驾驶特性对进气道喷射汽油车RDE排放的影响∗

2018-11-15汪晓伟景晓军戴春蓓

汽车工程 2018年10期

汪晓伟，颜燕，景晓军，戴春蓓，闫峰

(中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300)

前言

快速发展的汽车工业已经成为了我国的经济支柱之一。但随着汽车保有量的急剧增加，其所带来的环境问题也引发了越来越多的关注。日趋严格的排放和油耗法规在规范产业发展的同时也对汽车生产企业提出了更高的要求。大量研究表明，实际行驶的污染物排放要比车辆实验室认证的排放高得多[1-3]。因此2016年底，我国发布了轻型车国6标准(GB 18352.6—2016)[4]。与国5标准相比，国6标准的明显不同是将实际行驶污染物排放(RDE)试验定为Ⅱ型试验。在标准发布之后，国内外的研究机构纷纷开展对轻型车RDE排放特性进行研究[5-9]。但实际行驶污染物的排放水平跟实验室排放认证的污染物排放水平的差异并不完全一致:即有时实际行驶污染物排放要低于或接近于实验室认证的污染物排放，但有时实际行驶的污染物排放要远高于实验室认证的污染物排放。在环境条件相差不大的情况下，行驶的行程动力学成为影响排放的最主要因素[10-11]。基于此，本文中对通过不同的驾驶模式使用便携式车载排放测量系统(PEMs)按照国6标准要求的RDE测试循环对一辆满足国5标准的轻型汽油车进行了实际行驶排放测试，以探寻驾驶模式对实际行驶下的污染物排放的影响。

1 试验设备和方法

1.1 测试车辆和测试设备

被测车辆的主要技术参数如表1所示。

表1 被测车辆主要技术参数

试验采用奥地利AVL公司生产的AVL M.O.V.E便携式车载排放车辆系统(PEMs)。该套PEMs系统包括尾气气态污染物分析系统(GAS PEMs)，尾气颗粒物数量分析系统(PN PEMs)，尾气流量计(EFM)，全球定位系统(GPS)，温湿度仪和OBD记录仪等设备。其中GASPEMs采用不分光红外分析仪(NDIR)来测量尾气中的CO和CO2，采用紫外线分析仪(NDUV)来测量尾气中的NO和NO2。而PN PEMs则是利用扩散充电的原理(DC)，通过法拉第笼电位计来测量尾气中的颗粒数量。对于转毂试验，还应用了AVL全流取样系统(CVS)，气态污染物测量系统 AMAi60，AVL489颗粒计数器和AVL472颗粒采集器等设备。

1.2 试验方法

试验方法遵循国6标准的要求，先通过冷起动WLTC试验确定该车的排放状况，CO2排放的特性曲线。在转毂完成了全流稀释取样排放结果PEMs测量结果的比对，确定PEMs测试设备的状态正常。此后，对该车进行了两次RDE试验，试验路线依次按市区、市郊和高速连续行驶。实际行驶的速度曲线如图1所示。两次试验的结果都满足RDE测试的相关要求，试验有效。第一次和第二次试验的区别在于对油门踏板的控制。第一次比较舒缓而第二次比较激进。

图1 两次驾驶的速度曲线

两次RDE试验的环境条件和行程参数如表2所示。从表中可以看出，两次RDE试验的环境温度均处在30-35℃的扩展温度条件，湿度条件在40%左右。从行程参数上来看，两次RDE试验的总时间基本相同，第二次RDE试验的总里程要比第一次多6km。但从市区、市郊和高速的占比情况来看，两次RDE试验相差不大。因此，可认为两次试验的环境和路线均相差不大。

表2 RDE测试的环境条件

1.3 行程动力学特性定义

为验证行程的有效性，国6标准中定义了两个参数，分别是相对正向加速度(RPA)和车速与大于0.1m/s2正加速度乘积的第95个百分位((v·apos)[95])。RPA和(v·apos)[95]的计算方法详见国6标准[4]。有效的行程需满足如下条件:

(1)验证每个速度组中的(v·apos)[95]

其中(v·apos)[95]代表了驾驶是激进还是温和。(v·apos)[95]的值越接近上限，表明驾驶越激进。

2 试验结果

2.1 原车基于WLTC循环的排放

表3列出了该车基于冷起动WLTC循环的排放。从表中可以看出，原车的排放能满足国6a的要求。与国6b的限值要求相比，只有PM略微超标，表明该车的排放状况良好。对于国6阶段关注的颗粒物数量排放，由于该车采用的是进气道喷射而非缸内直喷，因此该车的颗粒物数量排放较低。

表3 基于WLTC循环的排放

2.2 两次RDE测试排放结果

两次RDE测试的排放结果如图2所示。其中图2(a)为市区行程的排放结果，图2(b)为总行程的排放结果。由图可见，在市区行程，第二次RDE试验的NOx较第一次略高，PN较第一次略低，但CO排放较第一次增加明显，从 18.2增加到1 531.2mg/km，第二次的CO排放约为第一次CO排放的84倍。对于总行程，第二次试验的NOx和PN比第一次略高，但均处于同一数量级。但对于CO排放，从47.6增加到3 564.2mg/km，第二次的CO排放约为第一次CO排放的75倍。从前文的分析可以看出，这两次驾驶在路线和环境条件差异很小，而且两次驾驶都符合RDE标准的要求，但CO排放差异巨大，其原因将在下一部分内容中进行详细的分析。

图2 RDE测试的排放结果

3 分析与讨论

3.1 行程动力学特征

两次驾驶的行程动力学特征如表4所示。从结果中可以看出，第二次驾驶的(v·apos)[95]要大于第一次。

表4 行程动力学参数

温和驾驶和激进驾驶的定义见图3[10-11]。如果行程的(v·apos)[95]值远小于限值，为温和驾驶；接近但不超过限值，为激进驾驶；超过限值为过于激进驾驶，这种驾驶是无效的。由表4可以认为，第一次为温和驾驶(moderate driving)，第二次为激进驾驶(dynamic driving)。

图3 基于(v·a pos)[95]驾驶模式的划分

3.2 加速度和负荷脉谱

两次驾驶的加速度脉谱(MAP)如图4所示。从图中可以看出，激进驾驶的加速度要大于温和驾驶的加速度，而且主要体现在市区和市郊工况。其中激进驾驶的最大加速度为2.83m/s2，温和驾驶的最大加速度为1.58m/s2。

图4 两次驾驶的车速加速度脉谱

而从两次驾驶的负荷脉谱图(图5)可以看出，激进驾驶覆盖的转速和负荷范围要远远超过温和驾驶。对于国5标准的车辆，企业在进行排放标定的时候，一般都主要关注NEDC的工况范围，而对超出NEDC工况范围的点，标定不是特别细致。这也更进一步说明对于RDE测试，对发动机的标定不能仅仅关注法规规定的实验室循环(如NEDC或WLTC)的工况点，而应该尽可能地对全MAP进行标定，尤其是在高速高负荷的工况。

3.3 瞬态特性

两次驾驶的瞬态排放特性如图6所示。在市区工况时，CO排放与加速度呈正相关的关系[5-6，12-13]。如激进驾驶时加速度较大的工况都对应着CO的峰值排放。这主要是由于在加速时会增加喷油以加浓混合气(加速加浓)。同时由于喷射方式为进气道喷射，燃油控制系统还有可能为提高发动机在加速时的动态响应，会在喷油结束后到进气门开启前再补喷一次燃油，从而导致不完全燃烧生成大量的CO[14]。这表明发动机的加减速标定还是按照NEDC的工况区域进行，因此在进行急加速(减速)时发动机的排放较差。此外空燃比偏离理论空燃比也会导致三元催化器的转化效率降低。值得注意的是，尽管激进驾驶时CO排放大幅增加，但颗粒数反而下降了。这从另外一方面也说明颗粒物数量和颗粒物质量是两个概念。由于不完全燃烧导致颗粒物排放质量增加，但可能生成的颗粒粒径更大，导致数量反而变少[15]。

图5 两次驾驶的发动机转速相对负荷脉谱

图6 两次驾驶的瞬态排放和加速度特性

但在市郊和高速工况，CO排放与加速度的关系并不显著。激进驾驶时对应的两个排放峰值区域并不能很好地对应加速度的峰值，尤其是在高速行程。为此，将高速行程CO排放峰值对应的区域(4 950-5 300s时间段)内的瞬态数据进行了分析，如图7所示。从图中可以发现，由于该发动机是自然吸气而非增压发动机，因此在高速路段车速已经很高的情况下，完全踩下油门踏板的瞬间加速度并没有很明显的变化(提速不明显)，但从发动机转速、过量空气系数和相对负荷的变化可以看出发动机在这一瞬间为了响应油门踏板的动作已经加浓混合气，从而导致不完全燃烧造成CO排放的急剧升高。此外，在这个阶段的发动机转速达到4 000～4 500r/min，超过了NEDC循环中发动机达到的转速。而企业对这个转速段的标定并非特别细致，这也是导致CO排放高的原因之一。