輕型車燃用汽油/天然氣的高原道路排放特征

馬志磊，何 超，劉學淵，李加強

(1.西南林業大學 機械與交通學院， 昆明 650224；2.云南省高校高原山區機動車環保與安全重點實驗室， 昆明 650224)

在濟南、廊坊、陽泉、重慶進行的城市道路實際行駛排放試驗顯示，原裝汽油/天然氣雙燃料汽車在平原地區燃用天然氣相比燃用汽油CO、CO2排放降低，但NOx排放增加了27%[12]。在天津進行的轉鼓試驗顯示，平均車速為19、62.6 km/h的市區、市郊運轉循環試驗中，燃用天然氣時的CO排放降低，但NOx排放較燃用汽油時高[13]。在北京進行的CNG出租車實際道路排放顯示，機動車比功率(VSP)可以較好地反映汽車運行工況與排放的關系[14]。中國平均海拔為 1 000～2 000 m的國土約占中國陸地面積的1/3，但目前針對燃用天然氣的汽車道路排放研究多在低海拔地區展開，且缺少高原實際道路環境下的高速、高負荷行駛工況排放對比研究。

為明確高原地區燃用汽油、天然氣時的NOx、CO、CO2排放特性，以汽油/天然氣雙燃料汽車作為試驗車輛，在海拔1 075、1 400、1 910 m的開遠市、彌勒市、昆明市分別燃用汽油、天然氣進行實際駕駛排放(RDE)測試，使用VSP分區的方法對排放數據進行處理，研究燃用汽油、天然氣時不同VSP區間與不同海拔條件與排放的關系。

1 道路試驗與數據處理方法

1.1 道路試驗

參考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)》中規定的RDE試驗方法(Ⅱ型試驗)，由同一駕駛員駕駛一輛原裝汽油/天然氣雙燃料輕型汽車，分別使用92號汽油、壓縮天然氣2種燃料，在海拔高度為1 000～2 000 m范圍內的3個城市進行道路排放試驗，以保證各試驗中的駕駛習慣統一，試驗車輛基本信息如表1所示。

表1 試驗車輛基本信息

使用美國Sensors公司的SEMTECH設備作為便攜式排放測試系統，在汽車排氣管后方安裝流量計測量排氣并進行采樣，該設備中的NOx模塊使用不分光紫外線分析法測量排放中的NOx含量，FEM模塊使用不分光紅外分析法測量排放中的CO、CO2含量。使用GPS采集設備記錄試驗車輛地理位置、車速等數據，用于VSP中坡度、加速度等參數的計算。通過車載診斷接口OBD讀取發動機CAN總線數據，記錄發動機轉速、負荷等數據，用于發動機歷史工作狀態參數ES(engine stress)的計算。試驗前使用氮氣對設備標零，使用混合氣對NOx模塊、FEM模塊進行標定。試驗設備安裝位置如圖1所示。

RDE試驗按市區、市郊、高速道路的順序依次進行，市區道路行駛時車速≤60 km/h，市區行駛里程占比34%；市郊車速在60～90 km/h范圍，里程占比33%；高速車速≥90 km/h，里程占比33%。各里程占比允許有±10%的誤差，但市區里程占比不得小于29%，各路段最小行駛里程為16 km[15]。

圖1 試驗設備安裝位置示意圖

開遠市的市區試驗道路為：建設東路、興遠北路、靈泉東路、市西中路、人民北路；市郊為：市西北路、開河高速；高速為：開河高速。彌勒市的市區試驗道路為：髯翁路、環城西路、溫泉路，市郊為：秀河線、廣昆高速；高速為：廣昆高速。昆明市的市區試驗道路為：環城東路、環城北路、一二一大街、環城西路、環城南路、北京路；市郊為：灃源路、杭瑞高速；高速為：東繞城高速。

不同海拔地區的試驗在3 d內完成。每天分別燃用油試、天然氣完成1地的道路試驗，首先燃用天然氣完成1個RDE循環，然后改用燃燒汽油在相同的道路中完成另一個RDE循環。燃用汽油、天然氣在各海拔地區的道路試驗基本情況如表2、3所示。

表2 燃用汽油時的試驗基本情況

表3 燃用天然氣時的試驗基本情況

1.2 數據處理方法

使用IVE(international vehicle emission)模型中引入的VSP、ES參數來反映汽車運行工況，以研究汽車不同工作狀態與NOx排放的關系。VSP的物理含義為機動車瞬態輸出功率與機動車質量的比值，單位為kW/t，VSP綜合考慮了汽車為克服加速、坡度、滾動、空氣阻力所需要提供的功率[16]，計算公式如下。

(1)

式中：v為汽車行駛速度(m/s);a為汽車瞬態加速度(m/s2);θ為坡度。

ES是表征發動機歷史工作狀態的無量綱參數，與發動機前20 s的工作狀態、汽車行駛速度有關，計算公式如下。

ES=0.08×Average+RPMindex

(2)

式中：Average為發動機前25 s到前5 s的VSP平均值，kW/t;RPMindex為汽車行駛速度與速度分割常數的比值，速度分割常數由汽車行駛速度與VSP共同決定。若ES值高，則表明前一段時間汽車發動機負荷較高。

使用VSP、ES對汽車運行工況進行劃分。將-80～1 000 kW/t范圍內的VSP劃分為20個區間，其中-1.6

劃分完VSP區間后，使用式(3)計算各VSP區間行駛過程的NOx、CO、CO2排放速率。

(3)

式中：Ei為區間i內的排放速率(mg/s);ei, j為區間i內第j個數據點的排放速率(mg/s);ti為區間i內的數據點個數。

使用式(4)計算同屬一個VSP區間的行駛過程的NOx、CO、CO2排放因子。

(4)

式中：EFi為區間i內的排放因子(mg/km);vi為區間i內的平均車速(km/h)。

得到各VSP區間的排放速率后，根據式(5)計算道路試驗總行程的NOx、CO、CO2排放因子。

(5)

式中：EFtot為總行程的排放因子(mg/km);fi為區間i的分布頻率;va為道路試驗平均車速(km/h)。

2 VSP分布特征分析

根據ES劃分得到汽車運行工況在低負荷、中負荷、高負荷區間的分布頻率[17-18]如圖2所示。各試驗低負荷區間bin0～bin19的分布頻率平均為95.31%，遠高于中負荷區間bin20～bin39的分布頻率，而高負荷區間bin40～bin59的分布頻率均為0。

圖2 各ES區間分布頻率

汽車運行工況主要集中在低負荷區間中的bin0～bin19范圍內，市區道路行駛時，bin9～bin14分布頻率高于1%，如圖3所示。其中bin11(-2.9 kW/t≤VSP<1.2 kW/t)、bin12(1.2 kW/t≤VSP<5.3 kW/t)在各試驗中的分布頻率平均為35.96%、38.22%，明顯高于其他工況。bin11主要代表低速、低加速度的行駛工況。當行駛過程中出現急加速、車速上升的工況，VSP值相應升高。

總行程行駛過程中，bin9～bin15的分布頻率高于1%，如圖4所示。與市區道路行駛相比，加入了市郊、高速道路行駛，加速、高速行駛工況增加，使VSP較高的bin13(5.3 kW/t≤VSP<9.4 kW/t)等區間的分布頻率明顯上升。各試驗bin11、bin12、bin13分布頻率的平均值分別為25.38%、31.81%、21.18%，明顯高于其他區間的分布頻率，其中bin12的分布頻率最高。可見，按照輕型車國六排放法規進行道路排放試驗時，汽車運行工況主要分布在bin11～bin13所包含的VSP區間中。

圖3 市區道路bin分布頻率

圖4 總行程bin分布頻率

3 排放特征分析

為研究汽車主要的運行工況與NOx、CO、CO2排放的關系，將工況較為集中的VSP區間按照表4進行劃分。因汽車運行工況主要集中在-2.9 kW/t≤VSP<9.4 kW/t范圍內，將VSP<-2.9 kW/t的工況劃分為1個區間；VSP≥9.4 kW/t的工況劃分為1個區間；-2.9 kW/t≤VSP<9.4 kW/t范圍內的工況細分為7個區間，使每個區間的分布頻率大致相當。

表4 劃分VSP區間

3.1 NOx排放特征

使用式(3)(4)計算各VSP區間的NOx排放速率、排放因子，得到各試驗中VSP與NOx排放的關系，如圖5所示。可看出各試驗中的NOx排放速率與排放因子均有隨VSP升高而增加的趨勢。低海拔條件下，中、低VSP區間燃用天然氣時的NOx排放較高，這與文獻[12-13]中低海拔、低負荷工況試驗得到的結果相符。高海拔條件下，中、低VSP區間燃用汽油時的NOx排放升高，與燃用天然氣時相似。高VSP區間中，燃用汽油時的NOx排放上升迅速，超過或接近燃用天然氣時的排放。

圖5 VSP對NOx排放的影響曲線

在汽車排氣管后方的流量計處測量得到排氣溫度，使用排氣溫度作為反映氣缸內燃燒溫度的參數。隨著VSP升高，排氣溫度有上升的趨勢(圖6)，中、低VSP區間燃用天然氣時的排氣溫度較高，燃用汽油時的排氣溫度在高VSP區間上升迅速，高于燃用天然氣時的排氣溫度。燃用汽油與天然氣時的NOx排放特征與排氣溫度的變化特征相似。

天然氣汽化潛熱較汽油低，且天然氣以氣體狀態進入發動機進氣道，而汽油在噴射后需要吸收一部分熱量以在進氣道內汽化，使燃用天然氣時的燃燒起始溫度較燃用汽油時高。由于燃用天然氣時汽車動力性下降，在高VSP區間需要加大油門踏板位置以滿足動力性需求(圖6)，新鮮進氣充量增加，降低了燃用天然氣時的燃燒起始溫度。以上因素綜合作用，使中、低VSP區間燃用天然氣時的排氣溫度較高，燃用汽油時的排氣溫度在高VSP區間上升迅速。

各VSP區間排氣溫度與NOx排放速率、排放因子的關系如圖7所示。使用一元線性回歸擬合排氣溫度與NOx排放速率、排放因子的關系，擬合函數為y=ax+b，排氣溫度為自變量，NOx排放為因變量，擬合結果如表5所示，排氣溫度與NOx排放的相關系數僅在彌勒燃用天然氣的試驗中稍低，主要受該試驗中NOx排放因子在第6區間附近波動較大影響。其余試驗的相關系數均高于0.95，可見在大部分試驗中，排氣溫度與NOx排放速率、排放因子間呈現較好的線性相關關系。

圖6 各VSP區間排氣溫度、節氣門開度曲線

圖7 排氣溫度與NOx排放的關系

表5 排氣溫度與NOx排放的擬合系數

使用式(5)計算得到各試驗總行程的NOx排放因子，如圖8所示。在1 000～2 000 m海拔范圍，高海拔條件下，受缸內反應溫度較高與火焰傳播速度下降的影響，使缸內高溫持續時間增加，NOx排放因子較高，隨著海拔下降，NOx排放因子有下降的趨勢。

低海拔條件下，燃用天然氣時的NOx排放較燃用汽油高；高海拔時，因燃用汽油時的NOx排放在高VSP區間上升迅速，使總行程的NOx排放高于燃用天然氣時的排放。因此，在高海拔條件下使用天然氣作為汽車燃料能夠減少NOx排放。

圖8 各海拔試驗的NOx排放因子曲線

3.2 CO排放特征

各試驗中VSP與CO排放速率、排放因子的關系如圖9所示。同一海拔條件下，燃用汽油時的CO排放速率與排放因子均高于燃用天然氣時的排放。天然氣以氣態進入發動機進氣道，與空氣混合情況較好，且天然氣的主要成分甲烷中只有一個碳原子，較汽油更容易被完全氧化。

圖9 VSP對CO排放速率的影響曲線

各試驗總行程的CO排放因子如圖10所示。在1 000～2 000 m海拔范圍內，高海拔條件下，進氣中的氧氣含量下降，使燃燒不完全，CO排放因子較高，隨著海拔下降，CO排放因子有下降的趨勢。在昆明市、彌勒市、開遠市的試驗中，燃用天然氣時的CO排放因子分別較燃用汽油時低70.36%、80.86%、80.34%，平均降低了77.18%。

3.3 CO2排放特征

各試驗中VSP與CO2排放速率、排放因子的關系如圖11所示。可看出各試驗中的CO2排放速率均有隨VSP升高而增加的趨勢。同一海拔條件下，由于天然氣熱值高于汽油，燃用汽油時的CO2排放速率與排放因子均高于燃用天然氣時的排放。

圖10 各海拔試驗的CO排放因子

圖11 VSP對CO2排放的影響曲線

各試驗的CO2排放因子在第3區間最高，圖12為各試驗中VSP區間內的平均車速，可看出第3區間(0 kW/t≤VSP<1 kW/t)車速最低，其中VSP為0 kW/t時代表的是車速為0 km/h的怠速停車工況，由于怠速停車工況中持續產生CO2排放，但沒有產生里程增量，使第3區間的排放因子上升。各試驗CO2排放因子在第1區間中最低，因為該區間VSP為負值，包含了急減速、下陡坡等工況，發動機負荷最小，燃料消耗最少。

圖12 各VSP區間節車速

各試驗的CO2排放因子在第3區間之后呈逐漸下降的趨勢，雖然隨著VSP升高，發動機負荷升高，循環供油量上升，但隨著車速上升，行駛檔位升高，變速器傳動比下降，單位行駛里程內的發動機工作循環次數減少，使排放因子呈下降趨勢。高VSP區間CO2排放因子再次呈上升的趨勢，高VSP區間包含了急加速、高車速、上陡坡工況，發動機負荷最大，由于第8、9區間的平均車速均高于60 km/h，基本使用最高檔行駛，傳動比固定的情況下，CO2排放因子隨發動機負荷增大呈上升趨勢。

各試驗總行程的CO2排放因子如圖13所示。在1 000～2 000 m海拔范圍內，高海拔條件下的CO2排放因子較高，隨著海拔下降，CO2排放因子有下降的趨勢。在昆明市、彌勒市、開遠市的試驗中，燃用天然氣時的CO2排放因子分別較燃用汽油時低26.23%、22.05%、18.69%，平均降低22.32%。隨著海拔上升，進氣密度下降，燃用汽油時，因充量減少使氣體流動與油氣混合效果變差，油耗上升，CO2排放因子升高。而天然氣與空氣更容易充分均勻混合，使燃用天然氣時的燃料消耗隨海拔的升高程度比燃用汽油時平緩。海拔越高，燃用天然氣的CO2減排效果越明顯。

圖13 各試驗的CO2排放因子

4 結論

1) 按照輕型車國六排放法規RDE試驗要求進行道路排放試驗時，汽車運行工況主要分布在bin11、bin12、bin13區間內，各試驗分布頻率的平均值分別為25.38%、31.81%、21.18%。

2) 在1 000～2 000 m海拔范圍內，海拔較高時，燃用汽油、天然氣時的NOx、CO、CO2排放因子較高，隨著海拔下降，排放因子下降。

3) 在大部分試驗中，NOx排放與排氣溫度呈現較好的線性相關關系。因天然氣汽化潛熱比汽油低，在中、低VSP區間行駛時，燃用天然氣時的燃燒起始溫度比燃用汽油時高，使燃用天然氣時的NOx排放較高。在高VSP區間行駛時，由于燃用天然氣時汽車動力性下降，需要通過加大油門踏板位置滿足動力性需求，使新鮮進氣充量增加，降低了燃用天然氣時的燃燒起始溫度，燃用汽油時的NOx排放超過或接近燃用天然氣時的排放。

4) 在3個不同海拔的試驗中，燃用天然氣時的CO、CO2排放因子分別較燃用汽油時平均降低了77.18%、22.32%，且海拔越高，CO2減排效果越明顯。高海拔條件下使用天然氣作為燃料，在RDE試驗工況下較燃用汽油時具有更好的NOx減排效果。