輕型柴油車實際行駛排放特性的研究?

楊正軍，付秉正，尹 航，譚建偉，周小燕，葛蘊珊

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081； 2.北京電動車輛協同創新中心，北京 100081；3.中國環境科學研究院，北京 100012)

輕型柴油車實際行駛排放特性的研究?

楊正軍1，2，付秉正1，2，尹 航3，譚建偉1，2，周小燕1，2，葛蘊珊1，2

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081； 2.北京電動車輛協同創新中心，北京 100081；3.中國環境科學研究院，北京 100012)

根據歐盟最新制定的實際行駛排放RDE試驗規程，使用便攜式車載排放測試系統對兩輛分別滿足歐IV和歐VI排放標準的柴油轎車進行了實際行駛排放試驗。結果表明：車輛RDE試驗NOx排放因子是實驗室認證循環NEDC的6.8～7.7倍，且NEDC，FTP75與WLTC循環和RDE試驗中的NOx符合性因子(0.71～7.09)均大于CO符合性因子(0.11～0.63)；NOx瞬時排放率隨加速度的增大而升高；市郊和高速公路工況下，NOx瞬時排放率在車輛加速度超過NEDC循環工況的最大加速度時達到峰值。因此在制定RDE法規時，應重點關注輕型柴油車的NOx排放。

輕型柴油車；實際行駛排放

前言

隨著經濟與社會的發展和居民生活水平的提高，我國機動車數量劇增，民用汽車擁有量至2014年已達1.46億輛__[1]，由機動車造成的污染問題日益受到關注[2-4]。當前，世界各國法規規定輕型車的排放試驗均需按照特定循環在實驗室轉鼓上進行[5]。相關研究[6-11]表明，單一測試循環不能完全覆蓋實際行駛工況，柴油車的實驗室與實際道路排放測試結果可能存在較大差異。歐盟委員會在“汽車2020行動計劃”和“歐洲清潔空氣計劃”中宣布，將在歐VI排放標準修訂過程中，附加一個由歐盟聯合研究中心牽頭開發的“輕型車實際駕駛排放(RDE-LDV)”測試程序，作為實驗室循環的補充[12]。2015年9月爆出的柴油車“排放門”事件，使歐盟加速了這一進程。

目前，國外有關RDE的研究已取得了一定進展，文獻[13]中分析了約150輛乘用車的RDE測試結果，發現被測車輛CO和HC排放均低于法規限值，但柴油車NOx普遍超標嚴重，最高可達限值的4.8倍。文獻[14]中分別對3輛通過FTP-75認證循環測試的柴油車進行了5次按預定路線的車載排放試驗，使用CO2移動平均窗口法對數據進行處理，發現其中2輛車的實際道路NOx排放分別達到USEPA Tier2-Bin5的15～35倍和5～20倍。文獻[15]中按照歐盟RDE測試規程及相應兩種數據處理方法進行案例研究，發現使用功率等級分組法計算所得NOx排放結果較CO2移動平均窗口法低15%。國內相關科研機構利用PEMS開展的實際行駛排放試驗主要集中在重型柴油車[16-20]和輕型汽油車[21-24]，有關RDE的探討尚處于起步階段。驗證輕型柴油車實際行駛排放特性是評價城市機動車污染物排放、并進行有效控制的基礎，為此，本文中選取了2輛滿足不同排放標準的在用輕型柴油車，使用便攜式車載排放測試系統，按照RDE測試規程進行了實際行駛排放試驗。

1 試驗方法

1.1 試驗設備與測試車輛

試驗用PEMS設備為Horiba公司的OBS-2200車載氣態排放污染物分析系統，主要由主分析單元、尾氣流量計、全球衛星定位系統(GPS)接收器和溫濕度儀組成。主分析單元分別采用不分光紅外法(NDIR)測定CO和CO2濃度，氫火焰離子化檢測器(FID)測定THC濃度，化學發光探測法(CLD)測定NOx濃度。尾氣流量計可測量排氣體積流量，GPS接收器可逐秒提供測試車輛的行駛速度和海拔等信息。PEMS設備在被測車輛上的安裝見圖1。

選取的2輛在用輕型柴油車分別滿足歐Ⅳ和歐Ⅵ排放法規要求，車輛主要技術參數如表1所示。

1.2 試驗路線選擇

試驗選擇工作日在北京市大興區和通州區進行，GPS記錄的實際行駛路線見圖2，包含了市區(亦莊經濟開發區)、市郊(六環路至京津高速)和高速公路(京津高速至六環路)3種工況，行駛方向用箭頭標示。

圖1 PEMS安裝示意圖

表1 測試車輛主要技術參數

圖2 試驗線路

RDE規程要求的速度范圍和里程份額如表2所示，為較完整地覆蓋各種駕駛工況，試驗車輛依次在市區、市郊和高速公路3種道路上連續行駛，每個速度區間應至少行駛16km，試驗總時長控制在90～120min，開始點和結束點的海拔高差不得超過100m。

表2 各區間的速度范圍及里程份額

1.3 數據處理

1.3.1 CO2移動平均窗口法

由于OBS-2200不具備自動數據對正功能，所以首先須對試驗過程中記錄的污染物濃度、排氣質量流量、車速和其他瞬態數據在Excel表格中進行時間對正，以獲取在同一時刻產生的各項參數，然后參照文獻[25]計算各氣態排放物的瞬時排放率。

根據歐盟RDE法規的規定，應使用CO2移動平均窗口法(moving averaging window，MAW)對瞬時排放數據進行處理，現以A車為例，簡述計算過程。在該車RDE試驗獲得的CO2連續排放曲線上，從最后1s(或第1s)開始以1Hz的頻率(為清晰起見，僅顯示1 850s數據)，以該車WLTP的Ⅰ型試驗CO2排放量的一半(MCO2，ref＝2044.56g)作為參考從后向前(或從前向后)確定窗口大小并劃定若干窗口。圖3中的點劃線標示了MCO2，ref的大小，兩條斜線分別代表第200和第1 000個窗口內隨時間累積的CO2排放量，對應兩組虛線包括的范圍即為兩個CO2窗口。根據劃分完成的窗口可得到各窗口氣態排放物的排放因子和平均車速。

圖3 A車窗口計算示意圖

此外，為驗證RDE試驗的完整性和正常性，應采用“CO2特性曲線”對所得窗口進行評估。圖4中P1，P2和P3點的參數由該車Ⅰ型試驗WLTC循環低速段、高速段和超高速段的平均車速及CO2排放因子確定，3點連線即組成該車的CO2特性曲線，不規則曲線由A車RDE試驗得到的3 748個CO2窗口在坐標圖中對應的點組成。窗口平均車速按45和80km/h劃分為市區、市郊和高速公路，若上述3類窗口數量分別至少占總窗口數量的15%以上且分別至少有50%的窗口落在特性曲線定義的基本公差(±25%)范圍內，則完整性和正常性驗證通過。

基于各窗口的數據，可得到3個速度區間污染物排放因子的均值。按照標準規定，使用CO2移動平均窗口法計算前應將法規中定義的冷起動、零車速和發動機熄火時的數據剔除。

圖4 A車CO2特性曲線

CO2移動平均窗口法的優點是可從一組完整的行程排放數據中獲得大量窗口，并將每個窗口視作代表一定基本特征的小循環，繼而分別計算每個小循環內各污染物的排放因子，從而估計總行程排放因子的統計分布。窗口的尺寸越大(持續時間越長)，則窗口化的數據計算越平滑、穩定[26]。

1.3.2 符合性因子

每一種污染物排放因子與試驗車輛對應法規限值的比值定義為符合性因子(conformity factor，CF)，則

式中：CFj為j排放物的符合性因子；Ei，j為i試驗(包括NEDC，FTP75，WLTC和RDE)中j排放物的排放因子，mg/km；Enorm，j為適用法規規定的j排放物限值，mg/km。

2 結果與分析

2.1 RDE與各循環工況試驗結果對比

A和B兩車均通過了完整性和正常性驗證，因此，可使用實際道路上得到的數據計算RDE排放因子，并與實驗室循環工況排放結果進行對比。試驗車分別在轉鼓上進行了NEDC[27]，FTP75[28]和WLTC[29]試驗，上述3種循環和RDE污染物排放結果見圖5。

可以看出，各工況THC排放因子較低且基本接近，NEDC循環的CO排放因子高于其他循環和RDE試驗，可能原因是CO在冷起動階段排放較多(缸內溫度低造成燃燒不良，DOC未達起燃溫度等)，且相對于FTP75和WLTC，NEDC循環行駛距離最短，RDE計算將冷起動數據剔除，這也是NEDC循環THC排放因子稍高的原因。A和B兩車RDE試驗NOx排放因子都較高，分別是認證循環NEDC的6.8和7.7倍，其中B車RDE試驗NOx排放因子是WLTC循環的5.7倍，而A車兩者的結果接近。

圖5 測試車輛污染物排放分布

2.2 符合性分析

兩車各循環和RDE試驗的符合性因子見表3，歐IV和歐VI法規均未單獨規定THC標準限值，而是規定了THC+NOx的限值，故未計算THC符合性因子。

表3 循環及RDE試驗污染物符合性因子

由表可見，A和B兩車各循環及RDE試驗的CFNOx及CFTHC+NOx均大于CFCO，且RDE試驗的NOx及THC+NOx排放因子均顯著高于適用法規限值，甚至達到限值7倍以上。與NOx和CO相比，兩車的THC排放因子都非常低，所以THC+NOx超過限值主要原因是NOx排放過高。

為進一步分析速度對RDE試驗符合性因子的影響，計算兩試驗車不同速度區間CO和NOx的符合性因子，結果如圖6所示。

圖6 試驗車輛不同速度區間CO及NOx符合性因子

可以看出，各速度段CFCO均小于1，且市區CFCO最高；各速度段CFNOx均大于1，且隨速度的增加而升高。對于兩輛試驗車，市區工況對總行程CO排放分擔率最高，高速工況對總行程NOx排放分擔率最高。

綜上所述，對于試驗用柴油車，RDE試驗中排放超標的風險主要來自于NOx。

2.3 加速度對NOx排放的影響

為了進一步分析加速度對NOx瞬時排放率的影響，將機動車加速度a分為7個區間，如表4所示。同時，為避免速度干擾，仍然按照3種不同行駛工況(市區、市郊和高速公路)，分別對兩車加速度與NOx瞬時排放率的關系進行分析，結果見圖7。

表4 加速度區間劃分

由圖可見，兩車NOx瞬時排放率整體上隨車速的增加而升高。市區工況下，瞬時排放率隨加速度的變化幅度較小；在市郊和高速公路工況下，車輛處于勻速和減速行駛狀態時，瞬時排放率隨加速度的增加而緩慢升高，加速行駛時，瞬時排放率隨加速度的增加呈現快速升高的趨勢。

圖7 NOx瞬時排放率隨加速度的變化

以A車為例，將RDE試驗加速度與NOx瞬時排放率進行對照分析，見圖8。可以看出，在市郊和高速公路工況下，加速會使NOx排放出現峰值，且這些峰值基本出現在行駛加速度超過NEDC最大加速度(圖8中橫線)的時刻，雖然這些峰值的持續時間非常短，但最大值可達0.27g/s，對RDE試驗排放因子貢獻較大。主要原因是：(1)在行駛到車流量較大且有車速限制的路段時，試驗人員為在有限行駛距離和時間內達到規程對里程份額和速度的要求，需要不斷加減速，高負荷工況下，可燃混合氣加濃，燃燒油量增加，缸內燃燒溫度升高，使NOx原始排放升高[30]；(2)被測車輛的實驗室測試循環為NEDC，汽車制造商基于NEDC循環對排放系統進行的標定未能覆蓋實際工況中加速度較大的情況，致使加速度超過NEDC最大加速的時刻NOx瞬時排放明顯偏高。

圖8 A車全行程NOx瞬時排放率隨加速度的變化

3 結論

(1)試驗用輕型柴油車轉鼓測試循環和RDE試驗的THC排放因子基本接近，且維持在較低水平，NEDC循環的CO排放因子高于其他工況，RDE試驗NOx排放因子與實驗室認證循環差異較大，是NEDC循環的6.8～7.7倍。

(2)A和B兩車各循環和RDE試驗的CFNOx及CFTHC+NOx均大于CFCO，且實際道路行駛工況特別是高速高負荷工況下，試驗車輛NOx排放嚴重超過法規限值，應對NOx實際道路排放予以重點關注，制定有針對性的相關規定。

(3)市郊和高速公路工況下，NOx瞬時排放率的峰值大多出現在加速度大于NEDC循環最大加速度的時刻。

(4)在滿足實驗室測試排放法規限值的基礎上，應進一步擴大排放系統標定范圍，才能有效降低實際道路排放。

[1] 中華人民共和國國家統計局.中國統計年鑒2015[M].北京：中國統計出版社，2015.

[2] 中華人民共和國環境保護部.中國機動車污染防治年報：2015年度[R].北京：中華人民共和國環境保護部，2016：1-5.

[3] WANG G，BAIS，OGDEN JM.Identifying contributions of onroad motor vehicles to urban air pollution using travel demand model data[J].Transportation Research Part D：Transport and Environment，2009，14(3)：168-179.

[4] 黃志輝，湯大鋼.中國機動車有毒有害空氣污染物排放估算[J].環境科學研究，2008，21(6)：166-170.

[5] MERKISZ J，FUC P，LIJEWSKIP，et al.The comparison of the emissions from light duty vehicle in on-road and NEDC tests[C]. SAE Paper 2010-01-1298.

[6] WEISSM，BONNEL P，HUMMEL R，et al.On-road emissions of light-duty vehicles in Europe[J].Environmental Science＆Technology，2011，45(19)：8575-8581.

[7] VOJTISEK-LOM M，FENKLM，DUFEK M，et al.Off-cycle，realworld emissions ofmodern light duty diesel vehicles[C].SAE Paper 2009-24-0148.

[8] PATHAK SK，SOOD V，SINGH Y，et al.Realworld vehicle emissions：their correlation with driving parameters[J].Transportation Research Part D：Transport and Environment，2016，44：157-176.

[9] WEISSM，BONNEL P，KüHLWEIN J，et al.Will Euro 6 reduce the NOxemissions of new diesel cars?-Insights from on-road testswith portable emissionsmeasurement systems(PEMS)[J]. Atmospheric Environment，2012，62：657-665.

[10] CARSLAW D C，BEEVERSSD，TATE JE，et al.Recent evidence concerning higher NOxemissions from passenger cars and light duty vehicles[J].Atmospheric Environment，2011，45(39)：7053-7063.

[11] LEE T，PARK J，KWON S，etal.Variability in operation-based NOxemission factorswith different test routes，and its effects on the real-driving emissions of light diesel vehicles[J].Science of The Total Environment，2013，461：377-385.

[12] WEISSM，BONNEL P，HUMMELR，etal.A complementary emissions test for light-duty vehicles：Assessing the technical feasibility of candidate procedures[J].European Commission，Joint Research Centre：Ispra，Italy，2013.

[13] MERKISZ J，PIELECHA J，BIELACZYCP，etal.Analysisof emission factors in RDE testsaswell as in NEDC and WLTC chassis dynamometer tests[C].SAE Paper 2016-01-0980.

[14] THOMPSON G J，CARDER D K，BESCH M C，et al.In-use emissions testing of light-duty diesel vehicles in the united states [R].Morgantown，WV：West Virginia University.Center for Alternative Fuels，Engines and Emissions(CAFEE)，2014.

[15] VLACHOS T G，BONNEL P，WEISSM，et al.Evaluating the real-driving emissions of light-duty vehicles：a challenge for the european emissions legislation[R].Vienna：36 Internationales Wiener Motorensymposium，2015.

[16] 郭佳棟，葛蘊珊，譚建偉，等.國Ⅳ公交車實際道路排放特征[J].環境科學研究，2014，27(5)：477-483.

[17] 吳曉偉，彭美春，方榮華，等.基于PEMS的柴油公交車排放測試分析[J].環境科學與技術，2012(1)：31.

[18] 王燕軍，吉喆，尹航，等.重型柴油車污染物排放因子測量的影響因素[J].環境科學研究，2014(3)：2.

[19] 胡志遠，秦艷，譚丕強，等.國Ⅳ柴油公交車上海市道路NOx和超細顆粒排放[J].同濟大學學報(自然科學版)，2015，43 (2)：286-292.

[20] YAO Z，WU B，WU Y，etal.Comparison of NOxemissions from China III and China IV in-use diesel trucks based on on-road measurements[J].Atmospheric Environment，2015，123：1-8.

[21] 王愛娟，葛蘊珊，譚建偉，等.北京市出租車實際道路行駛特征與排放特性的關系研究[J].北京理工大學學報，2010，30(8)：891-894.

[22] 黃小偉.廣州市輕型車車載排放測試研究[J].資源節約與環保，2013(7)：85-86.

[23] 雷偉.武漢市道路輕型車行駛工況與排放特性研究[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[24] 葛蘊珊，王愛娟，王猛，等.PEMS用于城市車輛實際道路氣體排放測試[J].汽車安全與節能學報，2010，1(2)：141-145.

[25] 許建昌.車輛道路實際排放特征研究及應用[D].武漢：武漢理工大學，2006.

[26] JOHNSON T.Vehicular emissions in review[J].SAE International Journal of Engines，2014，7(3)：1207-1227.

[27] European Commission.(EC)No715/2007 type approval ofmotor vehicleswith respect to emissions from light passenger and commercial vehicles(Euro5 and Euro6)and on access to vehicle repair and maintenance information[S].http：//eur-lex.europa.eu/ legal-content/EN/TXT/PDF/?uri＝CELEX：32007R0715＆qid＝1467288216422＆from＝en.

[28] U.SEnvironmental Protection Agency.Control of air pollution from motor vehicles：tier 3 motor vehicle emission and fuel standards [S].https：//www.gpo.gov/fdsys/pkg/FR-2014-04-28/pdf/ 2014-06954.pdf.

[29] United Nations Economic Commission for Europe.ECE/TRANS/ 180/Add.15 global technical regulation No.15(worldwide harmonized light vehicles test procedure)[S].http：//www.unece.org/ fileadmin/DAM/trans/main/wp29/wp29r-1998agr-rules/ECETRANS-180a15e.pdf.

[30] 劉巽俊.內燃機的排放與控制[M].北京：機械工業出版社，2005：28-39.

A Research on the Real Driving Emission Characteristics of Light-duty Diesel Vehicles

Yang Zhengjun1，2，Fu Bingzheng1，2，Yin Hang3，Tan Jianwei1，2，Zhou Xiaoyan1，2＆Ge Yunshan1，2
1.School ofMechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081；2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing，Beijing 100081；3.Chinese Research Academy of Environmental Science，Beijing 100012

The real driving emissions from two diesel vehiclesmeeting Euro-IV and Euro-VIemission regulations respectively aremeasured using portable emission measurement system in accordance with real driving emissions(RDE)procedure newly formulated by EU.The results show that the NOxemission factors of two vehicleswith RDE procedure are 6.8～7.7 times as high as thosewith laboratory certification cycle NEDC，and the NOxconformity factors(0.71～7.09)with NEDC，FTP75 and WLTC cycles and RDE procedure are all larger than those of CO (0.11～0.63).The instantaneous emission rate of NOxriseswith the increase of vehicle acceleration and under the suburban and motorway conditions，peaks in instantaneous emission rate of NOxappear whenever vehicle acceleration exceeds themaximum acceleration in NEDC cycle.Accordingly particular attentions should be paid on the NOxemission of light-duty diesel vehicles in formulating RDE regulation.

light-duty diesel vehicles；real driving em issions

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.05.002

?國家自然科學基金(51276021)、科技部大氣專項(2016YFC0208005)和青海省科技項目(2013-J-A4)資助。原稿收到日期為2016年7月20日，修改稿收到日期為2016年8月16日。

付秉正，碩士研究生，E-mail：fubingzheng1991＠163.com。