駕駛特性對國六輕型汽油車氮氧化物瞬時排放的影響

摘要：速度、加速度和車輛比功率（VSP）等表征駕駛特性的參數(shù)與車輛實際駕駛時的瞬時排放有著很高的相關(guān)性。為探究駕駛特性對國六輕型汽油車氮氧化物（NOx）瞬時排放的影響，在正常駕駛和激烈駕駛2 種駕駛風(fēng)格下使用便攜式排放測試系統(tǒng)（PEMS）進行了實際駕駛排放測試（RDE）。通過數(shù)據(jù)處理和建立RDE 數(shù)據(jù)集，研究了不同駕駛風(fēng)格下的車輛速度和加速度分布，以及兩者對國六輕型汽油車NOx 瞬時排放量的耦合影響。此外，為探究VSP與NOx 瞬時排放量的關(guān)系，引入高斯曲線進行了散點擬合。結(jié)果表明：測試車輛的高NOx 瞬時排放量主要集中在0～2 m/s2的正加速度區(qū)域，在激烈駕駛時排放量更大；激烈駕駛在VSP0～25 kW/t 時都有高NOx瞬時排放量，高排放的VSP 范圍是正常駕駛的1.5 倍。

關(guān)鍵詞：實際駕駛排放；駕駛特性；氮氧化物（NOx）；國六輕型汽油車

0 前言

隨著城市化的發(fā)展和車輛數(shù)量的激增，道路交通消耗了大量的化石能源，成為重要的環(huán)境污染來源［1］。根據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2021 年中國道路交通污染物排放總量為1 557.7 萬t，占移動源排放的80% 以上。研究表明，車輛排放的實驗室測量值與實際駕駛排放值存在較大差異。為此，我國從2023年7 月1 日起正式執(zhí)行國六排放b 階段法規(guī)，并實施排放限值更加嚴(yán)格的實際駕駛排放測試（RDE），其中輕型汽油車的NOx 排放質(zhì)量濃度限值從60 mg/km 降至35 mg/km［2］。車輛實際駕駛中的污染物排放受到多種因素影響，其中駕駛特性是重要的影響因子。

在實際駕駛條件下，車輛污染物排放受駕駛行為、發(fā)動機性能和環(huán)境特性等的影響［3］。有研究對帶有便攜式排放測試系統(tǒng)（PEMS）的車輛進行排放分析，發(fā)現(xiàn)高廢氣再循環(huán)（EGR）率可以將NOx排放降到極低的水平，但會引起碳氫化合物（HC）排放量的增多［4］。YU 等［5］利用RDE 和底盤測功機對發(fā)動機技術(shù)、啟動條件和發(fā)動機負荷與輕型汽油車顆粒物排放之間的關(guān)系進行了研究。結(jié)果表明，車輛比功率（VSP）是顆粒物排放的重要解釋變量。ZHENG 等［6］用全球定位系統(tǒng)（GPS）設(shè)備收集了28 名司機的駕駛數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同駕駛風(fēng)格的司機駕駛的車輛在排放和燃油消耗量方面有顯著差異。然而，隨著國六排放法規(guī)6b 階段開始逐漸推行更加嚴(yán)格的RDE 法規(guī)，實際駕駛過程中駕駛員的不同駕駛特性對排放的影響成為重要的不可控因素。因此，研究駕駛特性對國六輕型汽油車在實際駕駛中污染物排放的影響成為重要的方向。

本文為研究駕駛特性對國六輕型汽油車在實際駕駛過程中NOx瞬時排放的影響，以不同的駕駛風(fēng)格在選定的測試路線上進行RDE。通過PEMS收集速度、加速度和NOx瞬時排放量等約11 000 組數(shù)據(jù)，分析速度、加速度和VSP 與NOx 瞬時排放量之間的關(guān)系，以期為車輛制造商的減排工作提供一定參考。

1 RDE 方案

1. 1 測試車輛和設(shè)備

選用一輛滿足國六排放要求的輕型汽油車（以下簡稱“國六輕型汽油車”）作為測試車輛。該測試車輛配備有三元催化器（TWC）和汽油顆粒物捕集器（GPF），其燃料類型為95 號汽油。測試車輛的具體型號和參數(shù)見表1。

在試驗過程中，選用AVL 公司的PEMS 作為排放物濃度測試設(shè)備，設(shè)備由氣體分析儀模塊和流量計控制模塊組成。其中，氣體分析儀用于測量NOx 濃度，流量計控制模塊用于測量排氣口的實時流量。車輛前端裝備了用于記錄測試車輛實時位置、速度和海拔高度等數(shù)據(jù)信息的GPS 設(shè)備。測試過程中的周圍環(huán)境溫度和濕度記錄值來自氣象站觀測數(shù)據(jù)。將車輛駕駛艙前端的車載自動診斷（OBD）系統(tǒng)接口接入主控模塊，讀取并記錄測試車輛控制器局域網(wǎng)總線輸出的發(fā)動機轉(zhuǎn)速和排氣溫度等信息。所有測試設(shè)備都通過主控模塊進行控制和時間同步。此外，配備額外的電池為PEMS 系統(tǒng)提供單獨的電源，并通過配電柜智能控制終端E-BOX 為其他模塊供電。測試車輛和測試設(shè)備如圖1 所示。

1. 2 測試路線

上海位于中國平原地區(qū)，擁有完備的基礎(chǔ)交通設(shè)施，因此選擇上海作為研究區(qū)域可以得到更具普遍性、通用性的結(jié)論［7］。本研究中的實際排放測試在上海嘉定區(qū)進行，測試路線如圖2 所示。測試從A 點開始，到K 點結(jié)束。其中，城市行駛路線為A→B→C→D→E→F→G→F→H，行駛總長度為26 km，占總里程的32%；郊區(qū)行駛路線為H→I→J，行駛總長度為28 km，占總里程的35%；高速公路行駛路線為J→K，行駛總長度為27 km，占總里程的33%。考慮駕駛風(fēng)格對實際排放的影響，由駕駛員以不同的駕駛風(fēng)格在相同路線上進行多次測試。

2 測試過程和數(shù)據(jù)處理

2. 1 測試方法

為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，PEMS 設(shè)備在車輛上安裝完成后首先進行預(yù)熱處理，然后用堵頭將與流量管斷開的采樣探頭堵住，進行泄漏檢查，再后對分析儀進行零點校準(zhǔn)和量距點校準(zhǔn)。由于分析儀和各種采樣設(shè)備（GPS 設(shè)備、OBD 系統(tǒng)接口）的響應(yīng)時間不同，測試中記錄排放物質(zhì)量濃度與其他參數(shù)的時間不一致，因此在測試前通過程序讓時間序列自動對齊。

在測試過程中，由駕駛員分別以不同的駕駛風(fēng)格駕駛測試車輛進行測試。按照車輛速度和加速度將駕駛風(fēng)格分為正常駕駛和激烈駕駛。每次測試總時長在125 min 左右，以充分獲取實際駕駛排放數(shù)據(jù)。

氣體分析儀讀取NOx 瞬時排放量。從OBD 系統(tǒng)接口讀取車輛傳感器的車輛速度和加速度測量值。在測試完成后，進行測試設(shè)備校準(zhǔn)，并去除校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和冷啟動數(shù)據(jù)。

2. 2 數(shù)據(jù)處理

采用移動平均窗口法對收集到的原始數(shù)據(jù)進行處理，以獲得廢體污染物的瞬時排放量。氣體污染物瞬時排放量計算式為［8］：

mgas，i = ugas，i × cgas，i × qmew，i （1）

式中：mgas，i 為當(dāng)前時刻廢氣中污染物i 的排放質(zhì)量流量，單位g/s；ugas，i 為污染物i 與總廢氣污染物密度之比；cgas，i 為當(dāng)前總氣體污染物質(zhì)量分數(shù)；qmew，i是當(dāng)前時刻的總廢氣的質(zhì)量流量，單位kg/s。

2. 3 數(shù)據(jù)集建立

根據(jù)實際駕駛排放測試中PEMS 采集到的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)集，用于分析駕駛行為和道路特性對NOx 瞬時排放量的影響。駕駛特性主要包括速度、加速度和VSP 3 個特征參數(shù)。速度和加速度可以綜合反映出駕駛員的駕駛風(fēng)格，以及影響車輛污染物的排放情況［9］。VSP 能夠反映出機動車的輸出功率，與車輛排放密切相關(guān)［5］。當(dāng)VSP 小于0 時，車輛處于減速或者下坡狀態(tài)；當(dāng)VSP 等于0 時，車輛通常處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)；當(dāng)VSP 大于0 時，車輛處于巡航、加速或上坡狀態(tài)［10］。本研究采用的VSP 計算式為［7］：

Vvsp = ui × （ 1.1ai + 9.81si + 0.132） + 0.000 302ui3（2）

式中：Vvsp 為車輛比功率，單位kW/t；ui 為瞬時速度，單位m/s；ai 為瞬時加速度，單位m/s2；si 為道路坡度，單位（°）。

通過PEMS 設(shè)備進行數(shù)據(jù)收集，本研究建立了包含表征駕駛特性的3 個特征參數(shù)和NOx 實際駕駛排放量的數(shù)據(jù)集。

3 測試結(jié)果分析

3. 1 駕駛風(fēng)格和道路類型對駕駛特性的影響以往研究通常將駕駛特性的變化歸因于道路類型和交通狀況的不同，而忽視了駕駛員風(fēng)格的影響［11］。本研究中，駕駛員以不同駕駛風(fēng)格分別在城市、郊區(qū)和高速3 種不同的道路場景中進行測試，測試采集了不同駕駛風(fēng)格下的車輛數(shù)據(jù)信息，不同駕駛風(fēng)格下的車輛速度和加速分布結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，城市道路中車輛行駛速度主要在0～60 km/h，郊區(qū)中主要在60～90 km/h，而高速上達到90 km/h。主要原因為城市道路中交通擁擠并且紅綠燈較多，郊區(qū)道路車流量少，而高速道路車道較寬且限速較高。不同駕駛風(fēng)格在不同道路類型中的車速分布基本相同，但是平均加速度差異很大，在激烈駕駛模式下表現(xiàn)出頻繁加速和減速。

3. 2 車速和加速度對NOx瞬時排放的耦合影響

NOx 排放量主要受高溫持續(xù)時間、缸內(nèi)燃燒溫度和氧濃度3 個因素的影響［12］。2 種不同駕駛風(fēng)格下車輛不同速度和加速度對應(yīng)的瞬時NOx 排放量如圖4 所示。

由圖4 可知，測試車輛的高瞬態(tài)NOx 排放主要集中在0～2 m/s2 的正加速度區(qū)域，在激烈駕駛時排放量增加趨勢更加顯著。這是因為在加速時，當(dāng)前時刻進氣量和噴油量增多，更多的混合氣燃燒使缸內(nèi)溫度升高，缸內(nèi)處于高溫和富氧狀態(tài)，為NOx的生成創(chuàng)造了有利條件。因此，在急加速情況下可以調(diào)整進氣策略并降低燃燒溫度，以降低NOx瞬時排放量。

3. 3 VSP 對NOx瞬時排放的影響

VSP 與NOx 相關(guān)性也較高。以往的研究調(diào)查了NOx 與不同VSP 區(qū)間的關(guān)系和分布情況。本研究將VSP 視為自變量，NOx 瞬時排放量視為因變量，2 種駕駛風(fēng)格下兩者的擬合曲線如圖5 所示。

由圖5 可知，NOx 瞬時排放量與VSP 呈現(xiàn)出單峰分布的關(guān)系。當(dāng)VSP≤0 時，NOx排放量很低；當(dāng)VSPgt;0 時，NOx 排放量在迅速增加到峰值（0.5～1.5 mg/s）后又迅速降低到較低水平，這可能與在城市道路行駛時頻繁啟停，而高速上行駛更加穩(wěn)定有關(guān)。對比2 種駕駛風(fēng)格發(fā)現(xiàn)，激烈駕駛模式中，VSP 為0～25 kW/t 時都有高NOx 排放，是正常駕駛的1.5 倍，因此可以采取避免激烈駕駛的策略降低NOx排放量。

4 結(jié)論

本文研究駕駛特性對國六輕型汽油車在實際駕駛中NOx瞬時排放的影響，得出如下結(jié)論：

（1） 道路類型和駕駛風(fēng)格是影響駕駛特性的重要因素，進而影響到國六輕型汽油車的NOx瞬時排放。

（2） 高NOx 瞬時排放質(zhì)量流量主要集中在0～2 m/s2的正加速度區(qū)域，在激烈駕駛時排放更加明顯。

（3） NOx 瞬時排放質(zhì)量流量隨著VSP 增加迅速增加到峰值（0.5～1.5 mg/s），之后隨著VSP 增加又迅速降低到較低水平。

（4） 對比高NOx瞬時排放的VSP 區(qū)間，激烈駕駛的區(qū)間范圍是正常駕駛模式的1.5 倍，并傾向于更高的NOx瞬時排放。

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