国六轻型车实际道路与实验室工况排放特性对比研究

罗佳鑫，温溢，杨正军，朱庆功，潘朋

(中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

1 试验方案

1.1 试验车辆与设备

本研究中涉及的试验车辆均为国六轻型汽油车，试验车的主要技术参数见表1。

试验车在试验室内进行NEDC和WLTC工况下的排放试验，使用PEMS在实际道路工况下进行RDE试验。PEMS系统主要由分析单元(包括气体分析单元与PN分析单元)、排气流量传感器、GPS以及温湿度计等组成。试验过程中使用的主要测试设备见表2。

表2 试验设备信息

1.2 试验工况

试验室排放测试工况为NEDC测试循环与WLTC测试循环，其中WLTC循环时长1 800 s，由低速段、中速段、高速段和超高速段四部分组成(见图1)。

图1 试验室工况速度曲线

实际道路排放试验由市区、市郊和高速路段组成，按照国六法规规定，各个速度区间至少行驶16 km，试验总时间为90～120 min。本研究中实际道路排放试验选择的路线是北京市经济技术开发区内路段、北京市南六环和京津高速部分路段。以23号试验车为例，该车实际速度曲线见图2。

图2 RDE速度曲线

1.3 数据处理

根据国六法规中的相关规定，利用移动窗口法即CO2窗口法对实际道路排放试验数据进行处理。该方法以WLTC循环中CO2排放量的一半作为窗口，在各个窗口内分别计算各污染物的排放因子、CO2排放因子及平均车速，利用车辆CO2特性曲线确定各个窗口的权重，根据权重计算窗口特性排放的加权平均值，计算公式见式(1)。最后根据各路段0.34,0.33和0.33的系数即可得到车辆的实际道路排放因子。

(1)

式中：Mi,d,k表示各速度段内污染物排放因子的加权平均值；k可取u,r,m，分别代表市区、市郊和高速路段；wj表示窗口j的加权系数；Mi,d,j表示窗口j内的平均排放因子。

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为了对比不同车辆在试验室工况和实际道路工况下的排放情况，本研究参照了国六法规中对于符合性因子(conformity factor,CF)的规定，计算了每一种污染物在不同工况下的符合性因子，计算公式见式(2)。

(2)

式中：i表示某种污染物(CO,NOx或PN)；Ei表示在WLTC工况或RDE工况下污染物i的排放因子；Elimit,i表示该污染物在不同阶段法规中的排放限值。

2 结果分析

2.1 实际道路与实验室工况排放对比

对比分析了试验车在不同测试工况下的排放情况，图3至图6示出试验车在不同测试工况下不同污染物的符合性因子分布情况。

由图3可知，所有试验车的CO符合性因子均较低，基本低于0.6，说明在NEDC、WLTC循环与RDE实际道路工况中CO排放均相对较低，满足法规限值要求的压力较小。同时对比可知，对于大部分试验车，RDE工况下的CO符合性因子较低，其原因主要是在RDE工况中不包含冷起动过程中的排放；而冷起动过程中缸内混合气较浓，燃烧不充分，同时三元催化剂未能达到起燃温度，导致冷起动过程中的CO排放量相当可观，去除冷起动过程的CO排放将导致RDE工况下的CO排放量相对较少。

图4与图5分别示出试验车NOx与THC符合性因子分布情况。目前国六法规中对RDE工况下NOx排放的CF限值为2.1，由图4可知，大部分车型的符合性因子低于1.5，可以满足2.1的限值要求，本研究认为目前国六法规针对NOx的CF限值相对较为宽松。THC在NEDC工况与WLTC工况下的符合性因子对比表明，THC满足法规要求的压力较小。此外，试验车在NEDC工况下的THC排放量相对高于WLTC工况，该情况主要是由于在WLTC工况中，冷起动阶段时间较短，三元催化剂能够较快达到起燃温度，而在整个循环中，冷起动过程中THC的排放量贡献份额相对较高，导致WLTC工况内THC排放较低。

图3 试验车CO符合性因子

图4 试验车NOx符合性因子

图5 试验车THC符合性因子

图6示出试验车在WLTC工况与RDE工况下的PN排放符合性因子分布情况。由图6可知，目前国六轻型车PN排放符合性因子分布较不均匀，存在排放较高的情况，符合性因子最高可达9.2。对比上文中其他污染物情况可知，目前国六轻型车满足限值要求的重点在PN排放。同时结合试验车技术方案可知，采用缸内直喷技术的国六轻型车PN排放较高。

图6 试验车PN符合性因子

2.2 PN排放特性对比

由2.1节中可知，国六轻型车满足法规限值要求的重点为RDE工况下的PN排放。因此本研究中对WLTC与RDE工况下试验车的PN瞬态排放情况进行了分析。

以24号试验车为例， WLTC工况与RDE工况下车速与加速度分布的差异见图7。由图7可知，与WLTC工况相比，RDE工况加速度分布范围更加广泛，说明车辆在实际道路行驶过程中更容易出现加速度较大的加速或减速工况，从而影响污染物的排放。

图7 WLTC与RDE工况车速-加速度分布

根据车速与加速度对WLTC与RDE的行驶工况进行区间划分，其中速度划分为14个区间，加速度划分为7个区间。各加速度区间对应范围见表3。

表3 加速度区间划分

对于缸内直喷汽油车，以24号车为例，表4列出WLTC工况下不同区间内PN排放的符合性因子。由表4可知，PN排放相对较高的工况集中于低速区间，在加速度区间内分布较为均匀，需要注意的是，在0 km/h≤v<10 km/h，-0.1 m/s2

表4 WLTC工况下PN符合性因子(24号试验车)

而在RDE工况下，直喷汽油车的PN排放呈现出与WLTC工况截然不同的特点。表5列出24号试验车在RDE各工况区间内的符合性因子，图8示出WLTC工况与RDE工况下不同加速度区间内PN排放因子。由表5与图8可知，PN排放随着行驶速度的增加呈现明显的增加趋势，加速度的增加直接伴随着PN排放的增加。PN排放较高的工况集中于P2(0.5 m/s21 m/s2)这两个加速度较大的区间内。该现象说明，缸内直喷汽油车在实际道路行驶过程中，PN排放与车辆的行驶速度与加速度有较强的相关性。

表5 RDE工况下PN符合性因子(24号试验车)

图8 各加速度区间内的PN排放因子

对于进气道喷射汽油车，以25号试验车为例，WLTC工况内PN排放情况与24号车较为接近，不再赘述。由表6可知，RDE工况内的PN排放与24号车存在一些差异，具体体现在非直喷车型的PN排放相对较低， PN排放较高的工况主要集中在a>1 m/s2的加速度区间内，说明非直喷汽油机只有在急加速且加速度较大的过程中，才会产生较高的PN排放。

表6 RDE工况下PN符合性因子(25号试验车)

对于非直喷汽油车，在完成冷起动的暖机过程后，油气混合较为均匀，缸内不容易出现局部混合气混合不均匀的现象，只有在加速工况，缸内混合气普遍偏浓的条件下，才容易出现油气混合不均匀的现象，进而产生较高的PN排放。而采用缸内直喷技术的车辆，燃油直接喷入气缸，油气组织时间较短，容易出现局部混合不均匀，而在加速工况下喷油量加大，缸内局部混合气混合不均匀程度进一步增加，从而导致PN排放的增加。

2.3 不同VSP区间内的排放特性

为了将车速与加速度结合起来，利用机动车比功率[14-15](VSP,Vehicle Specific Power)对23号试验车在实际道路工况下的排放特性进行了分析，VSP的计算公式见式(3)。

VSP=v[1.1a+9.81(atan(sinθ) )+
0.132]+0.000 302×v3。

(3)

式中：v为车速；a为加速度；θ为坡度。

图9与图10示出不同VSP区间内CO与PN的排放因子。由图示可知，在VSP≤0 kW/t的区间内，CO与PN排放均较低，随着VSP值逐渐增大，CO与PN排放呈现出较为明显的增长趋势。由于VSP是结合车速与加速度的参数，VSP≤0 kW/t的区间所对应的工况主要为车速较低或加速度为负即减速工况，而VSP值越大，对应工况行驶状态越激烈，即车速较高且加速度较大的工况，在此类工况下CO与PN排放相对较高，与前文得出结论可相互印证。

图9 不同VSP区间内的CO排放因子

图10 不同VSP区间内的PN排放因子

2.4 起动状态对排放结果的影响

目前国六法规规定，RDE试验中需要去除冷起动阶段的排放，而发动机在冷起动阶段将产生大量的CO与PN排放。为了分析冷起动阶段排放对RDE试验结果的影响，以23号试验车为例，对比研究了RDE工况下包含冷起动过程与不包含冷起动过程两种情况下的排放。参照国六法规，将冷起动过程定义为RDE试验开始后冷却水温度达到70 ℃且不迟于5 min之前的时段。

表7列出不同工况下的排放因子对比。由表7可知，在WLTC的低速段与RDE冷起动过程中，CO、NOx与PN排放均相对较高，冷起动过程中的排放远高于全程；对比是否包含冷起动过程的两种情况下的RDE排放结果可知，在冷起动过程中CO排放与PN排放较高，是否包含冷起动过程将对RDE工况的排放结果，尤其是对CO与PN排放造成极大影响，包含冷起动过程的CO与PN排放因子分别是不包含冷起动过程的5.56倍与1.35倍。

表7 低速段与冷起动排放对比

在RDE工况的冷起动过程中，导致CO与NOx排放较高的原因主要是三元催化剂尚未达到起燃温度，不能正常工作，而在三元催化剂达到起燃温度后，CO与NOx排放迅速降低。对于PN排放，由于冷起动过程对排放的影响主要发生在低速段，本研究对比了WLTC循环低速段与RDE冷起动过程内PN的瞬态排放情况，结果见图11与图12。由图11与图12对比可知，在冷起动的初始阶段，PN排放迅速增加，主要是因为在冷起动的暖机过程中，缸内温度较低，燃油蒸发雾化较差，为了达到发动机起动的要求，需要提高喷油量，导致混合气浓度过高，混合气混合不均匀程度加剧，缸内混合气局部过浓将导致PN排放的偏高。同时可以发现，与WLTC工况相比，在RDE工况下，PN的瞬时排放量较高，且高PN排放的时刻主要发生于车辆加速过程。

图11 WLTC低速段PN瞬态排放

图12 RDE冷起动过程PN瞬态排放

3 结论

a) 国六轻型车在NEDC、WLTC与RDE工况下，CO与THC排放均较低，其符合性因子基本低于0.6，对于NOx排放，其符合性因子基本低于1.0；直喷汽油车的PN排放较高，尤其是RDE工况下，PN排放成为目前国六轻型车需要关注的重点；

b) 直喷汽油车在实际道路行驶工况下的PN排放与车速、加速度存在较强的相关性，PN排放主要集中于车速高于50 km/h且加速度大于0.5 m/s2的加速工况内，而在WLTC工况下，PN排放主要集中于低速段；

c) RDE工况下冷起动过程中车辆的CO与PN排放较高，是否包含冷起动过程将对RDE试验结果产生较大影响。