基于动力学参数的国Ⅵ重型天然气车实际道路排放特性研究

王志红，黄钰焜，张远军，丁 玲，王志军

（1. 武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070； 2. 武汉理工大学汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070； 3. 国家汽车质量监督检验中心（襄阳），湖北 襄阳 441004）

随着中国汽车保有量的不断增加，汽车尾气污染物排放总量也逐年上升，2020 年，全国机动车4项污染物排放总量为1 593 万t。 其中，在各类型汽车中，重型车是氮氧化合物（NOx）和颗粒物（PM）排放的主要贡献者[1]。 为了降低城市污染、改善空气，我国接连实施了一系列排放标准，2021 年7 月1 日，重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）标准（以下简称为国Ⅵ标准）全面实施，相较于国Ⅴ排放标准，国Ⅵ对重型车排放测试方法和限值要求更加严格，污染物排放限值大幅降低。 并且，与国Ⅴ标准相比， 国Ⅵ标准新增了整车车载法（PEMS）试验，与传统的转毂试验相比，整车车载法（PEMS） 试验可更真实可靠的反映由于汽车位置，驾驶模式，驾驶行为变化所导致的汽车油耗和排放的变化[2]。

天然气燃烧清洁度高、燃烧热值高、且燃烧产物主要是H2O 和CO2， 并且在装有SCR/TWC 等后处理装置时二氧化碳（CO2）、氮氧化合物（NOx）和颗粒物（PM）的排放很低，是很好的柴油发动机替代能源[3-6]。 相较于氢气、甲醇以及其他生物质燃料汽车，天然气储量大、成本低、稳定性高且技术较为成熟，与电动汽车相比，电动汽车所需要的能源（电）的生产、传输、转化等阶段产生的NOx，SOx和PM 排放量分别是天然气车的1.2，3.5 及7.5 倍， 天然气车是我国推广清洁能源汽车、尽快达到碳达峰和碳中和、实现交通减排的现实选择[7]。 天然气发动机早期是无尾气后处理装置的稀薄燃烧发动机的形式，用于降低PM 的排放[8]， 后来加装了氧化催化转化器（OC）进一步降低了CO 和THC 的排放[9]，随后为解决稀薄燃烧发动机功率小和NOx排放控制问题，电控喷射天然气发动机应运而生， 同时， 加装TWC/SCR 可进一步降低污染物排放， 满足法规的要求[9]。

国内外学者对重型天然气车实际道路排放特性研究已经取得一定的成果，Mccaffery 等[10]分析比较了加利福尼亚州50 辆不同用途， 不同发动机技术的重型车NOx实际道路排放特性，发现相较于柴油车，LPG 车、CNG 车和柴电混和车NOx排放均有大幅度的降低，并且怠速阶段车辆排放最高，低速其次。 Wang 等[9]对两辆满足国Ⅴ标准的LNG 重型清洁车分析了其实际道路排放特性， 结果表明，在中等车速激烈驾驶会导致THC 大幅度增加。Lyu 等[11]分析比较了中国北方6 辆分别满足国Ⅴ或国Ⅳ排放标准，使用LNG 或柴油的半挂牵引车实际道路排放特性，结果表明，频繁加减速会导致NOx排放增加。 Zhang[12]分析比较了分别满足欧Ⅴ，欧Ⅳ标准的柴油、 柴混、CNG 和LNG 公交车实际道路排放特性， 并研究了VSP 和车速对车辆NOx排放的影响，研究发现， 相较于柴油车， CNG 和LNG 以及混电车的污染物排放显著降低，NOx平均排放率与比功率VSP 呈现良好的正相关，NOx相对排放因子与车速成反比。 Guo 等[13]分析比较了13 辆分别满足欧Ⅲ，欧Ⅳ、欧Ⅴ排放标准的柴油、天然气公交车的实际道路排放特性，结果表明：CNG 公交车的PM 和PN排放较柴油车有大幅降低，并且，各污染物排放因子与VSP 成正比。

相较于压缩天然气（CNG），液化天然气（LNG）易运输、易储存、密度大，相较于CNG 车辆，LNG 车辆有更小的油箱，更少的加油频率以及更长的行驶距离[14]。 LNG 发动机可更广泛的应用于长距离运输车辆上，如大型客车，货车，半挂牵引车等，在各类运输车辆中，半挂牵引车由于运输量大，经济效益高的特点，广泛应用于公路货运中[15]，降低半挂牵引车车的排放对我国环境控制具有显著意义。 然而目前多为对小型公交车等城市车辆的研究， 对LNG半挂牵引车的排放特性研究较少，并且都是对满足旧标准排放法规车辆的排放特性分析， 本文使用PEMS 研究国Ⅵ天然气半挂牵引车（N3 类型）的车载排放特性，分析了动力学参数、行驶路段、行驶速度、加速度、冷启动以及汽车比功率对车辆排放的影响。 为重型车排放控制和城市空气质量的提高提供科学的数据支持。 同时也为日后开发国Ⅵ重型天然气车的排放模型提供数据参考和支撑以便更加科学有效的控制排放。

1 试验和数据处理

1.1 试验主要仪器设备

本次试验使用PEMS 对国Ⅵ重型天然气车进行实际道路排放试验，本研究使用的车载排放测量装置是日本HORIBA 公司的OBS-ONE 设备，该系统主要由4 个模块组成，分别是CC 模块（中央控制单元）：用于接受外部信号（GPS，气象站，OBD 信息等），PE 模块：用于市电和电瓶之间电源切换，气体分析模块（GA）。其中，气体分析模块（GA）包括测量THC 浓度的加热火焰离子检测器（FID），读取精度为±0.5%， 测量CO，CO2的不分光红外分析仪（NDIR），其中CO 的读取精度为3%，CO2的读取精度为2%， 测定NOx浓度的化学发光探测分析仪(CLD) ，读取精度为1%。

1.2 试验车辆和试验方法

1.2.1 试验车辆

本文选取满足国Ⅵ重型车排放标准的N3 类天然气半挂牵引车，后处理装置为TWC+ASC,更多车辆详细参数见表1。

表1 试验车辆信息Table.1 Information about the tested vehicle

1.2.2 试验路线

本试验选择的路线覆盖了襄阳天然气半挂牵引车辆的典型道路类型， 根据速度大小分为市区路，市郊路和高速路，其中，按照国Ⅵ标准，N3 类型车辆市区路占20%，市郊路占25%，高速路55%，实际道路测试时间应保证发动机作功大于发动机WHTC 循环功的4～7 倍，即试验时间应在2.5 h，本次车辆试验时间为9 072 s（即2.52 h），满足试验要求。 图1 为测试车辆的速度分布图，表2 为各路段实际占比和平均速度。

图1 速度分布图Fig.1 Velocity profile

表2 速度占比和平均速度Table.2 Speed proportion and average speed

1.3 数据处理

根据PEMS 试验要求[16]，首先将冷启动数据、停车数据等无效数据删除，将由于仪器零点飘移导致的污染物排放数据负值归零，由于本次研究车辆测试时间地点位于湖北襄阳夏季， 测试海拔高度在100 m 左右，温度在30 ℃左右，满足PEMS 试验要求，将无效数据剔除后，剩余8 796 组数据，然后根据GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》规定的公式（1）计算各气体排气质量

式中：mgas为整个循环的总稀释排气质量，kg；ugas为GB 17691—2018 中表CA.2 排气组分密度和稀释排气密度比；Cgas为背景修正后的排气组分平均浓度，ppm；medf为整个循环当量稀释排气质量，kg。

接下来依据GB 17691-2018 规定将数据进行对齐，并将试验所得的数据分为3 类：①分析仪测得的尾气排放物质浓度（CO，CO2，NOx，THC）；②排气流量计测得的数据：排气质量流量和排气温度；③发动机测得的数据：扭矩、速度、温度、燃油消耗率、ECU 测得的车速。

需要将三类数据彼此对齐，选取每两类数据中相关性系数最高的两个参数进行对齐，平移每一类别所有数据使得数据相关性最高。 具体步骤如下：

1） 三类数据的时间对齐：GPS 测得的车速与ECU 获取的车速对齐；

2） 一类与二类数据的时间对齐：CO2浓度和排气质量对齐；

3） 二类和三类数据的时间对齐：CO2浓度和发动机燃油消耗量。

为了直观的展示，本文选取t=300～700 s 内CO2浓度与燃油消耗率对齐进行可视化，计算二者之间的相关系数，选取相关系数最大时的平移时间进行平移， 数据显示，CO2浓度和燃油消耗率相关性较好，相关系数为0.950 7（图2）。

图2 CO2 浓度与燃油消耗率数据相关性Fig.2 The correlation between CO2 concentration and fuel consumption rate data

1.4 排放因子的计算

如式（2），首先将气体污染物的瞬时排放率依据行驶工况模式求取平均排放率

式中：Bink 是某时间范围内的汽车行驶工况。 ERjk为行驶工况Bink 下的污染物j 的平均排放率，g/s；Tk为每个行驶工况模式的时间，s；ERj为污染物j的瞬时排放率，g/s；

在给定的驾驶循环中的基于距离的THC，CO，CO2，NOx排放因子可通过平均排放因子和驾驶工况的时间分配推导，如下

1.5 VSP 工况分类

车辆瞬时功率和机动车质量的比值称为瞬时比功率（vehicle specific power，VSP），表征汽车对自身和货物乘客的牵引力，是车速、加速度、风阻和坡度等的函数，考虑了空气阻力，滚动阻力和道路等级等参数， 可以很好的展现汽车实际行驶工况，大量研究表明瞬时比功率与机动车的排放有很好的相关性[17－18]，被广泛用于开发新的汽车排放模型中[19]，故本文基于瞬时比功率，研究国Ⅵ重型天然气车排放情况。

本次试验参考MOVES 模型[20]推导VSP 公式如下汽车VSP 相关参数如表3 所示，为确保分布均衡，使得计算更为精确，现将分为12 个区间，区间Bin1 表示VSP＜0 的工况区间， 由于VSP 比较集中于[0，4]区间，故将该区间细分为Bin2～9 共8 个工况区间，Bin10～12VSP 分布略微松散， 图3 展现了车辆各个VSP 区间的时间占比， 可以看到， 整体VSP 区间分布较为均衡。然后通过计算各个VSP 区间的各污染物排放因子来分析VSP 对汽车排放影响。

表3 VSP 相关参数Tab.3 Vehicle specific power（VSP） related parameters kW/t

图3 VSP 区间时间占比Fig.3 Allocation of time of each operating mode bin to total time

2 结果与讨论

2.1 行驶动力学参数与驾驶路段排放分析

相对正加速度（RPA）和速度与大于0.1 m/s2正加速度的乘积的第95 百分位（v·apos[95]）分别可以表示车辆的加速加载情况和驾驶的激烈程度。 本小节采用汽车行驶动力学特性参数研究汽车行驶动力学特性与汽车尾气排放因子的关系。 分析了不同驾驶路段排放的特性。

图4 为不同行驶路段的动力学参数，可以看到市区的RPA 和v·apos[95]最大，分别为3.970 9 W/kg和0.076 02 m/s2，市郊最低，分别为2.284 0 W/kg 和0.012 53 m/s2，由于市区激烈驾驶行为较多，故市区两个行驶动力学参数最高，高速时车速很高，故v·apos[95]略微增加， 图5 是不同行驶路段污染物排放因子，可以看出，CO，CO2，NOx，THC 排放因子市区排放最高，市郊最低，与动力学参数正相关，4 种污染物市区排放因子分别为市郊的4.072 倍，1.931 倍，2.47 倍，3.834倍。 结果表明，市郊路段频繁启停动力学参数RPA 和v·apos[95]最高，并且动力学参数与车辆的4 类污染物排放因子呈正相关，市区动力学参数高，排放也较高。

图4 各路段行驶动力学参数Fig.4 Vehicle dynamics parameters under different driving condition

图5 不同路段污染物排放因子Fig.5 Vehicle emission factors under different driving conditions

2.2 车速与排放的关系

图6 是PEMS 试 验 中 汽 车 污 染 物（CO，CO2，NOx，THC）的排放随车速的变化情况，从图中可清晰的看出，随着车速的升高，污染物排放因子逐渐下降，且在中低速时下降比较迅速，后来随着车速的继续上升排放下降趋势逐渐减缓， 同时可以看到， 四类污染物排放因子在车速0～10 km/h 区间内排放最高，平均车速是8.10 km/h 时CO 排放因子高达5.29 g/km，而平均车速为75.63 km/h 时的CO 排放因子仅为0.146 g/km，前者是后者的35 倍，随着车 速 从0～10 km/h 升 高 到10～20 km/h，CO，CO2，NOx，THC 排放因子分别下降了25%，69%，43%，60%，随后，下降趋势变缓，结果显示，汽车低速行驶时会导致较高的排放因子。 这是因为低速时发动机缸内温度较低，燃料燃烧不充分，并且在低速时车辆单位行驶距离短， 导致CO 和THC 排放因子较高，同时，在低速区间，发动机温度较低，所以排放控制装置效率较低，故NOx排放较高。 低速时，发动机处于低速小负荷阶段， 根据发动机万有特性曲线，此时燃油消耗率较高，CO2排放因子较大。

图6 车速对污染物排放的影响Fig.6 Effect of speed on pollutant emissions

2.3 加速度与排放的关系

根据被测车辆车速分布和加速度分布，将车速分为低速（0～30 km/h）,中速（30～50 km/h）,中高速（50～70 km/h）和高速（＞70 km/h）,分析在不同速度区间内加速度对汽车污染物排放的影响。 图7 说明了在同一车速下随着加速度的升高，车辆各排放因子的变化情况，从图中可以看出，汽车加速，尤其是急剧加速时，会显著增加汽车污染物的排放，而汽车减速对汽车排放的影响较小， 在同一车速范围下， 车辆减速时的排放最低并且数值波动不大，从减速阶段到巡航阶段再到加速阶段，汽车污染物排放因子随着加速度的增大而增大， 并且可以看到，同一加速度，车速升高，排放降低，低速高加速状态下（v≤30 km/h，a≥0.8 m/s2）汽车污染物排放最高，CO，CO2，NOx，THC 排放因子最高值分别是11.023 8，2 988.315 4，0.620 0，0.716 6 g/km，分别是同一车速汽车巡航(-0.1≤a＜0.1 m/s2) 时的9.0 倍，2.65 倍，2.73 倍，2.55 倍，是同一车速减速时的（a＜-0.8 m/s2）10.65 倍，5.50 倍，4.53 倍，2.33 倍。 这主要是由于车辆低速行驶时，发动机温度较低，燃料燃烧不充分，并且低速车辆单位行驶距离较低，故THC 和CO 排放因子较高，此时排放后处理装置效率较低，NOx排放因子也较高，急剧加速时，发动机大量供油，容易导致供油过量，混合气过浓，一部分燃油燃烧不充分， 故而进一步导致CO 和THC 排放因子增大，大量供油也导致CO2排放因子的升高，而在急剧加速阶段，发动机温度很高，气缸氧浓度高，故而NOx排放因子增加，减速阶段，油门关闭，停止供油，发动机温度降低，污染物排放因子略有升高，因此，驾驶员在驾驶车辆时应尽量避免低速高加速状态行驶，以减少车辆排放。

图7 加速度对污染物排放的影响Fig.7 Effect of acceleration on pollutant emissions in each speed range

2.4 VSP 与排放的关系

图8 是 不 同 驾 驶 模 式 下CO，CO2，NOx，THC排放因子和排放率的变化， 从图中可以看出，汽车污染物排放因子与排放率都与驾驶模式成正相关，随VSP 的增大而增大，排放因子和排放率整体趋势相同，并且可以发现污染物排放因子和排放率均在VSP＜0 时较小，在VSP＞6 时较大。 这是由于汽车驱动过程中需要更大的动力从而燃料消耗增加进而导致排放增加， 相较于排放因子，平均排放率与VSP 的线性趋势更好，这是由于排放因子考虑了行驶距离这一参数，当汽车在某一区间排放较高，而行驶距离也较高（如高速超车时），这时，平均排放率较高，而排放因子会变小， 整体上， 污染物排放率和排放因子与VSP有较好的相关性。

图8 驾驶模式与污染物排放的关系Fig.8 Correlations between gaseous pollutants emission factors and operating mode

3 结论

1） 市区路段车辆的RPA 和v·apos[95]最大，分别为3.970 9 m/s2和0.076 02 m2/s3，市郊最低，分别为2.284 0 m/s2和0.012 53 m2/s3，CO，CO2，NOx，THC排放因子市区排放最高，市郊最低,与相对正加速度和速度和加速度的乘积的第95 百分位正相关。

2） 污染物排放因子和加速度，车速有很好的相关性，提高车速可显著降低污染物排放；汽车加速，特别是大幅加速时， 汽车污染物排放显著增加，而减速对汽车排放影响较小；在车速较低加速度较高时，污染物排放会达到峰值，这种情况主要发生在城市拥堵路段行车时，为改善车辆污染物排放，政府应采取相关措施改善城市交通拥堵。

3） 污染物的排放因子和排放率均与比功率VSP 成正相关。 VSP 在0 附近时，污染物排放因子和排放率最低，随着VSP 的增大，排放因子和排放率逐渐增大，VSP＞6 时,污染物排放因子和排放率达到峰值。