驾驶模式对轻型汽油车PN排放影响试验研究

彭美春，黎育雷，李继龙，张伟伦

(广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006)

大量研究表明，实验室试验工况比较固定，较难全面反映真实驾驶条件下的车辆运行状态，车辆在道路上行驶的排放与实验室测试值存在较大的差异[1-3]。国家环保部2016年颁布的GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》首次增加了对点燃式发动机轻型车辆开展排气颗粒数(Particulate Number，简称PN)排放检测的要求，规定了轻型车实际道路排放(Real Driving Emission，简称RDE)试验内容与排放污染物符合性因子限值。该标准规定了RDE测试行程动力学特性有效性判断方法，规定了基于CO2移动平均窗口评价RDE试验是否正常、完整的方法，以及基于CO2移动平均窗口法的污染物排放因子计算方法。

宋彬等[4]对一辆缸内直喷式汽油车进行多次RDE试验发现，实际道路排放结果不具有重复性，行驶动力学特性参数对排放结果影响较大。付秉正等[5]使用便携式车载排放设备对多辆轻型汽油车进行RDE试验，发现CO和NOx的瞬时排放率与车辆加速度有较大关联。J. Gallus等[6]对2辆轻型柴油车进行车载排放试验，发现激烈驾驶行为会导致NOx和CO2排放剧增。目前国内外学者针对轻型车的RDE试验研究较多集中在气态排放污染物的排放特性上，对轻型汽油车PN排放研究成果的报道相对较少，关于驾驶行为对PN排放影响的评价研究更少。本研究选取一辆进气道喷射轻型汽油车作为试验车辆，依据GB 18352.6—2016给出的RDE试验方法开展车载试验，研究运行工况、驾驶行程动力学特性对车辆RDE车载试验下PN排放特性的影响。

1 试验方案

1.1 试验设备和车辆

选取一辆轻型汽油乘用车作为试验车辆开展RDE测试，该试验车辆的主要技术参数见表1。

表1 试验车辆主要技术参数

采用Sensor SEMTECH-DS作为气态污染物排气浓度测量仪器。该便携式车载排放分析仪采用不分光红外法采集CO2排放浓度，用于计算CO2移动窗口。应用AVL M.O.V.E-PN便携式车载排放分析仪测量PN排放浓度。车载测试仪器还包括GPS模块、温湿度计模块、排气流量计模块等，可以实时测量车辆行驶过程中的速度、排气体积流量、海拔及温湿度等数据。试验使用的PEMS设备均自带时间修正、干湿基修正等排放数据处理功能，所输出排放污染物瞬时排放数据已进行了环境修正。试验设备安装示意图见图1。

1—电池组；2—排气流量计；3—流量计主机；4—温湿度计；5—GPS；6—SEMTECH-DS模块；7—M.O.V.E-PN模块；8—主控电脑；9—OBD模块。图1 测试设备安装示意

1.2 试验线路及试验方案

在广州市实际道路上开展RDE车载测试，按照GB 18352.6—2016标准中附录D[7]提出的RDE试验路段车速与测试里程等要求，选择试验线路(见图2)。以广州大学城外环路的广东工业大学公交站作为起点，试验车辆绕行外环路逆时针运行约30 km，作为市区道路行驶线路；然后进入南沙港快速路南行运行，以模拟市郊道路行驶；再经黄榄快速路转入广澳高速路运行。当市区、市郊行驶里程相当时把车速提高到90 km/h以上。测试车辆在高速路长洲出口处结束试验。试验路线全程约90 km，最大海拔差值不超过50 m。

图2 试验行驶线路

设计驾驶行为方案如下：第一次试验按正常驾驶行为习惯完成驾驶，第二次试验在确保行车安全的前提下采取频繁的急加减速驾驶行为，完成较为激进的驾驶。

2 试验有效性分析

2.1 行程动力学特性检验

根据GB 18352.6—2016关于RDE试验数据处理的要求对测试获得的瞬时行驶速度进行平滑处理，处理后的两次试验行驶速度曲线见图3。可见，激进驾驶模式下车速波动比正常驾驶模式显著。两次试验的行程数据信息见表2，均符合GB 18352.6—2016关于RDE测试总里程、行程占比等要求。两次不同驾驶模式试验平均速度较为接近，但加减速度有所不同。

GB 18352.6—2016中规定了用v·apos-[95]和RPA两项指标对RDE试验行驶数据进行行程动力学车速与加速特征校验，以确定市区、市郊和高速各路段行驶过程中动力学特性是否过度或不足。

图3 试验行驶速度曲线

2.1.1v·apos-[95]验证

v·apos-[95]是指车速v与大于0.1 m/s2的正加速apos乘积的第95个百分位，用于检验车辆在RDE试验中驾驶行为激烈程度是否超过允许范围。v·apos-[95]的值越大，表明驾驶行为越激烈。两次试验各速度组的(v·apos)k-[95](k=1，2，3，分别代表市区、郊区、高速速度组)的统计结果见图4。

表2 两次试验的行程信息

图4 试验的v·apos-[95]统计结果

2.1.2RPA验证

RPA值指行程的相对正加速度，是各速度组内瞬时车速与大于0.1 m/s2的正加速度和时间步长乘积的累加值与各速度组内的累计行驶距离相除所得商。RPA用于检验车辆在RDE试验中驾驶行为的激烈程度是否低于试验要求。计算得到的各速度组RPAk实际值与最小允许值结果见图5。由图5可见，两组不同驾驶行为模式试验的RPAk值均高于标准规定的最小允许值，满足试验要求，证明行程有效。激进驾驶模式下各速度组的RPAk值显著高于正常驾驶模式。

综上，两种驾驶模式下的行程动力学检验均符合RDE测试标准要求，但是激进驾驶模式的驾驶激烈程度显著高于正常驾驶模式。

图5 试验的RPA统计结果

2.2 窗口的正常性和完整性验证

2.2.1CO2窗口划分及计算

CO2移动平均窗口法是一种判断RDE试验是否完整有效，以及计算评价实际行驶污染物排放值的方法。以本研究试验车辆在实验室台架测试WLTC运转循环中实际排放的CO2总质量的50%(1 916.75 g)作为窗口的CO2排放基准质量MCO2,ref，对RDE车载测试数据总集进行划分，得到正常驾驶模式下5 060个窗口子集，激进驾驶模式下5 000个窗口子集。

根据该试验车辆在WLTC运转循环中的低速、高速和超高速段的CO2平均排放因子及WLTC运转循环中对应速度段的平均车速，确定出基准点P1，P2，P3的位置，作出CO2基准特性曲线，并计算出该特性曲线基本公差带±tol1与扩展公差带±tol2。再以车辆平均地面速度45 km/h和80 km/h为界，把窗口划分为市区、市郊和高速窗口(见图6)。计算出本研究RDE测试获得的各窗口的平均车速vj及各窗口内的CO2平均排放因子MCO2,d,j，在CO2特性曲线图中绘出所有窗口子集(vj，MCO2,d,j)的分布情况。

2.2.2试验完整性与正常性判断

落在CO2特性曲线的基本公差带±tol1(±25%)范围内的窗口称为正常窗口，如果市区、市郊和高速窗口的正常性窗口占比均超过50%，则可以判定该试验符合正常性检验。

图6 车辆CO2特性曲线及RDE试验窗口分布

两次试验各速度组的正常性窗口数占比及各速度组窗口数占总窗口数的比例见表3。可见激进驾驶模式的窗口100%落在基本公差带范围内，正常驾驶模式的市区窗口也100%落在基本公差带范围内，市郊和高速的正常性窗口占比分别为96.34%和94.09%，远超窗口正常性校验限值50%，因此两次试验均满足正常性要求。两组试验的市区、市郊和高速3组速度组窗口数量均占总窗口数量的15%以上，满足窗口完整性检验要求。

表3 正常性窗口占比及各工况路段窗口占比

3 PN排放特性分析

3.1 速度、加速度与PN排放关系

以10 km/h作为区间长度对两组驾驶行为的RDE车载试验数据的行驶速度进行划分，共得到12个速度区间，其中大于120 km/h的数据点过少，舍去。计算各区间内的PN排放平均值，结果见图7。

图7 各车速区间下的PN排放

由图7可以看出，随着行驶车速的增加，PN排放总体呈增加趋势。图8示出试验车辆各速度区间对应的平均排气温度。由图8可见，随着车速的增加，排气温度增加。排气温度高意味着燃烧温度也高。颗粒物是碳氢燃料高温缺氧不完全燃烧产物，车速增大，所需发动机功率增大，喷油量增大，燃烧放热量增大，燃烧温度随之升高，有利于颗粒物生成，故PN排放随车速增大而增大。

图8 各车速区间对应的平均排气温度

当行驶车速低于60 km/h时，两种驾驶模式下的PN排放均处于较低水平，仅为对应驾驶模式总PN排放平均值的19.49%和12.60%。分析认为，该区间为市区路段，车速较低，发动机负荷较低，喷油量少。从图8看出，该行驶车速区间的排气温度低，说明缸内燃烧温度不高。因此该速度区间PN生成量少， PN排放浓度低。

当车辆行驶速度大于60 km/h后，PN排放随车速的增加迅速增大。在[60,120) km/h车速区间，激进驾驶模式的PN排放明显高于正常驾驶模式，约为正常驾驶行为模式的1.96倍。激进驾驶模式下排气温度高于正常驾驶，对应燃烧温度也应高于正常驾驶，因此有利于PN的生成。

以0.5 m/s2作为区间长度对两组驾驶行为的RDE车载试验数据的行驶加速度进行划分，共得到11个加减速度区间，各加速度区间的时间占比见图9。由图9可见，两种驾驶模式下的加速度区间主要集中在(-1.5,1.5] m/s2，在该区间的时间占比分别为96.52%和98.35%，激进驾驶行为在区间(0.5,3.0] m/s2的时间分布占比比正常驾驶多。

图9 各加速度区间下的时间占比

加速度对PN排放的影响见图10。可见在减速工况下随减速度绝对值变小，PN排放升高，在(-1,0] m/s2区间出现第1个峰值。进入加速工况，随加速度增大，PN浓度先减小然后增大，在(2.0,3] m/s2区间出现第2个峰值。并且在绝大多数加减速区间，激进驾驶模式下PN排放浓度均高于正常驾驶模式。

图10 PN排放与加速度的关系

对减速工况下的空燃比进行统计，发现正常驾驶模式和激进驾驶模式下空燃比低于理论空燃比14.7的数据占比分别为35.2%和9.2%，表明减速工况下存在混合气加浓情况。减速过程中发动机会进入减速断油控制，断油期间排气三元催化净化器中的氧含量会增大，将使NOx的转化效率大大下降。为了退出减速断油后能将排气管内的氧迅速消耗以保证排气催化净化效果，发动机会采取适当增加混合气浓度的控制策略[8]。另，进气管喷射的发动机存在燃油沉积于进气管上形成油膜的现象，减速时因真空度增大油膜容易蒸发，随进气进入气缸可能导致混合气加浓[9]。分析认为减速期间的混合气加浓是导致PN排放增加的主要原因。

比较(-1.0,0] m/s2和(-2.5,-1.0] m/s2区间的排放结果发现，前者PN排放远高于后者。分析认为：(-1.0,0] m/s2区间，减速度较小，发动机负荷依然较大，(-2.5,-1.0] m/s2区间减速度大，发动机负荷大幅度降低。测得正常驾驶、激进驾驶在(-2.5,-1.0] m/s2区间的平均排气温度分别较(-1.0,0] m/s2区间下降了37.51 ℃和44.54 ℃，表明缸内燃烧温度低，抑制了PN的生成。因此(-2.5,-1.0] m/s2区间的PN浓度低于(-1.0,0] m/s2区间。

统计测试数据得出(2.0,3.0] m/s2加速度区间空燃比为14.3～14.5，低于理论空燃比，有加浓趋势，导致该区域PN生成量有所增大，出现PN排放小峰值。

大多情形下激进驾驶PN排放浓度高于正常驾驶。分析原因为在高速进气气流的作用下，会有少量未完全汽化的燃油粘附在燃烧室壁面形成壁面油膜，因壁面温度相对较低，燃油蒸发较慢，且蒸发后也难以与缸内空气充分混合，该区域容易生成颗粒物[10]。统计发动机平均转速，得出在加速工况下正常驾驶模式为1 769 r/min，激进驾驶模式为2 122 r/min。可见，激进驾驶模式的发动机进气气流流速更大，可能容易导致湿壁现象，从而加剧局部扩散燃烧，因此，在加速度区间激进驾驶模式的PN排放浓度高于正常驾驶模式。

3.2 驾驶行为对PN排放因子的影响

使用移动平均窗口法分别对两组RDE试验数据进行处理，计算得到市区、市郊和高速区间内窗口的PN平均排放因子。各窗口子集平均车速与PN排放因子的散点分布见图11。由图11可见，当窗口平均车速小于75 km/h时，两组试验的窗口PN排放因子分布重合度较高，当窗口平均车速超过75 km/h后，激进驾驶模式下的窗口PN排放因子明显高于正常驾驶模式。高速区间内激进驾驶模式的PN排放因子离散程度较高。

按GB 18352.6—2016规定，计算得出各速度组PN平均排放因子，分别以0.34，0.33和0.33的加权系数对市区、市郊和高速路段的PN平均排放因子进行加权相加，得到总行程的PN平均排放因子，结果见图12。可见，两组RDE试验的PN排放因子都按市区—市郊—高速的顺序逐渐增大，且激进驾驶行为下3种路段的PN排放因子均高于正常驾驶。激进驾驶模式下市区PN平均排放因子为正常驾驶的1.56倍。随着行驶路段的平均车速增大，激进驾驶行为下的PN排放因子与正常驾驶行为的PN排放因子差距变大。激进驾驶行为下市郊路段PN排放因子是正常驾驶行为的1.87倍，高速路段是正常驾驶行为的3.59倍。

图11 窗口子集平均车速与PN排放因子的关系

图12 实测PN排放因子与排放限值

从总行程排放结果来看，正常驾驶行为的PN总排放因子为3.16×1010个/km，激进驾驶行为的PN总排放因子为9.05×1010个/km，激进驾驶行为的PN总排放因子是正常驾驶行为的2.86倍。以国Ⅵ标准WLTC工况下的排放限值为基准，计算得出正常驾驶模式下车载RDE试验的PN排放符合性因子为0.05，激进驾驶模式为0.15，均远低于国Ⅵ的RDE测试PN排放符合性因子标准限值2.1，该进气道喷射试验车辆的PN排放量较低。

4 结论

a) 通过增加急加减速频次产生的激进驾驶行为，会使v·apos-[95]值和RPA值增大，急加减速驾驶模式的驾驶激烈程度明显高于正常模式；

b) 车速低于60 km/h时，PN排放较低；车速高于60 km/h后，PN排放随着车速的增加迅速增大；PN排放较高的区域主要集中在加速度为(-1.0,0] m/s2的区间范围，PN排放因子按市区—市郊—高速的顺序逐渐增大；

c) 正常驾驶模式与激进驾驶模式测试行程的动力学特性、窗口的正常性与完整性均在GB 18352.6—2016中规定的RDE测试正常值范围之内，测试有效；激进驾驶模式下的PN排放因子显著高于正常驾驶行为，且随着行驶路段的车速增加两者差异逐渐增大，尤其当窗口平均车速高于75 km/h后更为明显，可见，驾驶激进程度对PN排放评价的影响不容忽视；

d) 与WLTC工况下国Ⅵ排放限值比较，本测试的MPFI国Ⅴ车辆正常驾驶与激进驾驶模式下RDE测试PN符合性因子分别为0.05和0.15，均远低于国Ⅵ标准RDE符合性因子限值2.1。