高原環境下修正的道路阻力對輕型汽車排放及油耗影響研究

顧王文 王 猛 許卿云 王計廣

（1-中汽研汽車檢驗中心（昆明）有限公司 云南 昆明 651700 2-云南交通職業技術學院 3-紅河州質量技術監督綜合檢測中心）

引言

截止2020 年底，高原省區民用汽車保有量為3 477.84 萬輛[1]。大量的汽車保有量必然伴隨著大量的機動車排放污染。以往關于高原機動車整車排放及油耗測試研究的主要手段有海拔艙環境模擬、車載排放測試系統隨車測試、發動機臺架模擬以及純粹的軟件模擬研究[2-3]，其中海拔艙環境模擬費時費力且成本高，車載排放測試系統隨車測試受整車排放及油耗測試的試驗條件限制很難驗證重復性。而GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[4]中明確要求車載RDE（Real Driving Emission）測試需要擴展到海拔2 400 m，因此，對輕型汽車在高原條件下的排放及油耗研究對保護生態環境、逐步完善排放標準有重大意義。本文基于海拔1 900 m 的高原實際條件下的輕型汽車排放實驗室，利用穩定的環境控制條件（使用高原地區的環境艙，在真實的海拔環境下，精確控制溫度和濕度），對輕型汽車高原排放及油耗進行研究。

1 研究方法

采用同一輛輕型增壓汽油乘用車，在高海拔實驗室內的相同溫度、濕度條件下，利用平原道路阻力和修正后的高原道路阻力分別在底盤測功機上進行WLTC 循環測試，然后對不同阻力下的排放及油耗測試結果進行對比。

高原道路阻力修正方法按照GB/T 19233-2020《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》[5]中C.3.2 規定，參照GB 18352.6-2016 標準中附件CC 確定的0 m 海拔和20 ℃條件下滑行數據擬合出的行駛阻力常數項系數a0和二次項系數b0，按照如下公式計算得到海拔1 900 m 和23 ℃條件下行駛阻力的常數項系數a1和二次項系數b1，作為設定用替代的道路行駛阻力系數[5]。

將利用a1和b1計算得到的道路阻力作為海拔1 900 m 的高原條件下的道路阻力（簡稱修正后的高原道路阻力），在底盤測功機上進行調整后，進行阻力加載，按照輕型汽車常溫冷起動的測試流程進行試驗。測試環境溫度為（23±2）℃，相對濕度為（45±5）%。得到兩種道路阻力下的排放及油耗測試結果，進行結果對比分析和瞬態排放數據分析。

2 試驗

2.1 試驗用車

試驗用車為一輛輕型多功能汽油乘用車，主要參數/特性見表1。

表1 試驗車輛主要參數/特性

2.2 試驗循環

修正后的高原道路阻力與平原道路阻力均采用WLTC 循環進行試驗，循環分為4 個階段：低速、中速、高速和超高速階段。WLTC 循環曲線圖如圖1 所示。

圖1 WLTC 循環曲線圖

2.3 試驗設備

測試用主要設備有：德國AIP 公司的底盤測功機、德國WEISS 公司的氣候環境艙、日本HORIBA公司的MEXA-ONE 分析采樣系統和SPCS-2000 顆粒計數系統。

3 試驗結果

3.1 道路阻力修正結果

在底盤測功機上，采用平原道路阻力和修正后的高原道路阻力對車輛進行調整，得到兩組不同車速下的底盤測功機加載阻力曲線，如圖2 所示。

圖2 不同海拔下的車輛加載阻力曲線

從圖2 可以發現，隨著車速增加，特別是車速超過70 km/h 后，修正后的高原道路阻力明顯小于平原道路阻力。車速越高，相比于平原道路阻力，修正后的高原道路阻力減小明顯，減小幅度最多達18.5%。

3.2 排放和油耗測試結果

對同一輛試驗車，在相同環境溫度、濕度下進行常溫冷起動排放測試試驗。測試A 代表平原道路阻力，測試B 代表修正后的高原道路阻力。兩種道路阻力下的排放和油耗測試結果見表2。

表2 兩種道路阻力下的排放和油耗測試結果

4 試驗結果分析

從表2 可知，在修正后的高原道路阻力下，除了NOx排放升高了8.5%以外，其他污染物排放和油耗均呈現不同程度的下降趨勢，特別是CO 和THC 排放下降明顯，分別下降了26.6%和20.1%；而PN 排放下降了14.3%；油耗則下降了10.7%。

1）兩種道路阻力下CO 瞬態排放情況如圖3所示。

圖3 兩種道路阻力下CO 瞬態排放情況

從圖3 可以看出，平原道路阻力對CO 排放的影響主要在中高速及超高速階段。車速超過60 km/h以后，較高的行駛阻力導致每一次加速過程均有CO 排放峰值出現。特別是行駛至1 200 s 左右的高速階段加速過程，較大的平原道路阻力導致CO 排放急劇升高。超高速階段的加速過程也出現類似情況。行駛阻力加大，必然要求發動機加濃混合氣。提高動力的同時，導致燃燒不充分。急加速工況，短時間內還可能導致發動機控制變為開環控制，CO 排放急劇升高。

2）兩種道路阻力下THC 瞬態排放情況如圖4所示。

圖4 兩種道路阻力下THC 瞬態排放情況

從圖4 可以看出，起步階段，兩種道路阻力下，因冷起動過程燃燒不充分，均出現TCH 排放峰值。在較大的平原道路阻力下，150 s 左右，車輛低速階段加速過程中，出現第二次THC 排放峰值。主要原因是該階段加速過程有較大的動力需求，而發動機缸內溫度不夠高，迫使混合氣加濃，出現THC 氧化不完全，THC 排放出現第二次峰值。高速和超高速階段加速過程中，在較大的行駛阻力下，需加濃混合氣以提高動力輸出，導致燃燒不充分，THC 排放升高。由于修正后的高原道路阻力較小，熱車后的THC 排放峰值明顯低于較大平原道路阻力下的THC 排放峰值。

3）兩種道路阻力下NOx瞬態排放情況如圖5所示。

圖5 兩種道路阻力下NOx 瞬態排放情況

從圖5 可以看出，兩種道路阻力下，起步冷車階段，三元催化器還處于較涼的狀態，工作效果不佳，使得NOx排放較高。發動機和三元催化器熱車以后，兩種道路阻力下，NOx排放趨勢幾乎保持一致。在較大的平原道路阻力下，THC 和CO 排放升高還有抑制NOx生成、降低NOx排放的功能。

4）兩種道路阻力下顆粒物數量PN 瞬態排放情況如圖6 所示。

圖6 兩種道路阻力下PN 瞬態排放情況

從圖6 可以看出，PN 排放主要集中在起步冷車階段。此時車速較低，兩種道路阻力對PN 的排放影響不大。在超高速階段，由于阻力增大，導致混合氣加濃，在平原道路阻力下，伴隨著加速過程出現較高的PN 排放峰值，導致平原道路阻力下的PN排放高于修正后的高原道路阻力下的PN 排放。

5）兩種道路阻力下CO2瞬態排放情況如圖7所示。

圖7 兩種道路阻力下CO2 瞬態排放情況

CO2排放直接決定了車輛的油耗水平。從圖7可以看出，由于高速條件下，修正后的高原道路阻力明顯小于平原道路阻力，整個高速過程，修正后的高原阻力下的CO2排放均比平原道路阻力下的CO2排放低，使得油耗下降10.7%。

5 結論

采用同一輛試驗樣車，在修正后的高原道路阻力和平原道路阻力下，進行了GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中I 型試驗。高原條件對測試結果的影響主要有以下幾點：

1）海拔從0 m 上升到1 900 m，車輛道路阻力隨車速增加呈現減小趨勢。車速從70 km/h 開始，行駛阻力產生較大的減小幅度，最多減小了18.5%。

2）在海拔1 900 m 的高原條件下，由于車輛行駛阻力減小，使得THC 排放下降了20.1%，CO 排放下降了26.6%，PN 排放下降了14.3%，NOx排放升高了8.5%。

3）在海拔1 900 m 的高原條件下，在WLTC 循環，車輛行駛阻力的減小使油耗降低了10.7%。

要強化研究型大學建設同國家戰略目標、戰略任務的對接，加強基礎前沿探索和關鍵技術突破，努力構建中國特色、中國風格、中國氣派的學科體系、學術體系、話語體系，為培養更多杰出人才作出貢獻。

——習近平總書記在中國科學院第二十次院士大會、中國工程院第十五次院士大會、中國科協第十次全國代表大會上的講話