轻型车燃用汽油/天然气的高原道路排放特征

马志磊，何 超，刘学渊，李加强

(1.西南林业大学 机械与交通学院， 昆明 650224；2.云南省高校高原山区机动车环保与安全重点实验室， 昆明 650224)

在济南、廊坊、阳泉、重庆进行的城市道路实际行驶排放试验显示，原装汽油/天然气双燃料汽车在平原地区燃用天然气相比燃用汽油CO、CO2排放降低，但NOx排放增加了27%[12]。在天津进行的转鼓试验显示，平均车速为19、62.6 km/h的市区、市郊运转循环试验中，燃用天然气时的CO排放降低，但NOx排放较燃用汽油时高[13]。在北京进行的CNG出租车实际道路排放显示，机动车比功率(VSP)可以较好地反映汽车运行工况与排放的关系[14]。中国平均海拔为 1 000～2 000 m的国土约占中国陆地面积的1/3，但目前针对燃用天然气的汽车道路排放研究多在低海拔地区展开，且缺少高原实际道路环境下的高速、高负荷行驶工况排放对比研究。

为明确高原地区燃用汽油、天然气时的NOx、CO、CO2排放特性，以汽油/天然气双燃料汽车作为试验车辆，在海拔1 075、1 400、1 910 m的开远市、弥勒市、昆明市分别燃用汽油、天然气进行实际驾驶排放(RDE)测试，使用VSP分区的方法对排放数据进行处理，研究燃用汽油、天然气时不同VSP区间与不同海拔条件与排放的关系。

1 道路试验与数据处理方法

1.1 道路试验

参考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)》中规定的RDE试验方法(Ⅱ型试验)，由同一驾驶员驾驶一辆原装汽油/天然气双燃料轻型汽车，分别使用92号汽油、压缩天然气2种燃料，在海拔高度为1 000～2 000 m范围内的3个城市进行道路排放试验，以保证各试验中的驾驶习惯统一，试验车辆基本信息如表1所示。

表1 试验车辆基本信息

使用美国Sensors公司的SEMTECH设备作为便携式排放测试系统，在汽车排气管后方安装流量计测量排气并进行采样，该设备中的NOx模块使用不分光紫外线分析法测量排放中的NOx含量，FEM模块使用不分光红外分析法测量排放中的CO、CO2含量。使用GPS采集设备记录试验车辆地理位置、车速等数据，用于VSP中坡度、加速度等参数的计算。通过车载诊断接口OBD读取发动机CAN总线数据，记录发动机转速、负荷等数据，用于发动机历史工作状态参数ES(engine stress)的计算。试验前使用氮气对设备标零，使用混合气对NOx模块、FEM模块进行标定。试验设备安装位置如图1所示。

RDE试验按市区、市郊、高速道路的顺序依次进行，市区道路行驶时车速≤60 km/h，市区行驶里程占比34%；市郊车速在60～90 km/h范围，里程占比33%；高速车速≥90 km/h，里程占比33%。各里程占比允许有±10%的误差，但市区里程占比不得小于29%，各路段最小行驶里程为16 km[15]。

图1 试验设备安装位置示意图

开远市的市区试验道路为：建设东路、兴远北路、灵泉东路、市西中路、人民北路；市郊为：市西北路、开河高速；高速为：开河高速。弥勒市的市区试验道路为：髯翁路、环城西路、温泉路，市郊为：秀河线、广昆高速；高速为：广昆高速。昆明市的市区试验道路为：环城东路、环城北路、一二一大街、环城西路、环城南路、北京路；市郊为：沣源路、杭瑞高速；高速为：东绕城高速。

不同海拔地区的试验在3 d内完成。每天分别燃用油试、天然气完成1地的道路试验，首先燃用天然气完成1个RDE循环，然后改用燃烧汽油在相同的道路中完成另一个RDE循环。燃用汽油、天然气在各海拔地区的道路试验基本情况如表2、3所示。

表2 燃用汽油时的试验基本情况

表3 燃用天然气时的试验基本情况

1.2 数据处理方法

使用IVE(international vehicle emission)模型中引入的VSP、ES参数来反映汽车运行工况，以研究汽车不同工作状态与NOx排放的关系。VSP的物理含义为机动车瞬态输出功率与机动车质量的比值，单位为kW/t，VSP综合考虑了汽车为克服加速、坡度、滚动、空气阻力所需要提供的功率[16]，计算公式如下。

(1)

式中：v为汽车行驶速度(m/s);a为汽车瞬态加速度(m/s2);θ为坡度。

ES是表征发动机历史工作状态的无量纲参数，与发动机前20 s的工作状态、汽车行驶速度有关，计算公式如下。

ES=0.08×Average+RPMindex

(2)

式中：Average为发动机前25 s到前5 s的VSP平均值，kW/t;RPMindex为汽车行驶速度与速度分割常数的比值，速度分割常数由汽车行驶速度与VSP共同决定。若ES值高，则表明前一段时间汽车发动机负荷较高。

使用VSP、ES对汽车运行工况进行划分。将-80～1 000 kW/t范围内的VSP划分为20个区间，其中-1.6

划分完VSP区间后，使用式(3)计算各VSP区间行驶过程的NOx、CO、CO2排放速率。

(3)

式中：Ei为区间i内的排放速率(mg/s);ei, j为区间i内第j个数据点的排放速率(mg/s);ti为区间i内的数据点个数。

使用式(4)计算同属一个VSP区间的行驶过程的NOx、CO、CO2排放因子。

(4)

式中：EFi为区间i内的排放因子(mg/km);vi为区间i内的平均车速(km/h)。

得到各VSP区间的排放速率后，根据式(5)计算道路试验总行程的NOx、CO、CO2排放因子。

(5)

式中：EFtot为总行程的排放因子(mg/km);fi为区间i的分布频率;va为道路试验平均车速(km/h)。

2 VSP分布特征分析

根据ES划分得到汽车运行工况在低负荷、中负荷、高负荷区间的分布频率[17-18]如图2所示。各试验低负荷区间bin0～bin19的分布频率平均为95.31%，远高于中负荷区间bin20～bin39的分布频率，而高负荷区间bin40～bin59的分布频率均为0。

图2 各ES区间分布频率

汽车运行工况主要集中在低负荷区间中的bin0～bin19范围内，市区道路行驶时，bin9～bin14分布频率高于1%，如图3所示。其中bin11(-2.9 kW/t≤VSP<1.2 kW/t)、bin12(1.2 kW/t≤VSP<5.3 kW/t)在各试验中的分布频率平均为35.96%、38.22%，明显高于其他工况。bin11主要代表低速、低加速度的行驶工况。当行驶过程中出现急加速、车速上升的工况，VSP值相应升高。

总行程行驶过程中，bin9～bin15的分布频率高于1%，如图4所示。与市区道路行驶相比，加入了市郊、高速道路行驶，加速、高速行驶工况增加，使VSP较高的bin13(5.3 kW/t≤VSP<9.4 kW/t)等区间的分布频率明显上升。各试验bin11、bin12、bin13分布频率的平均值分别为25.38%、31.81%、21.18%，明显高于其他区间的分布频率，其中bin12的分布频率最高。可见，按照轻型车国六排放法规进行道路排放试验时，汽车运行工况主要分布在bin11～bin13所包含的VSP区间中。

图3 市区道路bin分布频率

图4 总行程bin分布频率

3 排放特征分析

为研究汽车主要的运行工况与NOx、CO、CO2排放的关系，将工况较为集中的VSP区间按照表4进行划分。因汽车运行工况主要集中在-2.9 kW/t≤VSP<9.4 kW/t范围内，将VSP<-2.9 kW/t的工况划分为1个区间；VSP≥9.4 kW/t的工况划分为1个区间；-2.9 kW/t≤VSP<9.4 kW/t范围内的工况细分为7个区间，使每个区间的分布频率大致相当。

表4 划分VSP区间

3.1 NOx排放特征

使用式(3)(4)计算各VSP区间的NOx排放速率、排放因子，得到各试验中VSP与NOx排放的关系，如图5所示。可看出各试验中的NOx排放速率与排放因子均有随VSP升高而增加的趋势。低海拔条件下，中、低VSP区间燃用天然气时的NOx排放较高，这与文献[12-13]中低海拔、低负荷工况试验得到的结果相符。高海拔条件下，中、低VSP区间燃用汽油时的NOx排放升高，与燃用天然气时相似。高VSP区间中，燃用汽油时的NOx排放上升迅速，超过或接近燃用天然气时的排放。

图5 VSP对NOx排放的影响曲线

在汽车排气管后方的流量计处测量得到排气温度，使用排气温度作为反映气缸内燃烧温度的参数。随着VSP升高，排气温度有上升的趋势(图6)，中、低VSP区间燃用天然气时的排气温度较高，燃用汽油时的排气温度在高VSP区间上升迅速，高于燃用天然气时的排气温度。燃用汽油与天然气时的NOx排放特征与排气温度的变化特征相似。

天然气汽化潜热较汽油低，且天然气以气体状态进入发动机进气道，而汽油在喷射后需要吸收一部分热量以在进气道内汽化，使燃用天然气时的燃烧起始温度较燃用汽油时高。由于燃用天然气时汽车动力性下降，在高VSP区间需要加大油门踏板位置以满足动力性需求(图6)，新鲜进气充量增加，降低了燃用天然气时的燃烧起始温度。以上因素综合作用，使中、低VSP区间燃用天然气时的排气温度较高，燃用汽油时的排气温度在高VSP区间上升迅速。

各VSP区间排气温度与NOx排放速率、排放因子的关系如图7所示。使用一元线性回归拟合排气温度与NOx排放速率、排放因子的关系，拟合函数为y=ax+b，排气温度为自变量，NOx排放为因变量，拟合结果如表5所示，排气温度与NOx排放的相关系数仅在弥勒燃用天然气的试验中稍低，主要受该试验中NOx排放因子在第6区间附近波动较大影响。其余试验的相关系数均高于0.95，可见在大部分试验中，排气温度与NOx排放速率、排放因子间呈现较好的线性相关关系。

图6 各VSP区间排气温度、节气门开度曲线

图7 排气温度与NOx排放的关系

表5 排气温度与NOx排放的拟合系数

使用式(5)计算得到各试验总行程的NOx排放因子，如图8所示。在1 000～2 000 m海拔范围，高海拔条件下，受缸内反应温度较高与火焰传播速度下降的影响，使缸内高温持续时间增加，NOx排放因子较高，随着海拔下降，NOx排放因子有下降的趋势。

低海拔条件下，燃用天然气时的NOx排放较燃用汽油高；高海拔时，因燃用汽油时的NOx排放在高VSP区间上升迅速，使总行程的NOx排放高于燃用天然气时的排放。因此，在高海拔条件下使用天然气作为汽车燃料能够减少NOx排放。

图8 各海拔试验的NOx排放因子曲线

3.2 CO排放特征

各试验中VSP与CO排放速率、排放因子的关系如图9所示。同一海拔条件下，燃用汽油时的CO排放速率与排放因子均高于燃用天然气时的排放。天然气以气态进入发动机进气道，与空气混合情况较好，且天然气的主要成分甲烷中只有一个碳原子，较汽油更容易被完全氧化。

图9 VSP对CO排放速率的影响曲线

各试验总行程的CO排放因子如图10所示。在1 000～2 000 m海拔范围内，高海拔条件下，进气中的氧气含量下降，使燃烧不完全，CO排放因子较高，随着海拔下降，CO排放因子有下降的趋势。在昆明市、弥勒市、开远市的试验中，燃用天然气时的CO排放因子分别较燃用汽油时低70.36%、80.86%、80.34%，平均降低了77.18%。

3.3 CO2排放特征

各试验中VSP与CO2排放速率、排放因子的关系如图11所示。可看出各试验中的CO2排放速率均有随VSP升高而增加的趋势。同一海拔条件下，由于天然气热值高于汽油，燃用汽油时的CO2排放速率与排放因子均高于燃用天然气时的排放。

图10 各海拔试验的CO排放因子

图11 VSP对CO2排放的影响曲线

各试验的CO2排放因子在第3区间最高，图12为各试验中VSP区间内的平均车速，可看出第3区间(0 kW/t≤VSP<1 kW/t)车速最低，其中VSP为0 kW/t时代表的是车速为0 km/h的怠速停车工况，由于怠速停车工况中持续产生CO2排放，但没有产生里程增量，使第3区间的排放因子上升。各试验CO2排放因子在第1区间中最低，因为该区间VSP为负值，包含了急减速、下陡坡等工况，发动机负荷最小，燃料消耗最少。

图12 各VSP区间节车速

各试验的CO2排放因子在第3区间之后呈逐渐下降的趋势，虽然随着VSP升高，发动机负荷升高，循环供油量上升，但随着车速上升，行驶档位升高，变速器传动比下降，单位行驶里程内的发动机工作循环次数减少，使排放因子呈下降趋势。高VSP区间CO2排放因子再次呈上升的趋势，高VSP区间包含了急加速、高车速、上陡坡工况，发动机负荷最大，由于第8、9区间的平均车速均高于60 km/h，基本使用最高档行驶，传动比固定的情况下，CO2排放因子随发动机负荷增大呈上升趋势。

各试验总行程的CO2排放因子如图13所示。在1 000～2 000 m海拔范围内，高海拔条件下的CO2排放因子较高，随着海拔下降，CO2排放因子有下降的趋势。在昆明市、弥勒市、开远市的试验中，燃用天然气时的CO2排放因子分别较燃用汽油时低26.23%、22.05%、18.69%，平均降低22.32%。随着海拔上升，进气密度下降，燃用汽油时，因充量减少使气体流动与油气混合效果变差，油耗上升，CO2排放因子升高。而天然气与空气更容易充分均匀混合，使燃用天然气时的燃料消耗随海拔的升高程度比燃用汽油时平缓。海拔越高，燃用天然气的CO2减排效果越明显。

图13 各试验的CO2排放因子

4 结论

1) 按照轻型车国六排放法规RDE试验要求进行道路排放试验时，汽车运行工况主要分布在bin11、bin12、bin13区间内，各试验分布频率的平均值分别为25.38%、31.81%、21.18%。

2) 在1 000～2 000 m海拔范围内，海拔较高时，燃用汽油、天然气时的NOx、CO、CO2排放因子较高，随着海拔下降，排放因子下降。

3) 在大部分试验中，NOx排放与排气温度呈现较好的线性相关关系。因天然气汽化潜热比汽油低，在中、低VSP区间行驶时，燃用天然气时的燃烧起始温度比燃用汽油时高，使燃用天然气时的NOx排放较高。在高VSP区间行驶时，由于燃用天然气时汽车动力性下降，需要通过加大油门踏板位置满足动力性需求，使新鲜进气充量增加，降低了燃用天然气时的燃烧起始温度，燃用汽油时的NOx排放超过或接近燃用天然气时的排放。

4) 在3个不同海拔的试验中，燃用天然气时的CO、CO2排放因子分别较燃用汽油时平均降低了77.18%、22.32%，且海拔越高，CO2减排效果越明显。高海拔条件下使用天然气作为燃料，在RDE试验工况下较燃用汽油时具有更好的NOx减排效果。