國Ⅵ輕型汽油車市區工況排放特性分析

李漢軻 韓飛 張秋菊 石燁楠

摘要：為了研究國Ⅵ輕型燃油車市區工況下的排放特性，選擇一輛國Ⅵ汽油車，在建水市區利用PEMS在非高峰時段進行市區排放測試。結果表明：在市區工況下，隨著速度增大，CO2排放降低，NO排放降低，燃油消耗降低，但CO排放會隨著速度的增大呈先減小后增大的趨勢；當VSP小于0時，CO2排放速率很小；當VSP大于0時，隨著VSP的增大，CO2排放速率增大；市區工況下，車輛減速時CO2排放速率很低；當速度為定值時，隨著加速度的增大，CO2排放速率可以達到極大值。

關鍵詞：市區工況；國Ⅵ輕型汽油車；VSP；污染物排放

中圖分類號：U4613? 收稿日期：2024-04-08

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405031

1 前言

全球碳排放量的增加引發了一系列氣候問題。隨著國內車輛保有量的激增，汽車污染物排放已經成為空氣污染的主要來源。我國相繼出臺了多項減排政策和排放法規[1]。以往的排放法規，輕型車排放測試一般基于實驗室中的底盤測功機進行測試，一般都按照固定的測試循環曲線進行行駛。許多研究表明，實驗室測試循環不能完全反映實際行駛情況下的運行工況，進而導致實驗室排放結果與實際排放狀況存在較大差異[2]。

車輛實驗室測試和道路測試結果之間的差異取決于多種因素，其中最重要的是駕駛周期和道路負荷。在大多數研究中，在底盤測功機上進行的測試都涉及形式認可循環（NEDC-新歐洲行駛循環、WLTC-全球統一輕負荷測試循環、FTP-聯邦測試程序），這些循環與實際道路測試不同。

Boya Zhou等[3]的研究表明，標準測試周期和路面載荷設定方法對燃料消耗量的影響較小，差異小于4%。在交通擁堵的情況下（平均車速低于25 km/h），油耗對車速的變化非常敏感。因此，建議在評估低速輕型汽車的燃油經濟性和溫室氣體減排效果時，不能忽視實際駕駛條件。

Artur Jaworski等[4]在道路和實驗室條件下對一輛混合動力汽車進行了相同行駛周期的測試，確定混合動力汽車在道路條件下的氣體排放（四氯化碳、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物）和燃料消耗（能量）結果與底盤測功機在相同周期和3種阻力作用下的測試結果之間的有很大差異。

建水縣位于云南省南部，海拔高度約1 400 m，處于高海拔環境下，氧氣稀薄，氣壓較低，這使得發動機充氣量減少，混合氣濃度變大，燃燒經濟性降低[5]。

2 測試方案

21 測試路線及環境

為了分析國Ⅵ輕型燃油車在市區工況下的排放特性，本研究選在建水城區進行試驗。在制定試驗路線的時候充分考慮交通流量、環境溫度、環境濕度、海拔增量等。表1列出了測試過程中的環境條件。

表1 測試環境條件

[環境溫度，℃ 19 環境濕度，% 578 氣壓，kPa 86.6 海拔高度，m 1 339 ]

22 測試車輛

本研究選擇了一輛國Ⅵ輕型燃油車作為測試車輛，以研究國Ⅵ輕型車市區工況污染物排放特性。這輛車在燃料類型和排放標準方面具有普遍性和代表性。表2提供了測試車輛基本信息。

23 測試設備

本研究采用的測試設備是HORIBA OBS-ONE。OBS ONE配備了GPS和氣象站，以監測駕駛條件和天氣條件，包括速度、海拔、位置、環境溫度、大氣壓和濕度。OBS ONE負責檢測氣態排放物，一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）是通過非色散紅外探測器（NDIR）來測量的，一氧化氮（NO）和氮氧化物（NOx）是通過化學發光檢測器（CLD）來測量的，總烴（THC）是通過加熱火焰離子化檢測器（HFID）來檢測的，而發動機在工作狀態下的參數則由車載診斷系統（OBD）來記錄。所有排放數據和發動機參數都是實時收集的。

此外，所有測量設備均由24 V電池供電，并且所有數據校準后，所有分析儀的輸出頻率均設置為1 Hz。氣態排放物CO、CO2、NO和NOx的測量范圍分別是0%～10%、0%～20%、0～0.3%、0～0.3%，而顆粒物的測量范圍是10 nm～25 [μ]m。測量精度分別達到了1×10-6、001%、1×10-7和1×10-7。每次測試前，便攜式排放測量系統（PEMS）都會進行充分預熱，并接受泄漏檢查和功能檢查。每個分析儀都會在每次測試前后進行歸零和校準，以符合《中國排放標準Ⅵ》，確保測量結果的準確性。

24 數據質量控制

為確保實驗結果的準確性，測試儀器在每次測試前都要預熱60 min。此外，還使用高純度氮氣和各種標準氣態污染物對儀器進行了歸零校準，還根據每臺儀器響應時間的差異，對其輸出數據進行了時間同步校正。

25 數據處理

計算排放因子：通過瞬時排放量和累計行駛里程計算燃油車污染物排放因子，計算公式：

Mj=[n=irmj，n10?3Sn]

式中，Mj為基于距離的排放因子，g/km;j為污染物種類（CO2、NO）;m為污染物的瞬時排放量，g/s;n為某種操作模式的持續時間，s；S為累計行駛里程，km[6]。

計算車輛比功率：

VSP=v（11a+981sinθ+0132）+302×10-4v3

式中，v為車輛行駛速度，m/s;a為車輛行駛瞬時加速度，m/s2;θ為道路坡度[7]。

3 結果與討論

31 數據描述

數據集的數量、質量和多樣性對于排放特性研究十分重要。本研究采用PEMS收集到的9 000組機動車瞬時排放數據，數據集涵蓋了駕駛特性、外部環境特性、發動機特性。每組數據的名稱、最大值、最小值、平均值等信息如表3所示。

32 行駛速度對CO2排放的影響

為了分析車輛行駛速度對燃油車CO2排放的影響，本研究將速度劃分為（0，10]，（10，20]，（20，30]，（30，40]，（40，50]，（50，60]6個區間，并分別計算其CO2排放因子，得出了CO2排放與車速的關系，如圖1所示。可以發現，隨著速度的增大，CO2排放呈降低的趨勢。（0，10]速度區間的CO2排放是（50，60]速度區間的719倍。速度小于10 km/h時，頻繁的停車和起動，發動機轉速較低，缸內溫度較低，燃料燃燒不充分，導致（0，10]區間內CO2排放較大[8]。

33 行駛速度對CO排放的影響

CO是含碳燃料燃燒過程中產生的主要中間產物。如果反應氣體中氧氣濃度足夠高、溫度足夠高、化學反應時間足夠長，CO就會氧化成CO2。因此，如果不具備這3個條件，就會產生CO排放。圖2顯示了車輛行駛速度對CO排放的影響。可以看出隨著速度增加，CO排放呈遞減的趨勢，但是在（50，60]區間內會出現遞增。造成這一現象的主要原因是，內燃機的燃燒過程在低速條件下發動機燃燒溫度相對較低，燃燒不充分導致CO排放增大。隨著速度的增大，發動機負載增加，混合氣的濃度和空氣流量也發生了相應的變化，燃燒效率升高，CO排放減少。當車輛高速行駛時，車輛阻力增大，導致CO增加。

34 行駛速度對NO排放的影響

當汽車發動機工作時，高溫高壓下使得空氣中的氧氣和氮氣在電火花的作用下發生反應，生成NO[9]。由圖3可知，六個速度區間，隨著速度的增加，NO先減少后增加。NO的生成隨溫度呈指數函數變化。溫度每提高100 k，NO的生成速率幾乎翻一番。氧濃度增加也會提高NO的生成量。速度增大，進氣量增加，NO會增加。

35 速度和加速度對CO2排放的耦合影響

為了研究駕駛特性對CO2排放的影響，本研究選擇速度和加速度來表征駕駛特性。由圖4可以看出，當加速度小于0時，即減速工況下，在每一個速度區間CO2排放速率都很低；CO2排放值在較大區域，是車輛在中低速中但加速度較大的情況。

36 VSP對CO2排放的影響

除了車速和加速度，VSP也是車輛行駛特性中排放的重要影響因素。其對國VI輕型汽油車二氧化碳排放率的影響有待研究。然而，與MOVES模型中通過VSP-bin對VSP的描述不同，本研究將VSP值視為獨立點，并在圖5中繪制了這些獨立VSP點與CO2排放量之間的擬合曲線。通過PEMS測量收集的9 000多個VSP排放數據點進行拋物線擬合。結果如圖6所示，CO2的排放率與VSP之間的關系呈現二次多項式特征。當VSP值大于0時，二氧化碳排放率隨著VSP的增加而急劇增長。當VSP值小于0時，二氧化碳排放率先在[-10，0]區間內略有下降，然后緩慢上升。國VI汽油車擬合曲線的R2值平均達到055。這表明VSP對國VI汽油車二氧化碳排放的影響更穩定、更顯著。

為了分析VSP分區與CO2排放的關系，本研究將VSP分為＜-10、[-10，-3）、[-3，0）、[0，3）、[3，6）、[6，9）、[9，12）、[12，15）、[15，20），9個區間，可以看出隨著VSP分區的增大，CO2排放速率呈一直增大的趨勢。因此機動車市區行駛時可以采取措施避免激烈駕駛或重載駕駛，以減少CO2排放。

4 結語

a在市區工況下，隨著速度增大，CO2排放降低，NO排放降低，燃油消耗降低；CO排放隨著速度增大，呈現降低后增加的趨勢。

b當VSP值小于0時，CO2排放速率很小；當VSP值大于0時，隨著VSP值的增大，CO2排放速率增大。

c市區工況下，車輛減速時CO2排放速率很低；當速度為定值時，隨著加速度的增大，CO2排放速率可以達到極大值。

參考文獻：

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[9]Huang R， Ni J， Shi X，et alAssessing and characterizing the effect of altitude on fuel economy， particle number and gaseous emissions performance of gasoline vehicles under real driving[J]Proc SAE Technical Paper Series，2023

作者簡介：

李漢軻，男，1984年生，助理工程師，研究方向為整車測試技術。