輕型汽車實際道路行駛與實驗室工況污染物排放對比研究

朱慶功，楊正軍，溫 溢，周 猛

(中國汽車技術研究中心，天津 300300)

輕型汽車實際道路行駛與實驗室工況污染物排放對比研究

朱慶功，楊正軍，溫 溢，周 猛

(中國汽車技術研究中心，天津 300300)

選擇6輛滿足國Ⅳ、國Ⅴ排放標準的輕型汽油車和柴油車進行了在WLTC和NEDC循環工況下的試驗室排放試驗，并對其中的4輛車按照RDE測試規程進行了實際道路排放測試。結果表明：在實際道路行駛條件下，汽油車CO和柴油車NOx排放嚴重超過標準限值，高排放主要出現在車速大于60km/h的郊區和高速公路段，瞬時排放量會隨著車速和加速度的升高而增大；部分汽油車在WLTC工況的超高速段中出現了很高的CO排放，而WLTC工況THC的排放則小于NEDC工況；4輛汽油車在NEDC工況和WLTC工況下PN排放都超過標準限值，而柴油車的PN排放和所有車輛的PM排放都小于標準限值。建議國Ⅵ車型開發時應重點關注汽油車的CO，PN排放以及柴油車的NOx排放。

實際道路排放；W LTC工況；NEDC工況；排放特性；排放標準

前言

隨著社會經濟快速發展，汽車保有量逐年增加，汽車尾氣造成的環境污染問題也日益嚴峻。世界主要國家和地區相繼制定并逐步嚴格排放法規來減少汽車尾氣所帶來的環境污染。研究表明，汽車使用中的實際道路排放與實驗室認證排放存在較大差異[1-5]。目前，歐盟和我國的輕型車認證采用NEDC工況，從2017年歐6C排放標準開始，歐盟認證工況改變為WLTC，同時增加了實際道路排放(RDE)測試要求[6]。我國第六階段排放標準已發布，與歐盟相似，Ⅰ型試驗工況變為WLTC，Ⅱ型試驗由國Ⅴ標準的汽油車雙怠速與柴油車自由加速試驗改變為實際道路排放試驗[7]。為驗證現有排放控制技術車輛的實際行駛污染物排放以及WLTC和NEDC工況下的排放特性，本文中選擇6輛滿足國Ⅳ、國Ⅴ排放標準的輕型汽油車和柴油車在實驗室中進行WLTC和NEDC工況排放試驗，并使用便攜式車載排放測量系統(PEMS)按照RDE測試規程進行實際行駛排放測試，研究國Ⅵ標準下的輕型車污染物排放特性。

1 試驗方案

1.1 試驗車輛與測試設備

試驗車輛共6輛，其中汽油車4輛，柴油車2輛，分別滿足國Ⅳ、國Ⅴ排放標準，車輛的主要技術參數見表1。

所有車輛在實驗室內進行排放試驗，同時車輛C～F使用 PEMS在實際道路中進行排放測試。PEMS主要由分析單元、排氣流量傳感器、GPS和溫濕度計等組成。主要測試設備見表2。

1.2 測試工況

試驗室內排放測試工況為 NEDC和 WLTC。WLTC工況由低速、中速、高速和超高速4部分組成。在WLTC工況測試時，汽油車4階段分別單獨采氣分析，柴油車高速和超高速階段合并用一個氣袋采氣分析，工況曲線如圖1所示。

圖1 實驗室工況曲線

實際道路排放測試路線由市區、市郊和高速路段3部分組成。本文中選擇在北京市經濟技術開發區內路段、北京市南六環和京津高速往返完成實際道路排放測試。以C車為例，實際速度曲線如圖2所示。

1.3 數據處理

根據RDE測試規程，采用移動平均窗口法進行實際道路排放測試數據處理。移動平均窗口以WLTC工況CO2排放量的一半作為窗口劃分條件，計算各窗口的平均污染物排放與平均車速，之后根據CO2特性曲線計算各窗口的權重，加權計算各個路段的平均排放，根據各路段0.34，0.33和0.33的系數即可得到車輛的實際道路排放。

圖2 實際道路測試速度曲線

為綜合對比不同排放階段車輛轉鼓和實際道路排放，定義了每一種污染物的符合性因子(CF)，計算公式為

式中： Ej為 j污染物的實際排放，g/km； Enorm，j為 j污染物在相應標準下的排放限值，g/km。

2 結果分析

2.1 不同車輛的轉鼓測試和實際道路排放結果

圖3為NEDC，WLTC工況和實際道路測試下CO的排放結果，其中車輛A和B只進行了實驗室排放測試，車輛C，D，E和F除實驗室測試外，還測量了實際道路下的CO排放。由圖可見，對于汽油車，A，C和D 3輛車2種實驗室工況下CO排放差異較小，國Ⅳ車輛A的符合性因子要大于2輛國Ⅴ車；車輛B在WLTC工況下CO排放符合性因子為NEDC工況下的3.08倍。圖4為車輛B在WLTC工況下的瞬時CO排放數據。可以看出，超高速段CO排放迅速升高，原因是WLTC工況下超高速段車輛加速度較大，最大達到1.58m/s2，而NEDC工況下車輛最大加速度只有1.04m/s2，較大的負荷造成CO排放迅速升高。對于車輛C和D，RDE測試時相應標準下CO符合性因子都超過1，車輛D超排放限值近4倍，而以國Ⅵ排放標準a階段限值計算，符合性因子遠超過國Ⅵ標準規定的2.1的符合因子，RDE測試結果遠高于2種實驗室工況的測試結果。對于柴油車E和F而言，NEDC，WLTC和RDE實驗CO符合性因子都小于1。

圖3 實驗室及實際道路下CO排放

圖4 車輛B在WLTC工況下CO瞬時排放

圖5 為NEDC和WLTC工況下THC的排放結果，為了便于比較，采用THC+NOx限值減去NOx作為柴油車THC的限值。由圖可見，不論是柴油車還是汽油車，國Ⅳ車輛的排放符合性因子都大于國Ⅴ車輛。對于車輛A而言，2種工況下THC的排放相當，NEDC工況略小于WLTC工況下的THC排放；而其余5輛車，NEDC工況下THC排放都大于WLTC工況。圖6為2種工況下車輛C和D的催化器溫度曲線。三元催化器的起燃溫度對車輛THC排放有較大的影響，一般來講，起燃溫度在350℃左右，由圖可見，車輛C和D在WLTC工況下催化器達到起燃溫度的時間都小于NEDC工況，分別為NEDC工況的84.7%和71.8%，而NEDC和WLTC工況THC的產生主要集中在冷起動階段，因此NEDC工況下THC排放大于WLTC工況。

圖5 實驗室下THC排放

圖6 車輛C和D實驗室工況下催化器溫度曲線

圖7 為NEDC，WLTC工況和實際道路測試下NOx的排放結果。由圖可見：國Ⅳ汽油車A，WLTC工況下NOx的符合性因子接近排放限值，為NEDC工況的1.94倍；其余3輛國Ⅴ汽油車 NEDC和WLTC工況下NOx符合性因子相近，都低于限值的50%；車輛C和D在RDE工況下NOx符合性因子較轉鼓試驗有所升高，但都小于0.5。對于國Ⅳ柴油車E，WLTC工況下NOx排放為NEDC工況的3.16倍，而對于國Ⅴ柴油車 F，NEDC和 WLTC工況下NOx排放量相近，符合性因子都小于0.4。對于2臺柴油車，RDE測試在相應排放標準下NOx符合性因子遠大于限值1，分別為4.82和2.02，而以國Ⅵ排放標準a階段限值計算2輛車NOx排放遠超標準2.1的符合性因子。可以看出，不論國Ⅳ還是國Ⅴ柴油車，實際道路測試時NOx排放都是需要關注的重點。

圖7 實驗室及實際道路下NO x排放

圖8 為NEDC和WLTC工況下PM的排放結果，國Ⅵ標準中對于所有車輛都有PM和PN限值要求，因此6輛車都進行了顆粒物排放測試。由于國Ⅳ汽油車無顆粒物質量限值要求，以國Ⅴ標準4.5mg/km計算。由圖可見，車輛A和D在NEDC工況PM小于WLTC工況，而車輛B和C在NEDC工況PM排放要高于WLTC工況，4輛汽油車2種工況下PM符合性因子都小于0.6。對于柴油車E和F，后處理系統中裝有顆粒捕集器，因此2種工況下PM排放都較小。可以看出，現有排放控制技術下國Ⅵ標準PM排放控制壓力較小。

圖8 實驗室下PM排放

圖9 為NEDC，WLTC和實際道路測試下PN的排放結果。車輛C和D實際道路測試時進行了PN測量，所有車輛都采用6×1011個/km的限值標準，對于4臺國Ⅳ和國Ⅴ汽油車，不論供油系統是直噴還是非直噴，3種測試條件下的顆粒物數量排放都大于標準限值，最小為A車的NEDC工況，符合性因子為1.26，最大為B車的NEDC工況，符合性因子達到6.13。圖10為4臺汽油車的WLTC工況下PN瞬時排放結果。可以看出，PN的生成主要集中在低速、高速和超高速的初始部分。由于兩輛柴油車裝有顆粒捕集器，它們的PN排放要遠小于標準限值。

圖9 實驗室下PN排放

圖10 4輛汽油車WLTC工況下PN瞬時排放率

2.2 行駛特征對實際道路測試排放污染物的影響圖11和圖12分別為車輛C和D在實際道路測試時CO排放隨速度和加速度的變化，圖中氣泡的大小表示CO的瞬時排放速率。由圖可見：2臺國Ⅴ汽油車實際道路測試時CO排放主要在車速高于60km/h的郊區和高速公路段；車輛C的CO排放和加速度相關性較小，而與車速有較大的相關性；車輛D的CO排放隨著車速和加速度的升高而增大。

圖11 車輛C的CO排放隨速度和加速度變化

圖12 車輛D的CO排放隨速度和加速度變化

圖13 為車輛C和D在不同道路上CO排放的符合性因子。由圖可見，市區工況下，由于車速較低，CO排放較小，只占標準限值的18%和35%，而市郊和高速公路工況，車速較高，排放因子都大于1，車輛D高速公路工況符合性因子達到9.1，遠高于標準限值。

圖13 車輛C和D在不同道路上CO排放的符合性因子

車輛在實際道路行駛時，速度和加速度同時影響排放污染物的產生。圖14和圖15分別為車輛E和F在實際道路測試時NOx排放隨速度和加速度的變化，圖中氣泡的大小表示NOx的瞬時排放速率。由圖可見：兩輛柴油車的NOx主要都是在加速工況產生，同時隨著車速和加速度的升高而增大；其中國Ⅴ柴油車F的80%以上NOx排放主要在車速高于60km/h的市郊和高速道路上產生，車速較低的城市道路NOx排放很少。

圖14 車輛E的NO x排放隨速度和加速度的變化

圖15 車輛F的NO x排放隨速度和加速度的變化

圖16 為車輛E和F在不同道路上NOx的符合性因子。由圖可見：車輛E在3種道路上的NOx排放都遠大于標準限值，郊區和高速公路工況NOx符合性因子相當，大于城市工況的符合性因子；車輛F在城市工況NOx排放接近標準限值，郊區工況為標準限值的兩倍左右，高速公路工況約為標準限值的2.5倍；國Ⅳ車輛E在3種道路上的NOx排放符合性因子都大于國Ⅴ車輛下，約為國Ⅴ車輛F的兩倍多。

圖16 車輛E和F在不同道路上NO x排放的符合性因子

3 結論

(1)4輛汽油車3種測試條件下PN排放都大于標準限值6×1011個/km，最大值為限值的6.13倍，需要在國Ⅵ車型開發時重點關注；2臺柴油車由于裝有顆粒物捕集器，PN排放遠低于標準限值；6輛車PM排放都小于標準限值。

(2)WLTC和NEDC工況下6輛車CO排放符合性因子都小于標準限值，部分車輛WLTC超高速段CO排放會迅速升高；WLTC工況THC排放要低于NEDC工況；國Ⅳ柴油車在WLTC工況下NOx排放比NEDC工況顯著升高。

(3)實際道路測試時兩輛汽油車CO排放主要集中車速大于60km/h的郊區和高速公路段，同時CO排放會隨著車速和加速度的增加而增大。

(4)實際道路測試時兩輛柴油車NOx排放超過標準限值，且隨著車速和加速度的升高而增大；其中國Ⅴ柴油車80%以上NOx排放在車速高于60km/h的高速段產生。

(5)面向國Ⅵ標準車型開發時，需要重點關注汽油車CO和PN排放及柴油車NOx排放。

[1] JERZY Merkisz， JACEK Pielecha， PIOTR Bielaczyc， et al.Analysis of emission factors in RDE testsaswellas in NEDC andWLTC chassis dynamometer tests[C].SAE Paper 2016-01-0980.

[2] NEBOJSA Milovanovic，SHANT Hamalian.The fuel consumption and NOxemission optimisation for future diesel passenger cars[C].SAE Paper 2016-01-0916.

[3] LIU Bin，CHRISTOPHER Frey H.Variability in light-duty gasoline vehicle emission factors from trip-based real-world measurements[J].Environmental Science ＆ Technology，2015，49：12525-12534.

[4] JOHN May， DIRK Bosteels， CECILE Favre.An assessment of emissions from light-duty vehicles using PEMS and chassis dynamometer testing[C].SAE Paper 2014-01-1581.

[5] THANTHEP Puphunwivat.Real driving emissions-a game changer for the industry：mastering on-road emissions targetswith integrated vehicle testing solution AVLM.O.V.E[C].SAE Paper 2015-01-0056.

[6] TIMOTHY V Johnson.Review of vehicular emissions trends[C].SAE Paper 2015-01-0993.

[7] GB 18352.6—2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)[S].2016.

A Comparative Research on the Pollutant Emissions of Light-duty Vehicles Under Real Road Driving and Laboratory Condition

Zhu Qinggong，Yang Zhengjun，W en Yi＆ Zhou M eng
China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300300

Laboratory emission tests are conducted on six vehicles(four gasoline vehicles and two diesel vehicles)meeting state-IV and state-V regulation respectivelywith WLTC and NEDC cycles，and real driving emission(RDE)tests are also performed on four of them according to corresponding specifications.The results show thatunder real road driving conditions，the CO emissions of gasoline vehicles and the NOxemissions of diesel vehicles seriously exceed regulation limits，in which high emissionsmainly appear on suburban road and highway where vehicle speed usually higher than 60 km/h，and instantaneous emissions increasewith the rise of vehicle speed and acceleration.Some gasoline vehicles show rather high CO emission with WLTC cycle at ultra high speed section while their THC emissionswith WLTC cycle are lower than thatwith NEDC cycle.The PN emissions of four gasoline vehicles with WLTC cycle and NEDC cycle all exceed regulation limit，while the PN emission of two diesel vehicle and the PM emissions of all vehicles are lower than regulation limits.So it is suggested that in the development of state-VI vehicles，attentions should be focused on the CO and PN emissions of gasoline vehicles and the NOxemission of diesel vehicles.

real driving em ission； W LTC cycle； NEDC cycle； em ission characteristics； em ission regulations

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.10.005

原稿收到日期為2017年7月19日，修改稿收到日期為2017年8月20日。

朱慶功，碩士，E-mail：zhuqinggong＠ catarc.ac.cn。