轻型车实际行驶污染物排放特性试验研究

李军伟　刘伟文　程东

摘 要：本研究采用可携带式汽车尾气检测装置（PEMS）并以我国轻型车为研究对象，对其在不同工况下的真实尾气进行检测。研究发现，在以行驶动力为指标的平缓行车条件下，4台輕型车的 RDE排放遵从系数均达到了规定的标准。在适当的行驶环境中，汽油车辆冷气起动气体污染约为柴油车辆的15-25%，而在柴油车辆中，其冷气起动气体污染所占的比重低于汽油车辆。结果表明：轻质燃油汽车的 CO、 PN浓度均随着加速而升高，且在高转速时表现出较高的相关性；轻柴油汽车尾气NOx排放量随着加速而上升。

关键词：轻型车 实际行驶 温和驾驶 排放特性冷启动

Experimental Study on the Emission Characteristics of Pollutants in Light Vehicle Actual Driving

Li Junwei，Liu Weiwen，Cheng Dong

Abstract：In this study， a portable automobile exhaust gas detection device （PEMS） was used to detect the real exhaust gas under different working conditions by taking light vehicles in China as the research object. It is found that under the gentle driving conditions of driving power， the RDE emission compliance coefficients of the four light vehicles all meet the specified standards. In the appropriate driving environment， the air-conditioning starting gas pollution of gasoline vehicles is about 15-25% of that of diesel vehicles， while in diesel vehicles， the proportion of air-conditioning starting gas pollution is lower than that of gasoline vehicles. The results showed that the CO and PN concentrations of light fuel vehicles increased with acceleration， and showed high correlation at high speeds. NOx emissions from light diesel vehicles rise with acceleration.

Key words：light vehicle， actual driving， gentle driving， emission characteristics cold start

1 引言

中国在2016年度实现了两汽车销量突破2800万台的目标，并在过去的8年里稳居世界首位。在车辆数量快速增长的同时，其所造成的污染也越来越严重。目前，国家对汽车尾气进行了较为严厉的管理，但是管理部门对汽车尾气进行检验的手段均以室内试验为基础。有很多的调查结果显示，当前所使用的实验室测试循环不能涵盖实际行驶情况下的运行工况，并且一些汽车厂家会利用软件来识别实验室测试循环，然后自动切换 ECU标定，以实现通过实验室测试循环排放的目的。因而，汽车尾气试验与真实尾气情况有很大差别。为更好地控制汽车尾气的污染，中国于2016年底颁布了《轻型汽车国家 VI》（GB15352.6-2016）。与国V汽车尾气排放测试相比，其最大的区别就是将汽车尾气真实排放测试定义为Ⅰ类测试。但是，对于轻型汽车的 RDE排放，我国相关的科研单位几乎没有进行过深入的研究。以此为基础，本文选择了4辆在用的轻型车，其中包含3辆燃油车和1辆柴油车，利用便携式车载排放测量系统（PEMs），按照国 VI标准要求的 RDE测试循环，对其进行了实际行驶排放测试，以此来探索该车辆在真实行驶条件下的污染物排放特征。

2 测试原理与方法

采用便携式排放分析仪（PEMS），测试车辆为4种不同类型的轻型车，分别是汽油车、柴油车、重型车和轻型商用车（轻卡）。尾气分析采用三元催化转化器（三元催化器）净化后的气体进行测试，采用示功仪测试排气背压[1]。

2.1 尾气分析流程

试验时，车辆按照试验工况行驶，其中汽油车和柴油车的试验工况与实际行驶时一致。重型货车和轻型商用车的试验工况与实际行驶时一致，轻卡测试时的实际行驶工况与实际行驶时不一致。

2.2 测试环境

采用便携式排放分析仪，在实验室内进行测试。机动车尾气污染通常分为两种：一种是在怠速工况下检测出的颗粒物（PM），另一种是在稳定工况下检测出的CO、HC和NOx。由于测试条件不可能完全一致，因此为了能尽可能全面地反映车辆排放特征，研究人员通常将怠速工况下和稳定运行工况下的测试结果进行比较分析。

2.3 排放分析方法

由于实际行驶工况下车辆发动机运行不稳定，导致试验数据有较大偏差。为了解决该问题，采用模拟实际驾驶工况的方法进行试验。模拟驾驶工况分为3种：（1）匀速行驶，即车辆以匀速状态在城市道路上行驶；（2）加减速过程，即车辆在城市道路上加减速；（3）急加速和急减速过程，即车辆在高速公路上以一定速度匀速行驶。汽车实际行驶时的燃油消耗量为3L/100 km。根据发动机工作特性、道路条件及测试车辆性能等因素的影响，分别选取以下4个典型的运行工况进行实际行驶污染物排放分析：（1）匀速行驶（I）；（2）加减速过程（II）；（3）急加速过程（III）；（4）急减速过程（IV）。（4）试验仪器 为了获得准确的试验结果，需要精确地测量汽车尾气中各种成分的质量浓度。根据 JB/T10815-2007 《便携式气体分析仪》，本试验采用质量流量计测量尾气中CO、HC、NOx和PM含量。为了便于比较分析不同类型车辆排放特性的差异，试验选取了4种典型车型进行了对比分析。通过计算得到汽车尾气中CO、HC、NOx和PM含量如表1所示。

3 试验设备和方法

3.1 测试车辆和测试设备

所测试汽车的技术指标见下表1。4台车辆其中3台是直接喷射的汽油车，1台是直接喷射的柴油车。就汽油汽车而言，所有的后续处理机都是三效触媒转换器（tripwater-water converter， TWC）。在柴油车上，主要采用柴油粒子氧化催化剂（DOC）与柴油粒子捕获装置（DPD）两种方式。所使用的燃料均为商用汽油，符合国家排放标准[2]。

为了解被测汽车的尾气情况，4台汽车都在轻型汽车转向架上做了相应的 NEDC试验，试验结果如表2所示。因为在国 V之前的排放规范中，并没有对粒子数量（PN）的限值进行限定，所以我们可以将这3种污染物排放都设定为符合当时的排放标准，这说明其整车和后处理系统都是在正常工作。

实验使用了由奥地利 AVL公司制造的可携带式汽车排气装置（PEMS）。其中包含了尾气气体成分分析系统（GASPEMS）、尾气颗粒物含量分析系统（PNPEMS）、尾气流量计（EFM）、GPS、温度和湿度计（OBD）等。其中，GAS PEMs使用不能分离的红外分析仪（NDIR）對废气中的CO和CO2进行了测定，使用紫外分析仪（NDUV）对废气中的NO和NO2进行了测定。而PNPEM采用的是法拉第笼电势仪，采用了扩散式电荷（DC）技术，实现了对汽车排气中微粒含量的检测。因受实验条件的影响，仅在B型轿车上做了微粒含量的测定，其他三种轿车都没有做。

3.2 号试验线

根据国VI的规定，实验路线需要覆盖市区、市郊和高速三种不同的道路，每段车速范围内的路程比例要求是：市区（29%～44%），市郊（23%～43%），高速（23%～43%）。此外，还对城市中的车辆行驶速度和停留时间提出了相关的要求。最后选择的道路可以达到国家 V的 RDE试验要求，并且在市郊条件下，以60公里/h至90公里/h的速度在高速公路上运行。实验线路按市区、郊区、高速公路顺序依次进行。

另外，在国V的规定中，RDE试验的扩展环境状况已被确定。表3是与 RDE试验相适应的环境状况，B型汽车的平均温度是32.13℃，在运行过程中有92%的车辆的环境气温符合延长的气温状况（30-35℃），相应的废气会被除以1.6，其他三型汽车的温度都不符合延长的常规气温状况。所有的平均高度都是不扩大的共同高度。

4 试验结果

实验采用 PEM后处理软件，对试验结果进行了分析，在此基础上，结合我国 VI标准对汽车排气进行分析，得到其冷启动时的排放数值。“冷起动”意味着发动机第一次启动后的最初5分钟。如果能够确定冷却剂的温度，则在不超出引擎首次起动5分钟的前提下，可以判定冷启动结束。

4.1 符合性分析

遵从系数（CE）是指每个污染物的实际驾驶排放结果与对应的排放限制的比率。

（1）

式中：下标j表示污染物的排放量。Ereal指的是RDE的污染排放，Enorm指的是规定的限度。在这里，规定的限制使用了原有的汽车设计所达到的排放标准限制（即，若汽车达到了国家V的排放，就使用国家 V的限制）。

在国家VI规定中，NOx与PN的一致性系数被限定为2.1，但CO的一致性系数还没有被确定。A-D型号车辆的RDE排气遵从系数如表2所示。从表中可以看出，这四种类型的汽车，其性能指标均远低于法律规定的要求。且柴油车的排放标准达到了1.74，虽略高于标准，但仍处于标准管制范围内。

造成这一现象的原因有：

（1）A-D车型排放的废气量本身就很小。对于 NEDC的循环量，如表2所示，气体污染物的排放量均远远低于指定的排放量。表3所示为基于 NEDC的循环污染物排放所得出的等效遵从系数，其系数同样远低于所法律所规定的标准。

（2）按照我国的 VI标准，在 RDE试验中，将试验结果各阶段进行对比，从而确定两个行程动力学参数，即相对正向加速度 RPA和车速与正向加速度乘积的第95个百分位数，为了保证驾驶不会过于温和，在各速度区间中， RPA必须在某一数值以上；但同时也必须将改数值设定在某一特定值之下，以保证驾驶员不会过于激进，否则行程无效。研究表明，驾驶方式对废气排放量起着决定性的作用[3]。在4RDE试验中， RPA数值仅仅刚超出其极限，并且VAp数值远远小于极限。这说明，尽管4次 RDE测试都满足了规范要求，但是其行驶方式偏向于温和驾驶（ModerateDriv-ing Pattern），而从 NEDC循环和 RDE实际循环的负载来看，二者所覆盖的工况范围并没有很大的差异（例如，二者都没有覆盖发动机高转速的工况），所以，各污染物符合性系数较低。

（3）为满足国 VI的相关规定，在进行尾气分析时，未将冷启动污染物排放纳入到尾气的分析中，但是其排放量一般占比偏大。在排除了冷起动的废气后，各项污染物的一致性系数偏低。下一节将特别地分析冷起动废气。

4.2 冷启动排放

在国VI标准中，没有对发动机的冷态起动进行规定。然而，最近的欧洲六级排放标准中，却将汽车的冷态起动过程作为一个综合评价指标，并对车辆的冷态起动过程中的车辆行驶速度进行了严格的控制。冬季车辆在行驶过程中所释放出的污染气体（CO、 NO）在整个行驶过程中所占据的比重

就轻质汽油汽车A和 C而言，其冷起动气体污染排放量约为整个排放量的20%-25%。而 B型汽车的冷态起动所占的比例则稍小一些，大约只有15-20%左右。这主要是因为 B车发动机的设计（集成的排气歧管等）可以将冷却剂的温度迅速提高到70 C。 （在210 s左右就可以达到70 C。），而其他3辆车都在300 s以上， B车运行时的环境温度也更高，因此可以在很短的时间里得到更高的催化效果，而对于轻型柴油车 D来说，冷启动气态排放的比例比较小。这是因为虽然柴油机在冷起动时也会产生更多的喷射，但是其过剩空气因子比较高，所以其对气体排放的影响并不明显。

4.3 瞬态排放特性分析

在车辆刚开始行驶，发动机低温起步突然提速时，一氧化碳浓度较高。这是由于在冷起动时，采用热机增富、开环调节等方式，造成CO、PN产生增多，并且三相催化剂因低温不能进入高效率状态，CO转化率降低，从而造成CO、PN排放超标。而机动车的尾气则与机动车的加速运动有关。

CO的排放量多集中于高速路段的高加速区，而PN的排放量多集中于郊区路段及高速路段的高加速区。CO、PN的排放量与加速有显著的正向关系，NOx的排放量与加速没有显著的相关性[4]。这是因为在加速过程中，汽油的等效比燃性质使其燃料混合物变得更加稠密，因而产生更多的CO和PN。同时三元催化剂的转换效率也随之下降，造成CO、PN等污染物的排放量增大。对于NOx来说，浓密空气造成三效催化剂催化转化率低下，但浓密空气又可减少NOx产生，因此，在加速过程中NOx含量并不显著[5]。

轻型柴油车D的CO和NOx，暂态排放随加速度的变化趋势，具体见图8。其中，NOx，排放随着加速度的增加而增加，而co排放随加速度变化的趋势不显著。这是因为在发动机燃烧过程中中，发动机处于富氧状态，尽管发动机的喷油速度有所提高，但是发动机中的整体氧含量仍然比较丰富，所以 CO含量的改变并不明显。同时，加速时，发动机的喷油能力也会随之提高，这对NOx、废气的产生是有利的。

5 结语

（1）这4种车辆的原始尾气都达到了其出厂标准，远远小于国家规定的规定限度。RDE测试结果显示，4台汽车的性能指标均远远小于标准规定的极限值。

（2）在满足规范行驶动力需求的条件下，汽车 RDE的尾气排放量与实验室中 NEDC尾气排放量差异不大。

（3）在中速行驶情况下，以汽油直接喷射为动力的轻型汽车为例，其冷态起动废气约为全冲程废气总量的15-25%；结果表明，与普通汽油汽车相比，轻质柴油汽车在冷起动时的气体污染所占比例较小。周围的温度越高冷却剂的温度越高，这样的设计会减少冷起动时的排放。

（4）轻质汽油汽车的起动和急速行驶时 CO的排放有明显的增加。随着加速度的增大， CO和 PN排放也随之增大。而在小型柴油机上，NOx排放则会随加速而升高。

参考文献：

[1]朱庆功，杨正军，温溢，等.轻型汽车实际道路行驶与实验室工况污染物排放对比研究[J].汽车工程，2017，39（10）：6.

[2]朱庆功，杨正军，温溢，等.轻型汽车实际道路行驶与实验室工况污染物排放對比研究[C]//第19届亚太汽车工程年会暨2017中国汽车工程学会年会.

[3]孙文芳，张军.轻型汽油车实际行驶污染物高原排放特性试验研究[J].宿州学院学报，2019，34（6）：6.

[4]陈凌建.计及冷起动排放的轻型汽车实际行驶排放试验的评价方法[D].重庆大学，2021.

[5]杨正军，付秉正，尹航，等.轻型柴油车实际行驶排放特性的研究[J].2022（5）.