基于车载测试的轻型汽车排放特征

陈婷，何潇，陈文倩，颜敏，徐光仪，郑轩*

1.深圳大学化学与环境工程学院

2.深圳市环境科学研究院

3.河北省环境科学研究院

中国机动车高速增长、高频使用和高度聚集的综合特征给城市空气质量管理带来极大挑战[1-2]。机动车排放的氮氧化物（nitrogen oxides，NOx）和总碳氢化合物（total hydrocarbons，THC）是二次污染物的重要前体物[3]；高浓度一氧化碳（carbon monoxide，CO）会损害人类的神经系统和氧气运输。因此，机动车气态污染物（CO、THC和NOx）的排放特征一直是研究热点。轻型汽车是中国机动车保有量的主体，截止到2018年，我国轻型汽车保有量已经超过2.3亿辆，约占机动车总量的72%[4]。目前，对于轻型汽车常规气态污染物的排放，国内已进行了大量研究[5-7]。但目前缸内直喷（gasoline direct injection，GDI）技术已在中国市场广泛应用，对于发动机技术差异〔如GDI和进气道喷射(port fuel injection，PFI)〕引起的污染物排放和油耗差异的研究相对较少。

国外研究表明，由于喷油方式和混合方式的不同，GDI和PFI车辆的气态污染物排放存在显著差异。如Graham[8]基于台架测试发现GDI车辆平均CO排放因子比PFI车低40%；Singh[9]基于车载测试（portable emission measurement system，PEMS）发现，GDI车辆的CO和THC排放量分别比PFI车低33%和44%；王军方等[10]的研究表明，GDI汽油车的CO和HC排放比PFI车低4.3%～39.5%。此外，因为GDI能更精准地控制燃料喷射时间和进入气缸的实际燃油量[11]，通常其燃油经济性比PFI要高，然而在Singh[9]的研究中真实状况下油耗对GDI和PFI的差别并不敏感。因此，需要针对不同发动机技术的污染物排放和油耗开展深入的研究。

运行工况也是影响车辆污染物排放和油耗的重要因素。以冷启动为例，由于启动期间发动机和后处理催化剂在低温条件下运行，导致车辆的气态污染物排放量急剧增加[12-13]。如Weilenmann等[12-13]研究发现，冷启动阶段汽油车的CO和HC排放量相较热启动增加11倍以上。此外，Yao等[14]发现，CO、NOx和THC排放速率随发动机比功率（vehicle specific power，VSP）的增大而增加。Zhang等[15]的研究结果表明，轻型汽油车在较高车速下（35 km/h）的油耗比低速（15 km/h）时要高81%±16%，且实际道路的油耗比在整车转毂下的油耗要高约10%。

以往对轻型汽车的排放研究主要采用实验室台架测试。但有研究[16-17]表明，台架测试法难以反映车辆在实际道路时的污染物排放和油耗，因此，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）》已明确将实际道路PEMS列为法规测试方法[18]。虽然目前国内已有研究者利用PEMS方法测量了轻型汽车CO、NOx和THC等污染物的排放情况[5,19]，但针对实际道路上不同发动机技术（GDI和PFI）气态污染物排放差异的研究较少。综上，笔者选取不同喷油技术的轻型汽车为研究对象，利用PEMS分析不同发动机技术、道路工况和发动机工况对气态污染物的排放以及油耗的影响，以期为精细化排放清单以及新政策措施的制定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 测试车辆

测试对象为11辆轻型汽油车（4辆喷油方式为GDI，7辆喷油方式为PFI），每辆测试车辆均装备三元催化转化器（three-way catalyst converter，TWC）。测试车辆的详细信息见表1。

表1 测试车辆基本信息Table 1 Details of tested vehicles

1.2 测试设备和路线

车载测试系统主要包括Semtech-EFM尾气流量计、Semtech-Ecostar气态污染物分析仪和全球定位系统（global positioning system，GPS）。尾气流量计采用皮托管原理测量排气流量；气态污染物分析仪采用不分光红外法测量CO2和CO排放量，采用不分光紫外法测量NOx排放量，采用氢离子火焰法测量THC排放量；GPS记录测试车辆的逐秒行驶速率和瞬时排放速率。在实际道路上开展测试时车辆PEMS设备的安装情况如图1所示。

图1 车辆排放测试系统示意Fig.1 Schematic diagram of vehicle emission test system

车辆测试分别在北京市和深圳市进行，其中有3辆车（9#～11#）在北京市，测试时平均环境温度为1 ℃；其余8辆车在深圳市，测试时平均环境温度为20 ℃。测试路线包括城市道路（速度小于60 km/h）、市郊道路（速度为60～90 km/h）和高速路（速度大于90 km/h），具体信息如表2所示。测试前车辆经过6 h以上浸车，机油温度和环境温度的差值在2 ℃之内，以测量车辆在冷启动时的排放情况。车辆所用燃油均为从加油站统一采购的国6汽油。

表2 测试车辆在不同道路上的行驶里程和平均速度Table 2 Mileage and average speed of tested vehicles on different roads

1.3 数据处理

测试车辆的排放因子（emission factor，EF）和车辆油耗速率（fuel consumption rate，FR）计算公式如下：

利用污染物的瞬时排放速率来模拟车辆瞬态工况下的油耗，采用VSP划分瞬态行驶工况，表征单位车辆质量的瞬时输出功率[21]，轻型汽车VSP计算公式如下：

表3 轻型汽车Bin划分方法Table 3 Bin distributions of light vehicles in this study

Zhang等[15]研究表明，油耗与车速之间存在定量响应关系。为了更好地理解车速与油耗的关系，使用短工况法对数据进行处理以消除车辆自身因素（车质量、驾驶习惯等）带来的影响。将车辆的油耗速率代入到特定工况下，得到该车辆的基准油耗。然后将车辆在一个短时间段内（取300 s为1个短工况）的油耗总量与上述基准油耗进行比较，即可得到该车辆该短工况内的相对油耗因子，计算公式如下：

2 结果与讨论

2.1 气态污染物排放特征

表4展示了本研究基于车载测试和其他研究基于台架测试的气态污染物排放因子的对比。从表4可以看出，CO、NOx和THC排放因子分别为（910.4±822.6）、（58.0±48.3）和（21.6±16.1）mg/km。其中CO和NOx排放因子与其他研究相差不大，而THC的排放因子低于其他研究结果（40.6～72.3 mg/km）。不同研究中结果差异较大可能是由于采用了不同的测试工况和仪器，此外不同车辆的发动机负荷、空燃比和温度等因素也会造成结果的差异。1#车符合国2排放标准，其CO、NOx和THC的排放因子分别为1 020.5、83.5和62.7 mg/km，是相同条件下符合国4排放标准车辆的7.7倍；与此同时，由于机械磨损和催化剂老化等因素，生产年份较早以及高行驶里程车辆的后处理装置的效率降低，导致排放劣化[24-25]。

表4 本研究与其他研究气态污染物的排放因子Table 4 Emission factors of gaseous pollutants from this study and other studies mg/km

2.1.1 行驶工况和环境温度对气态污染物排放的影响

车辆CO、NOx和THC在热稳运行阶段基于发动机比功率-车速（VSP-velocity，VSP-v）在不同环境温度（1和20 ℃）时的排放速率如图2所示。从图2可以看出，在环境温度为20 ℃时，3个速度区间的CO、NOx和THC排放速率都随VSP-v增加而增加。如低速（ Bin0～Bin18）和中速区（Bin21～Bin2Y）CO的排放速率分别增加了6.8和4.9倍，在高速区（Bin35～Bin3Y）CO的排放速率从Bin35的（15.8±30.5）mg/s增加为 Bin3Y的（94.5±19.3）mg/s，提高了5.0倍。NOx和THC的排放速率从Bin35到Bin3Y分别增加了6.2和2.3倍。环境温度为1 ℃时各气态污染物排放速率同样随着VSP-v的增加而增加。如在低速区CO排放速率从Bin1的（1.8±1.6）mg/s增加为 Bin18 的（11.4±14.6）mg/s，增加了 2 倍，而THC的排放速率从Bin1的（0.01±0.01）mg/s增加为 Bin18 的（0.2±0.3）mg/s，增加了 15 倍。

图2 微观运行模态下CO、NOx和THC的排放速率Fig.2 Emission rates of CO, NOx, and THC under micro-operating mode

高速区20 ℃时CO和NOx的排放速率分别比1 ℃时高139%±189%和90%±66%；在低速、中速和高速区内，20 ℃时THC的排放速率分别比1 ℃时高217%±137%、129%±65%和 710%±402%；而低速和中速区内，20 ℃和1 ℃时CO和NOx排放速率无显著差异。此外，以往的研究[28]表明，低温环境下（-7 ℃）CO和 THC排放速率比 22 ℃时高423%±104%和225%±165%，与本研究结果不同，可能是由于本研究中测试环境低温（1 ℃）未达到规定试验条件〔环境平均温度应为（-7±3）℃〕[18]，另外低温条件对冷启动阶段的排放有显著影响，而本研究的低温测试中浸车位置处于实验室内，导致没有获得低温冷启动阶段的排放。因此，今后的研究应在增加测试车辆数、更低的环境温度以及低温室外浸车等方面加强，以获得更真实的污染物排放特征。

2.1.2 冷启动对气态污染物排放的影响

为研究冷启动对车辆气态污染物排放的贡献，本研究将车辆在启动后污染物排放的瞬时浓度降至热稳定运行阶段（启动300 s后）的平均浓度作为冷启动阶段的结束。图3分别展示了GDI和PFI车辆气态污染物冷启动阶段在整个运行工况的排放贡献。从图3可以看出，虽然GDI车辆冷启动阶段只占整个行驶里程的1.5%±1.1%，然而该阶段CO、NOx和THC排放的贡献分别占总排放的9.3%±8.6%、1.3%±0.7%和 48.9%±49.9%；同样，PFI车辆冷启动阶段只占整个行驶里程的2.0%±3.6%，然而该阶段CO、NOx和THC排放的贡献分别占总排放的12.3%±7.8%、8.9%±6.1%和 55.4%±32.2%。其中THC排放因子冷启动阶段的贡献率最高，表明冷启动对THC排放的影响更为显著[26]。由于车辆在启动阶段排气温度低，TWC无法及时达到工作温度（250～300 ℃）[29]，导致冷启动阶段污染物排放急剧增加。因此，开发新型催化剂是进一步减少车辆在冷启动阶段污染物排放量的方法之一[30]。GDI车辆冷启动阶段CO、NOx和THC的排放量分别为（3.9±3.1）、（0.1±0.1）和（0.6±0.4）g，分别是 PFI车辆排放量的0.5、0.3和0.6倍。这是由于PFI发动机喷射点在进气门的上游，进气口壁和进气门上会形成液体燃料膜，液膜在壁上的积聚改变空燃比，使PFI发动机更容易形成富燃区[11,31]，导致不完全燃烧；GDI发动机中分层进气实现的分级燃烧和燃料汽化的冷却作用有助于减少NOx的形成[11,32]。

图3 GDI和PFI车冷启动阶段CO、NOx和THC排放贡献Fig.3 Emission contributions of CO, NOx, and THC for GDI and PFI vehicles in cold start phase

2.2 行驶工况和环境温度对油耗的影响

图4 为GDI和PFI车辆基于瞬态工况的平均油耗速率。从图4可以看出，在3个速度区间内，平均油耗速率都随VSP-v的增加而增加。GDI车辆在低速区（Bin0～Bin18）的平均油耗从 Bin0的 0.3 mL/s增加到 Bin18的 1.9 mL/s，中速区（Bin21～Bin2Y）的平均油耗增加了4.5倍。PFI车辆平均油耗在中速和高速区分别增加了2.9和1.0倍。此外，在中高速区内，GDI车辆平均油耗速率随VSP-v增加的幅度要高于PFI车，表明GDI车辆在高加速状态下的燃油经济性远低于预想结果（GDI车油耗比PFI车低 13%～15%）[26,33]。

图4 GDI和PFI车辆在微观运行模态下的平均油耗速率Fig.4 Average fuel consumption rates in micro-operating modes for GDI and PFI vehicles

以中国轻型汽车测试循环（China light-duty vehicle test cycle，CLTC）作为测试车辆的基准工况，分析该基准工况下的相对油耗。以短工况（本研究为300 s）内的平均速度作为自变量，该工况对应的相对油耗因子为因变量作测试车辆油耗散点图并进行拟合，得到相对油耗因子的速度修正曲线，结果见图5。从图5可以看出，短工况下相对油耗因子和平均车速存在强相关性（R2=0.853）。在交通堵塞区间内车辆的相对油耗因子随速度减小而显著增加，尤其是在车速小于15 km/h时，这通常发生在大城市的早晚高峰时期；车速在40 km/h以上时车辆油耗受车速变化影响并不显著。这与Zheng等[34]研究得到的出租车CO2排放趋势相似。而轻型乘用车行驶速度多以怠速为主，加减速比例较高[35]。因此，缓解交通拥堵状况对于降低机动车油耗非常重要。短工况下GDI和PFI车辆的相对油耗因子仅相差0.4%，GDI车辆的燃油经济性在实际驾驶条件下优势并不明显。Saliba等[26,33]基于台架测试的研究结果表明，GDI车辆的燃油经济性比PFI车辆高出13%～15%；另有研究[36]表明，GDI车辆的油耗仅减少1.5%；Confer等[37]研究发现，GDI车辆油耗优势为2%～4%。这可能是由于汽车生产商会针对特定工况进行优化，导致GDI车辆的油耗测试结果理想化。此外行驶工况[15]、整车质量[38]和车辆排量[39]也可能会造成结果的差异。

图5 车辆平均速度和相对油耗因子的相关性Fig.5 Correlations between averaged vehicle speeds and relative fuel consumption

如图6所示，整体而言，环境温度为1 ℃时车辆的平均油耗速率均高于环境温度为20 ℃时。这可能是由于在低温条件下，曲轴箱机油黏度高，发动机内机械摩擦大，需消耗更多燃料以克服其工作时的摩擦；此外，可能还由于低温时发动机燃烧效率低，需消耗更多燃料以避免熄火[33]，同样导致油耗增加。未来需要针对排放因子的不同影响因素开展进一步研究。在不同的速度区间内，环境温度从20 ℃降到1 ℃时，车辆油耗速率随VSP-v增加的增幅不同。如在低速和中速区，环境温度为1 ℃时车辆油耗速率分别比20 ℃时高14.5%±14.0%和19.6%±9.9%；高速区内，1 ℃时的车辆油耗速率比20 ℃时高27.1%±24.5%（从Bin35的50.3%到Bin3Y的-3.4%）。显然，高速区内因环境温度降低而导致油耗速率增幅更高。因此，应更多地关注高速区的油耗特征。

图6 微观运行模态下不同环境温度的平均油耗速率Fig.6 Average fuel consumption rates in micro-operating modes under different ambient temperatures

3 结论

（1）微观运行工况下的3个速度区间内，车辆的CO、NOx和THC排放速率都随VSP-v增加而增加，且低速区THC排放速率的增幅更大；20 ℃时CO、NOx和THC排放速率高于1 ℃时的排放速率，尤其在高速区间差异更加显著。

（2）冷启动阶段对机动车气态污染物排放存在显著影响，GDI车辆冷启动阶段只占整个行驶里程的1.5%±1.1%，然而该阶段CO、NOx和THC排放的贡献分别占总排放的9.3%±8.6%、1.3%±0.7%和48.9%±49.9%；同样，PFI车辆冷启动阶段只占整个行驶里程的2.0%±3.6%，然而该阶段CO、NOx和THC排放的贡献分别占总排放的12.3%±7.8%、8.9%±6.1%和55.4%±32.2%。

（3）微观运行工况下的3个速度区间内，车辆平均油耗速率都随VSP-v增加而增加，且GDI车辆在中高速区内的增幅高于PFI车辆。短工况下车辆的相对油耗因子和平均车速存在强相关性（R2=0.853），在平均车速小于15 km/h的拥堵工况下，油耗随车速降低迅速增加；平均车速大于40 km/h时，油耗受车速变化影响并不明显。

（4）环境温度为1 ℃时车辆的平均油耗速率高于20 ℃。高速区内，1 ℃时的车辆油耗速率比20 ℃时高27.1%±24.5%，该区间温度对油耗的影响比低中速区更加显著。