付秉正，楊正軍，尹 航，周小燕，譚建偉，葛蘊珊

(1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081；3.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300； 4.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

輕型汽油車實際行駛污染物排放特性的研究?

付秉正1，2，楊正軍1，3，尹 航4，周小燕1，2，譚建偉1，2，葛蘊珊1，2

(1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081；3.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300； 4.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

按歐盟最新制定的實際行駛排放試驗RDE(Real Driving Emissions)測試規(guī)程，使用便攜式車載排放測試系統(tǒng)對4輛滿足國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車進(jìn)行了實際道路排放測試。結(jié)果表明:試驗車輛的CO符合性因子大于NOx。CO和NOx的瞬時排放率隨車輛加速度的增加而升高。高速工況下，污染物瞬時排放率在車輛加速度超過NEDC循環(huán)工況的最大加速度時達(dá)到峰值，而CO瞬時排放率峰值對整個行程的CO符合性因子影響不可忽視。在制定RDE法規(guī)時，應(yīng)重點關(guān)注汽油車的CO排放。

輕型汽油車；實際行駛排放；排放特性

前言

隨著經(jīng)濟的增長和社會的發(fā)展，我國機動車保有量劇增，由機動車尾氣排放帶來的環(huán)境問題日益受到人們的關(guān)注。當(dāng)前，世界各國的機動車排放法規(guī)都是依據(jù)按特定的循環(huán)工況在實驗室內(nèi)進(jìn)行的試驗而制定的__[1]，大量研究表明，單一的實驗室測試循環(huán)不能覆蓋實際行駛情況下的運行工況[2]，車輛的實驗室排放測試結(jié)果與實際排放狀況可能存在較大差異[3－5]。與歐洲不同，我國輕型車以汽油車為主，為驗證汽油車在實際行駛狀況下的排放特性，本文中選擇了4輛在用輕型汽油車，使用便攜式車載排放測量系統(tǒng)(portable emission measurement system，PEMS)，按照RDE測試規(guī)程進(jìn)行了實際行駛排放試驗。

1 試驗方案

1.1 測試車輛與試驗設(shè)備

測試車輛主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。4輛車配備有三元催化轉(zhuǎn)化器(TWC)的實驗室NEDC循環(huán)測試結(jié)果見表2?？梢钥闯?種排放均滿足國V排放法規(guī)要求。

表1 測試車輛主要技術(shù)參數(shù)

表2 測試車輛NEDC試驗結(jié)果g·km－1

試驗用設(shè)備為Sensor公司的Semtech-LDV輕型車便攜式車載排放分析儀，主要由氣體分析系統(tǒng)、采樣預(yù)處理系統(tǒng)、尾氣流量計、全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器和溫濕度儀組成。該設(shè)備采用不分光紅外法(NDIR)測量CO和CO2，不分光紫外法(NDUV)測量NO和NO2，尾氣流量計用來測量排氣體積流量，GPS接收器可以逐秒記錄試驗中車輛行駛速度和海拔高度。由于THC的測量需要使用氫火焰離子化檢測器(FID)，根據(jù)歐盟RDE法規(guī)的要求，出于試驗安全考慮，本研究未對THC排放進(jìn)行測量。

1.2 試驗方案

試驗在工作日進(jìn)行，北京市區(qū)工況:博興六路-舊頭路-博興路-榮昌西街-榮昌東街-宏達(dá)中路-興盛街-文昌大道-地盛東街-榮京西街-西環(huán)中路-博興八路-星海路-星海二街-博興路；市郊工況:太和橋(六環(huán)路)-新河二橋(京津高速)-于家務(wù)橋；高速工況:于家務(wù)橋(京津高速)-新河二橋(六環(huán)路)-太和橋。按照RDE規(guī)程的要求，為了盡可能覆蓋各種行駛工況，試驗車輛依次在市區(qū)、市郊和高速公路3種道路上連續(xù)行駛，每個速度區(qū)間至少行駛16km，試驗總時間在90～120min，試驗起始點和結(jié)束點的海拔高差不超過100m。上述3種工況的速度范圍與里程份額如表3所示。

表3 市區(qū)、市郊和高速公路區(qū)間速度范圍與份額

表4列出4次RDE試驗的環(huán)境條件，其中環(huán)境溫度在11.5～28.9℃范圍內(nèi)，符合法規(guī)要求的0～30℃的非擴展普通溫度條件。

_____________表4 試驗環(huán)境條件

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 預(yù)處理

試驗使用的PEMS設(shè)備Semtech-LDV針對RDE開發(fā)，其附帶的軟件具有時間對正功能，在數(shù)據(jù)輸出時可消除車速、污染物濃度和排氣流量等主要參數(shù)的時間延遲，并按對正后的數(shù)據(jù)計算出各污染物的瞬時排放速率。此外，按法規(guī)規(guī)定，將冷起動、車速為零和發(fā)動機熄火時的排放數(shù)據(jù)剔除。其中，冷起動時段包括發(fā)動機起動后的最初5min，車速為零時刻由GPS或ECU讀取的車速數(shù)據(jù)判別，僅須滿足如下任一條件即可判定發(fā)動機熄火:(1)發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于50r/min；(2)排氣質(zhì)量流量小于3kg/h；(3)排氣質(zhì)量流量率低于怠速穩(wěn)定排氣質(zhì)量流量率的15%。

2.2 CO2移動平均窗口法

根據(jù)歐盟RDE法規(guī)規(guī)定，使用CO2移動平均窗口法對車載設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，現(xiàn)以a車為例，簡述計算過程，如圖1所示。在圖中連續(xù)的CO2排放曲線(為清晰起見，僅顯示前2 500s數(shù)據(jù))上，從第1s開始按1Hz的頻率，以該車WLTC工況循環(huán)CO2排放總量(單位:g)的一半(MCO2，ref＝1787.37g)作為基準(zhǔn)從前向后劃定若干CO2窗口。圖中兩條斜線分別代表第50個和第1 300個窗口的CO2隨時間累積的量，前后兩對虛線所包圍的范圍即為兩個CO2窗口。窗口劃分完成后，繼而可以得到每個窗口的污染物和CO2排放因子及平均車速。

圖1 a車窗口劃分示例

為判定所得窗口是否符合RDE分析要求，應(yīng)采用“CO2特性曲線”進(jìn)行評估。如圖2所示，圖中不規(guī)則曲線由a車RDE測試取得的5 133個CO2窗口在坐標(biāo)軸中所對應(yīng)點的組成，P1，P2和P3點的參數(shù)由該車WLTC循環(huán)低速段、高速段、超高速段的平均車速和CO2排放因子確定，3點相連即組成該車的CO2特性曲線。窗口平均速度以45和80km/h為界限，分為市區(qū)、市郊和高速公路，若以上3個速度區(qū)間分別至少有50%的窗口落在特性曲線定義的基本公差(±25%)范圍內(nèi)，則該測試正常性驗證通過。

圖2 a車CO2特性曲線

基于窗口數(shù)據(jù)，分別計算各速度區(qū)間的污染物排放因子的平均值，并按照市區(qū)0.34、市郊0.33、高速公路0.33的系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，最終得到各污染物總行程的排放因子。

CO2移動平均窗口法的優(yōu)點是可從一組完整行程數(shù)據(jù)中獲得數(shù)千個窗口，并利用這些窗口估計排放因子的統(tǒng)計分布。如果窗口的尺寸足夠大(持續(xù)時間足夠長)，窗口化的數(shù)據(jù)可使計算更加平滑、穩(wěn)定。

2.3 符合性因子

為了將排放因子與適用法規(guī)限值相比較，定義每一種污染物實際行駛排放結(jié)果和相應(yīng)排放限值之比為符合性因子(conformity factor，CF)，即

式中:CFj為j排放物的符合性因子；Ereal，j為RDE試驗j排放物的排放因子mg·km－1；Enorm，j為適用法規(guī)規(guī)定的j排放物限值，mg·km－1。

3 試驗結(jié)果

3.1 符合性分析

a～d車RDE符合性因子如圖3所示，可見4輛車CFCO均大于CFNOx，除a車外，其他車輛RDE測試結(jié)果都有超過限值的情況發(fā)生，且主要集中在CO。

圖3 a～d車RDE試驗符合性因子

為進(jìn)一步分析速度對符合性因子的影響，得到4輛試驗車不同速度區(qū)間的符合性因子，如圖4所示。可以看出，除a車外，b～d車CO符合性因子隨車速的增加而增大，且市郊、高速公路區(qū)間的CF值均大于1，表明隨車輛速度和加速度的上升，CO實際道路排放超過標(biāo)準(zhǔn)限值。實際道路NOx排放規(guī)律不明顯，除b車外，a，c和d車3個速度區(qū)間的CFNOx均小于1，且波動范圍不大，實際排放滿足標(biāo)準(zhǔn)限值。

因此，汽油車RDE試驗排放超標(biāo)的風(fēng)險主要為CO。

圖4 a～d車RDE試驗不同速度區(qū)間符合性因子

3.2 加速度對污染物排放的影響

根據(jù)機動車行駛狀態(tài)將機動車運行加速度劃分為7個區(qū)間，如表5所示。

表5 加速度區(qū)間劃分m·s－2

為了避免速度對分析結(jié)果的干擾，仍然按照市區(qū)、市郊和高速公路3個速度區(qū)間分別對加速度與污染物瞬時排放率的關(guān)系進(jìn)行分析。c車加速度與污染物瞬時排放率的關(guān)系如圖5所示，a，b和d車分析結(jié)果與之類似。

由圖5可見，污染物瞬時排放率總體上隨加速度的增加呈現(xiàn)增加趨勢。在勻速和減速時，瞬時排放率隨加速度的增加而緩慢增加。當(dāng)車輛處于加速行駛狀態(tài)時，在市區(qū)和市郊速度區(qū)間，CO和NOx的瞬時排放率隨加速度的增加而快速增加，在高速公路速度區(qū)間，這一趨勢更為顯著。

為進(jìn)一步分析高速狀態(tài)下車輛的排放特性，將c車高速公路工況下的行駛加速度與污染物瞬時排放數(shù)據(jù)進(jìn)行對照，如圖6所示。由圖可見，c車在高速行駛時，急加速會使CO排放呈現(xiàn)尖峰，這些尖峰持續(xù)時間非常短，但最大值可達(dá)9.689g/s，對總行程排放因子計算的貢獻(xiàn)不可忽視；加速也會使NOx的排放增加，但最大值僅為0.027g/s，與市區(qū)、郊區(qū)速度段最大值相差不大。

圖5 c車加速度與污染物瞬時排放率的關(guān)系

圖6 c車高速區(qū)間加速度與污染物瞬時排放關(guān)系示意圖

此外，圖6中橫線表示NEDC最大加速度amax，污染物瞬時排放率尖峰基本上出現(xiàn)在加速度較大且超出amax的時刻。將高速段按加速度分為大于amax和不大于amax兩組并進(jìn)行u檢驗。結(jié)果表明，在置信度p＞0.99的條件下，這兩組的NOx瞬時排放率差異不顯著，而加速度大于amax時CO瞬時排放率顯著高于加速度不大于amax時。圖中加速度為2.92m/s2的點，對應(yīng)了第一個瞬時排放率尖峰，主要原因: (1)測試路線中高速公路的車流量偏大，駕駛員為在有限時間和行駛距離內(nèi)達(dá)到RDE測試規(guī)程的車速及里程份額要求，需要避讓車流且頻繁加速，車輛為了響應(yīng)加速請求會加濃混合氣，空燃比偏離三元催化轉(zhuǎn)化器的有效控制窗口，導(dǎo)致CO排放在高速高負(fù)荷工況下急劇增加[6]；(2)汽車生產(chǎn)商是根據(jù)NEDC循環(huán)工況對車輛進(jìn)行排放標(biāo)定，而標(biāo)定未能覆蓋實際駕駛過程中加速度較大的工況，使這些時刻污染物的瞬時排放率明顯高于其他時刻。

4 結(jié)論

(1)試驗用輕型汽油車在實際道路工況下CO嚴(yán)重超過限值，特別是在高速高負(fù)荷工況下更加嚴(yán)重，應(yīng)重點關(guān)注CO實際道路排放，有針對性地增加相關(guān)規(guī)定。

(2)實際道路工況下，試驗汽油車的CFCO大于CFNOx，CO和NOx的瞬時排放率隨加速度的增加而增加，且這一趨勢在高速公路速度區(qū)間更為明顯。

(3)高速工況下，污染物瞬時排放率的峰值大多出現(xiàn)在加速度超出NEDC循環(huán)最大加速度時刻，此時CO瞬時排放對總行程排放因子的貢獻(xiàn)較大。

(4)在滿足實驗室排放法規(guī)的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步擴大排放標(biāo)定范圍，才能降低RDE試驗符合性因子，有效減少實際道路排放。

[1] FRANCO V，KOUSOULIDOU M，MUNTEAN M，et al.Road vehicle emission factors development:A review[J].Atmospheric Environment，2013，70:84－97.

[2] PIELECHA J，MERKISZ-GURANOWSKA A，JACYNA-GOHDA I.A new ecological research:real driving emissions[J].Journal of Kones，2014，21(2):259－265.

[3] CHEN Y，BORKEN-KLEEFELD J.Real-driving emissions from cars and light commercial vehicles–Results from 13 years remote sensing at Zurich/CH[J].Atmospheric Environment，2014，88:157－164.

[4] FONTARAS G，F(xiàn)RANCO V，DILARA P，et al.Development and review of Euro 5 passenger car emission factors based on experimental results over various driving cycles[J].Science of the Total Environment，2014，468:1034－1042.

[5] LIGTERINK N E，KADIJK G，VAN MENSCH P，et al.Investigations and real world emission performance of Euro 6 light-duty vehicles[M].Delft:TNO，2013.

[6] 劉巽俊.內(nèi)燃機的排放與控制[M].北京:機械工業(yè)出版社，2005.

A Research on the Real Driving Emission Characteristics of Light-duty Gasoline Vehicles

Fu Bingzheng1，2，Yang Zhengjun1，3，Yin Hang4，Zhou Xiaoyan1，2，Tan Jianwei1，2＆Ge Yunshan1，2
1.School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081；2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing，Beijing 100081；3.China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300300； 4.Chinese Research Academy of Environmental Science，Beijing 100012

The real world emissions of four light-duty gasoline vehicles meeting State-V emission regulation are measured with portable emission measurement system in accordance with the real driving emissions(RDE)procedure newly formulated by EU.The results show that the conformity factor of CO is higher than that of NOx.The instantaneous emission rates of CO and NOxincrease with the rise in acceleration.Under high speed condition，the instantaneous emission rate of pollutants reaches the peak value when vehicle acceleration exceeds the maximum acceleration of NEDC cycle，and the effects of these peaks of CO instantaneous emission rates on the conformity factor of CO for total cycle can't be ignored，so it is necessary to pay more attention to the CO emission of gasoline vehicle in formulating RDE regulation.

light-duty gasoline vehicle；real driving emissions；emission characteristics

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.04.002

?科技部大氣專項(2016YFC0208005)和青海省科技項目(2013－J－A4)資助。

原稿收到日期為2016年6月7日，修改稿收到日期為2016年7月8日。

尹航，博士，E-mail:yinhang＠vecc-mep.org.cn。