轻型汽油车实际行驶污染物排放特性的研究∗

付秉正，杨正军，尹 航，周小燕，谭建伟，葛蕴珊

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081； 2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081；3.中国汽车技术研究中心，天津 300300； 4.中国环境科学研究院，北京 100012)

轻型汽油车实际行驶污染物排放特性的研究∗

付秉正1，2，杨正军1，3，尹 航4，周小燕1，2，谭建伟1，2，葛蕴珊1，2

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081； 2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081；3.中国汽车技术研究中心，天津 300300； 4.中国环境科学研究院，北京 100012)

按欧盟最新制定的实际行驶排放试验RDE(Real Driving Emissions)测试规程，使用便携式车载排放测试系统对4辆满足国Ⅴ排放标准的轻型汽油车进行了实际道路排放测试。结果表明:试验车辆的CO符合性因子大于NOx。CO和NOx的瞬时排放率随车辆加速度的增加而升高。高速工况下，污染物瞬时排放率在车辆加速度超过NEDC循环工况的最大加速度时达到峰值，而CO瞬时排放率峰值对整个行程的CO符合性因子影响不可忽视。在制定RDE法规时，应重点关注汽油车的CO排放。

轻型汽油车；实际行驶排放；排放特性

前言

随着经济的增长和社会的发展，我国机动车保有量剧增，由机动车尾气排放带来的环境问题日益受到人们的关注。当前，世界各国的机动车排放法规都是依据按特定的循环工况在实验室内进行的试验而制定的__[1]，大量研究表明，单一的实验室测试循环不能覆盖实际行驶情况下的运行工况[2]，车辆的实验室排放测试结果与实际排放状况可能存在较大差异[3－5]。与欧洲不同，我国轻型车以汽油车为主，为验证汽油车在实际行驶状况下的排放特性，本文中选择了4辆在用轻型汽油车，使用便携式车载排放测量系统(portable emission measurement system，PEMS)，按照RDE测试规程进行了实际行驶排放试验。

1 试验方案

1.1 测试车辆与试验设备

测试车辆主要技术参数如表1所示。4辆车配备有三元催化转化器(TWC)的实验室NEDC循环测试结果见表2。可以看出3种排放均满足国V排放法规要求。

表1 测试车辆主要技术参数

表2 测试车辆NEDC试验结果g·km－1

试验用设备为Sensor公司的Semtech-LDV轻型车便携式车载排放分析仪，主要由气体分析系统、采样预处理系统、尾气流量计、全球定位系统(GPS)接收器和温湿度仪组成。该设备采用不分光红外法(NDIR)测量CO和CO2，不分光紫外法(NDUV)测量NO和NO2，尾气流量计用来测量排气体积流量，GPS接收器可以逐秒记录试验中车辆行驶速度和海拔高度。由于THC的测量需要使用氢火焰离子化检测器(FID)，根据欧盟RDE法规的要求，出于试验安全考虑，本研究未对THC排放进行测量。

1.2 试验方案

试验在工作日进行，北京市区工况:博兴六路-旧头路-博兴路-荣昌西街-荣昌东街-宏达中路-兴盛街-文昌大道-地盛东街-荣京西街-西环中路-博兴八路-星海路-星海二街-博兴路；市郊工况:太和桥(六环路)-新河二桥(京津高速)-于家务桥；高速工况:于家务桥(京津高速)-新河二桥(六环路)-太和桥。按照RDE规程的要求，为了尽可能覆盖各种行驶工况，试验车辆依次在市区、市郊和高速公路3种道路上连续行驶，每个速度区间至少行驶16km，试验总时间在90～120min，试验起始点和结束点的海拔高差不超过100m。上述3种工况的速度范围与里程份额如表3所示。

表3 市区、市郊和高速公路区间速度范围与份额

表4列出4次RDE试验的环境条件，其中环境温度在11.5～28.9℃范围内，符合法规要求的0～30℃的非扩展普通温度条件。

_____________表4 试验环境条件

2 数据处理

2.1 预处理

试验使用的PEMS设备Semtech-LDV针对RDE开发，其附带的软件具有时间对正功能，在数据输出时可消除车速、污染物浓度和排气流量等主要参数的时间延迟，并按对正后的数据计算出各污染物的瞬时排放速率。此外，按法规规定，将冷起动、车速为零和发动机熄火时的排放数据剔除。其中，冷起动时段包括发动机起动后的最初5min，车速为零时刻由GPS或ECU读取的车速数据判别，仅须满足如下任一条件即可判定发动机熄火:(1)发动机转速小于50r/min；(2)排气质量流量小于3kg/h；(3)排气质量流量率低于怠速稳定排气质量流量率的15%。

2.2 CO2移动平均窗口法

根据欧盟RDE法规规定，使用CO2移动平均窗口法对车载设备获得的数据进行处理，现以a车为例，简述计算过程，如图1所示。在图中连续的CO2排放曲线(为清晰起见，仅显示前2 500s数据)上，从第1s开始按1Hz的频率，以该车WLTC工况循环CO2排放总量(单位:g)的一半(MCO2，ref＝1787.37g)作为基准从前向后划定若干CO2窗口。图中两条斜线分别代表第50个和第1 300个窗口的CO2随时间累积的量，前后两对虚线所包围的范围即为两个CO2窗口。窗口划分完成后，继而可以得到每个窗口的污染物和CO2排放因子及平均车速。

图1 a车窗口划分示例

为判定所得窗口是否符合RDE分析要求，应采用“CO2特性曲线”进行评估。如图2所示，图中不规则曲线由a车RDE测试取得的5 133个CO2窗口在坐标轴中所对应点的组成，P1，P2和P3点的参数由该车WLTC循环低速段、高速段、超高速段的平均车速和CO2排放因子确定，3点相连即组成该车的CO2特性曲线。窗口平均速度以45和80km/h为界限，分为市区、市郊和高速公路，若以上3个速度区间分别至少有50%的窗口落在特性曲线定义的基本公差(±25%)范围内，则该测试正常性验证通过。

图2 a车CO2特性曲线

基于窗口数据，分别计算各速度区间的污染物排放因子的平均值，并按照市区0.34、市郊0.33、高速公路0.33的系数进行加权平均，最终得到各污染物总行程的排放因子。

CO2移动平均窗口法的优点是可从一组完整行程数据中获得数千个窗口，并利用这些窗口估计排放因子的统计分布。如果窗口的尺寸足够大(持续时间足够长)，窗口化的数据可使计算更加平滑、稳定。

2.3 符合性因子

为了将排放因子与适用法规限值相比较，定义每一种污染物实际行驶排放结果和相应排放限值之比为符合性因子(conformity factor，CF)，即

式中:CFj为j排放物的符合性因子；Ereal，j为RDE试验j排放物的排放因子mg·km－1；Enorm，j为适用法规规定的j排放物限值，mg·km－1。

3 试验结果

3.1 符合性分析

a～d车RDE符合性因子如图3所示，可见4辆车CFCO均大于CFNOx，除a车外，其他车辆RDE测试结果都有超过限值的情况发生，且主要集中在CO。

图3 a～d车RDE试验符合性因子

为进一步分析速度对符合性因子的影响，得到4辆试验车不同速度区间的符合性因子，如图4所示。可以看出，除a车外，b～d车CO符合性因子随车速的增加而增大，且市郊、高速公路区间的CF值均大于1，表明随车辆速度和加速度的上升，CO实际道路排放超过标准限值。实际道路NOx排放规律不明显，除b车外，a，c和d车3个速度区间的CFNOx均小于1，且波动范围不大，实际排放满足标准限值。

因此，汽油车RDE试验排放超标的风险主要为CO。

图4 a～d车RDE试验不同速度区间符合性因子

3.2 加速度对污染物排放的影响

根据机动车行驶状态将机动车运行加速度划分为7个区间，如表5所示。

表5 加速度区间划分m·s－2

为了避免速度对分析结果的干扰，仍然按照市区、市郊和高速公路3个速度区间分别对加速度与污染物瞬时排放率的关系进行分析。c车加速度与污染物瞬时排放率的关系如图5所示，a，b和d车分析结果与之类似。

由图5可见，污染物瞬时排放率总体上随加速度的增加呈现增加趋势。在匀速和减速时，瞬时排放率随加速度的增加而缓慢增加。当车辆处于加速行驶状态时，在市区和市郊速度区间，CO和NOx的瞬时排放率随加速度的增加而快速增加，在高速公路速度区间，这一趋势更为显著。

为进一步分析高速状态下车辆的排放特性，将c车高速公路工况下的行驶加速度与污染物瞬时排放数据进行对照，如图6所示。由图可见，c车在高速行驶时，急加速会使CO排放呈现尖峰，这些尖峰持续时间非常短，但最大值可达9.689g/s，对总行程排放因子计算的贡献不可忽视；加速也会使NOx的排放增加，但最大值仅为0.027g/s，与市区、郊区速度段最大值相差不大。

图5 c车加速度与污染物瞬时排放率的关系

图6 c车高速区间加速度与污染物瞬时排放关系示意图

此外，图6中横线表示NEDC最大加速度amax，污染物瞬时排放率尖峰基本上出现在加速度较大且超出amax的时刻。将高速段按加速度分为大于amax和不大于amax两组并进行u检验。结果表明，在置信度p＞0.99的条件下，这两组的NOx瞬时排放率差异不显著，而加速度大于amax时CO瞬时排放率显著高于加速度不大于amax时。图中加速度为2.92m/s2的点，对应了第一个瞬时排放率尖峰，主要原因: (1)测试路线中高速公路的车流量偏大，驾驶员为在有限时间和行驶距离内达到RDE测试规程的车速及里程份额要求，需要避让车流且频繁加速，车辆为了响应加速请求会加浓混合气，空燃比偏离三元催化转化器的有效控制窗口，导致CO排放在高速高负荷工况下急剧增加[6]；(2)汽车生产商是根据NEDC循环工况对车辆进行排放标定，而标定未能覆盖实际驾驶过程中加速度较大的工况，使这些时刻污染物的瞬时排放率明显高于其他时刻。

4 结论

(1)试验用轻型汽油车在实际道路工况下CO严重超过限值，特别是在高速高负荷工况下更加严重，应重点关注CO实际道路排放，有针对性地增加相关规定。

(2)实际道路工况下，试验汽油车的CFCO大于CFNOx，CO和NOx的瞬时排放率随加速度的增加而增加，且这一趋势在高速公路速度区间更为明显。

(3)高速工况下，污染物瞬时排放率的峰值大多出现在加速度超出NEDC循环最大加速度时刻，此时CO瞬时排放对总行程排放因子的贡献较大。

(4)在满足实验室排放法规的基础上，应进一步扩大排放标定范围，才能降低RDE试验符合性因子，有效减少实际道路排放。

[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，FRANCO 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] 刘巽俊.内燃机的排放与控制[M].北京:机械工业出版社，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

∗科技部大气专项(2016YFC0208005)和青海省科技项目(2013－J－A4)资助。

原稿收到日期为2016年6月7日，修改稿收到日期为2016年7月8日。

尹航，博士，E-mail:yinhang＠vecc-mep.org.cn。