王志紅，黃鈺焜，張遠(yuǎn)軍，丁 玲，王志軍

（1. 武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實驗室，湖北 武漢 430070； 2. 武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070； 3. 國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（襄陽），湖北 襄陽 441004）

隨著中國汽車保有量的不斷增加，汽車尾氣污染物排放總量也逐年上升，2020 年，全國機(jī)動車4項污染物排放總量為1 593 萬t。 其中，在各類型汽車中，重型車是氮氧化合物（NOx）和顆粒物（PM）排放的主要貢獻(xiàn)者[1]。 為了降低城市污染、改善空氣，我國接連實施了一系列排放標(biāo)準(zhǔn)，2021 年7 月1 日，重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱為國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)）全面實施，相較于國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，國Ⅵ對重型車排放測試方法和限值要求更加嚴(yán)格，污染物排放限值大幅降低。 并且，與國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)相比， 國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)新增了整車車載法（PEMS）試驗，與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)轂試驗相比，整車車載法（PEMS） 試驗可更真實可靠的反映由于汽車位置，駕駛模式，駕駛行為變化所導(dǎo)致的汽車油耗和排放的變化[2]。

天然氣燃燒清潔度高、燃燒熱值高、且燃燒產(chǎn)物主要是H2O 和CO2， 并且在裝有SCR/TWC 等后處理裝置時二氧化碳（CO2）、氮氧化合物（NOx）和顆粒物（PM）的排放很低，是很好的柴油發(fā)動機(jī)替代能源[3-6]。 相較于氫氣、甲醇以及其他生物質(zhì)燃料汽車，天然氣儲量大、成本低、穩(wěn)定性高且技術(shù)較為成熟，與電動汽車相比，電動汽車所需要的能源（電）的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)化等階段產(chǎn)生的NOx，SOx和PM 排放量分別是天然氣車的1.2，3.5 及7.5 倍， 天然氣車是我國推廣清潔能源汽車、盡快達(dá)到碳達(dá)峰和碳中和、實現(xiàn)交通減排的現(xiàn)實選擇[7]。 天然氣發(fā)動機(jī)早期是無尾氣后處理裝置的稀薄燃燒發(fā)動機(jī)的形式，用于降低PM 的排放[8]， 后來加裝了氧化催化轉(zhuǎn)化器（OC）進(jìn)一步降低了CO 和THC 的排放[9]，隨后為解決稀薄燃燒發(fā)動機(jī)功率小和NOx排放控制問題，電控噴射天然氣發(fā)動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生， 同時， 加裝TWC/SCR 可進(jìn)一步降低污染物排放， 滿足法規(guī)的要求[9]。

國內(nèi)外學(xué)者對重型天然氣車實際道路排放特性研究已經(jīng)取得一定的成果，Mccaffery 等[10]分析比較了加利福尼亞州50 輛不同用途， 不同發(fā)動機(jī)技術(shù)的重型車NOx實際道路排放特性，發(fā)現(xiàn)相較于柴油車，LPG 車、CNG 車和柴電混和車NOx排放均有大幅度的降低，并且怠速階段車輛排放最高，低速其次。 Wang 等[9]對兩輛滿足國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的LNG 重型清潔車分析了其實際道路排放特性， 結(jié)果表明，在中等車速激烈駕駛會導(dǎo)致THC 大幅度增加。Lyu 等[11]分析比較了中國北方6 輛分別滿足國Ⅴ或國Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)，使用LNG 或柴油的半掛牽引車實際道路排放特性，結(jié)果表明，頻繁加減速會導(dǎo)致NOx排放增加。 Zhang[12]分析比較了分別滿足歐Ⅴ，歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)的柴油、 柴混、CNG 和LNG 公交車實際道路排放特性， 并研究了VSP 和車速對車輛NOx排放的影響，研究發(fā)現(xiàn)， 相較于柴油車， CNG 和LNG 以及混電車的污染物排放顯著降低，NOx平均排放率與比功率VSP 呈現(xiàn)良好的正相關(guān)，NOx相對排放因子與車速成反比。 Guo 等[13]分析比較了13 輛分別滿足歐Ⅲ，歐Ⅳ、歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的柴油、天然氣公交車的實際道路排放特性，結(jié)果表明：CNG 公交車的PM 和PN排放較柴油車有大幅降低，并且，各污染物排放因子與VSP 成正比。

相較于壓縮天然氣（CNG），液化天然氣（LNG）易運(yùn)輸、易儲存、密度大，相較于CNG 車輛，LNG 車輛有更小的油箱，更少的加油頻率以及更長的行駛距離[14]。 LNG 發(fā)動機(jī)可更廣泛的應(yīng)用于長距離運(yùn)輸車輛上，如大型客車，貨車，半掛牽引車等，在各類運(yùn)輸車輛中，半掛牽引車由于運(yùn)輸量大，經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于公路貨運(yùn)中[15]，降低半掛牽引車車的排放對我國環(huán)境控制具有顯著意義。 然而目前多為對小型公交車等城市車輛的研究， 對LNG半掛牽引車的排放特性研究較少，并且都是對滿足舊標(biāo)準(zhǔn)排放法規(guī)車輛的排放特性分析， 本文使用PEMS 研究國Ⅵ天然氣半掛牽引車（N3 類型）的車載排放特性，分析了動力學(xué)參數(shù)、行駛路段、行駛速度、加速度、冷啟動以及汽車比功率對車輛排放的影響。 為重型車排放控制和城市空氣質(zhì)量的提高提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。 同時也為日后開發(fā)國Ⅵ重型天然氣車的排放模型提供數(shù)據(jù)參考和支撐以便更加科學(xué)有效的控制排放。

1 試驗和數(shù)據(jù)處理

1.1 試驗主要儀器設(shè)備

本次試驗使用PEMS 對國Ⅵ重型天然氣車進(jìn)行實際道路排放試驗，本研究使用的車載排放測量裝置是日本HORIBA 公司的OBS-ONE 設(shè)備，該系統(tǒng)主要由4 個模塊組成，分別是CC 模塊（中央控制單元）：用于接受外部信號（GPS，氣象站，OBD 信息等），PE 模塊：用于市電和電瓶之間電源切換，氣體分析模塊（GA）。其中，氣體分析模塊（GA）包括測量THC 濃度的加熱火焰離子檢測器（FID），讀取精度為±0.5%， 測量CO，CO2的不分光紅外分析儀（NDIR），其中CO 的讀取精度為3%，CO2的讀取精度為2%， 測定NOx濃度的化學(xué)發(fā)光探測分析儀(CLD) ，讀取精度為1%。

1.2 試驗車輛和試驗方法

1.2.1 試驗車輛

本文選取滿足國Ⅵ重型車排放標(biāo)準(zhǔn)的N3 類天然氣半掛牽引車，后處理裝置為TWC+ASC,更多車輛詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 試驗車輛信息Table.1 Information about the tested vehicle

1.2.2 試驗路線

本試驗選擇的路線覆蓋了襄陽天然氣半掛牽引車輛的典型道路類型， 根據(jù)速度大小分為市區(qū)路，市郊路和高速路，其中，按照國Ⅵ標(biāo)準(zhǔn)，N3 類型車輛市區(qū)路占20%，市郊路占25%，高速路55%，實際道路測試時間應(yīng)保證發(fā)動機(jī)作功大于發(fā)動機(jī)WHTC 循環(huán)功的4～7 倍，即試驗時間應(yīng)在2.5 h，本次車輛試驗時間為9 072 s（即2.52 h），滿足試驗要求。 圖1 為測試車輛的速度分布圖，表2 為各路段實際占比和平均速度。

圖1 速度分布圖Fig.1 Velocity profile

表2 速度占比和平均速度Table.2 Speed proportion and average speed

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)PEMS 試驗要求[16]，首先將冷啟動數(shù)據(jù)、停車數(shù)據(jù)等無效數(shù)據(jù)刪除，將由于儀器零點(diǎn)飄移導(dǎo)致的污染物排放數(shù)據(jù)負(fù)值歸零，由于本次研究車輛測試時間地點(diǎn)位于湖北襄陽夏季， 測試海拔高度在100 m 左右，溫度在30 ℃左右，滿足PEMS 試驗要求，將無效數(shù)據(jù)剔除后，剩余8 796 組數(shù)據(jù)，然后根據(jù)GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》規(guī)定的公式（1）計算各氣體排氣質(zhì)量

式中：mgas為整個循環(huán)的總稀釋排氣質(zhì)量，kg；ugas為GB 17691—2018 中表CA.2 排氣組分密度和稀釋排氣密度比；Cgas為背景修正后的排氣組分平均濃度，ppm；medf為整個循環(huán)當(dāng)量稀釋排氣質(zhì)量，kg。

接下來依據(jù)GB 17691-2018 規(guī)定將數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊，并將試驗所得的數(shù)據(jù)分為3 類：①分析儀測得的尾氣排放物質(zhì)濃度（CO，CO2，NOx，THC）；②排氣流量計測得的數(shù)據(jù)：排氣質(zhì)量流量和排氣溫度；③發(fā)動機(jī)測得的數(shù)據(jù)：扭矩、速度、溫度、燃油消耗率、ECU 測得的車速。

需要將三類數(shù)據(jù)彼此對齊，選取每兩類數(shù)據(jù)中相關(guān)性系數(shù)最高的兩個參數(shù)進(jìn)行對齊，平移每一類別所有數(shù)據(jù)使得數(shù)據(jù)相關(guān)性最高。 具體步驟如下：

1） 三類數(shù)據(jù)的時間對齊：GPS 測得的車速與ECU 獲取的車速對齊；

2） 一類與二類數(shù)據(jù)的時間對齊：CO2濃度和排氣質(zhì)量對齊；

3） 二類和三類數(shù)據(jù)的時間對齊：CO2濃度和發(fā)動機(jī)燃油消耗量。

為了直觀的展示，本文選取t=300～700 s 內(nèi)CO2濃度與燃油消耗率對齊進(jìn)行可視化，計算二者之間的相關(guān)系數(shù)，選取相關(guān)系數(shù)最大時的平移時間進(jìn)行平移， 數(shù)據(jù)顯示，CO2濃度和燃油消耗率相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.950 7（圖2）。

圖2 CO2 濃度與燃油消耗率數(shù)據(jù)相關(guān)性Fig.2 The correlation between CO2 concentration and fuel consumption rate data

1.4 排放因子的計算

如式（2），首先將氣體污染物的瞬時排放率依據(jù)行駛工況模式求取平均排放率

式中：Bink 是某時間范圍內(nèi)的汽車行駛工況。 ERjk為行駛工況Bink 下的污染物j 的平均排放率，g/s；Tk為每個行駛工況模式的時間，s；ERj為污染物j的瞬時排放率，g/s；

在給定的駕駛循環(huán)中的基于距離的THC，CO，CO2，NOx排放因子可通過平均排放因子和駕駛工況的時間分配推導(dǎo)，如下

1.5 VSP 工況分類

車輛瞬時功率和機(jī)動車質(zhì)量的比值稱為瞬時比功率（vehicle specific power，VSP），表征汽車對自身和貨物乘客的牽引力，是車速、加速度、風(fēng)阻和坡度等的函數(shù)，考慮了空氣阻力，滾動阻力和道路等級等參數(shù)， 可以很好的展現(xiàn)汽車實際行駛工況，大量研究表明瞬時比功率與機(jī)動車的排放有很好的相關(guān)性[17－18]，被廣泛用于開發(fā)新的汽車排放模型中[19]，故本文基于瞬時比功率，研究國Ⅵ重型天然氣車排放情況。

本次試驗參考MOVES 模型[20]推導(dǎo)VSP 公式如下汽車VSP 相關(guān)參數(shù)如表3 所示，為確保分布均衡，使得計算更為精確，現(xiàn)將分為12 個區(qū)間，區(qū)間Bin1 表示VSP＜0 的工況區(qū)間， 由于VSP 比較集中于[0，4]區(qū)間，故將該區(qū)間細(xì)分為Bin2～9 共8 個工況區(qū)間，Bin10～12VSP 分布略微松散， 圖3 展現(xiàn)了車輛各個VSP 區(qū)間的時間占比， 可以看到， 整體VSP 區(qū)間分布較為均衡。然后通過計算各個VSP 區(qū)間的各污染物排放因子來分析VSP 對汽車排放影響。

表3 VSP 相關(guān)參數(shù)Tab.3 Vehicle specific power（VSP） related parameters kW/t

圖3 VSP 區(qū)間時間占比Fig.3 Allocation of time of each operating mode bin to total time

2 結(jié)果與討論

2.1 行駛動力學(xué)參數(shù)與駕駛路段排放分析

相對正加速度（RPA）和速度與大于0.1 m/s2正加速度的乘積的第95 百分位（v·apos[95]）分別可以表示車輛的加速加載情況和駕駛的激烈程度。 本小節(jié)采用汽車行駛動力學(xué)特性參數(shù)研究汽車行駛動力學(xué)特性與汽車尾氣排放因子的關(guān)系。 分析了不同駕駛路段排放的特性。

圖4 為不同行駛路段的動力學(xué)參數(shù)，可以看到市區(qū)的RPA 和v·apos[95]最大，分別為3.970 9 W/kg和0.076 02 m/s2，市郊最低，分別為2.284 0 W/kg 和0.012 53 m/s2，由于市區(qū)激烈駕駛行為較多，故市區(qū)兩個行駛動力學(xué)參數(shù)最高，高速時車速很高，故v·apos[95]略微增加， 圖5 是不同行駛路段污染物排放因子，可以看出，CO，CO2，NOx，THC 排放因子市區(qū)排放最高，市郊最低，與動力學(xué)參數(shù)正相關(guān)，4 種污染物市區(qū)排放因子分別為市郊的4.072 倍，1.931 倍，2.47 倍，3.834倍。 結(jié)果表明，市郊路段頻繁啟停動力學(xué)參數(shù)RPA 和v·apos[95]最高，并且動力學(xué)參數(shù)與車輛的4 類污染物排放因子呈正相關(guān)，市區(qū)動力學(xué)參數(shù)高，排放也較高。

圖4 各路段行駛動力學(xué)參數(shù)Fig.4 Vehicle dynamics parameters under different driving condition

圖5 不同路段污染物排放因子Fig.5 Vehicle emission factors under different driving conditions

2.2 車速與排放的關(guān)系

圖6 是PEMS 試 驗 中 汽 車 污 染 物（CO，CO2，NOx，THC）的排放隨車速的變化情況，從圖中可清晰的看出，隨著車速的升高，污染物排放因子逐漸下降，且在中低速時下降比較迅速，后來隨著車速的繼續(xù)上升排放下降趨勢逐漸減緩， 同時可以看到， 四類污染物排放因子在車速0～10 km/h 區(qū)間內(nèi)排放最高，平均車速是8.10 km/h 時CO 排放因子高達(dá)5.29 g/km，而平均車速為75.63 km/h 時的CO 排放因子僅為0.146 g/km，前者是后者的35 倍，隨著車 速 從0～10 km/h 升 高 到10～20 km/h，CO，CO2，NOx，THC 排放因子分別下降了25%，69%，43%，60%，隨后，下降趨勢變緩，結(jié)果顯示，汽車低速行駛時會導(dǎo)致較高的排放因子。 這是因為低速時發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度較低，燃料燃燒不充分，并且在低速時車輛單位行駛距離短， 導(dǎo)致CO 和THC 排放因子較高，同時，在低速區(qū)間，發(fā)動機(jī)溫度較低，所以排放控制裝置效率較低，故NOx排放較高。 低速時，發(fā)動機(jī)處于低速小負(fù)荷階段， 根據(jù)發(fā)動機(jī)萬有特性曲線，此時燃油消耗率較高，CO2排放因子較大。

圖6 車速對污染物排放的影響Fig.6 Effect of speed on pollutant emissions

2.3 加速度與排放的關(guān)系

根據(jù)被測車輛車速分布和加速度分布，將車速分為低速（0～30 km/h）,中速（30～50 km/h）,中高速（50～70 km/h）和高速（＞70 km/h）,分析在不同速度區(qū)間內(nèi)加速度對汽車污染物排放的影響。 圖7 說明了在同一車速下隨著加速度的升高，車輛各排放因子的變化情況，從圖中可以看出，汽車加速，尤其是急劇加速時，會顯著增加汽車污染物的排放，而汽車減速對汽車排放的影響較小， 在同一車速范圍下， 車輛減速時的排放最低并且數(shù)值波動不大，從減速階段到巡航階段再到加速階段，汽車污染物排放因子隨著加速度的增大而增大， 并且可以看到，同一加速度，車速升高，排放降低，低速高加速狀態(tài)下（v≤30 km/h，a≥0.8 m/s2）汽車污染物排放最高，CO，CO2，NOx，THC 排放因子最高值分別是11.023 8，2 988.315 4，0.620 0，0.716 6 g/km，分別是同一車速汽車巡航(-0.1≤a＜0.1 m/s2) 時的9.0 倍，2.65 倍，2.73 倍，2.55 倍，是同一車速減速時的（a＜-0.8 m/s2）10.65 倍，5.50 倍，4.53 倍，2.33 倍。 這主要是由于車輛低速行駛時，發(fā)動機(jī)溫度較低，燃料燃燒不充分，并且低速車輛單位行駛距離較低，故THC 和CO 排放因子較高，此時排放后處理裝置效率較低，NOx排放因子也較高，急劇加速時，發(fā)動機(jī)大量供油，容易導(dǎo)致供油過量，混合氣過濃，一部分燃油燃燒不充分， 故而進(jìn)一步導(dǎo)致CO 和THC 排放因子增大，大量供油也導(dǎo)致CO2排放因子的升高，而在急劇加速階段，發(fā)動機(jī)溫度很高，氣缸氧濃度高，故而NOx排放因子增加，減速階段，油門關(guān)閉，停止供油，發(fā)動機(jī)溫度降低，污染物排放因子略有升高，因此，駕駛員在駕駛車輛時應(yīng)盡量避免低速高加速狀態(tài)行駛，以減少車輛排放。

圖7 加速度對污染物排放的影響Fig.7 Effect of acceleration on pollutant emissions in each speed range

2.4 VSP 與排放的關(guān)系

圖8 是 不 同 駕 駛 模 式 下CO，CO2，NOx，THC排放因子和排放率的變化， 從圖中可以看出，汽車污染物排放因子與排放率都與駕駛模式成正相關(guān)，隨VSP 的增大而增大，排放因子和排放率整體趨勢相同，并且可以發(fā)現(xiàn)污染物排放因子和排放率均在VSP＜0 時較小，在VSP＞6 時較大。 這是由于汽車驅(qū)動過程中需要更大的動力從而燃料消耗增加進(jìn)而導(dǎo)致排放增加， 相較于排放因子，平均排放率與VSP 的線性趨勢更好，這是由于排放因子考慮了行駛距離這一參數(shù)，當(dāng)汽車在某一區(qū)間排放較高，而行駛距離也較高（如高速超車時），這時，平均排放率較高，而排放因子會變小， 整體上， 污染物排放率和排放因子與VSP有較好的相關(guān)性。

圖8 駕駛模式與污染物排放的關(guān)系Fig.8 Correlations between gaseous pollutants emission factors and operating mode

3 結(jié)論

1） 市區(qū)路段車輛的RPA 和v·apos[95]最大，分別為3.970 9 m/s2和0.076 02 m2/s3，市郊最低，分別為2.284 0 m/s2和0.012 53 m2/s3，CO，CO2，NOx，THC排放因子市區(qū)排放最高，市郊最低,與相對正加速度和速度和加速度的乘積的第95 百分位正相關(guān)。

2） 污染物排放因子和加速度，車速有很好的相關(guān)性，提高車速可顯著降低污染物排放；汽車加速，特別是大幅加速時， 汽車污染物排放顯著增加，而減速對汽車排放影響較??；在車速較低加速度較高時，污染物排放會達(dá)到峰值，這種情況主要發(fā)生在城市擁堵路段行車時，為改善車輛污染物排放，政府應(yīng)采取相關(guān)措施改善城市交通擁堵。

3） 污染物的排放因子和排放率均與比功率VSP 成正相關(guān)。 VSP 在0 附近時，污染物排放因子和排放率最低，隨著VSP 的增大，排放因子和排放率逐漸增大，VSP＞6 時,污染物排放因子和排放率達(dá)到峰值。