海拔對(duì)輕型柴油車實(shí)際駕駛排放的影響

馬志成， 付鐵強(qiáng)， 戴春蓓， 郭紅松， 王勃， 閆峰

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心， 天津 300300)

海拔對(duì)輕型柴油車實(shí)際駕駛排放的影響

馬志成， 付鐵強(qiáng)， 戴春蓓， 郭紅松， 王勃， 閆峰

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心， 天津 300300)

在青海省選擇海拔為1 900 m，2 200 m，2 400 m和3 000 m的4個(gè)環(huán)境點(diǎn)，對(duì)一輛輕型柴油車按照實(shí)際駕駛排放(RDE)測(cè)試要求進(jìn)行試驗(yàn)，并利用移動(dòng)平均窗口法處理數(shù)據(jù)，得到車輛實(shí)際駕駛排放數(shù)據(jù)。對(duì)車輛的排放結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估，并分析了海拔對(duì)排放的影響。結(jié)果表明：隨著海拔的增加，CO與PN排放先增加后減小，在2 400 m時(shí)出現(xiàn)最大值，NOx排放先減小后增加，在2 400 m處出現(xiàn)最小值；4個(gè)海拔點(diǎn)CO與PN排放值均低于法規(guī)限值，NOx排放值均高于法規(guī)限值，符合性系數(shù)分別為7.44，7.11，6.44，8。

輕型柴油車； 實(shí)際駕駛排放； 移動(dòng)平均窗口法； 排放測(cè)量

改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量呈指數(shù)型增長(zhǎng)，截至2016年6月底，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)2.85億輛。機(jī)動(dòng)車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展也給環(huán)境帶來(lái)了巨大的污染。針對(duì)日益嚴(yán)重的機(jī)動(dòng)車排放，各國(guó)都制定了嚴(yán)格的法規(guī)來(lái)加強(qiáng)對(duì)機(jī)動(dòng)車排放的監(jiān)管和控制。試驗(yàn)室檢測(cè)法是當(dāng)前車輛排放管理的主要措施，但是它只能測(cè)量在某些特定工況下(如NEDC，F(xiàn)TP75等)車輛的排放水平，而在實(shí)際道路行駛過(guò)程中，車輛的行駛工況千變?nèi)f化，再加上環(huán)境條件的差異，車輛的排放都是極其不同。研究表明，車輛的實(shí)際道路排放要比試驗(yàn)室測(cè)得的排放值高很多[1-3]。國(guó)際清潔交通委員會(huì)(ICCT)使用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)測(cè)量了15輛相當(dāng)于歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油乘用車實(shí)際道路排放，其中10輛采用SCR控制技術(shù)，4輛采用EGR控制技術(shù)，1輛采用LNT控制技術(shù)。研究報(bào)告指出，目前歐洲地區(qū)的歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)柴油車平均實(shí)際的氮氧化物排放水平高出歐Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)限值7倍多，15輛車中只有1輛采用SCR技術(shù)的柴油車實(shí)際排放滿足歐Ⅵ限值[4-5]。北京理工大學(xué)與中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院的葛蘊(yùn)珊、丁焰等人應(yīng)用PEMS測(cè)試了北京市車輛在實(shí)際道路上的污染物排放特征，結(jié)果表明實(shí)際道路上的排放明顯高于試驗(yàn)室認(rèn)證工況下的排放，空調(diào)的開(kāi)啟導(dǎo)致公交車的排放明顯惡化[6]。所以，有必要測(cè)量車輛實(shí)際駕駛排放(RDE)，RDE試驗(yàn)指利用PEMS測(cè)量車輛的實(shí)際道路排放。目前，《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》征求意見(jiàn)稿已經(jīng)發(fā)布，其中將RDE試驗(yàn)定為Ⅱ型試驗(yàn)。

歐洲平均海拔只有340 m，海拔在200 m以下的平原約占全洲總面積的60%。而中國(guó)海拔1 000 m以上的土地面積占全國(guó)陸地面積60%，3 000 m以上的占16%[7]。隨著機(jī)動(dòng)車保有量的不斷增長(zhǎng)，高海拔城市的機(jī)動(dòng)車排放總量和分擔(dān)率也不斷增加，所以在中國(guó)有必要考慮海拔因素對(duì)機(jī)動(dòng)車排放的影響。

綜上所述，本研究采用PEMS在不同海拔對(duì)一輛國(guó)Ⅴ輕型柴油車進(jìn)行RDE試驗(yàn)，得到車輛的實(shí)際駕駛排放數(shù)據(jù)，并分析海拔對(duì)其排放的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 測(cè)試車輛

本研究中使用的試驗(yàn)車輛為2014年生產(chǎn)的2.0 L渦輪增加手動(dòng)擋輕型柴油車，滿足國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，排放控制技術(shù)為DPF+EGR。試驗(yàn)燃油為95號(hào)(Ⅴ)汽油，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。該車在試驗(yàn)室轉(zhuǎn)鼓上的NEDC循環(huán)排放結(jié)果以及國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)限值見(jiàn)表2。從表中可以看出該車排放滿足國(guó)Ⅴ限值。

表1 試驗(yàn)用油相關(guān)參數(shù)

表2 NEDC循環(huán)排放結(jié)果及國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)限值

1.2 試驗(yàn)要求

按照《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》征求意見(jiàn)稿以及歐Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)中的要求，整個(gè)測(cè)試過(guò)程持續(xù)時(shí)間應(yīng)在 90～120 min之間，試驗(yàn)開(kāi)始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)之間的海拔差不得超過(guò)100 m。應(yīng)由外部電源為PEMS 供電，不能直接或間接從試驗(yàn)車輛獲取電能。車輛基本載荷應(yīng)包含駕駛員、試驗(yàn)人員(如適用)和試驗(yàn)裝備(包括安裝支架和電源設(shè)備等)，基本載荷和附加載荷的總和不超過(guò)車輛最大載荷的90%。

試驗(yàn)由市區(qū)、郊區(qū)和高速路段組成，且各自行駛里程均要大于等于16 km。市區(qū)行駛車速在60 km/h以下，市郊行駛車速在60～90 km/h之間，高速公路行駛車速大于90 km/h。行駛路線應(yīng)包括34%的市區(qū)路段、33%的市郊路段和33%的高速路段，上述各段行駛比例誤差應(yīng)控制在±10%以內(nèi)，但是市區(qū)路段的行駛比例不能低于總行駛距離的29%。在道路行駛試驗(yàn)中，市區(qū)行駛的平均車速(包括停車)應(yīng)在15～30 km/h之間。停車階段的定義是實(shí)際車速小于1 km/h的時(shí)段，至少應(yīng)占市區(qū)行駛時(shí)間的10%，市區(qū)行駛應(yīng)包含10 s 或更長(zhǎng)時(shí)間的停車階段，但停車階段不能過(guò)長(zhǎng)，總停車時(shí)間不能超過(guò)市區(qū)行駛時(shí)間的80%。高速段行駛至少應(yīng)覆蓋90～110 km/h的車速范圍，車速高于100 km/h的時(shí)間至少5 min。正常情況下，車速應(yīng)不超過(guò)145 km/h，在不超過(guò)高速公路段行駛時(shí)間3%的時(shí)間內(nèi)，最高車速最多可增加 15 km/h[8]。

1.3 測(cè)試設(shè)備

本次試驗(yàn)所用車載設(shè)備PEMS的氣體分析儀可以測(cè)量CO2，CO，NOx，HC；顆粒測(cè)量設(shè)備可以測(cè)量排氣中的顆粒物質(zhì)量以及顆粒物數(shù)量(PN)；GPS可以逐秒記錄車輛行駛過(guò)程中的地理位置、海拔和車速；氣象站可以記錄環(huán)境溫度以及相對(duì)濕度；PEMS還可以記錄車輛ECU中相關(guān)的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中，車輛尾氣經(jīng)排氣管進(jìn)入流量計(jì)(EFM)，測(cè)得尾氣的總流量和溫度等，再經(jīng)過(guò)流量計(jì)后的取樣孔進(jìn)入氣體分析儀與顆粒設(shè)備，分析得到排放數(shù)據(jù)。試驗(yàn)前要對(duì)設(shè)備進(jìn)行泄漏檢查、調(diào)零與標(biāo)定等，試驗(yàn)后要進(jìn)行漂移檢查。

氣體分析儀分別使用不分光紅外分析法(NDIR)測(cè)試CO，CO2，使用不分光紫外分析法(NDUV)測(cè)試NOx，使用氫火焰離子化檢測(cè)儀(FID)測(cè)試HC。由于高海拔地區(qū)壓力較低，氧濃度較小，F(xiàn)ID可能無(wú)法正常點(diǎn)火，所以此次試驗(yàn)不測(cè)量HC。進(jìn)行RDE試驗(yàn)前，先在試驗(yàn)室進(jìn)行了車載設(shè)備與CVS系統(tǒng)的比對(duì)試驗(yàn)，以確保后續(xù)RDE試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。比對(duì)試驗(yàn)采取串聯(lián)方式，尾氣先經(jīng)過(guò)PEMS再流經(jīng)CVS系統(tǒng)。表3列出車載設(shè)備與試驗(yàn)室CVS系統(tǒng)對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果。其中CO2，CO以及NOx排放相差都在6%以內(nèi)，PN相差78.35%。PN相差較大主要是兩套設(shè)備的稀釋系統(tǒng)以及PN的取樣位置不同造成的。車載設(shè)備在其流量計(jì)后直接采樣，再經(jīng)過(guò)稀釋10倍后送入分析儀；而CVS系統(tǒng)是在定容稀釋(稀釋后固定流量為10.4 m3/min，第一階段平均稀釋比為40.858，第二階段平均稀釋比為18.114)后再取樣，然后再經(jīng)過(guò)兩級(jí)稀釋(750倍)后送入分析儀。兩套設(shè)備的PN取樣點(diǎn)位置大概相差6 m。圖1為設(shè)備比對(duì)試驗(yàn)示意，圖2為RDE試驗(yàn)的示意。

表3 PEMS與試驗(yàn)室CVS系統(tǒng)比對(duì)結(jié)果

1.4 試驗(yàn)環(huán)境與工況

由于目前車載設(shè)備在3 000 m海拔以上時(shí)無(wú)法保證精度和正常使用，所以本試驗(yàn)海拔最高為3 000 m。在青海省選擇了4個(gè)海拔點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，分別為1 900 m，2 200 m，2 400 m和3 000 m。依照上述RDE試驗(yàn)的要求進(jìn)行試驗(yàn)。4個(gè)海拔點(diǎn)的試驗(yàn)環(huán)境見(jiàn)表4，其中平均溫度最大相差0.87 ℃，相對(duì)濕度最大相差1.2%，差別都很小。

圖1 設(shè)備比對(duì)試驗(yàn)示意

圖2 RDE試驗(yàn)示意

將4個(gè)海拔點(diǎn)試驗(yàn)的車輛速度以5 km/h的間隔分為24段，并統(tǒng)計(jì)各段的時(shí)間占比(見(jiàn)圖3)，各段相差最大為1.48%；將4個(gè)試驗(yàn)的加速度以0.25 m/s2的間隔分為14段，并統(tǒng)計(jì)各段時(shí)間占比，各段相差最大為2.99%(見(jiàn)圖4)。

從表4、圖3與圖4可以看出4個(gè)海拔點(diǎn)試驗(yàn)的環(huán)境溫度和環(huán)境濕度沒(méi)有太大差別，試驗(yàn)工況以及駕駛情況也幾乎相同，所以可以認(rèn)為4個(gè)試驗(yàn)的排放結(jié)果差異是由海拔高度的不同造成的。

表4 4個(gè)海拔點(diǎn)試驗(yàn)環(huán)境情況

圖3 4個(gè)海拔點(diǎn)試驗(yàn)速度分布

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次研究采用移動(dòng)平均窗口法處理車輛排放數(shù)據(jù)，得到車輛實(shí)際駕駛排放結(jié)果。移動(dòng)平均窗口法的具體原理可以參閱《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》征求意見(jiàn)稿。

圖4 4個(gè)海拔點(diǎn)試驗(yàn)加速度分布

2.1 實(shí)際駕駛排放的評(píng)估

表5列出了4個(gè)海拔點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果。定義符合性系數(shù)CF為排放結(jié)果與法規(guī)限值之比。

表5 4個(gè)海拔點(diǎn)試驗(yàn)污染物排放結(jié)果

CO排放的最大值為0.22 g/km，出現(xiàn)在海拔2 400 m時(shí)。各海拔下的CO排放均低于國(guó)Ⅴ限值，符合性系數(shù)CF分別為0.192，0.26，0.44，0.36。

PN排放的最大值為2.10×1010個(gè)/km，出現(xiàn)在海拔2 400 m時(shí)。由于試驗(yàn)車輛加裝了DPF，有效地捕集了尾氣中顆粒物，使得各海拔下PN排放均低于國(guó)Ⅴ限值，符合性系數(shù)CF分別為0.006 8，0.008 4，0.035，0.02。

NOx排放的最大值為1.44 g/km，出現(xiàn)在海拔3 000 m時(shí)。各海拔下NOx排放均高于國(guó)Ⅴ限值，符合性系數(shù)CF分別為7.44，7.11，6.44，8。該結(jié)論與國(guó)際交通委員會(huì)(ICCT)研究報(bào)告得出的結(jié)論相符合。

2.2 海拔對(duì)實(shí)際駕駛排放的影響

圖5示出不同海拔時(shí)CO，NOx和PN的排放。隨著海拔的增加，CO和PN排放出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，均在海拔2 400 m時(shí)達(dá)到最大值；NOx排放出現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，在海拔2 400 m時(shí)達(dá)到最小值。海拔由1 900 m升高到2 400 m時(shí)，CO和PN排放增幅分別為129.2%和414.7%，NOx排放降幅為13.43%。

圖5 不同海拔下車輛排放

隨著海拔增加，環(huán)境壓力降低，海拔1 900 m，2 200 m，2 400 m，3 000 m測(cè)得的平均環(huán)境壓力分別為80.96 kPa，77.41 kPa，75.99 kPa，70.87 kPa。壓力降低導(dǎo)致空氣密度減小，同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減小，發(fā)動(dòng)機(jī)處于缺氧狀態(tài)。有研究表明，隨著海拔升高，燃油消耗率增加，本次試驗(yàn)沒(méi)有直接測(cè)量油耗，但可以通過(guò)CO2的排放間接證明此說(shuō)法。海拔1 900 m，2 200 m，2 400 m，3 000 m試驗(yàn)的CO2排放分別為169.05，178.79，183.37，189.74 g/km。由于壓力降低，進(jìn)氣量減小，以及油耗的增加，共同造成了CO排放隨海拔增加而增加。燃燒溫度、氧氣濃度和反應(yīng)時(shí)間共同決定了NOx的生成。環(huán)境壓力降低導(dǎo)致氧含量減少，同時(shí)導(dǎo)致燃燒始點(diǎn)推遲，增加了預(yù)混合燃燒比例，燃燒持續(xù)期會(huì)縮短，最高燃燒溫度增加，但是同時(shí)也減少了反應(yīng)時(shí)間，幾者共同決定了NOx隨海拔升高而降低。顆粒生成條件是高溫缺氧，海拔的升高同時(shí)滿足了這兩個(gè)條件，所以PN隨海拔升高而升高[9-11]。從圖中可以看出海拔2 400 m是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。這是由于《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第五階段)》[12]中要求海拔高于2 500 m的條件下OBD系統(tǒng)可以中斷。經(jīng)確認(rèn)，海拔3 000 m時(shí)該試驗(yàn)車輛OBD系統(tǒng)中斷，EGR開(kāi)環(huán)不工作，導(dǎo)致NOx排放增加。廢氣中含有一定量的CO與顆粒物，無(wú)廢氣進(jìn)入氣缸又使CO與PN降低。

3 結(jié)束語(yǔ)

本試驗(yàn)按照《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》征求意見(jiàn)稿中的工況要求進(jìn)行了RDE試驗(yàn)，并使用移動(dòng)平均窗口法對(duì)車輛的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并評(píng)估排放結(jié)果。4個(gè)海拔點(diǎn)的車

輛實(shí)際駕駛CO與PN排放均滿足國(guó)Ⅴ限值，NOx排放均超出國(guó)Ⅴ限值，符合性系數(shù)CF分別為7.44，7.11，6.44，8。

隨著海拔高度增加，環(huán)境壓力降低，CO和PN排放出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在海拔2 400 m時(shí)達(dá)到最大值；NOx排放出現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，在海拔2 400 m時(shí)達(dá)到最小值。

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[編輯： 袁曉燕]

Effects of Altitude on Real Driving Emission of Light-duty Diesel Vehicle

MA Zhicheng, FU Tieqiang, DAI Chunbei, GUO Hongsong, WANG Bo, YAN Feng

(China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300, China)

The real driving emissions of a light-duty diesel vehicle at plateau areas of 1 900 m, 2 200 m, 2 400 m and 3 000 m in Qinghai province were tested and the collected data were processed with the moving average window method to form the emission data. The vehicle emission results were evaluated and the effects of altitude on emissions were analyzed. The results indicate that the CO and PN emissions first increase and then decrease with the increase of altitude and reach the peak at 2 400 m. However, NOxemissions first decrease and then increase and reach the minimum at 2 400 m. In addition, CO and PN emissions and NOxemissions in four areas are lower and higher than the regulated limits respectively and the conformity factors are 7.44, 7.11, 6.44 and 8.

light-duty diesel vehicle; real driving emission(RDE); moving average window method; emission measurement

2016-07-18；

2016-12-16

馬志成(1990—)，男，工程師，碩士，主要研究輕型汽車實(shí)際駕駛排放；mazhicheng0723@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.017

TK421.5

B

1001-2222(2017)04-0084-04