基于北京和昆明海拔条件下的国Ⅵ混合动力车实际道路排放特性研究

2022-07-28赵海光吉江林李加强

环境科学研究 2022年7期

关键词：动力车市区海拔

郑丰，赵海光，吉江林，尹航，丁焰，李加强

1. 西南林业大学机械与交通学院，云南昆明 650224

2. 云南省高校高原山区机动车环保与安全重点实验室，云南昆明 650224

3. 中国环境科学研究院，国家环境保护机动车污染控制与模拟重点实验室，北京 100012

4. 中国环境科学研究院机动车排污监控中心，北京 100012

随着汽车工业的飞速发展，机动车保有量快速增加[1-3]，车辆排放已成为我国环境污染的重要来源[4-7].面对机动车排放产生的严重环境污染问题，不断加严排放法规限值和使用清洁能源是减少汽车污染物排放的有效手段[8]. 混合动力作为内燃机动力汽车向纯电动车过渡的桥梁技术，成为当前汽车发展中最具潜力的新兴方向[9].

目前，各国法规规定的轻型车排放试验均按特定试验循环工况在实验室转毂上进行. 研究表明，实验室测试循环不能完全反映实际行驶情况下的运行工况[10-14]，进而导致实验室排放结果与实际排放状况存在较大差异[15-19]. 原环境保护部于2016年12月23日发布GB 18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》，规定在Ⅱ型试验中采用便携式排放测试系统(portable emissions measurement system, PEMS)测量测试车辆在实际道路行驶过程中的污染物排放(real driving emission, RDE)[20]；同时，该标准详细规定了测试路线和测试程序要求. 目前，对混合动力汽车实际道路行驶的排放特性研究主要集中在不同行驶工况下的排放特征方面. 如Yang等[21-22]发现，混合动力车在实际道路行驶时由于频繁的再起动导致混合动力车颗粒物数量(particle numbers，PN)较高；禹文林等[8]发现，当混合动力车辆处于较大负荷和急剧加速工况时易出现一氧化碳(CO)排放峰值，负荷突然增大的瞬间出现氮氧化物(NOx)和PN排放峰值；Ehrenberger等[23]发现，电池初始荷电状态决定了混合动力车二氧化碳(CO2)绝对排放量. 以上对混合动力汽车实际道路行驶排放的研究均是基于在低海拔城市测试数据. 针对高海拔条件下排放影响研究主要集中在柴油发动机性能和燃料特性方面，涉及实际道路行驶排放的研究较少[24]，特别是对混合动力车的排放特征研究较为鲜见. 我国海拔1 000 m以上地区约占国土面积的58%，海拔2 000 m以上的地区占33%[25]，在这些地区登记的车辆超过1 500×104辆[26].不同海拔下的空气密度、含氧量等环境条件存在差异，将对车辆排放产生一定的影响. 因此，开展不同海拔下的车辆实际道路排放测试十分必要.

基于此，该研究选择了1辆国Ⅵ混合动力车，在北京和昆明两座海拔差异较大的城市进行实际道路的排放测试，整个测试按照国Ⅵ轻型车实际道路测试规程进行. 基于测试结果，对比分析了混合动力车在北京和昆明实际道路行驶过程中的排放差异，以期为混合动力车在北京和昆明海拔条件下的排放差异研究提供参考.

1 测试装置及方案

1.1 测试车辆及设备

该研究在海拔差异较明显的北京和昆明两个典型城市进行混合动力车的实际道路测试. 测试车辆为国Ⅵ混合动力车，燃料喷射方式为进气道喷射(port fuel injection, PFI)，发动机排量1.8 L，后处理系统为三元催化转化器(three-way catalytic converter, TWC)，整备质量为1 405 kg. 排放测试设备为日本HORIBA公司生产的OBS-ONE. 该设备采用不分光红外法(non-dispersive infrared, NDIR)测定CO和CO2浓度，采用化学发光探测法(chemiluminescence detector, CLD)测定NOx浓度，采用凝结粒子计数器(condensation particle counters, CPC)测定PN，使用全球定位系统(global positioning system, GPS)确定车辆行驶速度等，使用车载气象站确定环境温度、相对湿度等. 所有测量设备都由12 V电池供电. 在每次测试之前，将PEMS完全加热后进行泄漏检查和功能检查. 每次测试后，对每个分析仪进行零点和量程校准. 为避免测试期间不同燃油品质对排放结果产生影响，2个城市测试中使用的燃油均为同一批次生产的国Ⅵ基准汽油.

1.2 测试方案

1.2.1试验环境和测试路线

混合动力车分别在北京(平均海拔25 m)和昆明(平均海拔1 897 m) 2个不同海拔的典型城市进行实际道路排放测试. 其中，北京测试温度、相对湿度分别为19 ℃和25%，昆明温度、相对湿度分别为23 ℃和65%. 该研究按照RDE试验要求[20]在2个城市选定测试路线并进行实际道路排放测试，测试道路类型包括市区路、市郊路和高速路.

1.2.2混合动力车行驶特征与动力学参数

混合动力车在两个城市的行驶工况特征参数与动力学参数如表1所示. 由表1可见，2个城市3种类型道路的里程占比接近且均满足GB 18352.6-2016规定的要求. 由于北京市区交通流量较大，红绿灯较多，混合动力车行驶速度相对较低，导致其在北京市区时纯电机工作时间占比高于昆明. 此外，相对正加速度(relative positive acceleration, RPA)在昆明时较大，而RPA表征总行程的激进程度，值越大代表激进程度越大. 混合动力车在昆明行驶时加减速时间占比明显高于北京，这可能与激进驾驶行为有关.

表1 混合动力车行驶特征参数与动力学参数Table 1 Driving characteristic parameters and dynamic parameters of hybrid electric vehicle

1.3 混合动力车完整性和正常性校验

混合动力车的窗口校验数据如表2所示，市区路、市郊路和高速路窗口数量占比均满足GB 18352.6-2016规定的完整性和正常性校验要求，表明测试结果有效.

表2 窗口正常性和完整性校验Table 2 Window normality and completeness check

1.4 数据处理

RDE试验过程中测试设备会记录混合动力车行驶过程中污染物浓度、CO2浓度、排气流量和车速等相关瞬态数据. 污染物瞬时排放速率和排放因子按照目前国Ⅵ排放标准要求[20]计算.

1.4.1算术平均法计算污染物排放因子

算术平均法通过瞬时排放量和累积行驶里程计算混合动力车污染物排放因子，计算公式:

式中:Mj为基于距离的排放因子，g/km或个/km；j为污染物的种类(CO、CO2、NOx、PN)；m为污染物的瞬时排放量，g/s或个/s；n为某种操作模式的持续时间，s；i和r分别为操作模式的开始时间和结束时间，s；S为累积行驶里程，km.

1.4.2VSP的计算

研究[27-28]表明，车辆比功率(vehicle specific power,VSP)能够很好地表征车辆的实际行驶工况，并且与其他运行参数相比，VSP与污染物排放速率具有更好的相关性. 通过在基准运行模式下对排放结果进行归一化来减少各测试道路中不同交通条件的影响[29].代表瞬时运行模式的23个Bin按车辆加速度、VSP和车速分类[30]，该研究中瞬时VSP计算公式[31]：

式中：VSP表示车辆比功率，kW/t；v表示车辆速度，m/s；a表示车辆加速度，m/s2；grade表示坡度.

1.4.3符合性因子

为了将实际道路排放因子与GB 18352.6-2016规定的限值做比较，定义每种污染物实际行驶排放结果与相应排放限值(该研究中为国6b阶段污染物排放限值)之比为符合性因子(conformity factor, CF)[32]，计算公式：

式中: CFb为排放物b的符合性因子；b为污染物的种类(CO、NOx、PN)；Ereal,b为RDE试验中排放物b的排放因子，mg/km或个/km；Enorm,b为GB 18352.6-2016规定的b污染物排放限值，mg/km或个/km.

2 结果与讨论

2.1 混合动力车气态污染物瞬时排放速率分析

为研究混合动力车在不同道路类型的气态污染物排放速率分布，选取混合动力车在北京行驶的测试数据. GB 18352.6-2016规定，将车速小于60 km/h归为市区路，车速在60～90 km/h之间归为市郊路，车速大于90 km/h归为高速路. 由图1可见，在3种道路类型中混合动力车CO、NOx排放速率和PN排放速率都出现明显的波动，CO排放速率的波动主要集中在高速路，最大值为0.18 g/s. 混合动力车NOx排放速率峰值出现在市区路，最大值为0.016 g/s，这是因为在市区路上混合动力车到达一定速度后发动机开始工作，此时发动机负荷变化剧烈，从而产生NOx排放速率峰值. PN排放速率的波动则集中在市区和市郊路，其最大峰值达3.75×1011个/s.

图1 北京RDE工况下混合动力车污染物排放速率的分布特征Fig.1 Distribution characteristics of pollutant emission rates of hybrid electric vehicle under RDE conditions in Beijing

2.2 混合动力车排放分析

混合动力车在全球统一轻型车辆测试循环(worldwide light-duty test cycle, WLTC)工况以及2个城市RDE工况下的排放情况如表3所示. 由表3可见：在WLTC工况下，混合动力车的CO、NOx和PN排放因子均可满足我国GB 18352.6-2016规定要求(CO、NOx和PN排放限值分别为500 mg/km、35 mg/km和6.0×1011个/s)：在RDE综合工况下，混合动力车在北京的CO、NOx和PN符合性因子分别为0.31、0.08和0.41，在昆明分别为0.57、0.05和0.30，在不同海拔城市混合动力车3种污染物排放均满足GB 18352.6 -2016规定的符合性因子要求.

表3 不同道路类型及工况下混合动力车污染物排放对比Table 3 Comparison of pollutant emission factors of hybrid electric vehicle under different road types and working conditions

分析混合动力车在市区路、市郊路和高速路的污染物排放因子发现，在北京和昆明混合动力车CO排放因子均在市区路上最高. 这是因为市区路交通流量较大，混合动力车的平均行驶速度较低，频繁的起停导致发动机混合气变浓，使得CO在市区路排放因子最高. 在北京市区路混合动力车PN排放因子比市郊路和高速路分别高1.74和10.92倍，在昆明市区路的PN排放因子分别比市郊路和高速路高3.69和16.17倍，这与混合动力车在市区路频繁的起停有关.NOx排放因子结果与CO排放因子和PN排放因子相似，在2个城市的市区路NOx排放因子均最高，这是因为在市区路上混合动力车发动机转速低，增加了NOx的反应生成时间，从而导致在市区路上混合动力车的NOx排放浓度升高.

分析两个城市混合动力车在RDE综合工况的污染物排放因子发现，混合动力车在昆明的CO排放因子比北京市高85%. 研究[24]表明，海拔升高，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，对三元催化转化器的转换效率也有一定影响，从而导致CO排放因子升高. 而混合动力车的NOx排放因子在昆明降低了37%，这是因为在高海拔空气密度下降，汽油车进气量不足，由于氧气量不足，抑制NOx的生成，因此混合动力车的NOx排放因子在昆明降低. 对于PN排放因子，在北京混合动力车发动机再起动的次数远高于昆明，导致混合动力车在北京的PN排放因子较昆明高27%. 因此，起停的次数对于混合动力车PN排放因子的影响可能高于海拔的影响.

2.3 2种方法计算混合动力车污染物排放因子

已有研究[33]中排放因子通常采用算术平均法计算〔见式(1)〕，该算法不对排放数据做任何处理，即以污染物总排放质量与总行驶里程的比值作为最终RDE的排放结果，代表了原始排放结果. 比较GB 18352.6-2016中移动平均窗口法与算术平均法计算得到的排放结果(见表4)发现：在北京两种方法计算的CO和PN排放因子相似，但移动平均窗口法计算的NOx排放因子偏小；在昆明两种计算方法得到的3种污染物排放差别较大，算术平均法计算得到的CO和NOx排放因子比移动平均窗口法分别高88%和82%，算术平均法计算得到的PN排放因子比移动平均窗口法高69%. 在昆明混合动力车使用移动平均窗口法计算的污染物排放因子明显小于算术平均法计算结果，即在高海拔地区该混合动力车使用移动平均窗口法计算的污染物排放因子与其原始排放因子差异较大. 这是因为混合动力车在低速行驶时由纯电机工作，车辆排放量为0，在使用移动平均窗口法计算时一些窗口包括了混合动力车无排放的里程，此时窗口内污染物排放量不变，行驶距离增加，这可能会导致窗口计算的污染物平均排放因子偏小. 此外，在昆明测试时混合动力车CO2排放因子升高，一些窗口内总数据量减少，纯电机工况数据占比增大，导致窗口平均排放因子进一步减小，这可能是在昆明两种方法计算的混合动力车污染物排放因子结果差距较大的原因.

表4 不同计算方法下混合动力车污染物排放因子对比Table 4 Comparison of pollutant emission factors of hybrid electric vehicle under different calculation methods

2.4 CO2排放对比

混合动力车在北京和昆明的CO2排放测试结果如表5所示. 对于不同道路类型，混合动力车在2个城市的市区路排放均最高，比市郊路和高速路分别高10%～30%和49%～80%. 这是因为市区路上车流量较大，车辆行驶速度较低以及频繁的加减速所致[34-35]. 对于不同城市，混合动力车在昆明市区路和市郊路的CO2排放因子分别比在北京高43%和25%，这是因为混合动力车在北京和昆明市区纯电机工作时间占比分别为25.7%和18.5%，在北京时由于电机工作时间占比较长导致混合动力车在市区路的油耗和CO2排放因子均较低. 混合动力车在昆明市郊路的加速工况较多，导致混合动力车在昆明油耗和CO2排放因子增加. 而混合动力车在北京高速路上的CO2排放因子较高，这是因为高海拔地区空气密度降低，风阻和滑行阻力减小[36]，并且由于混合动力车所受阻力与车速呈正相关，高速行驶时其对混合动力车的影响程度更大，使得油耗和CO2排放因子降低. 由此可知，在市区和市郊路上驾驶工况对于混合动力车油耗和CO2排放因子的影响可能大于海拔影响，而在高速路行驶时海拔对混合动力车油耗和CO2排放因子的影响可能大于驾驶工况的影响. 由于混合动力车在昆明市区和市郊路的CO2排放因子较高，导致综合工况下混合动力车油耗在昆明有所增加，CO2排放因子也增加了17%.

表5 不同测试工况下混合动力车在2个城市的CO2排放因子Table 5 CO2 emission factors of hybrid electric vehicle under different tested conditions in 2 cities

2.5 驾驶条件对CO、NOx和PN排放的影响

该研究根据美国MOVES模型对轻型车VSP的划分方法，将测试的工况和排放数据划分为23个Bin区间. 其中，Bin 0代表减速或制动(a≤-0.9 m/s2)，Bin 1代表怠速(-1.6 km/h≤v＜1.6 km/h，a＞-0.9 m/s2)，Bin 11～Bin 16代表低速(1.6 km/h≤v＜40 km/h，a＞-0.9 m/s2)，Bin 21～Bin 30代表中速(40 km/h≤v＜80 km/h，a＞-0.9 m/s2)，Bin 33～Bin 40代表高速(v≥80 km/h，a＞-0.9 m/s2). 在每个速度区间内，Bin序号越大，则VSP值越大. 混合动力车在2个城市不同Bin区间内的CO、NOx和PN排放速率如图2所示. 在不同速度区间内，污染物排放速率基本随Bin值的增大而增加. 对于CO，由于海拔和驾驶工况的影响，混合动力车在昆明的CO排放速率波动频率和峰值均高于在北京，导致在昆明所有Bin区间混合动力车的CO排放速率均高于北京. 对于NOx，混合动力车在北京中低速(Bin 11～Bin 30)区间内的NOx平均排放速率基本高于昆明，这与高海拔空气密度下降有关；而高速(Bin 33～Bin 40) 时，混合动力车在昆明的NOx平均排放速率基本高于北京. 对于PN，当VSP≥9时(Bin 15～Bin 16、Bin 25～Bin 30、Bin 37～Bin 40)，混合动力车在北京的PN平均排放速率总体高于昆明.