山路行驶的柴油车污染物排放特性试验

彭美春，廖清睿，王海龙，叶伟斌

（广东工业大学 机电工程学院，广州 510006，中国）

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）》[1]（以下简称国VI标准）在中国首次对轻型汽车规定了实际道路行驶排放(real driving emission, RDE)试验要求及排放限值，适用于型式检验、生产一致性检查与在用车符合性检查，是一革命性的进步。

RDE试验车辆运行条件包括：驾驶行为激烈程度、车辆载荷、道路坡度、海拔等均影响车辆排放。学者吴亮[2-3]在香港山区道路上开展车辆排放试验研究，发现山区道路的地形地貌影响车辆燃油消耗、一氧化碳(CO)、氮氧化物(nitrogen oxides, NOx)及碳氢化合物(hydrogen carbonite, HC)排放。学者孟雄[4]在重庆市区路段开展车载排放试验研究，发现上坡行驶时CO、NOx及HC排放比平路多，尤其在20-50 km/h车速区间增幅更明显，仿真分析发现NOx排放与路面坡度相关性较高。Barth M等[5-6]的研究表明，当机动车在坡度为3.76%的路面上行驶时，CO、HC、NOx的排放速率比同等车速下水平路面增加1倍。郑春燕等[7]研究城市道路坡度对机动车排放的影响，发现车速相同的情况下，道路坡度越大CO、NOx及HC质量排放速率越高。在大坡度路面，速度越高，NOx的质量排放率越高。另，相关研究表明载荷大小影响车辆排放特性[8-10]。Alam等[11]基于MOVE软件仿真计算公交车在某线路上运行排放，研究乘客数量差异对公交车排放的影响，结果显示公交车辆爬坡行驶时，载荷的变化对排放影响显著。于谦等[12]学者研究得出载荷会显著影响车辆行驶排放，排放在大载荷下比小载荷高出许多。

国VI标准中对RDE试验车辆运行条件的规定比较宽泛，如规定了试验起始点与结束点之间海拔落差不超过100 m，每100 km的正海拔增量不超过1 200 m；包括驾驶员与试验设备在内的总载荷不超过车辆最大载荷的90%等。但平路与坡路RDE差别大小，坡度与RDE的量化关系，车辆载荷，比如乘用车空载与50%的负载运行对RDE影响大小等没有答案，这些问题的答案有助于科学选择RDE测试车辆运行条件，有助于车辆排放控制技术的开发。目前山路路况下RDE研究报道较少，坡度与载荷对车辆排放综合影响试验研究更少见。

本文研究山路工况下坡度与载荷综合变化对柴油车排放的影响规律，在山路和平路下分别开展不同载荷下的车辆实际道路排放试验，采集车速、海拔、NOx和颗粒物数量(particle number, PN)排放浓度等数据，分析载荷、坡度与车辆输出功率的关系，分析坡度、载荷、输出功率对柴油车排放NOx和PN影响机理与规律。

1 试验方案

1.1 试验车辆与设备

选取SH6591A2D5型两厢式柴油乘用车作为测试车辆，具有 6速手动型变速箱，采用废气涡轮增压技术、电控高压共轨的燃油供给方式，配置了废气再循环(exhaust gas recirculation, EGR)、柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst, DOC)、柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter, DPF)系统，符合国V排放标准。该车辆其他技术参数如表1所示。该车车厢空间较大，满足车载设备安装要求，车辆满足研究目的要求。

表1 测试车辆主要技术参数与信息

采用美国SENSORS公司生产的SEMTECH-DS车载尾气分析系统测试NOx、CO、HC及CO2等气态排气污染物排放浓度，奥地利AVL公司制造的M.O.V.E PN便携式车载排放分析仪测量排气中的PN浓度，配备有全球定位系统(global position system, GPS)模块、温湿度计模块以及排气流量计模块等，可实时测量车速、海拔、湿度、温度、排气温度和排气体积流量等瞬时数据，数据采集频率为1 Hz。可对两套仪器导出的排放数据等进行时序校正。使用独立的电源系统为测试仪器供电。试验设备的安装连接如图1所示。

图1 试验设备的安装连接

1.2 试验线路与载荷设计

图2为山路试验路线，此路线为封闭循环，2次循环作为1次完整试验。试验路段概况：最大海拔落差85 m，单次试验行驶里程8.6 km，耗时25 min，平均车速20 km/h。该路线位于景区，全路段行驶车速规定不允许超过50 km/h，落在国VI标准RDE测试行程规范中的市区车速区段。设计3组载荷：第1组仅包含试验仪器、试验人员，不包含额外负载，称为空载山路试验；第2组增加250 kg负载；第3组再增加250 kg负载。试验车辆为两箱式乘用车，所有试验设备、加载的负载、试验人员均位于同一乘员舱中，最大载荷组设置到车辆最大允许载荷的约1/3，即500 kg。图3为平路试验路线，属于市区线路，总长约27 km，海拔差值不超过25 m。为与山路试验比较，平路试验车速低于40 km/h。平路试验设计了2组载荷：空载、加载500 kg。

图2 山路试验线路

图3 平路试验线路

2 山路行驶工况特征分析

2.1 海拔与车速曲线

图4所示为山路试验道路海拔(h)与车速(v)随时间(t)的变化。试验起始点海拔约75 m，最高处约为110 m，最低处约为25 m。受景区交通管制限制，加上路面坡度较大，测试车速基本不超过40 km/h，保持在10～40 km/h，位于RDE测试行程中的市区工况区段，行驶连贯，中途停车次数较少，2次试验线路循环车速分布相似，重复性较好。

2.2 车辆输出功率时间占比分布

图4 试验道路海拔、车速随时间变化

因该测试车辆车载诊断系统(on-board diagnostics,OBD)接口无法通讯读取发动机转速、扭矩等瞬时信息，为计算车辆输出功率，本论文根据测试车速、加速度等数据计算车辆质量比功率（vehicle specific power,VSP），即移动单位质量车辆所需的输出功率，与车辆质量相乘得出车辆输出功率(P)。参考孙凤[13]推导的轻型汽车VSP计算式，代入试验车辆的行驶阻力因数、滚动质量系数、车辆迎风面积、车辆质量、环境空气密度等相关参数值，得出车辆质量比功率为

式中：v为瞬时车速；a为车辆的瞬时加速度；Δh为单位时间海拔增量；d为单位时间行驶距离。

得出山路试验车辆P区间的时间占比分布，如图5所示。

图5 山路试验车辆功率分布

由图5可知：空载试验与两组加载试验的功率分布差异显著，加载250 kg与加载500 kg试验的功率分布特性差异不明显。

3 试验结果对比与排放特性分析

3.1 山路与平路行驶排放结果对比

山路与平路两种路况下车速相近。2种路况、3种载荷，共5组试验数据。以平均排放因子作为评价参数。经整理后得到5组试验NOx、PN平均排放因子结果，如图6所示。

图6 NOx与PN排放因子山路、平路对比

由图6可见：山路试验NOx排放明显大于平路，空载下高约20%，加载500 kg下高约74%，表明山路工况相比平路使NOx排放恶化。该试验车辆只匹配废气再循环(exhaust gas recirculation, EGR)，未匹配其它控制NOx排放后处理装置，NOx排放量取决于发动机工况与EGR对NOx生成的抑制效果，同样车速下山路工况相比平路需求功率增大，发动机循环喷油量增大，燃烧温度升高，分析认为这是导致山路较平路NOx排放量高的主要原因。

发现山路PN排放低于平路，空载下低约20%，加载500 kg下低约22%；山路试验载荷增大PN排放因子增加，每增加250 kg载荷，PN排放因子约增加1×109/km。山路相比平路PN排放下降，分析认为与颗粒物生成机理以及氧化催化转化器(diesel oxidation catalyst, DOC)及颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)的净化效果有关。同样车速下山路状态相比平路需求功率增大，发动机循环喷油量增大，燃烧温度升高，导致燃料热裂解生成的碳颗粒物量增多，但是排气温度升高，氧化催化转化器对颗粒物的氧化净化效果也加强，综合结果，山路情景下PN排放因子低于平路。

3.2 坡度与载荷对山路行驶排放影响分析

山路试验线路的坡度(λ)区间分布时间占比如图7所示。由图7可见： -8%至8%间坡度累计占比大于70%，平均坡度约6%。随着坡度的增大，其时间占比逐渐降低，大于12%与小于-12%的坡度占比较少。下文主要比较上下坡路段排放差异，以及分析0～8%上坡路段坡度对排放的影响。

图8所示为山路试验车辆NOx、PN排放浓度与坡度的关系统计结果。从图8可见，上坡路段的NOx、PN排放浓度均高于下坡路段；0～8%上坡路段随着坡度的增加，NOx排放浓度升高约1倍以上，PN排放浓度升高约20%～60%；载荷增大NOx、PN排放浓度均升高。分析原因认为是坡度增大、载荷增大，要求的输出功率增大，柴油机循环喷油量增大，燃烧温度增大，混合气局部容易缺氧，使得NOx、PN生成量均上升。

图7 时间占比沿坡度分布

图8 NOx、PN排放浓度沿坡度分布

坡度大于8%后，随坡度增大NOx与PN排放浓度上升趋势变缓，继而下降，其原因认为与后处理净化技术相关。坡度增大随发动机功率增大，排气温度也升高，使得该试验车辆配置的DOC对排气中一氧化氮( NO)的氧化效果加强，较多的NO氧化为二氧化氮( NO2)，NO2与布置在DOC下游的DPF中过滤的颗粒物发生氧化反应，消耗颗粒物与NO2。综合效果，道路坡度大于8%以后，随坡度增大PN与NOx排放浓度上升变缓，或者有所下降。

道路坡度从0增大到8%，导致的NOx、PN排放升高率显著大于载荷增加250、500 kg带来的NOx、PN排放升高率。

3.3 基于功率、坡度的污染物排放速率分布特性

图9、10分别为山路试验基于车辆输出功率、坡度的NOx、PN排放速率统计分布图。可见，随着载荷的增加，相同坡度区间的功率覆盖范围逐渐变广。

图9 基于功率-坡度的NOx排放速率分布

图10 基于功率-坡度的PN排放速率分布

由图9、10可见：中高NOx、PN排放速率主要出现在 [10,40]kW区域范围，一些下坡行驶负功率区PN排放速率也较高。坡度增大，PN排放速率升高。空载试验下NOx、PN高排放速率点相对最少，分布范围较窄。加载使得NOx、PN中高排放速率点增多，分布范围拓宽，载荷越大，高排放速率区域越多，排放速率值越大。

4 结 论

进行了配置EGR+DOC+DPF的排放控制技术的国V柴油车辆，山路实际道路行驶排放RDE试验研究。遂得出以下结果结论：

1） 在平均坡度6%山路上，NOx排放因子明显大于平路试验的20%以上，PN排放因子低于平路约20%；

2） 0～8%坡度范围内，随坡度增大，NOx与PN排放浓度增加。坡度进一步增大，NOx、PN排放浓度上升变缓慢甚至下降。

3） 随着载荷增大，NOx与PN排放逐渐升高，且高排放速率点分布区域更广。

研究成果可为RDE测试设置测试车辆运行条件提供本参考。