RPA对PFI轻型汽油车RDE高原排放特性试验研究

2019-01-29徐志寅邬建化邱晓伟谢熙钧

汽车工程 2018年12期

程亮，徐志寅，邬建化，邱晓伟，谢熙钧

（上海汽车集团股份有限公司乘用车公司试验认证部，上海 201804）

前言

汽车工业的发展，给人们带来舒适便捷“汽车文明”的同时，也带来了日益严重的环境问题。研究表明：我国大城市中CO的63.4%，HC的73.5%和NOx的46%来自于机动车尾气，对底层环境浓度的分担率达70%以上［1］，驾驶行为对车辆燃油消耗量和污染物排放具有重要的影响［2-6］。当前，世界各国法规规定的轻型车排放试验均按照特定试验循环工况在实验室转鼓上进行，而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［7］，车辆的实验室测试循环排放结果与实际排放状况可能存在较大差异［8-10］。为弥补实验室测试和实际道路测试结果的差异，国六排放法规增加了II型——实际行驶污染物排放试验（real driving emission，RDE）。目前国内对RDE的研究报道较少，王勃等人［11］研究了驾驶行为对法规要求窗口的适应性并提出了满足RDE窗口边界条件的车辆驾驶试验方案；付秉正、杨正军等人［12-13］对汽油轿车和柴油轿车分别进行了RDE试验研究，结果表明，汽油轿车的CO符合因子大于NOx，而柴油轿车的NOx符合因子大于CO。

我国海拔1 000m以上的土地面积占全国陆地总面积的60%，3 000m以上的面积占16%［14］。针对高海拔地区对机动车影响的研究主要集中在柴油发动机性能和燃料特性方面，很少涉及整车排放和油耗［15］。目前，国内外对高海拔地区 RDE驾驶行为相关的研究鲜有报道。

RPA（relative positive acceleration）为相对正加速度［16］，即

式中：v为车速，km／h；a＋为正加速度，m／s2；x为里程值，km。RPA代表驾驶员对车辆动力性的需求，也是RDE试验最重要的行程动力学特性之一。

本文中对一台自然吸气式多点电喷轻型汽油车在整车转鼓实验室分别进行了AVL-i60排放设备和AVL-M.O.V.E.轻型车便携式排放测试系统（portable emissionmeasurement system，PEMS）试验条件下的 WLTC（worldwide harmonized light vehicles test cycle）试验结果对比，并研究在西宁高海拔（试验路线平均海拔2 313m）条件下的不同RPA值（本文中分别对应平缓、一般和激烈3种驾驶行为）对实际行驶污染物的排放特性。

1 试验装置及方案

1.1 试验样车设备及燃料

试验样车配置了一台水冷、直列4缸4冲程、电控燃油进气道多点电喷、自然吸气式、性能较好的汽油发动机及一台4速自动变速器。试验样车后处理装置为三元催化器（three way catalyst，TWC）和下底板催化器（under floor catalyst，UFC），满足国五排放标准要求，试验中未对样车进行任何调整。整车主要参数如表1所示。

表1 试验样车主要技术参数

台架试验设备主要包括AVL公司的AMA-i60，AVL-ZÖLLNER-4WD底盘测功机和Imtech公司的环境舱。RDE测试设备为AVL公司的AVL-M.O.V.E.轻型车便携式排放测试系统PEMS，主要包括：用以测试排气中 CO，CO2，NOx，NO，NO2和 PN各污染物浓度的AVL-Concerto M.O.V.E车载排放测试系统；用以确定车辆的位置、海拔高度、车辆行驶速度的全球定位系统GPS；用以确定环境温度、相对湿度、大气压力等车载气象站；用以确定排气质量流量的流量计EFM和用以独立为测试设备供电的锂电池。

试验燃料使用试验当地市售92#汽油。

1.2 试验方案

本文中对装有PEMS设备的试验样车在上海整车排放实验室进行WLTC试验工况测试以得到RDE试验输入参数数据，并验证PEMS的试验结果是否符合国六要求的允许误差内，然后在西宁地区按照RDE试验规程，根据选定路线进行3组不同驾驶行为（分别为平缓、一般和激烈驾驶）的实际行驶污染物排放试验，考察该车在高原条件下RPA对RDE试验排放特性的影响。

西宁试验路线：（1）市区工况：由宁张线开始试验，行驶至青海大学路后折返，至纬五路经西湖路至经三路完成市区工况试验；（2）市郊工况：在完成城市工况行驶里程后开至京藏高速出发点，进入京藏高速后，转至宁大高速完成市郊工况试验；（3）高速路工况：完成市郊工况后直接进行高速工况行驶，途经大通收费站掉头，返程继续完成剩余的高速工况试验。

按照RDE规程的要求，试验车辆依次在市区、市郊和高速公路上连续行驶，每个速度区间至少行驶16km，试验总时间为90～120min，试验开始点和结束点之间的海拔高差不超过100m，并且试验车辆行驶100km的累计正海拔高度增加量应不大于1 200m。其中，市区工况：停车市郊占市区时间的6%～30%，最小里程为16km，平均速度为15～40km／h；市郊工况：可被市区（行驶距离很短）行驶中断；高速工况：车速覆盖90～110km／h，且车速大于100km／h至少5min，在不超过高速路段行驶时间3%的时间内最高车速可增加15km／h，车速若超过限速规定，PEMS试验结果仍有效，可被市区或市郊（行驶距离很短）行驶中断。具体车速和里程工况要求如表2所示。

表2 RDE车速和行驶里程工况要求

RDE行程有效性验证中，需要验证每个速度组中的RPA值，具体要求如下：

根据RDE市区、市郊和高速段对速度的规定要求，由此可推算出：RPA市区min＞0.1115，RPA市郊min＞0.0315，RPA高速min＞0.025。

由此可见，国标对RDE试验中RPA值的规定范围较大。

为保证试验条件的一致性，减少试验误差，每次试验前后都会进行相关仪器的标定；严格按照GB18352.6—2016试验规程进行试验操作，每次在确保试验样车状态已稳定的条件下由相同试验人员进行试验，并采集试验数据。

2 试验结果与分析

按照GB18352.6—2016试验规程进行试验，试验冷起动时段包括发动机初始起动后的最初5min。由试验过程中采集到的发动机冷却液温度得知，平缓、一般和激烈驾驶行为下车辆冷起动300s后的冷却液温度分别为69.8，73.5和79.5℃，可见较大的RPA值对应的驾驶行为可使车辆预热时间提前。

根据选定的西宁试验路线分别进行RDE试验，3组驾驶行为（平缓、一般和激烈驾驶，对应本文RDE试验发动机平均转速分别为1 683，1 911和2063r／min）RDE下的对应的RPA值及试验结果对比如表3所示。

表3 不同驾驶行为RDE工况对比

由表3可见，在市区、市郊和高速工况下的RPA值与驾驶激烈程度成正相关，即：RPA激烈驾驶＞RPA一般驾驶＞RPA平缓驾驶。

2.1 PEMS允许误差的验证

该车在整车转鼓排放实验室上进行WLTC循环工况试验，分别采用PEMS和实验室CVS条件下AMA-i60排放测试的试验结果并参照国六排放法规中对PEMS验证允许的误差规定允许值，试验结果如表4所示。

表4 污染物差值绝对值与PEMS允许误差值

由表4可见，PEMS和AMA-i60的污染物测试结果误差在国六标准允许误差范围内。

2.2 RDE试验数据处理

试验严格按照GB18352.6—2016试验规程进行，试验冷起动时段包括发动机初始起动后的最初5min。由试验过程中采集到的发动机冷却液温度得知，平缓、一般和激烈驾驶行为下车辆冷起动300s后的冷却液温度分别为69.8，73.5和79.5℃，可见较大的RPA可使车辆预热时间提前。国标规定只记录冷起动排放，试验结果不计入RDE试验的最终结果（即CO2窗口法计算结果），为了解冷起动阶段排放特性，本文中在模态数据分析中包含了冷起动阶段排放。本文中试验路线平均海拔2 313m已达到进一步海拔扩展条件（高于或等于1 300m，但不高于2 400m），RDE试验结果已除以进一步扩展系数1.8。

2.3 RDE试验结果分析

图1～图3为试验样车在RDE高原试验中3种不同的驾驶行为对应的模态试验结果（短虚线、实线和长虚线分别对应平缓、一般和激烈驾驶行为时的试验结果）。

2.3.1 冷起动排放特性

由图1～图3可见，冷起动阶段（前300s），平缓、一般和激烈3种驾驶行为下的CO和PN排放量明显较高。平缓、一般和激烈3种驾驶行为冷起动下的 CO，PN，NOx，O2和 CO2排放量分别占整个 RDE试验 CO，PN，NOx，O2和 CO2排放总量（包含冷起动阶段）的34.4%，42.1%和25.0%；87.7%，95.7%和93.1%；1.1%，3.1%和2.0%；23.3%，46.4%和16.7%；4.8%，4.3%和4.8%。

图1 车速、发动机转速和排气温度模态

图2 车速，CO，PN和O2模态

图3 车速，NO x和CO2模态

这是由于冷起动状态下的油温和水温都未达到设定值，缸内温度较低，发动机采用加浓策略，空燃比较低，燃烧不完全。此外，冷起动时的排气温度较低，催化器后处理装置没有达到最佳工作温度，催化效率低，导致燃烧不充分，CO排放增加［17］。汽油车冷起动状态的颗粒物数目粒径表面积体积高于热起动状态，这主要是由于车辆运转状态的改变提高了发动机缸内燃烧温度，促进了发动机燃烧过程中对颗粒物的氧化作用［18］。混合气浓时，氧的浓度对NO的形成起决定作用［19］，在冷起动阶段O2排放较高，催化器效率低，最终导致NOx排放略有升高。

2.3.2 CO排放特性

图4为该车在平缓、一般和激烈3种驾驶行为RDE高原试验下的CO排放试验结果。

图4 CO各工况下排放特性

由图4可见，CO排放量主要产生在市郊和高速工况，且在市区、市郊和综合工况下CO排放量的变化规律相似，即 CO激烈＞CO平缓＞CO一般，而在高速工况下CO一般＞CO平缓＞CO激烈。比较一般驾驶行为，平缓和激烈驾驶行为在市区、市郊、高速和综合工况下的CO排放量分别增加：8.2%，82.4%，-15.5%和22.9%；38.8%，205.2%，-57.7%和 48.6%。CO排放随RPA值的变化无明显变化规律。

CO是燃料不完全燃烧的产物。一方面，试验车辆在平原地区进行标定污染物排放，而高海拔下的空气比较稀薄，空气密度降低，导致进气量不充足，且进气压力随海拔升高逐渐减小，车速越高进气压力减小的幅度越大，当汽车处于高速大负荷状态，过量空气系数低于1，混合气加浓，从而CO排放增加。此外，点火提前角随海拔升高而增大，CO排放进一步恶化［20-21］。另一方面，发动机在中、小负荷工况下运行时，电喷汽油机的控制策略是闭环控制，根据氧传感器的反馈信号控制过量空气系数稍大于1.0，基本上保证燃料充分燃烧。发动机全负荷工况运行时，电喷汽油机的控制策略为开环控制，在发动机达到某一转速或者负荷时，就要增大喷油量，供给发动机较浓的混合气，以形成功率混合气，而高转速段混合气的形成时间较短。综合作用下，在高转速段的市郊工况和高速工况下CO的排放较市区工况排放有所上升［22-23］。

2.3.3 PN排放特性

图5为该车在平缓、一般和激烈3种驾驶行为RDE高原试验下的PN排放试验结果。

图5 PN各工况下排放特性

由图5可见，PN排放量与RPA值在市区工况下呈现负相关，而在高速工况呈现正相关，市郊和综合工况下无明显规律。比较一般驾驶行为，平缓和激烈驾驶行为在市区、市郊、高速和综合工况下的PN排放量分别增加：7.0%，-2.1%，-37.5%和12.9%；-48.8%，-53.9%，1.7%和-32.3%。

由图2可知，整个RDE试验中，在平缓、一般和激烈驾驶行为中的氧气排放量大小依次为：O2一般＞O2平缓＞O2激烈。这可能是由于空燃比波动和燃烧不充分，不完全燃烧物质形成了大量颗粒物使得PN排放量在一般驾驶时达到最大，在激烈驾驶时最小。

2.3.4 NOx排放特性

图6为该车在平缓、一般和激烈3种驾驶行为RDE高原试验下的NOx排放试验结果。

图6 NO x各工况下排放特性

由图6可见，NOx排放量与 RPA值呈现正相关，且RPA值越大，NOx排放增加量越明显。且市区工况下NOx排放量明显高于市郊和高速工况。比较一般驾驶行为，平缓和激烈驾驶行为在市区、市郊、高速和综合工况下的NOx排放量分别增加：-43.1%，-81.3%，-58.3%和-37.0%；413.8%，160.4%，558.3%和622.2%。

NOx生成的条件是3个方面的统一，即高温、富氧和高温持续时间［24］。由于汽油发动机氮氧化物来源中的激发型和燃料型NO生成量很少，可忽略不计，则主要的氮氧化物就来源于高温型NO，根据高温NO生成机理，对NOx生成起主要影响的是焰后区混合气温度与混合气中残留的氧浓度［25］。由表3和图1可知，RDE试验在市区工况下持续时间远大于市郊和高速工况，因此NOx排放在市区阶段的排放量也最多。在市区、市郊和高速工况下，总体排气温度 T：T激烈＞T一般＞T缓和，因此 NOx排放量在激烈驾驶行为时最大，在缓和驾驶行为时最小。

2.3.5 CO2排放特性

图7和图8分别为该车在平缓、一般和激烈3种驾驶行为RDE高原试验下的CO2排放试验结果和CO2窗口特性曲线试验结果。

图7 CO2各工况下排放特性

由图7可见，CO2排放量与RPA值呈现正相关，且市区工况下CO2排放量明显高于市郊和高速工况。比较一般驾驶行为，平缓和激烈驾驶行为在市区、市郊、高速和综合工况下的CO2排放量分别增加：-30.5%，-27.8%，-29.0%和-29.9%；4.9%，6.9%，14.4%和7.3%。

由图8可见，缓和驾驶行为使得CO2排放结果介于50%扩展下公差和特性曲线之间，一般驾驶行为使得CO2排放结果主要介于25%基本上下公差之间，激烈驾驶行为使得CO2排放结果介于特性曲线和50%扩展上公差之间。RPA值影响CO2排放在特性曲线图上的分布，RPA值越大，CO2排放在特性曲线图上的分布越靠近上公差。

这是由于，频繁剧烈的驾驶操作将会导致发动机较大的工况波动。由于空气系统跟随工况变化的滞后性，频繁的工况波动会导致发动机新鲜进气不足。ECU为了满足驾驶员的转矩需求，将会控制喷油器喷出更多的燃油，这就造成CO2排放升高［26］。

2.3.6 符合性因子

GB18352.6—2016规定RDE试验结果的市区行程和总行程污染物排放均不得超过国六I型试验排放限值与符合性因子（conformity factor，CF）的乘积，其中 CF（NOx）=CF（PN）=2.1，CF（CO）暂为监测项。由此可得，污染物i对应的符合性因子CF（i）：

图8 3种驾驶行为下RDE特性曲线CO2排放试验结果

式中：xi为RDE试验条件下污染物 i排放结果，g／km；yi为国六I型试验污染物i对应的标准限值，g／km。

图9为该车在平缓、一般和激烈3种驾驶行为RDE高原试验下的市区和综合工况下的排放符合性因子CF试验结果。

由图9可见，该车在3种驾驶行为下的PN和CO排放远低于国六标准限值。在平缓和一般驾驶行为时可满足国六排放法规中RDE海拔扩展工况下的排放要求，且 CF（NOx）＞CF（CO）＞CF（PN），CF（NOx）随着RPA值的增加，变化幅度明显增大，高原条件下PFI轻型汽油车进行 RDE试验时，需注意 NOx排放。