区工况次之；高原工况下的PN排放量在城区工况最多，高速工况次之。高原工况×1.8较平原工况的PN排放量在城区、城郊、高速和综合工况下分别降低了57.0%、91.6%、78.8%和76.7%。

颗粒生成条件是高温缺氧[15]。平原工况下的PN排放明显高于高原工况下的PN排放。由图1-图3可知，比较高原高海拔工况，平原工况RDE试验条件下的缸内燃烧温度总体来说相对较高，排气中的氧含量也相对较低，符合高温缺氧的颗粒物生成条件，从而颗粒物排放量也较高。

3 结 语

(1) 冷起动阶段各污染物排放明显较高。比较平原工况，RDE冷起动阶段高原工况下CO、NOX和PN排放量分别升高90.03%、742.45%和93.9%。

(2) 平原工况下的CO排放量在城郊工况时最多，城区工况时最少；NOX排放量在各工况下差异不大；PN排放量在城郊工况最多，高速工况最少。

(3) 高原工况下的CO排放量在高速工况时最多，城区工况时最少；NOX和PN排放量在城区工况时最多，城郊工况时最少。

(4) RDE试验工况下，平原工况时PN排放量在城区、城郊、高速和综合工况下分别为高原工况时PN真实排放量的2.3倍、11.9倍、4.7倍和4.3倍。