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(qū)工況下的排放特性，選擇一輛國Ⅵ汽油車，在建水市區(qū)利用PEMS在非高峰時段進行市區(qū)排放測試。結(jié)果表明：在市區(qū)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(dāng)VSP小于0時，CO2排放速率很小；當(dāng)VSP大于0時，隨著VSP的增大，CO2排放速率增大；市區(qū)工況下，車輛減速時CO2排放速率很低；當(dāng)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(guān)鍵詞：市區(qū)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(fā)了一系列氣候問題。隨著國內(nèi)車輛保有量的激增，汽車污染物排放已經(jīng)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(guī)[1]。以往的排放法規(guī)，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(huán)曲線進行行駛。許多研究表明，實驗室測試循環(huán)不能完全反映實際行駛情況下的運行工況，進而導(dǎo)致實驗室排放結(jié)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(jié)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(shù)研究中，在底盤測功機上進行的測試都涉及形式認可循環(huán)（NEDC-新歐洲行駛循環(huán)、WLTC-全球統(tǒng)一輕負荷測試循環(huán)、FTP-聯(lián)邦測試程序），這些循環(huán)與實際道路測試不同。

Boya Zhou等[3]的研究表明，標(biāo)準(zhǔn)測試周期和路面載荷設(shè)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(jīng)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(jié)果與底盤測功機在相同周期和3種阻力作用下的測試結(jié)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(huán)境下，氧氣稀薄，氣壓較低，這使得發(fā)動機充氣量減少，混合氣濃度變大，燃燒經(jīng)濟性降低[5]。

2 測試方案

21 測試路線及環(huán)境

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

表1 測試環(huán)境條件

[環(huán)境溫度，℃ 19 環(huán)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(qū)工況污染物排放特性。這輛車在燃料類型和排放標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備

本研究采用的測試設(shè)備是HORIBA OBS-ONE。OBS ONE配備了GPS和氣象站，以監(jiān)測駕駛條件和天氣條件，包括速度、海拔、位置、環(huán)境溫度、大氣壓和濕度。OBS ONE負責(zé)檢測氣態(tài)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(xué)發(fā)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(fā)動機在工作狀態(tài)下的參數(shù)則由車載診斷系統(tǒng)（OBD）來記錄。所有排放數(shù)據(jù)和發(fā)動機參數(shù)都是實時收集的。

此外，所有測量設(shè)備均由24 V電池供電，并且所有數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后，所有分析儀的輸出頻率均設(shè)置為1 Hz。氣態(tài)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(tǒng)（PEMS）都會進行充分預(yù)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(zhǔn)，以符合《中國排放標(biāo)準(zhǔn)Ⅵ》，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

24 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

為確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，測試儀器在每次測試前都要預(yù)熱60 min。此外，還使用高純度氮氣和各種標(biāo)準(zhǔn)氣態(tài)污染物對儀器進行了歸零校準(zhǔn)，還根據(jù)每臺儀器響應(yīng)時間的差異，對其輸出數(shù)據(jù)進行了時間同步校正。

25 數(shù)據(jù)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(xù)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(jié)果與討論

31 數(shù)據(jù)描述

數(shù)據(jù)集的數(shù)量、質(zhì)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(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集涵蓋了駕駛特性、外部環(huán)境特性、發(fā)動機特性。每組數(shù)據(jù)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(qū)間，并分別計算其CO2排放因子，得出了CO2排放與車速的關(guān)系，如圖1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著速度的增大，CO2排放呈降低的趨勢。（0，10]速度區(qū)間的CO2排放是（50，60]速度區(qū)間的719倍。速度小于10 km/h時，頻繁的停車和起動，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低，缸內(nèi)溫度較低，燃料燃燒不充分，導(dǎo)致（0，10]區(qū)間內(nèi)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(chǎn)生的主要中間產(chǎn)物。如果反應(yīng)氣體中氧氣濃度足夠高、溫度足夠高、化學(xué)反應(yīng)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(chǎn)生CO排放。圖2顯示了車輛行駛速度對CO排放的影響?？梢钥闯鲭S著速度增加，CO排放呈遞減的趨勢，但是在（50，60]區(qū)間內(nèi)會出現(xiàn)遞增。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，內(nèi)燃機的燃燒過程在低速條件下發(fā)動機燃燒溫度相對較低，燃燒不充分導(dǎo)致CO排放增大。隨著速度的增大，發(fā)動機負載增加，混合氣的濃度和空氣流量也發(fā)生了相應(yīng)的變化，燃燒效率升高，CO排放減少。當(dāng)車輛高速行駛時，車輛阻力增大，導(dǎo)致CO增加。

34 行駛速度對NO排放的影響

當(dāng)汽車發(fā)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(fā)生反應(yīng)，生成NO[9]。由圖3可知，六個速度區(qū)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(shù)函數(shù)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(dāng)加速度小于0時，即減速工況下，在每一個速度區(qū)間CO2排放速率都很低；CO2排放值在較大區(qū)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(shù)據(jù)點進行拋物線擬合。結(jié)果如圖6所示，CO2的排放率與VSP之間的關(guān)系呈現(xiàn)二次多項式特征。當(dāng)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(dāng)VSP值小于0時，二氧化碳排放率先在[-10，0]區(qū)間內(nèi)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(wěn)定、更顯著。

為了分析VSP分區(qū)與CO2排放的關(guān)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(qū)間，可以看出隨著VSP分區(qū)的增大，CO2排放速率呈一直增大的趨勢。因此機動車市區(qū)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(jié)語

a在市區(qū)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(xiàn)降低后增加的趨勢。

b當(dāng)VSP值小于0時，CO2排放速率很?。划?dāng)VSP值大于0時，隨著VSP值的增大，CO2排放速率增大。

c市區(qū)工況下，車輛減速時CO2排放速率很低；當(dāng)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。

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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(shù)。