海拔对轻型汽油车RDE排放特性影响试验研究

程亮

(上海汽车集团股份有限公司乘用车公司技术中心，上海 201804)

环境问题是全球关注的热点问题。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[1-2]，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[3-7]。国六排放法规增加的Ⅱ型试验——实际行驶污染物排放试验RDE(Real Driving Emission) 补充了实验室测试不能准确反映实际道路排放状况的不足。

我国海拔1 000 m以上的土地面积占全国陆地总面积的60%，3 000 m以上的面积占16%[8]。针对高海拔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[9]。马志成等[10]对一辆轻型柴油车在青海地区选择海拔为1 900 m，2 200 m，2 400 m和3 000 m的4个环境点进行RDE测试，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。目前，国内外对高海拔地区轻型汽油车的RDE排放相关的研究鲜有报道，本研究对1台GDI轻型汽油车进行了RDE高原排放特性试验研究。

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1台增压中冷、直列4缸四冲程、缸内直喷式汽油发动机及1台7挡双离合变速箱。试验样车后处理装置为三元催化器(TWC，Three Way Catalyst)和颗粒捕集器(GPF，Gasoline Particulate Filter)，满足国六排放标准要求，试验中未对样车进行任何调整。试验样车主要参数见表1。

表1 试验样车主要技术参数

台架试验设备主要包括HORIBA全流CVS采样和MEXA-7000系列排放采样分析系统、MAHA AIP-ECDM-48L-Dyno Server汽车底盘测功机和Imtech环境舱。RDE测试设备为HORIBA OBS-ONE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/PN各污染物浓度的OBS-ONE车载排放测试系统，主分析单元分别采用不分光红外法(NDIR)测定CO和CO2浓度，化学发光探测法(CLD)测定NOx浓度，采用CPC凝结粒子计数器(CPC)测定PN；用以确定车辆的位置、海拔、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、大气压力等的车载气象站；用以确定排气质量流量的流量计EFM；用以独立为测试设备供电的锂电池。试验燃料使用国六基准汽油。

1.2 试验方案及试验路线

对装有PEMS设备的试验样车在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，并考察RDE排放测试设备PEMS的精度。之后对试验样车分别在北京(试验线路平均海拔为28.6m，下同)、银川(1 113.3 m)、兰州(1 610.8 m)、昆明(1 891.7 m)和西宁(2 255.5 m)5个不同海拔的典型城市进行实际道路排放测试，分析海拔对GDI轻型汽油车RDE高原排放的影响。

根据RDE试验要求及地理信息，在5个城市选定试验路线并进行实车试验，确认了所选定的试验线路能够满足国六排放标准GB 18352.6—2016中对RDE试验线路的要求。

按照RDE 规程的要求，试验车辆依次在城区、城郊和高速公路上连续行驶，每个速度区间至少行驶16 km，试验总时间在90～120 min，试验开始点和结束点之间的海拔差不超过100 m，并且试验车辆的累计正海拔每100 km增加量应不大于1 200 m。城区工况：停车时段应占城区行驶时间的6%～30%，最小里程为16 km，平均速度15～40 km/h；城郊工况：可被城区(行驶距离很短)行驶中断；高速工况：车速覆盖90～110 km/h，且车速大于100 km/h至少5 min，在不超过高速路段行驶时间3%的时间内，最高车速可增加15 km/h，车速若超过限速规定，PEMS试验结果仍有效，可被城区或城郊(行驶距离很短)行驶中断。具体车速和里程工况要求见表2。

表2 RDE车速和行驶里程工况要求

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试验仪器的标定，严格按照GB 18352.6—2016试验规程进行试验操作，在确保试验样车状态已稳定的条件下进行试验，并采集试验数据。每次试验都尽可能保持行程动力学参数接近，以便于对试验结果进行对比及分析。

2 试验结果及分析

根据选定5个典型城市的试验路线分别进行RDE试验，5组工况下的RDE试验环境条件及发动机平均转速和具体工况下的行程动力学参数及平均车速等对比分别见表3和表4。

由表3可见，随着海拔的升高，环境平均压力逐渐减小，平均温度有降低趋势，平均湿度有增大趋势。由表4可见，比较行程动力学参数，银川试验工况下的RDE驾驶相对其他工况的驾驶更为激烈。

表3 试验环境条件及发动机状态对比

表4 行程动力学参数及行程对比

续表

2.1 PEMS允许误差的验证

该车在整车转鼓排放实验室进行WLTC循环工况试验，分别采用PEMS和实验室CVS条件下MEXA-7000排放测试系统的试验结果，并参照国六排放法规中对PEMS验证允许的误差规定允许值，试验结果见表5。

表5 污染物差值绝对值与PEMS允许误差值

由表5可见，PEMS和MEXA-7000系列排放分析仪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环境条件说明及试验数据处理

严格按照GB 18352.6—2016试验规程进行试验，试验环境海拔扩展按照国标规定进行。普通海拔条件：海拔不高于700 m；扩展海拔条件：海拔高于700 m，不高于1 300 m；进一步扩展的海拔条件：海拔高于或等于1 300 m，但不高于2 400 m。本研究中RDE各污染物排放试验结果已除以相关扩展系数(基本扩展条件扩展系数为1.6，进一步扩展条件扩展系数为1.8)，且不包含冷起动排放数据。

2.3 海拔舱WLTC试验

试验样车在整车转鼓海拔舱内分别在0，700，1 300，1 900，2 400 m海拔条件下进行WLTC试验，得到海拔舱试验条件下的排放结果(见图1)。由于设备的限制，PN测试只能在海拔1 500 m以下进行。

图1 海拔舱试验条件下的WLTC试验结果

由图1可见，随海拔增加，该车的CO排放呈先升高后降低趋势，NOx排放呈升高趋势，PN排放呈先降低后升高趋势。

2.4 RDE试验结果及分析

GB 18352.6—2016规定RDE试验结果的城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CF(Conformity Factor)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)：

CF(i)=xi/yi。

(1)

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

2.4.1CO排放特性

图2示出试验样车在北京、银川、兰州、昆明和西宁5个不同海拔的典型城市分别进行实际道路排放测试的各工况CF(CO)结果，其中综合工况为整个RDE试验的全部工况，包含城市、城郊和高速工况。

由图2可见：随着海拔的增加，在城区工况下CO排放升高；在高速工况和综合工况下，CO排放呈先升高后降低的趋势，且在兰州试验工况下排放最高。除西宁试验工况外，CO排放主要产在高速工况，城郊工况次之，城区工况相对最低。相较北京试验工况下的CF(CO)，银川、兰州、昆明和西宁试验工况下的CF(CO)在城区工况下分别增加32.8%，244.8%，294.0%和406.0%，在城郊工况下分别增加28.1%，149.6%，100.7%和122.2%，在高速工况下分别增加22.6%，110.2%，7.9%和-51.5%，在综合工况下分别增加24.7%，131.1%，53.2%和26.0%。

图2 不同海拔下RDE各工况的CF(CO)

CO是燃料不完全燃烧的产物。车用汽油机CO排放主要是冷起动、怠速和大负荷工况下发生不完全燃烧所致。冷起动工况下由于发动机未达到正常工作的水温和油温，且燃料汽化着火条件差，发生不完全燃烧；怠速运转时，缸内残余废气多，为保证燃烧稳定，需要加浓混合气， CO生成量较多；大负荷工况下，为了提高功率输出，一般加浓混合气，导致CO排放量剧增；加速工况时，为保证加速顺滑，在短时间内加浓混合气，导致出现CO排放高峰[11-12]。

国六排放法规中对Ⅱ型试验计算结果中剔除了冷起动部分的CO排放，且整个试验过程中怠速时长占比较低，而高速工况下，发动机为全负荷工况运行，根据安装在排气管上的氧传感器的反馈信号控制过量空气系数小于1.0，电喷汽油机为了输出较大的功率将会增加喷油量以形成浓混合气，而高转速段混合气的形成时间较短，因此，RDE试验中，CO排放主要产生在高速工况。昆明试验工况和西宁试验工况下的高速段CO排放相对较低，可能是由于高速段的平均车速相对较低，节气门开度相对较小，混合气反应时间相对较长，燃烧相对较充分引起的。

总体来看，城区工况下CO排放最低，且CO排放随海拔的升高而增加。一方面，城区工况下发动机在中、小负荷工况下运行，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，CO排放相对较低。另一方面，试验样车配置电喷汽油机，发动机的排放是在平原条件下进行标定，而高海拔下的空气密度降低，进气压力随海拔升高逐渐减小，导致进气量不充足。且海拔越高，排气温度上升越慢，对三元催化器的转换效率也有一定影响，从而CO排放随海拔的增加而升高。此外，点火提前角随海拔的升高而增大，对CO排放恶化可能也有一定的影响[13]。

2.4.2NOx排放特性

图3示出试验样车在5个城市分别进行实际道路排放测试的CF(NOx)结果。图4示出试验样车在测试工况下RDE试验的排气温度和车速模态图。

图3 不同海拔下RDE各工况的CF(NOx)

图4 不同海拔下RDE排气温度和车速模态

由图3可见，随着海拔的增加，在城区工况下NOx排放升高，在高速和综合工况下，NOx排放呈先降低再升高的趋势。且除北京试验工况外，其他工况下城区排放结果较综合排放高。除北京试验工况外，NOx排放主要产在城区工况，城郊工况次之，高速工况相对最低。相较北京试验工况下的CF(NOx)，银川、兰州、昆明和西宁试验工况下的CF(NOx)在城区工况分别增加125.4%，147.8%，147.8%和220.9%，在城郊工况下分别增加23.0%，-5.5%，-13.0%和114.5%，在高速工况下分别降低77.9%，76.7%，73.5%和43.9%，在综合工况下分别降低13.1%，14.0%，13.1%和-46.7%。

汽油机的NOx排放物包括NO，N2O和NO2。NOx产生条件主要为高温、富氧和高温持续时间[14]。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[15]，海拔越高，空气中的含氧量越少，混合气中的氧浓度也相对越低，因此高海拔条件下，影响NOx生成的主要因素为焰后区混合气的温度。

由图4可见，城区试验阶段，西宁试验工况下排气温度最高，北京试验工况下排气温度最低，对应图3中城区试验阶段的NOx排放在西宁试验工况下最高，在北京试验工况下最低。高速试验阶段，北京试验工况下的排气温度最高，银川试验工况下的排气温度最低，对应图3中高速试验阶段的NOx排放在北京试验工况下最高，在银川试验工况下最低。

总体来看，NOx排放主要产生在城区工况。这是由于，国六排放法规中对II型试验计算结果中剔除了冷起动部分排放，发动机为热机状态。RDE试验在城区工况下的试验持续时间较城郊和高速工况的长(如北京试验工况下，城区、城郊和高速工况时间分别为65 min，21 min和15 min)，在城区工况时，缸内混合气在高温且高温持续时间较长的环境下进行反应，因此，NOx排放在城区工况的总排放浓度也较城郊和高速工况时高。

2.4.3PN排放特性

图5示出试验样车在5个城市分别进行实际道路排放测试的CF(PN)结果。国六排放法规中对Ⅱ型试验计算结果中剔除了冷起动部分的PN排放。由图5可见，热机RDE试验工况下的PN排放主要产在高速工况，且北京、银川和西宁试验工况下的PN排放在高速工况下最高，城郊工况次之，城区工况最低；而兰州和昆明试验工况下的PN排放在高速工况下排放最高，城区工况次之，城郊工况最低。随着海拔的增加，在城区、高速和综合工况下，PN排放变化规律一致：呈先升再降后升的趋势，在银川试验工况下的PN排放呈现一个小峰值，在兰州试验工况下PN排放呈现低谷值，此后随海拔升高，PN排放升高，且在西宁试验工况下PN排放最高。除兰州试验工况下的PN排放值差异不大之外，其他工况下的PN排放在综合工况下的试验结果较城区工况下的排放值高。相较北京试验工况下的CF(PN)，银川、兰州、昆明和西宁试验工况下的CF(PN)在城区工况下分别增加341.0%，249.4%，252.2%和461.3%，在城郊工况下分别增加279.4%，152.9%，108.8%和542.6%，在高速工况下分别增加28.1%，-21.3%，17.2%和77.2%，在综合工况下分别增加118.7%，49.7%，68.8%和216.0%。

颗粒物的生成条件是高温缺氧。热机下的PN排放主要产生在高速工况。这是由于高速工况时的排气温度最高(见图4)，对应高速工况时缸内温度也最高，高温条件下有利于颗粒物的生成。在高速工况，为保证车辆的动力性，缸内混合气加浓，导致燃烧室内可燃混合气混合不均匀，燃料燃烧条件较差，燃烧恶化，进而导致某些挥发性有机物以及烟粒排放的升高，从而形成新的颗粒物。此外，高速工况下燃料在发动机内的燃烧时间明显减少，使燃料燃烧不完全，废气在缸内的滞留时间也明显缩短，碳粒来不及氧化就被排出气缸，也会导致颗粒物排放数量的增加。

总体来说，PN排放随海拔的增加而升高，在西宁试验时PN排放最高。一方面，西宁试验工况下排气温度最高，高海拔下环境压力较低，进气量降低，缸内氧含量较低，滞燃期增加，燃烧始点推迟，预混燃烧比例增加，燃烧温度提高，阻碍了燃烧过程中产生的颗粒物的氧化。缸内高温缺氧的条件有利于PN的生成。另一方面，燃料在开始生成颗粒之前，会发生燃料分子的分解以及反应物原子的重新排列。裂解通常产生许多分子量低的直链不饱和碳氢化合物。燃油裂解一般是吸热反应，需要很高的活化能，因此其反应速率受温度影响较大。海拔的增加导致燃烧温度的升高，提高了燃油裂解的反应速率，从而促进了颗粒物的生成[16]。

3 结论

a) 海拔舱WLTC工况试验条件下，随海拔增加，CO排放出现先升高后降低趋势，NOx排放升高，PN排放有先降低后升高趋势；

b) 随着海拔的增加，CO排放在城区工况下升高，在高速和综合工况先升高后降低；除西宁试验工况外，CO排放主要产生在高速工况，CO在综合工况下的排放结果较城区工况下的高；总体来看，城区工况下的CO排放最低，且CO排放随海拔的升高有增加趋势；

c) 随着海拔的增加，NOx排放在城区工况下升高，在高速和综合工况下呈先降低再升高的趋势；除北京试验工况外，NOx排放主要产生在城区工况，高速工况下排放相对最低，且NOx在城区工况下的排放较综合工况下的高；总体来看，NOx排放主要产生在城区工况；

d) 随着海拔的增加，在城区、高速和综合工况下PN排放变化规律一致：呈先升再降后升的趋势，在银川试验工况下PN排放呈现一个小峰值，在兰州试验工况下PN排放呈现低谷值，此后随海拔升高，PN排放升高，在西宁试验工况下PN排放最高；除兰州试验工况下的PN排放值差异不大之外，其他工况下的PN排放在综合工况下的试验结果较城区工况下的高；总体来说，PN排放主要产生在高速工况，PN排放随海拔的增加有升高趋势。