基于遠程監(jiān)控的重型車實際行駛冷起動特征

關(guān)鍵詞：重型車；實際行駛；冷起動；遠程監(jiān)控 DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2025.04.004 中圖分類號：TK421.5 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：1001-2222（2025）04-0023-06

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計分析，2023年，中國商用車產(chǎn)量和銷量分別為403.7萬輛和403.1萬輛。柴油車的氮氧化物（nitrogenoxide， NO_x ）排放量超過汽車排放總量的 80% ，顆粒物（particulatemat-ter，PM）超過 90%^[1] 。2022年11月，生態(tài)環(huán)境部等15部門聯(lián)合印發(fā)了《柴油貨車污染治理攻堅行動方案》，計劃到2025年全國柴油貨車 NO_x 排放量下降 12% 。中國已于2023年7月1日正式全面實施重型車國六b階段排放標(biāo)準(zhǔn)（GB17691—2018）[2]，將重型車的實際道路測試列為重點之一，試驗采用便攜式排放測試系統(tǒng)（portableemissionmeasurementsystem，PEMS）進行。

國內(nèi)外學(xué)者對PEMS測試開展了大量研究。北京理工大學(xué)呂立群等[3的研究結(jié)果表明，現(xiàn)行功基窗口法在排放評估過程中最高可剔除 46.68% 的NO_x 高比排放窗口，嚴(yán)重低估了實際道路工況尤其是市區(qū)擁堵路況下的重型柴油車實際 NO_x 排放量。歐盟委員會聯(lián)合研究中心P.MENDOZA-VILLAFUERTE等4的研究結(jié)果表明，高達 85% 的 NO_x 排放結(jié)果未納入計算。目前，國際上開始對傳統(tǒng)的PEMS測試和計算方法進行改良，并期望在未來排放法規(guī)中予以升級[5]。X.ZHANG等[6]提出了一種適用于PEMS測試的基于油耗的窗口劃分方法，這種方法的 NO_x 排放偏差較功基窗口法降低 6% 。

2021年開始，中國環(huán)境科學(xué)院牽頭起動了國七排放標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)研工作，明確將增加對PEMS測試?yán)淦饎优欧诺目己耍⒖紤]降低對車輛載荷和行駛工況的限制。2021年，美國環(huán)境保護署（Environmen-talProtectionAgency，EPA）發(fā)布“清潔卡車計劃”，旨在降低重型貨車的溫室氣體和有害污染物的排放，并于2022年12月發(fā)布該計劃的第1項法規(guī)，即 EPA2027排放法規(guī)。該標(biāo)準(zhǔn)中引入二區(qū)移動平均窗口（2bin moving average window，2B-MAW）方法對在用車進行日常行駛工況的實際道路測試。2024年5月，歐盟發(fā)布了歐七排放標(biāo)準(zhǔn)[8。歐七排放標(biāo)準(zhǔn)沿用了歐六的PEMS測試方法和功基窗口法的排放核算方法，將有效窗口的平均功率閾值從 10% 降低至 6% 。綜上，采用實際行駛工況進行PEMS測試且對冷起動排放進行考核是未來重型車排放法規(guī)的發(fā)展方向之一。

柴油車的排放物主要依靠后處理裝置進行轉(zhuǎn)化，但后處理裝置需要達到一定的溫度才能進行充分反應(yīng)。例如，柴油氧化催化器（dieseloxidationcatalyst，DOC）的起燃溫度為 ，而選擇性催化還原（selectivecatalyticreduction，SCR）的尿素起噴溫度一般為 160～200° ，因此，車輛冷起動過程中的排放相對較為惡劣。（以下簡稱“天津檢驗中心”的吳春玲等9研究了PEMS測試過程中的冷起動排放特征，發(fā)現(xiàn)冷起動階段 NO_x 排放占比達 23.7% ～82.4% 。天津檢驗中心的許丹丹等[10]對一輛重型柴油混動自卸車進行PEMS測試，發(fā)現(xiàn)與剔除冷起動的排放測算結(jié)果相比，包含冷起動數(shù)據(jù)后 NO_x 排放增長約20倍， NO_x 排放的綜合符合性因子增加了92.3倍。廈門環(huán)境保護機動車污染控制技術(shù)中心的蘇盛11發(fā)現(xiàn)國六重型柴油車PEMS測試過程中冷起動的CO， NO_x ，PN排放量占比最多分別可達 25.4%，60.3%，67.6% 。葡萄牙里斯本大學(xué)的R.A.VARELLA等[12]研究了環(huán)境溫度對實際道路測試?yán)淦饎拥挠绊懀Y(jié)果表明環(huán)境溫度為 5C 時的 NO_x 排放較其他工況高出約 30% 。重慶大學(xué)的B.DU等[13]通過試驗發(fā)現(xiàn)，三元催化器的初始熱狀態(tài)對實際駕駛測試中冷起動排放有直接的影響。韓國漢陽大學(xué)的J.SEO等[14]通過實際道路數(shù)據(jù)訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于預(yù)測冷起動排放，研究發(fā)現(xiàn) NO_x 排放對冷起動排放的敏感性與車型有關(guān)。

綜上，重型車的冷起動排放（尤其是 NO_x ）占有較高比例，面對日漸嚴(yán)苛的排放法規(guī)，需要對重型車?yán)淦饎犹卣鬟M行深入研究。然而目前的研究大都采用排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的統(tǒng)一測試方法和循環(huán)，與實際的駕駛工況不盡相同，因此有必要采用實際運行數(shù)據(jù)對重型車?yán)淦饎犹匦赃M行分析。本研究采用重型車遠程監(jiān)控排放數(shù)據(jù)，對實際駕駛工況的行程和冷起動的時長、做功、排放等特征進行了分析，旨在為國七排放標(biāo)準(zhǔn)中實際道路測試?yán)淦饎优欧趴己朔桨傅难芯刻峁﹨⒖肌?/p>

1數(shù)據(jù)及分析方法

1.1 樣車數(shù)據(jù)

研究分析的數(shù)據(jù)來源于某重型車排放遠程監(jiān)控平臺，按照國六排放標(biāo)準(zhǔn)2要求，重型車應(yīng)按照1Hz 的頻率上傳車速、發(fā)動機扭矩、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、燃料流量、進氣量、 NO_x 傳感器輸出值等車輛瞬時運行及排放數(shù)據(jù)[15]。本研究隨機選擇8個型號的36臺重型國六在用柴油車，數(shù)據(jù)時長共計 16629.4h 。所選樣車的參數(shù)及數(shù)據(jù)時長如表1所示，車輛型號覆蓋貨車、牽引車、自卸車和客車的不同質(zhì)量段，即最大總質(zhì)量GVW（grossvehicleweight）不同。對于每輛樣車，遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)包含了同一年中的4個不同月份（1月、4月、7月和10月）來代表不同的季節(jié)。車輛的行駛路線和載重都是來自日常使用的真實場景。由于目前柴油車上廣泛安裝了 NO_x 傳感器，因此遠程監(jiān)控中只采集了 NO_x 排放數(shù)據(jù)。

表1樣車參數(shù)及數(shù)據(jù)時長

1.2 分析方法

本研究的數(shù)據(jù)分析分為數(shù)據(jù)清洗、行程分析和冷起動分析3個步驟。

1）數(shù)據(jù)清洗：刪除發(fā)動機轉(zhuǎn)速為0的數(shù)據(jù)，并根據(jù)遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)中的發(fā)動機扭矩、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、燃料流量、進氣量按照下式計算功率。

式中： Ψ_tΨ_t 為時間的索引變量； P 為發(fā)動機凈功率； T_net 為發(fā)動機靜扭矩 （N?N）：n 為發(fā)動機轉(zhuǎn)速； T_ref 為發(fā)動機參考扭矩 （N?m） ； T_act 為發(fā)動機實際扭矩 （%）：T_fri 為發(fā)動機摩擦扭矩 （%） 。

2）行程分析：定義“行程”為一次發(fā)動機著火至熄火的連續(xù)過程。行程之間中斷時間應(yīng)超過 30s 0否則認(rèn)為中斷數(shù)據(jù)屬于漏傳或臨時熄火，前后數(shù)據(jù)為連續(xù)的一個行程。考慮到短程移車等情況，認(rèn)為5min 以上的行程為有效行程。

3）冷起動分析：按照國六排放標(biāo)準(zhǔn)中實際道路測試要求，定義車輛冷起動過程為行程初始從冷卻水溫度低于 30^°C 至首次熱機到達 70°C 的過程。若行程起始溫度高于 30^°C ，則不對該行程進行冷起動分析。

2 結(jié)果及分析

2.1 行程特征

不同車型的總行程數(shù)如圖1所示。如前文所述，本研究中的行程是根據(jù)發(fā)動機是否運行來定義的，因此包含了臨時停車。本研究中共分析了21466個行程，其中貨車1、貨車3和牽引車1的行程數(shù)約為1500個。由于牽引車2的數(shù)據(jù)長度最長（見表1），因此牽引車2的行程數(shù)高達6685個。可以看出，所有車型的行程數(shù)都足夠大，可以代表它們的日常運行情況。

不同車型的行程時長統(tǒng)計如圖2所示。可以看出，不同車型的行程時間大致分布在 0～3h 范圍內(nèi)，所有樣車的平均行程時長為 0.68h 。對于相同用途的車輛，平均行程時長隨著GVW的增長而升高，這與車輛的實際用途有關(guān)，GVW較小的車型多用于城市內(nèi)短途運輸，而GVW較大的車型多用于城際中長途運輸。

國六排放標(biāo)準(zhǔn)2中要求PEMS測試的累計功達到WHTC循環(huán)功的 4～7 倍，而本研究中車輛行駛的WHTC循環(huán)功倍數(shù)在 0～6 范圍內(nèi)變化，平均值約為1.38。此外，歐七和美國EPA2027排放法規(guī)中已經(jīng)取消了PEMS測試?yán)塾嫻Φ囊螅虼擞斜匾趪邩?biāo)準(zhǔn)中降低或取消PEMS測試的累計功要求。與行程時長類似，對于相同用途的車輛，WHTC循環(huán)功倍數(shù)平均值隨著GVW的增長有上升的趨勢，這也與車輛的實際用途有關(guān)。

不同車型的行車和冷起動速度分布如圖4所示。中國對于重型車在市區(qū)、市郊和高速路況的車速限值一般分別為 60，80，100km/h 。從圖4可以看出，貨車1和貨車3的主要車速分別約為45km/h 和 60km/h ，因此二者可能主要行駛在市區(qū)范圍內(nèi)。除了市區(qū)路況外，其他車型在 80km/h 左右存在一個峰值，因此這些車型也行駛在高速路況以實現(xiàn)城市間的物流運輸。對于冷起動工況而言，所有車型的車速基本上均小于 60km/h ，說明冷起動期間車輛的運行負荷較低，此時后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率較低。

2.2 冷起動特征

冷起動過程的冷卻水溫度分布和SCR出入口溫度分布如圖5所示。圖中的溫度二維核密度（kerneldensity）分布通過將所有冷起動過程中水溫隨時間的變化曲線放在同一張圖中計算獲得。從圖5a中可以看出，大部分行程在 1200s 內(nèi)完成了熱機過程，所有冷起動過程的平均長度為 912.4s 。

部分行程由于受較低的環(huán)境溫度、低車速和頻繁起停等工況的影響，冷起動過程超過 3600s ，甚至更長的時間，水溫仍然低于 70°C 。圖中標(biāo)注了密度等于0.06的等高線，用以代表主要分布區(qū)域，用于后文中的分布區(qū)域?qū)Ρ取膱D5b和圖5c中可以看出，冷起動過程中的SCR入口溫度要高于出口溫度。一方面，SCR載體需要從排氣中吸收熱量用于加熱自身，另一方面，SCR中的還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。由圖可見，最快只需要約200s時間，SCR的入口溫度即可達到200℃的起燃溫度，并開始尿素噴射。

選取一段具有代表性的長時間冷起動過程（數(shù)據(jù)來源：客車，1月）進行分析，如圖6所示。車輛在水溫為 15^°C 時開始運行，經(jīng)過4000s的運行，水溫仍未達到 70^°C 。這是由于天氣寒冷，且行駛速度較低，并且車輛在行駛過程中經(jīng)歷了多次較長時間的怠速，導(dǎo)致水溫未能連續(xù)上升，SCR入口溫度也長時間未能達到尿素起噴溫度。在長怠速之后，車輛再次運行后較低的排氣溫度使得SCR人口溫度進一步降低，導(dǎo)致產(chǎn)生較高的 NO_x 排放。因此，如果未來排放法規(guī)中取消對車輛行駛工況的要求，可能存在車輛運行較長時間仍無法完成熱機的情況。

圖6長時間冷起動過程（客車，1月）

不同車型（貨車、牽引車、自卸車和客車）在不同季節(jié)（1月、4月、7月和10月）下的冷起動過程水溫分布對比如圖7所示，圖中每種車型或月份對應(yīng)區(qū)域的冷卻水溫度二維核密度大于0.06。從圖7a可以看出，由于自卸車型一般為中高載荷運行，因此水溫升高最快，冷起動平均時長為 677.9s 。貨車和牽引車?yán)淦饎訒r長較為接近，而客車的冷起動時間最長，平均值為 1838.3s 。原因是目前客車空座率較高，車輛載荷較小且行駛速度受到限制。由圖7b可見，隨著環(huán)境溫度的升高，車輛冷起動的初始水溫也隨之上升，平均冷起動時長則明顯下降，從1月的平均1389.5s降低為7月份的 508.4s 。

不同車型冷起動時長占行程時長的比例統(tǒng)計如圖8所示。由于實際工況的冷起動時長（見圖5）和行程時長（見圖2）變化范圍較廣，因此每種車型的冷起動時間占比均在 10%～80% 的范圍較為分散地分布。其中貨車的冷起動時間占比平均值隨著GVW的升高（即功率升高）而降低，牽引車和自卸車變化不明顯。所有車輛的冷起動時間的平均占比為 38.58% 。

不同車型冷起動過程做功的WHTC循環(huán)功倍數(shù)統(tǒng)計如圖9所示，不同車型的平均值約為0.25。影響WHTC循環(huán)功倍數(shù)的因素較多，包括車輛載荷、冷起動時長和發(fā)動機排量等，因此WHTC循環(huán)功倍數(shù)分布在 0.1～0.5 范圍內(nèi)。

圖10示出冷起動過程中的排放水平。值得注意的是，這里的 NO_x 排放為 NO_x 傳感器在露點檢測之后的有效值。由于 NO_x 傳感器的露點檢測一般在冷起動排放較高的初期（如圖6所示），因此計算結(jié)果較實際排放水平低，但不影響后續(xù)的分析。可以看出，大部分車型的平均冷起動 NO_x 排放量在小于 1.0g/（kW?h） 范圍內(nèi)，但大部分行程的冷起動排放均超過了歐七限值8] （0.26g/（kW?h）） 。對于自卸車1和客車，冷起動的排放水平較高。因此，如果國七排放標(biāo)準(zhǔn)也采用相同限值，對于重型車?yán)淦饎优欧艃?yōu)化將是較大的挑戰(zhàn)。

3結(jié)論

a）對于相同用途的車輛，平均行程時長和平均行程做功隨著最大總質(zhì)量的增長而升高，所有樣車的平均行程時長為 0.68h ，平均行程做功的WHTC循環(huán)功倍數(shù)為1.38；為了縮短PEMS試驗周期，在未來國七標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)考慮降低實際道路測試的累計功要求；

b）所有樣車的平均冷起動時長為 912.4s ，冷起動占行程時長的平均比例為 38.58% ，平均冷起動做功WHTC循環(huán)功倍數(shù)為0.25；對于實際駕駛工況，由于受環(huán)境溫度、頻繁起停或長怠速的影響，有可能存在車輛運行較長時間 （gt;1h） 仍無法完成熱機的情況，隨著環(huán)境溫度的升高，冷起動時長明顯下降；

c）以目前國六車的冷起動排放水平來看，大部分車型的平均冷起動排放在小于 1.0g/（kW?h） 范圍內(nèi)，但大部分行程的冷起動排放均超過了歐七限值 （0.26g/（kW?h）） ，因此排放標(biāo)準(zhǔn)升級對于重型車的冷起動排放優(yōu)化將是較大的挑戰(zhàn)。

參考文獻：

[1]生態(tài)環(huán)境部.中國移動源環(huán)境管理年報（2023年）[R].北京：生態(tài)環(huán)境部，2023.

[2] 生態(tài)環(huán)境部，國家市場監(jiān)督管理總局.重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）：GB17691—2018[S].北京：中國環(huán)境出版集團，2018.

[3] 呂立群，尹航，王軍方，等.基于功基窗口法的國六重型柴油車實際道路排放研究[J.中國環(huán)境科學(xué)，2021，41（8）：3539-3545.

[4] MENDOZA-VILLAFUERTEP，SUAREZ-BERTOAR，GIECHASKIELB，etal. NO_x ， NH₃ ， N₂O and PNrealdrivingemissionsfromaEuro heavy-dutyvehi-cle：Impact of regulatory on-road test conditions on e-missions[J].Science of the total environment，2017，609：546-555.

[5] 景曉軍，任爍今，汪曉偉，等.重型車下階段排放法規(guī)基本思路與發(fā)展趨勢[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2023，14（2）：133-156.

[6] ZHANG X，LI J，LIUH，et al.A fuel-consumptionbased window method for pems NO_x emission calcula-tion of heavy-duty diesel vehicles：Method descriptionand case demonstration[J].Journal of environmentalmanagement，2023，325：116446.

[7]The U.S.Environmental Protection Agency.Control ofairpollution from new motor vehicles：Heavy-duty en-gineand vehicle standards：88Fed.Reg.4296[S].Wash-ington，D.C.：TheUnited StatesEnvironment Protec-tion Agency（EPA），2022.

[8]The European Union.Regulation（EU） 2024/l257[S].Brussels：TheEuropeanUnion，2024.

[9] 吳春玲，李旭，白曉鑫，等.重型柴油城市車輛實際道路冷起動排放特性研究[J].汽車實用技術(shù)，2023，48（9）：148-156.

[10]許丹丹，高東志，李剛，等.冷起動對重型混動車實際道路行駛排放的影響研究[J].環(huán)境污染與防治，2022，44（9）：1153-1156.

[11] 蘇盛.國VI重型柴油車實際道路行駛下的冷起動排放[J].廈門理工學(xué)院學(xué)報，2022，30（5）：1-7.

[12] VARELLARA，DUARTEG，BAPTISTAP，etal.Analysis of the influence of outdoor temperature invehicle cold-start operation following EU real drivingemission test procedure[C].SAE Paper 20l7-24-0140.

[13]DUB，ZHANGL，GENGY，etal.Testingand evalua-tion of cold-start emissions in a real driving emissionstest[J].Transportationresearch partD：Transportandenvironment，2020，86：102447.

[14] SEOJ，YUNB，KIMJ，etal.Developmentofacold-start emission model for diesel vehiclesusingan arti-ficial neural network trained with real-world drivingdata[J].Science of the total environment，2022，806：151347.

[15] 任爍今，全暢，李剛，等.重型車遠程監(jiān)控與實際道路試驗對比研究及統(tǒng)計分析[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2023，14（2）：239-248.

Abstract：In order to meet the requirements of the future assessment of the China I emission standard for heavy-duty vehiclesoncoldstartemisionsduringrealroadtests，thecoldstartcharacteristicsofheavydutyvehiclesunderrealroaddriving conditionswereinvestigated，and16629.4hremotelymonitoredemisiondatafrom36in-useeight-typedheav-dutyvehicles wereanalyzedand studied.Theresultsshow thatforvehicles withthesameusage vehicles，theaverage tripdurationandaveragework increase with the increaseof the maximumgross mass.The average cold start durationof allvehicles was 912.4s ，the average proportion of cold start duration was 38.58% ，and the World Harmonized Transient Cycle（WHTC） cycle power multiplierof theaveragecold startwork wasO.25.Forrealdrivingconditions，thevehicles mightrunforalongtime withoutbeing able tocompletethewarm-upduetotheefectoflowambienttemperature，frequentstart-stop，orlongidling speeds.Optimizingcoldstartemissions forheavy-dutyvehicles wouldbeoneof thechallenges in meeting futureemissonstandardupgrades.

Kev wnrde.haavv-diitv vahicla.raal driving.onld ctart.ramnta mnnitoring

[編輯：姜曉博]