輕型車實際行駛污染物排放特性試驗研究*

汪曉偉 李騰騰 景曉軍 李 迎

（中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300）

引言

2016年中國汽車產銷均超2 800萬輛，連續八年蟬聯全球第一。隨著汽車保有量的急劇增加，機動車排放引發的環境問題也日益突出。為控制機動車排放，我國制定了嚴格的法規，但法規的排放檢測方法都是基于實驗室測試循環。有大量研究表明，目前所使用的實驗室測試循環不能覆蓋實際行駛情況下的運行工況[1-3]，而且部分汽車廠商會通過軟件來識別實驗室測試循環從而自動切換ECU標定達到通過實驗室測試循環排放的目的[4-5]。因此，車輛的實驗室排放測試結果與實際排放狀況可能存在較大差異。為了進一步嚴控機動車排放，中國于2016年底發布了輕型車國Ⅵ標準（GB 18352.6—2016）[6]。與國V標準相比，國Ⅵ標準的一個顯著不同是將實際行駛污染物排放（RDE）試驗定為Ⅱ型試驗。但國內的研究機構對輕型車RDE排放研究還較少。基于此，本文選取了4輛在用輕型車，其中包括3輛汽油車和1輛柴油車，使用便攜式車載排放測量系統（PEMs）按照國Ⅵ標準要求的RDE測試循環進行了實際行駛排放測試，以探尋輕型車在實際行駛條件下的污染物排放特性。

1 試驗設備和方法

1.1 測試車輛和測試設備

被測車輛的主要技術參數如表1所示。4輛車輛中包括3輛直噴汽油車和1輛直噴柴油車。對于汽油車，其后處理類型均為三元催化轉化器（TWC）。對于柴油車，其后處理類型為柴油機顆粒氧化催化器（DOC）和柴油機顆粒捕集器（DPF）。所用燃料為滿足國V標準的市售燃油。

表1 被測車輛主要技術參數

為確定被測車輛排放狀況，4輛車均在輕型車轉轂上按照法規要求進行了NEDC循環排放測試，其結果見表2。由于國Ⅵ之前的排放法規并沒有規定顆粒物數量（PN）排放的限值，因此可以認為3種污染物排放均滿足當時的排放標準要求，表明其整車及后處理系統處于良好運行的狀態。

表2 NEDC測試結果

試驗采用奧地利AVL公司生產的AVL M.O.V.E便攜式車載排放車輛系統（PEMs）。該套PEMs系統包括尾氣氣態污染物分析系統（GAS PEMs）、尾氣顆粒物數量分析系統（PN PEMs）、尾氣流量計（EFM）、全球定位系統（GPS）、溫濕度儀、OBD 記錄儀等設備。其中GAS PEMs采用不分光紅外分析儀（NDIR）來測量尾氣中的CO和CO2，采用紫外線分析儀（NDUV）來測量尾氣中的NO和NO2。而PNPEMs則是利用擴散充電的原理（DC），通過法拉第籠電位計來測量尾氣中的顆粒數量。由于儀器設備限制，本文只對B車進行了顆粒物數量的測試，其它3輛車均未進行顆粒物數量的測試。

1.2 試驗路線

按照國Ⅵ標準的要求，試驗路線需要覆蓋市區、市郊和高速3種道路，且每個速度區間至少行駛16 km，且每個速度區間的距離占比要求分別為：市區（29%～44%）、市郊（23%～43%）、高速（23%～43%）。總時間需控制在90～120 min。對于市區平均車速和停車時間也有相應的要求。最終選取的路線能滿足國Ⅵ標準對于RDE測試的要求，且郊區工況是在高速公路上以車速在60 km/h到90 km/h的范圍內行駛[7]。實際行駛的速度曲線如圖1所示，試驗路線依次按市區、市郊和高速連續行駛。

圖1 實際行駛的速度曲線

此外，國Ⅵ標準對RDE測試指定了擴展的環境條件。表3列出了這些RDE測試所對應的環境條件，其中B車的平均溫度為32.13℃，92%的行駛時間內其環境溫度達到了擴展的溫度條件（30～35℃），其對應的排放將除以1.6的系數，其它3輛車的環境溫度均為非擴展的普通溫度條件。平均海拔均為非擴展的普通海拔條件。

表3 RDE測試的環境條件

2 試驗結果

試驗結果采用PEMs后處理軟件進行計算，根據移動窗口平均法（MAW）進行數據處理。按照國Ⅵ標準要求，在排放結果的計算時并不考慮冷啟動排放。其中冷啟動定義為發動機第一次啟動后的最初5 min。或者如果能確定冷卻液溫度，則當冷卻液溫度達到70℃且未超過發動機第一次啟動后的5 min，則判定冷啟動結束。

2.1 符合性分析

符合性因子（CF）定義為每一種污染物實際行駛排放結果和相應排放限值之比[6，8-9]。

式中：下標j代表排放污染物。Ereal為RDE污染物排放量，Enorm為法規限值。在這里，法規限值采用原車設計所滿足排放標準限值（即如果該車滿足國V排放，則用國V限值）。

按照國Ⅵ法規要求，NOx和PN的符合性因子限值為2.1，而CO的符合性因子待定。

A～D車RDE污染物排放符合性因子如圖2所示。由圖可以看出，4輛車的符合性因子均遠低于法規限值。對于柴油車，其NOx的符合性因子略高，為1.74，但也在法規規定的限值以內。

圖2 A～D車RDE測試污染物排放符合性因子

其原因主要包括如下幾個方面：

1）A～D車原來的排放就很低。如前面的表2所示的NEDC循環排放量，氣態污染物的排放值均大大低于法規要求的排放限值。以NEDC循環污染物排放量計算的當量符合性因子如圖3所示，也是遠低于法規限值。

圖3 A～D車NEDC測試污染物排放當量符合性因子

2）按照國Ⅵ法規要求，每次RDE試驗必須對每段行程（即市區、市郊和高速路段）的有效性進行分析。因此定義了2個行程動力學參數，分別是相對正向加速度（RPA）和車速與正向加速度乘積的第95個百分位（（v.apos）[95]），并規定，對于不同速度段的平均車速，RPA必須大于某值，以保證駕駛不能太溫和；同時（v.apos）[95]必須小于某值，以保證駕駛不能太激進，否則行程無效。已經有眾多的研究表明，駕駛方式對污染物的排放有著決定性的影響[10-11]。

表4列出了A～D車駕駛的RPA和（v.apos）[95]值。從表中可以看出，所有4次RDE測試的各速度段的RPA值都剛剛超過其限值，而（v.apos）[95]值則大大低于限值。這表明雖然4次RDE試驗都滿足法規要求，但其駕駛方式偏向于溫和駕駛（Moderate Driving Pattern）[10]。

表4 RDE測試的行程動力學參數（*代表當前速度段行程動力學參數的限值，對RPA為低限，對（v.apos）[95]為高限）

而從NEDC循環和RDE實際循環的負荷來看，如圖4所示，兩者所覆蓋的工況范圍并沒有太大差別（如兩者都未覆蓋發動機高轉速的工況），因此各污染物符合性因子低。

3）由于國Ⅵ標準要求，在排放結果的計算時不考慮冷啟動排放，而冷啟動污染物的排放往往比較高。在排除了冷啟動排放后，導致各污染物符合性因子低。下節將針對冷啟動排放進行專門的分析。

圖4 NEDC和RDE發動機轉速vs.負荷MAP圖

2.2 冷啟動排放

在國Ⅵ標準中，并不要求計算冷啟動排放。但最新的歐洲第六階段法規標準中，已經明確要求將冷啟動排放納入整體的排放評估中，并且對冷啟動階段的平均車速也提出了相應的要求。圖5為各車冷啟動排放氣態污染物（CO和NOx）占總行程排放的比例。

圖5 A～D車冷啟動排放氣態污染物的占比

從圖5中可以看到，對于輕型汽油車A和C，其冷啟動氣態污染物排放大概占總排放的20%～25%左右。而B車冷啟動排放的占比要略低，約占總排放的15%～20%。這主要是由于B車發動機的設計（集成的排氣歧管等）能促使冷卻液溫度快速上升至70℃（在210s左右便達到70℃，而其它3輛車均超過300s），且B車行駛時的環境溫度也更高，從而使三元催化轉化器在很短的時間內便能獲得較高的催化效果。而對于輕型柴油車D而言，冷啟動氣態排放物的占比低。這主要是因為盡管柴油發動機在冷啟動階段也會增加噴油量，但由于其過量空氣系數較高，因此冷啟動對氣態排放物的影響并沒有汽油發動機顯著。

2.3 瞬態排放特性分析

以輕型車B為例分析了污染物的瞬態排放特性，如圖6所示。

圖6 B車污染物的瞬態排放特性

從圖6中可以看出，CO的排放主要集中在冷啟動階段和進入高速路段的急加速階段。在冷啟動階段，由于啟動和暖機加濃策略以及空燃比的開環控制，導致CO和PN生成量多，而三元催化轉化器由于溫度低并未處于高效階段，導致CO轉化少，綜合2種原因導致CO和PN的排放量較高。

車輛的排放與汽車的加速度有較為密切的關系[8，12-15]。圖7為B車排放與車速、加速度的氣泡圖。氣泡大小代表瞬態排放的高低。

圖7 輕型汽油車B瞬態排放隨加速度的變化規律

從圖中可以發現，CO排放主要出現在高速段的高加速度區域，PN排放主要出現在市郊段和高速段的高加速度區域。CO和PN排放與加速度正相關，而NOx排放與加速度的相關性并不明顯。這主要是由于汽油的當量比燃燒特性導致在加速時混合氣會加濃，因此CO和PN的生成量增多。并且此時三元催化器的轉化效率也降低，導致CO和PN的排放增加。對于NOx排放，濃混合氣導致三元催化器的轉化效率較低，但同時加濃混合氣會降低NOx的生成，從而NOx隨加速度的變化不明顯。

輕型柴油車D的CO和NOx瞬態排放隨加速度的變化規律如圖8所示，其中NOx排放隨著加速度的增加而增加，而CO排放隨加速度變化的規律不明顯。這主要是由于柴油機缸內燃燒屬于富氧燃燒，在加速時雖然噴油量增加，但總體上缸內的氧氣還是富余，因此CO的變化并不顯著。而隨著加速度增加，噴油量增加，缸內溫度會有所升高，有利于NOx排放的生成。

圖8 輕型柴油車D瞬態排放隨加速度的變化規律

3 結論

1）4輛車的原車排放均符合其出廠標準，并且遠低于法規要求的限值。而RDE試驗的結果也表明4輛車的符合性因子也都遠低于法規要求的限值。

2）符合法規規定的行程動力學要求的溫和駕駛RDE排放與實驗室NEDC排放結果相差并不大。

3）在溫和駕駛的條件下，對于汽油直噴的輕型車，冷啟動排放占RDE總行程總排放的15～25%；對于輕型柴油車，冷啟動階段氣態污染物的占比相比汽油車要低。較高的環境溫度以及有利于快速提高冷卻液溫度的設計都將降低冷啟動排放。

4）對于輕型汽油車，其CO排放主要集中在啟動階段和急加速階段。CO和PN的排放隨加速度增加而增加。而對于輕型柴油車，NOx排放隨著加速度的增加而增加。