国Ⅵ轻型汽油车市区工况排放特性分析

李汉轲 韩飞 张秋菊 石烨楠

摘要：为了研究国Ⅵ轻型燃油车市区工况下的排放特性，选择一辆国Ⅵ汽油车，在建水市区利用PEMS在非高峰时段进行市区排放测试。结果表明：在市区工况下，随着速度增大，CO2排放降低，NO排放降低，燃油消耗降低，但CO排放会随着速度的增大呈先减小后增大的趋势；当VSP小于0时，CO2排放速率很小；当VSP大于0时，随着VSP的增大，CO2排放速率增大；市区工况下，车辆减速时CO2排放速率很低；当速度为定值时，随着加速度的增大，CO2排放速率可以达到极大值。

关键词：市区工况；国Ⅵ轻型汽油车；VSP；污染物排放

中图分类号：U4613  收稿日期：2024-04-08

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405031

1 前言

全球碳排放量的增加引发了一系列气候问题。随着国内车辆保有量的激增，汽车污染物排放已经成为空气污染的主要來源。我国相继出台了多项减排政策和排放法规[1]。以往的排放法规，轻型车排放测试一般基于实验室中的底盘测功机进行测试，一般都按照固定的测试循环曲线进行行驶。许多研究表明，实验室测试循环不能完全反映实际行驶情况下的运行工况，进而导致实验室排放结果与实际排放状况存在较大差异[2]。

车辆实验室测试和道路测试结果之间的差异取决于多种因素，其中最重要的是驾驶周期和道路负荷。在大多数研究中，在底盘测功机上进行的测试都涉及形式认可循环（NEDC-新欧洲行驶循环、WLTC-全球统一轻负荷测试循环、FTP-联邦测试程序），这些循环与实际道路测试不同。

Boya Zhou等[3]的研究表明，标准测试周期和路面载荷设定方法对燃料消耗量的影响较小，差异小于4%。在交通拥堵的情况下（平均车速低于25 km/h），油耗对车速的变化非常敏感。因此，建议在评估低速轻型汽车的燃油经济性和温室气体减排效果时，不能忽视实际驾驶条件。

Artur Jaworski等[4]在道路和实验室条件下对一辆混合动力汽车进行了相同行驶周期的测试，确定混合动力汽车在道路条件下的气体排放（四氯化碳、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物）和燃料消耗（能量）结果与底盘测功机在相同周期和3种阻力作用下的测试结果之间的有很大差异。

建水县位于云南省南部，海拔高度约1 400 m，处于高海拔环境下，氧气稀薄，气压较低，这使得发动机充气量减少，混合气浓度变大，燃烧经济性降低[5]。

2 测试方案

21 测试路线及环境

为了分析国Ⅵ轻型燃油车在市区工况下的排放特性，本研究选在建水城区进行试验。在制定试验路线的时候充分考虑交通流量、环境温度、环境湿度、海拔增量等。表1列出了测试过程中的环境条件。

表1 测试环境条件

[环境温度，℃ 19 环境湿度，% 578 气压，kPa 86.6 海拔高度，m 1 339 ]

22 测试车辆

本研究选择了一辆国Ⅵ轻型燃油车作为测试车辆，以研究国Ⅵ轻型车市区工况污染物排放特性。这辆车在燃料类型和排放标准方面具有普遍性和代表性。表2提供了测试车辆基本信息。

23 测试设备

本研究采用的测试设备是HORIBA OBS-ONE。OBS ONE配备了GPS和气象站，以监测驾驶条件和天气条件，包括速度、海拔、位置、环境温度、大气压和湿度。OBS ONE负责检测气态排放物，一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）是通过非色散红外探测器（NDIR）来测量的，一氧化氮（NO）和氮氧化物（NOx）是通过化学发光检测器（CLD）来测量的，总烃（THC）是通过加热火焰离子化检测器（HFID）来检测的，而发动机在工作状态下的参数则由车载诊断系统（OBD）来记录。所有排放数据和发动机参数都是实时收集的。

此外，所有测量设备均由24 V电池供电，并且所有数据校准后，所有分析仪的输出频率均设置为1 Hz。气态排放物CO、CO2、NO和NOx的测量范围分别是0%～10%、0%～20%、0～0.3%、0～0.3%，而颗粒物的测量范围是10 nm～25 [μ]m。测量精度分别达到了1×10-6、001%、1×10-7和1×10-7。每次测试前，便携式排放测量系统（PEMS）都会进行充分预热，并接受泄漏检查和功能检查。每个分析仪都会在每次测试前后进行归零和校准，以符合《中国排放标准Ⅵ》，确保测量结果的准确性。

24 数据质量控制

为确保实验结果的准确性，测试仪器在每次测试前都要预热60 min。此外，还使用高纯度氮气和各种标准气态污染物对仪器进行了归零校准，还根据每台仪器响应时间的差异，对其输出数据进行了时间同步校正。

25 数据处理

计算排放因子：通过瞬时排放量和累计行驶里程计算燃油车污染物排放因子，计算公式：

Mj=[n=irmj，n10?3Sn]

式中，Mj为基于距离的排放因子，g/km;j为污染物种类（CO2、NO）;m为污染物的瞬时排放量，g/s;n为某种操作模式的持续时间，s；S为累计行驶里程，km[6]。

计算车辆比功率：

VSP=v（11a+981sinθ+0132）+302×10-4v3

式中，v为车辆行驶速度，m/s;a为车辆行驶瞬时加速度，m/s2;θ为道路坡度[7]。

3 结果与讨论

31 数据描述

数据集的数量、质量和多样性对于排放特性研究十分重要。本研究采用PEMS收集到的9 000组机动车瞬时排放数据，数据集涵盖了驾驶特性、外部环境特性、发动机特性。每组数据的名称、最大值、最小值、平均值等信息如表3所示。

32 行驶速度对CO2排放的影響

为了分析车辆行驶速度对燃油车CO2排放的影响，本研究将速度划分为（0，10]，（10，20]，（20，30]，（30，40]，（40，50]，（50，60]6个区间，并分别计算其CO2排放因子，得出了CO2排放与车速的关系，如图1所示。可以发现，随着速度的增大，CO2排放呈降低的趋势。（0，10]速度区间的CO2排放是（50，60]速度区间的719倍。速度小于10 km/h时，频繁的停车和起动，发动机转速较低，缸内温度较低，燃料燃烧不充分，导致（0，10]区间内CO2排放较大[8]。

33 行驶速度对CO排放的影响

CO是含碳燃料燃烧过程中产生的主要中间产物。如果反应气体中氧气浓度足够高、温度足够高、化学反应时间足够长，CO就会氧化成CO2。因此，如果不具备这3个条件，就会产生CO排放。图2显示了车辆行驶速度对CO排放的影响。可以看出随着速度增加，CO排放呈递减的趋势，但是在（50，60]区间内会出现递增。造成这一现象的主要原因是，内燃机的燃烧过程在低速条件下发动机燃烧温度相对较低，燃烧不充分导致CO排放增大。随着速度的增大，发动机负载增加，混合气的浓度和空气流量也发生了相应的变化，燃烧效率升高，CO排放减少。当车辆高速行驶时，车辆阻力增大，导致CO增加。

34 行驶速度对NO排放的影响

当汽车发动机工作时，高温高压下使得空气中的氧气和氮气在电火花的作用下发生反应，生成NO[9]。由图3可知，六个速度区间，随着速度的增加，NO先减少后增加。NO的生成随温度呈指数函数变化。温度每提高100 k，NO的生成速率几乎翻一番。氧浓度增加也会提高NO的生成量。速度增大，进气量增加，NO会增加。

35 速度和加速度对CO2排放的耦合影响

为了研究驾驶特性对CO2排放的影响，本研究选择速度和加速度来表征驾驶特性。由图4可以看出，当加速度小于0时，即减速工况下，在每一个速度区间CO2排放速率都很低；CO2排放值在较大区域，是车辆在中低速中但加速度较大的情况。

36 VSP对CO2排放的影响

除了车速和加速度，VSP也是车辆行驶特性中排放的重要影响因素。其对国VI轻型汽油车二氧化碳排放率的影响有待研究。然而，与MOVES模型中通过VSP-bin对VSP的描述不同，本研究将VSP值视为独立点，并在图5中绘制了这些独立VSP点与CO2排放量之间的拟合曲线。通过PEMS测量收集的9 000多个VSP排放数据点进行抛物线拟合。结果如图6所示，CO2的排放率与VSP之间的关系呈现二次多项式特征。当VSP值大于0时，二氧化碳排放率随着VSP的增加而急剧增长。当VSP值小于0时，二氧化碳排放率先在[-10，0]区间内略有下降，然后缓慢上升。国VI汽油车拟合曲线的R2值平均达到055。这表明VSP对国VI汽油车二氧化碳排放的影响更稳定、更显著。

为了分析VSP分区与CO2排放的关系，本研究将VSP分为＜-10、[-10，-3）、[-3，0）、[0，3）、[3，6）、[6，9）、[9，12）、[12，15）、[15，20），9个区间，可以看出随着VSP分区的增大，CO2排放速率呈一直增大的趋势。因此机动车市区行驶时可以采取措施避免激烈驾驶或重载驾驶，以减少CO2排放。

4 结语

a在市区工况下，随着速度增大，CO2排放降低，NO排放降低，燃油消耗降低；CO排放随着速度增大，呈现降低后增加的趋势。

b当VSP值小于0时，CO2排放速率很小；当VSP值大于0时，随着VSP值的增大，CO2排放速率增大。

c市区工况下，车辆减速时CO2排放速率很低；当速度为定值时，随着加速度的增大，CO2排放速率可以达到极大值。

参考文献：

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[2]Suarez-Bertoa R，Astorga CImpact of cold temperature on Euro 6 passenger car emissions[J]Environmental Pollution， 2018，234：318-329

[3]Zhou B， He L， Zhang S，et alVariability of fuel consumption and CO2 emissions of a gasoline passenger car under multiple in-laboratory and on-road testing conditions[J]Journal of Environmental Sciences， 2023，125：266-276

[4]Jaworski A， Kuszewski H， Lew K，et alAssessment of the effect of road load on energy consumption and exhaust emissions of a hybrid vehicle in an urban road driving cycle—comparison of road and chassis dynamometer tests[J]Energies， 2023，16（15）：91-99

[5]Feng R， Li G， Zhao Z，et alControl strategy optimization of hybrid electric vehicle for fuel saving based on energy flow experiment and simulation[J]Journal of Cleaner Production， 2023， 420：36-43

[6]Jiang H， Zhang H， Zhao H，et alExhaust aftertreatment device-derived ammonia emissions from conventional and hybrid light-duty gasoline vehicles over different driving cycles[J]Journal of Hazardous Materials， 2023， 458：71-79

[7]Wei N， Jia Z， Zhao X，et alStandard environmental evaluation framework reveals environmental benefits of green light optimized speed advisory： A case study on plug-in hybrid electric vehicles[J]Journal of Cleaner Production， 2023， 404：53-59

[8]Gómez A， Fernández-Yá?ez P， Soriano J A，et alComparison of real driving emissions from Euro VI buses with diesel and compressed natural gas fuels[J]Fuel， 2021， 289：101-111

[9]Huang R， Ni J， Shi X，et alAssessing and characterizing the effect of altitude on fuel economy， particle number and gaseous emissions performance of gasoline vehicles under real driving[J]Proc SAE Technical Paper Series，2023

作者簡介：

李汉轲，男，1984年生，助理工程师，研究方向为整车测试技术。