海拔对轻型柴油车实际驾驶排放的影响

马志成， 付铁强， 戴春蓓， 郭红松， 王勃， 闫峰

(中国汽车技术研究中心， 天津 300300)

海拔对轻型柴油车实际驾驶排放的影响

马志成， 付铁强， 戴春蓓， 郭红松， 王勃， 闫峰

(中国汽车技术研究中心， 天津 300300)

在青海省选择海拔为1 900 m，2 200 m，2 400 m和3 000 m的4个环境点，对一辆轻型柴油车按照实际驾驶排放(RDE)测试要求进行试验，并利用移动平均窗口法处理数据，得到车辆实际驾驶排放数据。对车辆的排放结果进行了评估，并分析了海拔对排放的影响。结果表明：随着海拔的增加，CO与PN排放先增加后减小，在2 400 m时出现最大值，NOx排放先减小后增加，在2 400 m处出现最小值；4个海拔点CO与PN排放值均低于法规限值，NOx排放值均高于法规限值，符合性系数分别为7.44，7.11，6.44，8。

轻型柴油车； 实际驾驶排放； 移动平均窗口法； 排放测量

改革开放以来，中国机动车保有量呈指数型增长，截至2016年6月底，全国机动车保有量达2.85亿辆。机动车产业的不断发展也给环境带来了巨大的污染。针对日益严重的机动车排放，各国都制定了严格的法规来加强对机动车排放的监管和控制。试验室检测法是当前车辆排放管理的主要措施，但是它只能测量在某些特定工况下(如NEDC，FTP75等)车辆的排放水平，而在实际道路行驶过程中，车辆的行驶工况千变万化，再加上环境条件的差异，车辆的排放都是极其不同。研究表明，车辆的实际道路排放要比试验室测得的排放值高很多[1-3]。国际清洁交通委员会(ICCT)使用便携式排放测试系统(PEMS)测量了15辆相当于欧Ⅵ排放标准的柴油乘用车实际道路排放，其中10辆采用SCR控制技术，4辆采用EGR控制技术，1辆采用LNT控制技术。研究报告指出，目前欧洲地区的欧Ⅵ排放标准柴油车平均实际的氮氧化物排放水平高出欧Ⅵ排放标准限值7倍多，15辆车中只有1辆采用SCR技术的柴油车实际排放满足欧Ⅵ限值[4-5]。北京理工大学与中国环境科学研究院的葛蕴珊、丁焰等人应用PEMS测试了北京市车辆在实际道路上的污染物排放特征，结果表明实际道路上的排放明显高于试验室认证工况下的排放，空调的开启导致公交车的排放明显恶化[6]。所以，有必要测量车辆实际驾驶排放(RDE)，RDE试验指利用PEMS测量车辆的实际道路排放。目前，《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》征求意见稿已经发布，其中将RDE试验定为Ⅱ型试验。

欧洲平均海拔只有340 m，海拔在200 m以下的平原约占全洲总面积的60%。而中国海拔1 000 m以上的土地面积占全国陆地面积60%，3 000 m以上的占16%[7]。随着机动车保有量的不断增长，高海拔城市的机动车排放总量和分担率也不断增加，所以在中国有必要考虑海拔因素对机动车排放的影响。

综上所述，本研究采用PEMS在不同海拔对一辆国Ⅴ轻型柴油车进行RDE试验，得到车辆的实际驾驶排放数据，并分析海拔对其排放的影响。

1 试验设备与方法

1.1 测试车辆

本研究中使用的试验车辆为2014年生产的2.0 L涡轮增加手动挡轻型柴油车，满足国Ⅴ排放标准，排放控制技术为DPF+EGR。试验燃油为95号(Ⅴ)汽油，相关参数见表1。该车在试验室转鼓上的NEDC循环排放结果以及国Ⅴ标准限值见表2。从表中可以看出该车排放满足国Ⅴ限值。

表1 试验用油相关参数

表2 NEDC循环排放结果及国Ⅴ标准限值

1.2 试验要求

按照《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》征求意见稿以及欧Ⅵ标准中的要求，整个测试过程持续时间应在 90～120 min之间，试验开始点和结束点之间的海拔差不得超过100 m。应由外部电源为PEMS 供电，不能直接或间接从试验车辆获取电能。车辆基本载荷应包含驾驶员、试验人员(如适用)和试验装备(包括安装支架和电源设备等)，基本载荷和附加载荷的总和不超过车辆最大载荷的90%。

试验由市区、郊区和高速路段组成，且各自行驶里程均要大于等于16 km。市区行驶车速在60 km/h以下，市郊行驶车速在60～90 km/h之间，高速公路行驶车速大于90 km/h。行驶路线应包括34%的市区路段、33%的市郊路段和33%的高速路段，上述各段行驶比例误差应控制在±10%以内，但是市区路段的行驶比例不能低于总行驶距离的29%。在道路行驶试验中，市区行驶的平均车速(包括停车)应在15～30 km/h之间。停车阶段的定义是实际车速小于1 km/h的时段，至少应占市区行驶时间的10%，市区行驶应包含10 s 或更长时间的停车阶段，但停车阶段不能过长，总停车时间不能超过市区行驶时间的80%。高速段行驶至少应覆盖90～110 km/h的车速范围，车速高于100 km/h的时间至少5 min。正常情况下，车速应不超过145 km/h，在不超过高速公路段行驶时间3%的时间内，最高车速最多可增加 15 km/h[8]。

1.3 测试设备

本次试验所用车载设备PEMS的气体分析仪可以测量CO2，CO，NOx，HC；颗粒测量设备可以测量排气中的颗粒物质量以及颗粒物数量(PN)；GPS可以逐秒记录车辆行驶过程中的地理位置、海拔和车速；气象站可以记录环境温度以及相对湿度；PEMS还可以记录车辆ECU中相关的数据。试验过程中，车辆尾气经排气管进入流量计(EFM)，测得尾气的总流量和温度等，再经过流量计后的取样孔进入气体分析仪与颗粒设备，分析得到排放数据。试验前要对设备进行泄漏检查、调零与标定等，试验后要进行漂移检查。

气体分析仪分别使用不分光红外分析法(NDIR)测试CO，CO2，使用不分光紫外分析法(NDUV)测试NOx，使用氢火焰离子化检测仪(FID)测试HC。由于高海拔地区压力较低，氧浓度较小，FID可能无法正常点火，所以此次试验不测量HC。进行RDE试验前，先在试验室进行了车载设备与CVS系统的比对试验，以确保后续RDE试验结果的准确性。比对试验采取串联方式，尾气先经过PEMS再流经CVS系统。表3列出车载设备与试验室CVS系统对比试验的结果。其中CO2，CO以及NOx排放相差都在6%以内，PN相差78.35%。PN相差较大主要是两套设备的稀释系统以及PN的取样位置不同造成的。车载设备在其流量计后直接采样，再经过稀释10倍后送入分析仪；而CVS系统是在定容稀释(稀释后固定流量为10.4 m3/min，第一阶段平均稀释比为40.858，第二阶段平均稀释比为18.114)后再取样，然后再经过两级稀释(750倍)后送入分析仪。两套设备的PN取样点位置大概相差6 m。图1为设备比对试验示意，图2为RDE试验的示意。

表3 PEMS与试验室CVS系统比对结果

1.4 试验环境与工况

由于目前车载设备在3 000 m海拔以上时无法保证精度和正常使用，所以本试验海拔最高为3 000 m。在青海省选择了4个海拔点进行试验，分别为1 900 m，2 200 m，2 400 m和3 000 m。依照上述RDE试验的要求进行试验。4个海拔点的试验环境见表4，其中平均温度最大相差0.87 ℃，相对湿度最大相差1.2%，差别都很小。

图1 设备比对试验示意

图2 RDE试验示意

将4个海拔点试验的车辆速度以5 km/h的间隔分为24段，并统计各段的时间占比(见图3)，各段相差最大为1.48%；将4个试验的加速度以0.25 m/s2的间隔分为14段，并统计各段时间占比，各段相差最大为2.99%(见图4)。

从表4、图3与图4可以看出4个海拔点试验的环境温度和环境湿度没有太大差别，试验工况以及驾驶情况也几乎相同，所以可以认为4个试验的排放结果差异是由海拔高度的不同造成的。

表4 4个海拔点试验环境情况

图3 4个海拔点试验速度分布

2 试验结果与分析

本次研究采用移动平均窗口法处理车辆排放数据，得到车辆实际驾驶排放结果。移动平均窗口法的具体原理可以参阅《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》征求意见稿。

图4 4个海拔点试验加速度分布

2.1 实际驾驶排放的评估

表5列出了4个海拔点的试验结果。定义符合性系数CF为排放结果与法规限值之比。

表5 4个海拔点试验污染物排放结果

CO排放的最大值为0.22 g/km，出现在海拔2 400 m时。各海拔下的CO排放均低于国Ⅴ限值，符合性系数CF分别为0.192，0.26，0.44，0.36。

PN排放的最大值为2.10×1010个/km，出现在海拔2 400 m时。由于试验车辆加装了DPF，有效地捕集了尾气中颗粒物，使得各海拔下PN排放均低于国Ⅴ限值，符合性系数CF分别为0.006 8，0.008 4，0.035，0.02。

NOx排放的最大值为1.44 g/km，出现在海拔3 000 m时。各海拔下NOx排放均高于国Ⅴ限值，符合性系数CF分别为7.44，7.11，6.44，8。该结论与国际交通委员会(ICCT)研究报告得出的结论相符合。

2.2 海拔对实际驾驶排放的影响

图5示出不同海拔时CO，NOx和PN的排放。随着海拔的增加，CO和PN排放出现先增加后降低的趋势，均在海拔2 400 m时达到最大值；NOx排放出现先降低后增加的趋势，在海拔2 400 m时达到最小值。海拔由1 900 m升高到2 400 m时，CO和PN排放增幅分别为129.2%和414.7%，NOx排放降幅为13.43%。

图5 不同海拔下车辆排放

随着海拔增加，环境压力降低，海拔1 900 m，2 200 m，2 400 m，3 000 m测得的平均环境压力分别为80.96 kPa，77.41 kPa，75.99 kPa，70.87 kPa。压力降低导致空气密度减小，同工况下发动机进气量减小，发动机处于缺氧状态。有研究表明，随着海拔升高，燃油消耗率增加，本次试验没有直接测量油耗，但可以通过CO2的排放间接证明此说法。海拔1 900 m，2 200 m，2 400 m，3 000 m试验的CO2排放分别为169.05，178.79，183.37，189.74 g/km。由于压力降低，进气量减小，以及油耗的增加，共同造成了CO排放随海拔增加而增加。燃烧温度、氧气浓度和反应时间共同决定了NOx的生成。环境压力降低导致氧含量减少，同时导致燃烧始点推迟，增加了预混合燃烧比例，燃烧持续期会缩短，最高燃烧温度增加，但是同时也减少了反应时间，几者共同决定了NOx随海拔升高而降低。颗粒生成条件是高温缺氧，海拔的升高同时满足了这两个条件，所以PN随海拔升高而升高[9-11]。从图中可以看出海拔2 400 m是个转折点。这是由于《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》[12]中要求海拔高于2 500 m的条件下OBD系统可以中断。经确认，海拔3 000 m时该试验车辆OBD系统中断，EGR开环不工作，导致NOx排放增加。废气中含有一定量的CO与颗粒物，无废气进入气缸又使CO与PN降低。

3 结束语

本试验按照《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》征求意见稿中的工况要求进行了RDE试验，并使用移动平均窗口法对车辆的排放数据进行处理并评估排放结果。4个海拔点的车

辆实际驾驶CO与PN排放均满足国Ⅴ限值，NOx排放均超出国Ⅴ限值，符合性系数CF分别为7.44，7.11，6.44，8。

随着海拔高度增加，环境压力降低，CO和PN排放出现先增加后降低的趋势，在海拔2 400 m时达到最大值；NOx排放出现先降低后增加的趋势，在海拔2 400 m时达到最小值。

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[12] 国家环境保护部.GB 18352.5—2013 轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)[S]．北京：中国环境科学出版社，2013.

[编辑： 袁晓燕]

Effects of Altitude on Real Driving Emission of Light-duty Diesel Vehicle

MA Zhicheng, FU Tieqiang, DAI Chunbei, GUO Hongsong, WANG Bo, YAN Feng

(China Automotive Technology and Research Center, Tianjin 300300, China)

The real driving emissions of a light-duty diesel vehicle at plateau areas of 1 900 m, 2 200 m, 2 400 m and 3 000 m in Qinghai province were tested and the collected data were processed with the moving average window method to form the emission data. The vehicle emission results were evaluated and the effects of altitude on emissions were analyzed. The results indicate that the CO and PN emissions first increase and then decrease with the increase of altitude and reach the peak at 2 400 m. However, NOxemissions first decrease and then increase and reach the minimum at 2 400 m. In addition, CO and PN emissions and NOxemissions in four areas are lower and higher than the regulated limits respectively and the conformity factors are 7.44, 7.11, 6.44 and 8.

light-duty diesel vehicle; real driving emission(RDE); moving average window method; emission measurement

2016-07-18；

2016-12-16

马志成(1990—)，男，工程师，硕士，主要研究轻型汽车实际驾驶排放；mazhicheng0723@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.017

TK421.5

B

1001-2222(2017)04-0084-04