累计正海拔增量对轻型汽油车实际行驶排放试验的影响

邹 杰,杜宝程,,岳大俊,陈凌建,徐划龙,张 力

(1.重庆大学 汽车工程学院，重庆 400044；2.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122)

机动车道路排放是大气污染的主要原因之一，特别是在大、中城市的主要干道污染尤为严重。中国汽车的保有量在2018年达到了2.4亿辆，并且连续多年产销量位居世界第一[1]。为了控制车辆排放以减少大气污染物的生成，国内于2017年引入了实际行驶排放测试程序，作为WLTC(world light duty test cycle)测试循环的补充试验。RDE(real driving emission)作为国六排放法规的Ⅱ型试验,用于检测和限制车辆在实际驾驶条件下的污染物排放量，已逐步在全国范围内实施。

近年来，国内外大量学者都开展了车辆实际行驶排放的测试研究。现有结论表明，RDE试验的污染物排放量与实验室使用WLTC循环的结果之间有显著差异，大多数的实际行驶试验结果远高于实验室标准测试程序[2-6]。此外，车辆实际行驶排放的测量结果可重复性较差。这是由于RDE试验的海拔条件[7]、环境温度[8]、交通状况[9]、驾驶行为[10]、道路坡度[11]及车辆起动状态[12]等测试因素不确定性较高，这些试验边界因素影响着RDE的测试结果。虽然国六排放法规中对一些试验边界做了较为详细的规定，但这些限制条件难以有效消除试验边界因素对车辆实际行驶排放测试的影响。特别是在中国西南地区，由于路面起伏较大导致测试路线的坡度变化较为明显，有必要深入探究坡度对在这些区域开展的RDE试验结果的影响。

现有研究中，Gallus等[13]使用便携式排放测试系统(portable emission measurement system, PEMS)在符合RDE测试要求的路线上检测了2辆柴油车排放特性，结果发现CO2和NOx的排放量与道路坡度呈良好的线性关系，坡度从0%～5%变化时，CO2与NOx排放物分别增加了65%～81%和85%～115%。里斯本大学Varella等[14]在葡萄牙里斯本的大都市区进行了RDE测试，发现车辆CO2排放峰值主要出现在速度为120～140 km/h且坡度在5%～10%之间的路段，NOx排放峰值主要出现在中速高坡度和高速中等坡度路段。长安大学孙文圃等[15]仿真模拟了高速公路纵坡段下柴油车的碳排放量，发现柴油车在上坡段的碳排放最为严重。在相关研究中，国内外学者主要关注坡度对柴油车实际行驶排放的影响，而对轻型汽油车的研究较少，并且未同国六法规联系起来，没有从累计正海拔增量这方面考虑其对车辆实际行驶排放的影响。

鉴于以上因素，笔者使用PEMS设备对1辆轻型汽油车在不同路线上进行多次RDE试验。分析过程中选取了累计正海拔增量作为坡度的特征指标，从路段和窗口2个方面研究了其对RDE试验结果的影响。

1 试验方案

1.1 试验车辆

试验所选的测试车辆为1辆满足国六排放标准的轻型自动挡汽油车，配有三元催化器排气后处理装置和汽油机颗粒捕集器，使用92号汽油，整备质量为2 060 kg，供油方式为缸内直喷，发动机排量2 L，最大功率180 kW，已行驶里程18 450 km。

1.2 试验设备

试验采用日本HORIBA公司生产的OBS-ONE便携式排放测试系统，对轻型汽油车在实际道路上行驶时产生的排放进行测试。该设备主要由气体分析模块、颗粒物计数模块、排气流量计、全球定位系统、气象站、电控单元和电源组成。试验设备安装见图1，实物图见图2。

1.GPS;2.气象站;3.OBS-ONE主要单元;4.气罐;5.附加排气管; 6.电源;7.控制电脑;8.紧急开关;9.OBD接口 图1 PEMS设备安装示意图Fig. 1 The installation instruction of PEMS

1.3 试验过程及路线

在重庆渝北区、江津区等地选取了4条路线，每条路线上进行了2次RDE试验。试验过程严格按照国六法规进行，所有路线的特征符合法规要求(累计正海拔高度增加量除外)。4条实际行驶路线如图3所示。

图3 试验路线Fig. 3 Experimental routes

2 数据处理

对采集到的试验数据进行各种参数的时间校正，按照法规要求剔除冷起动数据、试验过程中发动机熄火数据以及车速小于1 km/h数据，用移动平均窗口法对污染物排放因子进行计算。根据每个窗口的平均速度对窗口进行分组，市区窗口平均车速小于45 km/h，市郊窗口平均速度在45～80 km/h，高速窗口平均速度大于80 km/h。所有试验市区、市郊和高速窗口数量均占总窗口数的15%以上，试验完整性通过。每次试验50%以上的市区、市郊和高速窗口落在特性曲线的基本公差范围内，试验正常性通过。按照法规对RDE试验市区(速度小于60 km/h)、市郊(速度在60～90 km/h之间)和高速(速度大于90 km/h)路段的车辆动力学特性进行校验，也都符合要求。

累计正海拔高度增量是正道路坡度的积分，单位为m/100 km，反映了一条路线的总体上坡量的大小。累计正海拔高度增量通过以下步骤进行计算：首先检查车辆速度数据的完整性和海拔高度数据的完整性，对有错误的数据进行修正；接着计算海拔高度数据产生离散路径点及其相应插值海拔高度值，得到统一的空间分辨率(1 m)，并对每个离散路径点的高度数据进行光滑处理；最后对正道路坡度进行积分，并除以总里程得到累计海拔高度增量。

3 累计正海拔增量的影响

3.1 路线累计海拔增量信息

每条路线的市区、市郊、高速和总行程的累计海拔增量信息见表1。路线1的总行程累计正海拔增量比其他3条路线小，符合法规要求，路线2和路线3的总行程累计正海拔增量超过了法规限值。相比于路线1，路线2～4的总行程累计正海拔增量分别增加了37%，41%和34%。观察每条路线各路段的累计正海拔增量，发现4条路线的市郊和高速路段累计正海拔增量都符合法规要求，而路线2～4的市区累计正海拔增量远远超过法规限值，这也是导致路线2和3总行程累计海拔增量超过限值的原因。由图3可知，路线1的市区段选在了重庆江津区，路线2～4的市区段选在了重庆渝北区。而重庆渝北区属于主城区，相对于江津区其地势起伏较大，上下坡路面多，说明了累计正海拔增量可以较为准确地描述实际行驶路线的特征。

表1 路线的累计正海拔增量

3.2 路段累计正海拔增量对排放影响

图4 CO排放因子随vapos[95]和累计正海拔增量变化气泡图Fig. 4 Bubble chart of CO emission factor change with vapos[95] and cumulative positive elevation gain

图5 CO2排放因子随vapos[95]和累计正海拔增量变化气泡图Fig. 5 Bubble chart of CO2emission factor change with vapos[95] and cumulative positive elevation gain

图6 NOx排放因子随vapos[95]和累计正海拔增量变化气泡图Fig. 6 Bubble chart of NOxemission factor change with vapos[95] and cumulative positive elevation gain

图7 PN排放因子随vapos[95]和累计正海拔增量变化气泡图Fig. 7 Bubble chart of PN emission factor change with vapos[95] and cumulative positive elevation gain

3.3 窗口累计正海拔增量对排放影响

图8 CO排放因子随窗口vapos[95]和窗口累计正海拔增量变化气泡图Fig. 8 Bubble chart of CO emission factor change with window vapos[95] and window cumulative positive elevation gain

图9 CO2排放因子随窗口vapos[95]和窗口累计正海拔增量变化气泡图Fig. 9 Bubble chart of CO2emission factor change with window vapos[95] and window cumulative positive elevation gain

图10 NOx随窗口vapos[95]和窗口累计正海拔增量变化气泡图Fig. 10 Bubble chart of NOxemission factorchange with window vapos[95] and window cumulative positive elevation gain

图11 PN排放因子随窗口vapos[95]和窗口累计正海拔增量变化气泡图Fig. 11 Bubble chart of PN emission factor change with window vapos[95] and window cumulative positive elevation gain

由上面的分析可知，平坦路线的RDE试验可难以正确反映车辆在丘陵地区实际行驶排放的真实情况。另一方面，即使是全行程的累计正海拔增量在法规的限值之内，部分路段的累计正海拔增量也可能会存在大幅超过法规限值的情况，如果采用移动平均窗口法对RDE数据进行处理，则会出现窗口累计正海拔增量大幅超过1 200 m/100 km的情况，从而对RDE测试结果产生影响。由于污染物排放因子存在与行程动力学参数的相关性，因此可以对市区、市郊和高速路段的累计正海拔增量分段设限，同时可将路线的中低速路段的累计正海拔增量的设限更高一点，以便于在丘陵地区开展RDE试验。

4 结 论

3)平坦路线的RDE试验可能难以正确反映车辆在丘陵地区实际行驶排放的真实情况，并且即使全行程的累计正海拔增量在法规的限值之内，一些窗口累计正海拔增量也可能会大幅超过1 200 m/100 km，从而对RDE测试结果产生影响。建议对市区、市郊和高速路段的累计正海拔增量分段设限，同时可将路线的中低速路段的累计正海拔增量的设限更高一点，以便在丘陵地区开展RDE试验。