轻型汽车实际道路行驶与实验室工况污染物排放对比研究

朱庆功，杨正军，温 溢，周 猛

(中国汽车技术研究中心，天津 300300)

轻型汽车实际道路行驶与实验室工况污染物排放对比研究

朱庆功，杨正军，温 溢，周 猛

(中国汽车技术研究中心，天津 300300)

选择6辆满足国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的轻型汽油车和柴油车进行了在WLTC和NEDC循环工况下的试验室排放试验，并对其中的4辆车按照RDE测试规程进行了实际道路排放测试。结果表明：在实际道路行驶条件下，汽油车CO和柴油车NOx排放严重超过标准限值，高排放主要出现在车速大于60km/h的郊区和高速公路段，瞬时排放量会随着车速和加速度的升高而增大；部分汽油车在WLTC工况的超高速段中出现了很高的CO排放，而WLTC工况THC的排放则小于NEDC工况；4辆汽油车在NEDC工况和WLTC工况下PN排放都超过标准限值，而柴油车的PN排放和所有车辆的PM排放都小于标准限值。建议国Ⅵ车型开发时应重点关注汽油车的CO，PN排放以及柴油车的NOx排放。

实际道路排放；W LTC工况；NEDC工况；排放特性；排放标准

前言

随着社会经济快速发展，汽车保有量逐年增加，汽车尾气造成的环境污染问题也日益严峻。世界主要国家和地区相继制定并逐步严格排放法规来减少汽车尾气所带来的环境污染。研究表明，汽车使用中的实际道路排放与实验室认证排放存在较大差异[1-5]。目前，欧盟和我国的轻型车认证采用NEDC工况，从2017年欧6C排放标准开始，欧盟认证工况改变为WLTC，同时增加了实际道路排放(RDE)测试要求[6]。我国第六阶段排放标准已发布，与欧盟相似，Ⅰ型试验工况变为WLTC，Ⅱ型试验由国Ⅴ标准的汽油车双怠速与柴油车自由加速试验改变为实际道路排放试验[7]。为验证现有排放控制技术车辆的实际行驶污染物排放以及WLTC和NEDC工况下的排放特性，本文中选择6辆满足国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的轻型汽油车和柴油车在实验室中进行WLTC和NEDC工况排放试验，并使用便携式车载排放测量系统(PEMS)按照RDE测试规程进行实际行驶排放测试，研究国Ⅵ标准下的轻型车污染物排放特性。

1 试验方案

1.1 试验车辆与测试设备

试验车辆共6辆，其中汽油车4辆，柴油车2辆，分别满足国Ⅳ、国Ⅴ排放标准，车辆的主要技术参数见表1。

所有车辆在实验室内进行排放试验，同时车辆C～F使用 PEMS在实际道路中进行排放测试。PEMS主要由分析单元、排气流量传感器、GPS和温湿度计等组成。主要测试设备见表2。

1.2 测试工况

试验室内排放测试工况为 NEDC和 WLTC。WLTC工况由低速、中速、高速和超高速4部分组成。在WLTC工况测试时，汽油车4阶段分别单独采气分析，柴油车高速和超高速阶段合并用一个气袋采气分析，工况曲线如图1所示。

图1 实验室工况曲线

实际道路排放测试路线由市区、市郊和高速路段3部分组成。本文中选择在北京市经济技术开发区内路段、北京市南六环和京津高速往返完成实际道路排放测试。以C车为例，实际速度曲线如图2所示。

1.3 数据处理

根据RDE测试规程，采用移动平均窗口法进行实际道路排放测试数据处理。移动平均窗口以WLTC工况CO2排放量的一半作为窗口划分条件，计算各窗口的平均污染物排放与平均车速，之后根据CO2特性曲线计算各窗口的权重，加权计算各个路段的平均排放，根据各路段0.34，0.33和0.33的系数即可得到车辆的实际道路排放。

图2 实际道路测试速度曲线

为综合对比不同排放阶段车辆转鼓和实际道路排放，定义了每一种污染物的符合性因子(CF)，计算公式为

式中： Ej为 j污染物的实际排放，g/km； Enorm，j为 j污染物在相应标准下的排放限值，g/km。

2 结果分析

2.1 不同车辆的转鼓测试和实际道路排放结果

图3为NEDC，WLTC工况和实际道路测试下CO的排放结果，其中车辆A和B只进行了实验室排放测试，车辆C，D，E和F除实验室测试外，还测量了实际道路下的CO排放。由图可见，对于汽油车，A，C和D 3辆车2种实验室工况下CO排放差异较小，国Ⅳ车辆A的符合性因子要大于2辆国Ⅴ车；车辆B在WLTC工况下CO排放符合性因子为NEDC工况下的3.08倍。图4为车辆B在WLTC工况下的瞬时CO排放数据。可以看出，超高速段CO排放迅速升高，原因是WLTC工况下超高速段车辆加速度较大，最大达到1.58m/s2，而NEDC工况下车辆最大加速度只有1.04m/s2，较大的负荷造成CO排放迅速升高。对于车辆C和D，RDE测试时相应标准下CO符合性因子都超过1，车辆D超排放限值近4倍，而以国Ⅵ排放标准a阶段限值计算，符合性因子远超过国Ⅵ标准规定的2.1的符合因子，RDE测试结果远高于2种实验室工况的测试结果。对于柴油车E和F而言，NEDC，WLTC和RDE实验CO符合性因子都小于1。

图3 实验室及实际道路下CO排放

图4 车辆B在WLTC工况下CO瞬时排放

图5 为NEDC和WLTC工况下THC的排放结果，为了便于比较，采用THC+NOx限值减去NOx作为柴油车THC的限值。由图可见，不论是柴油车还是汽油车，国Ⅳ车辆的排放符合性因子都大于国Ⅴ车辆。对于车辆A而言，2种工况下THC的排放相当，NEDC工况略小于WLTC工况下的THC排放；而其余5辆车，NEDC工况下THC排放都大于WLTC工况。图6为2种工况下车辆C和D的催化器温度曲线。三元催化器的起燃温度对车辆THC排放有较大的影响，一般来讲，起燃温度在350℃左右，由图可见，车辆C和D在WLTC工况下催化器达到起燃温度的时间都小于NEDC工况，分别为NEDC工况的84.7%和71.8%，而NEDC和WLTC工况THC的产生主要集中在冷起动阶段，因此NEDC工况下THC排放大于WLTC工况。

图5 实验室下THC排放

图6 车辆C和D实验室工况下催化器温度曲线

图7 为NEDC，WLTC工况和实际道路测试下NOx的排放结果。由图可见：国Ⅳ汽油车A，WLTC工况下NOx的符合性因子接近排放限值，为NEDC工况的1.94倍；其余3辆国Ⅴ汽油车 NEDC和WLTC工况下NOx符合性因子相近，都低于限值的50%；车辆C和D在RDE工况下NOx符合性因子较转鼓试验有所升高，但都小于0.5。对于国Ⅳ柴油车E，WLTC工况下NOx排放为NEDC工况的3.16倍，而对于国Ⅴ柴油车 F，NEDC和 WLTC工况下NOx排放量相近，符合性因子都小于0.4。对于2台柴油车，RDE测试在相应排放标准下NOx符合性因子远大于限值1，分别为4.82和2.02，而以国Ⅵ排放标准a阶段限值计算2辆车NOx排放远超标准2.1的符合性因子。可以看出，不论国Ⅳ还是国Ⅴ柴油车，实际道路测试时NOx排放都是需要关注的重点。

图7 实验室及实际道路下NO x排放

图8 为NEDC和WLTC工况下PM的排放结果，国Ⅵ标准中对于所有车辆都有PM和PN限值要求，因此6辆车都进行了颗粒物排放测试。由于国Ⅳ汽油车无颗粒物质量限值要求，以国Ⅴ标准4.5mg/km计算。由图可见，车辆A和D在NEDC工况PM小于WLTC工况，而车辆B和C在NEDC工况PM排放要高于WLTC工况，4辆汽油车2种工况下PM符合性因子都小于0.6。对于柴油车E和F，后处理系统中装有颗粒捕集器，因此2种工况下PM排放都较小。可以看出，现有排放控制技术下国Ⅵ标准PM排放控制压力较小。

图8 实验室下PM排放

图9 为NEDC，WLTC和实际道路测试下PN的排放结果。车辆C和D实际道路测试时进行了PN测量，所有车辆都采用6×1011个/km的限值标准，对于4台国Ⅳ和国Ⅴ汽油车，不论供油系统是直喷还是非直喷，3种测试条件下的颗粒物数量排放都大于标准限值，最小为A车的NEDC工况，符合性因子为1.26，最大为B车的NEDC工况，符合性因子达到6.13。图10为4台汽油车的WLTC工况下PN瞬时排放结果。可以看出，PN的生成主要集中在低速、高速和超高速的初始部分。由于两辆柴油车装有颗粒捕集器，它们的PN排放要远小于标准限值。

图9 实验室下PN排放

图10 4辆汽油车WLTC工况下PN瞬时排放率

2.2 行驶特征对实际道路测试排放污染物的影响图11和图12分别为车辆C和D在实际道路测试时CO排放随速度和加速度的变化，图中气泡的大小表示CO的瞬时排放速率。由图可见：2台国Ⅴ汽油车实际道路测试时CO排放主要在车速高于60km/h的郊区和高速公路段；车辆C的CO排放和加速度相关性较小，而与车速有较大的相关性；车辆D的CO排放随着车速和加速度的升高而增大。

图11 车辆C的CO排放随速度和加速度变化

图12 车辆D的CO排放随速度和加速度变化

图13 为车辆C和D在不同道路上CO排放的符合性因子。由图可见，市区工况下，由于车速较低，CO排放较小，只占标准限值的18%和35%，而市郊和高速公路工况，车速较高，排放因子都大于1，车辆D高速公路工况符合性因子达到9.1，远高于标准限值。

图13 车辆C和D在不同道路上CO排放的符合性因子

车辆在实际道路行驶时，速度和加速度同时影响排放污染物的产生。图14和图15分别为车辆E和F在实际道路测试时NOx排放随速度和加速度的变化，图中气泡的大小表示NOx的瞬时排放速率。由图可见：两辆柴油车的NOx主要都是在加速工况产生，同时随着车速和加速度的升高而增大；其中国Ⅴ柴油车F的80%以上NOx排放主要在车速高于60km/h的市郊和高速道路上产生，车速较低的城市道路NOx排放很少。

图14 车辆E的NO x排放随速度和加速度的变化

图15 车辆F的NO x排放随速度和加速度的变化

图16 为车辆E和F在不同道路上NOx的符合性因子。由图可见：车辆E在3种道路上的NOx排放都远大于标准限值，郊区和高速公路工况NOx符合性因子相当，大于城市工况的符合性因子；车辆F在城市工况NOx排放接近标准限值，郊区工况为标准限值的两倍左右，高速公路工况约为标准限值的2.5倍；国Ⅳ车辆E在3种道路上的NOx排放符合性因子都大于国Ⅴ车辆下，约为国Ⅴ车辆F的两倍多。

图16 车辆E和F在不同道路上NO x排放的符合性因子

3 结论

(1)4辆汽油车3种测试条件下PN排放都大于标准限值6×1011个/km，最大值为限值的6.13倍，需要在国Ⅵ车型开发时重点关注；2台柴油车由于装有颗粒物捕集器，PN排放远低于标准限值；6辆车PM排放都小于标准限值。

(2)WLTC和NEDC工况下6辆车CO排放符合性因子都小于标准限值，部分车辆WLTC超高速段CO排放会迅速升高；WLTC工况THC排放要低于NEDC工况；国Ⅳ柴油车在WLTC工况下NOx排放比NEDC工况显著升高。

(3)实际道路测试时两辆汽油车CO排放主要集中车速大于60km/h的郊区和高速公路段，同时CO排放会随着车速和加速度的增加而增大。

(4)实际道路测试时两辆柴油车NOx排放超过标准限值，且随着车速和加速度的升高而增大；其中国Ⅴ柴油车80%以上NOx排放在车速高于60km/h的高速段产生。

(5)面向国Ⅵ标准车型开发时，需要重点关注汽油车CO和PN排放及柴油车NOx排放。

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A Comparative Research on the Pollutant Emissions of Light-duty Vehicles Under Real Road Driving and Laboratory Condition

Zhu Qinggong，Yang Zhengjun，W en Yi＆ Zhou M eng
China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300300

Laboratory emission tests are conducted on six vehicles(four gasoline vehicles and two diesel vehicles)meeting state-IV and state-V regulation respectivelywith WLTC and NEDC cycles，and real driving emission(RDE)tests are also performed on four of them according to corresponding specifications.The results show thatunder real road driving conditions，the CO emissions of gasoline vehicles and the NOxemissions of diesel vehicles seriously exceed regulation limits，in which high emissionsmainly appear on suburban road and highway where vehicle speed usually higher than 60 km/h，and instantaneous emissions increasewith the rise of vehicle speed and acceleration.Some gasoline vehicles show rather high CO emission with WLTC cycle at ultra high speed section while their THC emissionswith WLTC cycle are lower than thatwith NEDC cycle.The PN emissions of four gasoline vehicles with WLTC cycle and NEDC cycle all exceed regulation limit，while the PN emission of two diesel vehicle and the PM emissions of all vehicles are lower than regulation limits.So it is suggested that in the development of state-VI vehicles，attentions should be focused on the CO and PN emissions of gasoline vehicles and the NOxemission of diesel vehicles.

real driving em ission； W LTC cycle； NEDC cycle； em ission characteristics； em ission regulations

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.10.005

原稿收到日期为2017年7月19日，修改稿收到日期为2017年8月20日。

朱庆功，硕士，E-mail：zhuqinggong＠ catarc.ac.cn。