駕駛模式對輕型汽油車PN排放影響試驗研究

彭美春，黎育雷，李繼龍，張偉倫

(廣東工業大學機電工程學院，廣東 廣州 510006)

大量研究表明，實驗室試驗工況比較固定，較難全面反映真實駕駛條件下的車輛運行狀態，車輛在道路上行駛的排放與實驗室測試值存在較大的差異[1-3]。國家環保部2016年頒布的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)》首次增加了對點燃式發動機輕型車輛開展排氣顆粒數(Particulate Number，簡稱PN)排放檢測的要求，規定了輕型車實際道路排放(Real Driving Emission，簡稱RDE)試驗內容與排放污染物符合性因子限值。該標準規定了RDE測試行程動力學特性有效性判斷方法，規定了基于CO2移動平均窗口評價RDE試驗是否正常、完整的方法，以及基于CO2移動平均窗口法的污染物排放因子計算方法。

宋彬等[4]對一輛缸內直噴式汽油車進行多次RDE試驗發現，實際道路排放結果不具有重復性，行駛動力學特性參數對排放結果影響較大。付秉正等[5]使用便攜式車載排放設備對多輛輕型汽油車進行RDE試驗，發現CO和NOx的瞬時排放率與車輛加速度有較大關聯。J. Gallus等[6]對2輛輕型柴油車進行車載排放試驗，發現激烈駕駛行為會導致NOx和CO2排放劇增。目前國內外學者針對輕型車的RDE試驗研究較多集中在氣態排放污染物的排放特性上，對輕型汽油車PN排放研究成果的報道相對較少，關于駕駛行為對PN排放影響的評價研究更少。本研究選取一輛進氣道噴射輕型汽油車作為試驗車輛，依據GB 18352.6—2016給出的RDE試驗方法開展車載試驗，研究運行工況、駕駛行程動力學特性對車輛RDE車載試驗下PN排放特性的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗設備和車輛

選取一輛輕型汽油乘用車作為試驗車輛開展RDE測試，該試驗車輛的主要技術參數見表1。

表1 試驗車輛主要技術參數

采用Sensor SEMTECH-DS作為氣態污染物排氣濃度測量儀器。該便攜式車載排放分析儀采用不分光紅外法采集CO2排放濃度，用于計算CO2移動窗口。應用AVL M.O.V.E-PN便攜式車載排放分析儀測量PN排放濃度。車載測試儀器還包括GPS模塊、溫濕度計模塊、排氣流量計模塊等，可以實時測量車輛行駛過程中的速度、排氣體積流量、海拔及溫濕度等數據。試驗使用的PEMS設備均自帶時間修正、干濕基修正等排放數據處理功能，所輸出排放污染物瞬時排放數據已進行了環境修正。試驗設備安裝示意圖見圖1。

1—電池組；2—排氣流量計；3—流量計主機；4—溫濕度計；5—GPS；6—SEMTECH-DS模塊；7—M.O.V.E-PN模塊；8—主控電腦；9—OBD模塊。圖1 測試設備安裝示意

1.2 試驗線路及試驗方案

在廣州市實際道路上開展RDE車載測試，按照GB 18352.6—2016標準中附錄D[7]提出的RDE試驗路段車速與測試里程等要求，選擇試驗線路(見圖2)。以廣州大學城外環路的廣東工業大學公交站作為起點，試驗車輛繞行外環路逆時針運行約30 km，作為市區道路行駛線路；然后進入南沙港快速路南行運行，以模擬市郊道路行駛；再經黃欖快速路轉入廣澳高速路運行。當市區、市郊行駛里程相當時把車速提高到90 km/h以上。測試車輛在高速路長洲出口處結束試驗。試驗路線全程約90 km，最大海拔差值不超過50 m。

圖2 試驗行駛線路

設計駕駛行為方案如下：第一次試驗按正常駕駛行為習慣完成駕駛，第二次試驗在確保行車安全的前提下采取頻繁的急加減速駕駛行為，完成較為激進的駕駛。

2 試驗有效性分析

2.1 行程動力學特性檢驗

根據GB 18352.6—2016關于RDE試驗數據處理的要求對測試獲得的瞬時行駛速度進行平滑處理，處理后的兩次試驗行駛速度曲線見圖3。可見，激進駕駛模式下車速波動比正常駕駛模式顯著。兩次試驗的行程數據信息見表2，均符合GB 18352.6—2016關于RDE測試總里程、行程占比等要求。兩次不同駕駛模式試驗平均速度較為接近，但加減速度有所不同。

GB 18352.6—2016中規定了用v·apos-[95]和RPA兩項指標對RDE試驗行駛數據進行行程動力學車速與加速特征校驗，以確定市區、市郊和高速各路段行駛過程中動力學特性是否過度或不足。

圖3 試驗行駛速度曲線

2.1.1v·apos-[95]驗證

v·apos-[95]是指車速v與大于0.1 m/s2的正加速apos乘積的第95個百分位，用于檢驗車輛在RDE試驗中駕駛行為激烈程度是否超過允許范圍。v·apos-[95]的值越大，表明駕駛行為越激烈。兩次試驗各速度組的(v·apos)k-[95](k=1，2，3，分別代表市區、郊區、高速速度組)的統計結果見圖4。

表2 兩次試驗的行程信息

圖4 試驗的v·apos-[95]統計結果

2.1.2RPA驗證

RPA值指行程的相對正加速度，是各速度組內瞬時車速與大于0.1 m/s2的正加速度和時間步長乘積的累加值與各速度組內的累計行駛距離相除所得商。RPA用于檢驗車輛在RDE試驗中駕駛行為的激烈程度是否低于試驗要求。計算得到的各速度組RPAk實際值與最小允許值結果見圖5。由圖5可見，兩組不同駕駛行為模式試驗的RPAk值均高于標準規定的最小允許值，滿足試驗要求，證明行程有效。激進駕駛模式下各速度組的RPAk值顯著高于正常駕駛模式。

綜上，兩種駕駛模式下的行程動力學檢驗均符合RDE測試標準要求，但是激進駕駛模式的駕駛激烈程度顯著高于正常駕駛模式。

圖5 試驗的RPA統計結果

2.2 窗口的正常性和完整性驗證

2.2.1CO2窗口劃分及計算

CO2移動平均窗口法是一種判斷RDE試驗是否完整有效，以及計算評價實際行駛污染物排放值的方法。以本研究試驗車輛在實驗室臺架測試WLTC運轉循環中實際排放的CO2總質量的50%(1 916.75 g)作為窗口的CO2排放基準質量MCO2,ref，對RDE車載測試數據總集進行劃分，得到正常駕駛模式下5 060個窗口子集，激進駕駛模式下5 000個窗口子集。

根據該試驗車輛在WLTC運轉循環中的低速、高速和超高速段的CO2平均排放因子及WLTC運轉循環中對應速度段的平均車速，確定出基準點P1，P2，P3的位置，作出CO2基準特性曲線，并計算出該特性曲線基本公差帶±tol1與擴展公差帶±tol2。再以車輛平均地面速度45 km/h和80 km/h為界，把窗口劃分為市區、市郊和高速窗口(見圖6)。計算出本研究RDE測試獲得的各窗口的平均車速vj及各窗口內的CO2平均排放因子MCO2,d,j，在CO2特性曲線圖中繪出所有窗口子集(vj，MCO2,d,j)的分布情況。

2.2.2試驗完整性與正常性判斷

落在CO2特性曲線的基本公差帶±tol1(±25%)范圍內的窗口稱為正常窗口，如果市區、市郊和高速窗口的正常性窗口占比均超過50%，則可以判定該試驗符合正常性檢驗。

圖6 車輛CO2特性曲線及RDE試驗窗口分布

兩次試驗各速度組的正常性窗口數占比及各速度組窗口數占總窗口數的比例見表3。可見激進駕駛模式的窗口100%落在基本公差帶范圍內，正常駕駛模式的市區窗口也100%落在基本公差帶范圍內，市郊和高速的正常性窗口占比分別為96.34%和94.09%，遠超窗口正常性校驗限值50%，因此兩次試驗均滿足正常性要求。兩組試驗的市區、市郊和高速3組速度組窗口數量均占總窗口數量的15%以上，滿足窗口完整性檢驗要求。

表3 正常性窗口占比及各工況路段窗口占比

3 PN排放特性分析

3.1 速度、加速度與PN排放關系

以10 km/h作為區間長度對兩組駕駛行為的RDE車載試驗數據的行駛速度進行劃分，共得到12個速度區間，其中大于120 km/h的數據點過少，舍去。計算各區間內的PN排放平均值，結果見圖7。

圖7 各車速區間下的PN排放

由圖7可以看出，隨著行駛車速的增加，PN排放總體呈增加趨勢。圖8示出試驗車輛各速度區間對應的平均排氣溫度。由圖8可見，隨著車速的增加，排氣溫度增加。排氣溫度高意味著燃燒溫度也高。顆粒物是碳氫燃料高溫缺氧不完全燃燒產物，車速增大，所需發動機功率增大，噴油量增大，燃燒放熱量增大，燃燒溫度隨之升高，有利于顆粒物生成，故PN排放隨車速增大而增大。

圖8 各車速區間對應的平均排氣溫度

當行駛車速低于60 km/h時，兩種駕駛模式下的PN排放均處于較低水平，僅為對應駕駛模式總PN排放平均值的19.49%和12.60%。分析認為，該區間為市區路段，車速較低，發動機負荷較低，噴油量少。從圖8看出，該行駛車速區間的排氣溫度低，說明缸內燃燒溫度不高。因此該速度區間PN生成量少， PN排放濃度低。

當車輛行駛速度大于60 km/h后，PN排放隨車速的增加迅速增大。在[60,120) km/h車速區間，激進駕駛模式的PN排放明顯高于正常駕駛模式，約為正常駕駛行為模式的1.96倍。激進駕駛模式下排氣溫度高于正常駕駛，對應燃燒溫度也應高于正常駕駛，因此有利于PN的生成。

以0.5 m/s2作為區間長度對兩組駕駛行為的RDE車載試驗數據的行駛加速度進行劃分，共得到11個加減速度區間，各加速度區間的時間占比見圖9。由圖9可見，兩種駕駛模式下的加速度區間主要集中在(-1.5,1.5] m/s2，在該區間的時間占比分別為96.52%和98.35%，激進駕駛行為在區間(0.5,3.0] m/s2的時間分布占比比正常駕駛多。

圖9 各加速度區間下的時間占比

加速度對PN排放的影響見圖10。可見在減速工況下隨減速度絕對值變小，PN排放升高，在(-1,0] m/s2區間出現第1個峰值。進入加速工況，隨加速度增大，PN濃度先減小然后增大，在(2.0,3] m/s2區間出現第2個峰值。并且在絕大多數加減速區間，激進駕駛模式下PN排放濃度均高于正常駕駛模式。

圖10 PN排放與加速度的關系

對減速工況下的空燃比進行統計，發現正常駕駛模式和激進駕駛模式下空燃比低于理論空燃比14.7的數據占比分別為35.2%和9.2%，表明減速工況下存在混合氣加濃情況。減速過程中發動機會進入減速斷油控制，斷油期間排氣三元催化凈化器中的氧含量會增大，將使NOx的轉化效率大大下降。為了退出減速斷油后能將排氣管內的氧迅速消耗以保證排氣催化凈化效果，發動機會采取適當增加混合氣濃度的控制策略[8]。另，進氣管噴射的發動機存在燃油沉積于進氣管上形成油膜的現象，減速時因真空度增大油膜容易蒸發，隨進氣進入氣缸可能導致混合氣加濃[9]。分析認為減速期間的混合氣加濃是導致PN排放增加的主要原因。

比較(-1.0,0] m/s2和(-2.5,-1.0] m/s2區間的排放結果發現，前者PN排放遠高于后者。分析認為：(-1.0,0] m/s2區間，減速度較小，發動機負荷依然較大，(-2.5,-1.0] m/s2區間減速度大，發動機負荷大幅度降低。測得正常駕駛、激進駕駛在(-2.5,-1.0] m/s2區間的平均排氣溫度分別較(-1.0,0] m/s2區間下降了37.51 ℃和44.54 ℃，表明缸內燃燒溫度低，抑制了PN的生成。因此(-2.5,-1.0] m/s2區間的PN濃度低于(-1.0,0] m/s2區間。

統計測試數據得出(2.0,3.0] m/s2加速度區間空燃比為14.3～14.5，低于理論空燃比，有加濃趨勢，導致該區域PN生成量有所增大，出現PN排放小峰值。

大多情形下激進駕駛PN排放濃度高于正常駕駛。分析原因為在高速進氣氣流的作用下，會有少量未完全汽化的燃油粘附在燃燒室壁面形成壁面油膜，因壁面溫度相對較低，燃油蒸發較慢，且蒸發后也難以與缸內空氣充分混合，該區域容易生成顆粒物[10]。統計發動機平均轉速，得出在加速工況下正常駕駛模式為1 769 r/min，激進駕駛模式為2 122 r/min。可見，激進駕駛模式的發動機進氣氣流流速更大，可能容易導致濕壁現象，從而加劇局部擴散燃燒，因此，在加速度區間激進駕駛模式的PN排放濃度高于正常駕駛模式。

3.2 駕駛行為對PN排放因子的影響

使用移動平均窗口法分別對兩組RDE試驗數據進行處理，計算得到市區、市郊和高速區間內窗口的PN平均排放因子。各窗口子集平均車速與PN排放因子的散點分布見圖11。由圖11可見，當窗口平均車速小于75 km/h時，兩組試驗的窗口PN排放因子分布重合度較高，當窗口平均車速超過75 km/h后，激進駕駛模式下的窗口PN排放因子明顯高于正常駕駛模式。高速區間內激進駕駛模式的PN排放因子離散程度較高。

按GB 18352.6—2016規定，計算得出各速度組PN平均排放因子，分別以0.34，0.33和0.33的加權系數對市區、市郊和高速路段的PN平均排放因子進行加權相加，得到總行程的PN平均排放因子，結果見圖12。可見，兩組RDE試驗的PN排放因子都按市區—市郊—高速的順序逐漸增大，且激進駕駛行為下3種路段的PN排放因子均高于正常駕駛。激進駕駛模式下市區PN平均排放因子為正常駕駛的1.56倍。隨著行駛路段的平均車速增大，激進駕駛行為下的PN排放因子與正常駕駛行為的PN排放因子差距變大。激進駕駛行為下市郊路段PN排放因子是正常駕駛行為的1.87倍，高速路段是正常駕駛行為的3.59倍。

圖11 窗口子集平均車速與PN排放因子的關系

圖12 實測PN排放因子與排放限值

從總行程排放結果來看，正常駕駛行為的PN總排放因子為3.16×1010個/km，激進駕駛行為的PN總排放因子為9.05×1010個/km，激進駕駛行為的PN總排放因子是正常駕駛行為的2.86倍。以國Ⅵ標準WLTC工況下的排放限值為基準，計算得出正常駕駛模式下車載RDE試驗的PN排放符合性因子為0.05，激進駕駛模式為0.15，均遠低于國Ⅵ的RDE測試PN排放符合性因子標準限值2.1，該進氣道噴射試驗車輛的PN排放量較低。

4 結論

a) 通過增加急加減速頻次產生的激進駕駛行為，會使v·apos-[95]值和RPA值增大，急加減速駕駛模式的駕駛激烈程度明顯高于正常模式；

b) 車速低于60 km/h時，PN排放較低；車速高于60 km/h后，PN排放隨著車速的增加迅速增大；PN排放較高的區域主要集中在加速度為(-1.0,0] m/s2的區間范圍，PN排放因子按市區—市郊—高速的順序逐漸增大；

c) 正常駕駛模式與激進駕駛模式測試行程的動力學特性、窗口的正常性與完整性均在GB 18352.6—2016中規定的RDE測試正常值范圍之內，測試有效；激進駕駛模式下的PN排放因子顯著高于正常駕駛行為，且隨著行駛路段的車速增加兩者差異逐漸增大，尤其當窗口平均車速高于75 km/h后更為明顯，可見，駕駛激進程度對PN排放評價的影響不容忽視；

d) 與WLTC工況下國Ⅵ排放限值比較，本測試的MPFI國Ⅴ車輛正常駕駛與激進駕駛模式下RDE測試PN符合性因子分別為0.05和0.15，均遠低于國Ⅵ標準RDE符合性因子限值2.1。