柴油乘用車上海市典型道路行駛特征及氣態污染物排放特性＊

胡志遠 程 鵬 譚丕強 樓狄明

（同濟大學）

1 前言

我國采用等同歐盟法規的測試循環對輕型柴油車進行型式認證和生產一致性檢查。但是，我國城市機動車行駛的實際工況與歐洲存在差異，采用現行工況測試機動車尾氣污染物排放無法得到準確結論，將對排放控制策略的制定產生不利影響。車載排放測試可準確反映機動車的實際道路排放特征，已成為國內外進行機動車排放研究的主要測試手段[1，2]。國外學者利用便攜式排放測試設備對汽油乘用車、柴油乘用車的實際道路排放進行了研究[3，4]。我國學者對國IV汽油出租車冷、熱起動的排放特性、北京市出租車實際道路行駛特征、輕型汽油車實際道路比功率對CO2排放的影響、輕型車實際道路瞬態排放等進行了研究[5～9]，但對柴油乘用車實際道路排放特性的研究較少。

本文結合上海市道路狀況，選擇上海市典型路段組成試驗路線，對柴油乘用車典型道路的行駛特征和 HC、CO、NOx、CO2排放特性進行試驗研究。

2 試驗方案

2.1 試驗路線

車輛的實際道路行駛狀況主要受道路等級、交通強度、交叉口密度及行駛時間等因素的影響。柴油乘用車典型道路車載試驗路線覆蓋上海市區和郊區的主干道、市區和郊區的次干道、市區快速路、連接市區和郊區的城郊高速公路等典型道路，車輛在各典型道路的行駛時間均超過15 min，以保證每種道路的行駛工況數據有較好的代表性。同時，路線的選擇充分考慮了各區道路的行駛特征，如:高架路試驗路線包含內環高架路、南北高架路和延安高架路，市區主干道和次干道包括浦西和浦東2個區域。選擇的試驗路線如圖1所示。

試驗路線總長84.1km，其中，市區快速路、市區主干道、市區次干道、城郊高速公路、郊區主干道、郊區次干道等道路長度分別為17.5 km、18.4 km、4.9 km、21.8 km、17.2 km和4.3 km。試驗時，選擇了1名具有多年駕駛經驗的駕駛員，要求被測試車輛在各道路上的行駛速度不超出限速規定，盡可能反映車輛在被測道路上的實際行駛狀況，消除人為因素對試驗結果的影響。

2.2 試驗樣車及設備

試驗樣車為某公司生產的裝備有TDI 1.9L直列四缸電控泵噴嘴高壓直噴渦輪增壓柴油機的柴油乘用車，其整車主要技術參數如表1所列。

表1 試驗樣車主要參數

試驗設備為日本Horiba公司生產的OBS-2200車載排放測試系統。該系統由氣體分析儀單元、計算機、附屬傳感器和皮托管流量計組成。采用FID分析儀測量THC濃度，由HNDIR分析儀測量CO、CO2濃度，由CLD分析儀測量NOx濃度。同時，運用GPS測量車輛運行中的行駛速度及經緯度，絕對位置誤差小于5 m，利用DGPS技術矯正的速度精度達 0.1 m/s，時間分辨率為 1 μs。

2.3 試驗方案

根據選擇的試驗路線，對柴油乘用車進行道路工況采集試驗。試驗共持續30天，包含工作日和休息日，每天進行 2 次試驗，試驗時間為上午8:00～11:30和下午13:00～16:30。 經對車輛30天的行駛數據進行分析，得到上海市典型道路的行駛工況特性，在此基礎上進行柴油乘用車典型道路排放特性試驗，分析柴油乘用車在典型道路上的HC、CO、NOx和CO2排放特性。

3 試驗結果與分析

3.1 柴油乘用車上海市典型道路行駛特征

對獲得的車輛行駛工況數據進行統計，得到該柴油乘用車在上海市典型道路上行駛的平均車速、最高車速、平均加速度等行駛特征參數，如表2所列。

由表2可知，試驗車輛在試驗路線上的平均車速為32.8 km/h，最高車速為120.3 km/h，平均加速度為0.53 m/s2，平均減速度為-0.58 m/s2，怠速比例為18.58%，與相關文獻中上海行駛循環平均車速較低等特點相一致[10]。

3.2 車速對尾氣排放的影響

為分析車輛行駛速度對尾氣排放的影響，將車輛行駛中的（0，10）， （10，20）， （20，30），… ，（110，120）共12個速度區間勻速狀態下的排放率進行平均處理，得到 THC、CO、NOx、CO2的單位時間排放率與車速的關系曲線，如圖2所示。為對比方便，圖2中將THC排放值放大了10倍。

表2 柴油乘用車上海市典型道路行駛特征

由圖2可看出，測試車輛的氣態排放物THC、CO、NOx、CO2的單位時間排放率隨車速的增加而增加，當車速超過90 km/h后，車輛的NOx和CO2的單位時間排放率急劇增加。這是因為，當車速超過90 km/h時，發動機轉速和負荷增加，超出了發動機較佳工作區域，燃油消耗增加，導致其CO2排放增加；同時，此時發動機缸內溫度較高，導致其NOx排放增加。

3.3 加速度對尾氣排放的影響

為分析車輛加速度對尾氣排放的影響，選取0～20 km/h、20～50 km/h、50～80 km/h 和 80 km/h 以上等4個速度區間，分別代表柴油乘用車行駛過程中的低速、中低速、中高速和高速行駛狀態；將加速度分成 （-∞，-1）、（-1，-0.6）、（-0.6，-0.3）、（-0.3，-0.1）、（-0.1，0.1）、 （0.1，0.3）、 （0.3，0.6）、 （0.6，0.9）、（0.9，1.3）、（1.3，2）、（2，∞） 共 11 個加速度區間，分別計算各區間內的排放率。圖3為柴油乘用車THC、CO、NOx、CO2的單位時間排放率與加速度的關系曲線。

由圖3可看出，不同污染物的單位時間排放率在不同速度段內的大小不同，隨加速度增大而增加的程度也不盡相同，但升高的趨勢一致。這是因為，隨車輛加速度的增加，發動機的負荷增大，一方面，噴油量增加導致CO2排放增加；另一方面，噴油量增加導致缸內混合氣產生過濃區的可能性增大，同時燃燒時間相對變短，THC、CO排放增加；另外，由于車輛加速時發動機的負荷增大，熱負荷增加，則NOx排放增加。當車輛減速行駛時，在急減速工況，發動機負荷突然減小，轉速下降導致混合氣過濃，HC排放增加。

3.4 行駛模式對排放物的影響

圖4為柴油乘用車在怠速（v=0）、加速（v≠0且a＞0.1 m/s2）、減速（v≠0 且 a＜-0.1 m/s2）和勻速（v≠0且-0.1 m/s2≤a≤0.1 m/s2） 等行駛模式下的 THC、CO、NOx、CO2排放率。

由圖4可看出，柴油乘用車實際道路的THC、CO、NOx、CO2污染物瞬時排放率在加速時最高，勻速次之，怠速最低。加速模式時，THC的平均排放率分別是勻速和減速模式時的1.09倍和1.92倍；CO的平均排放率分別是勻速和減速模式時的1.0倍和4.06倍；NOx的平均排放率分別是勻速和減速模式時的1.11倍和2.01倍；CO2的平均排放率分別是勻速和減速模式時的1.12和2.11倍。導致上述現象的主要原因是，車輛加速時需要通過增加燃油供應以提供足夠的能量完成加速過程，發動機通常處于富燃、大負荷狀態，排放物的排放率 （特別是CO等不完全燃燒產物）增加；減速和怠速時供油較少，排放率較低。

4 結束語

針對某柴油乘用車進行了上海市典型道路的車載排放測試，分析了該車在典型道路上的行駛特征及車輛的實際道路 THC、CO、NOx、CO2排放特性。 試驗用柴油乘用車實際道路行駛工況具有平均車速較低等特點，行駛時主要為加速、減速的行駛模式，其行駛時間和行駛里程分別占整個行駛時間的63.6%和行駛里程的83.2%。被測試車輛實際道路行駛工況的 THC、CO、NOx、CO2污染物排放率隨車輛的行駛速度、加速度的增加而增大，當車速超過90 km/h后，其NOx和CO2的單位時間排放率急劇增加。

1 Wang Q，Huo H，He K，et al.Characterization of Vehicle Driving Patterns and Development of Driving Cycles in Chinese Cities.Transportation Research Part D:Transport and Environment，2008，13(5） :289～297.

2 張春化，王奉雙，馬志義，等.在用汽車不同測試方法的排放特性.長安大學學報(自然科學版），2009，29（2） :88～93.

3 Fruin S， Westerdahl D， Sax T， et al.Measurements and predictors of on-road ultrafine particle concentrations and associated pollutants in Los Angeles.Atmospheric Environment， 2008， 42（2）:207～219.

4 Wehner B， Uhrner U， Von L?wis S， et al.Aerosol number size distributions within the exhaust plume of a diesel and a gasoline passenger car under on-road conditions and determination of emission factors.Atmospheric Environment,2009， 43（6）:1235～1245.

5 王海濤，胡京南，鮑曉峰，等.國IV汽油出租車的冷、熱啟動污染排放特征.汽車安全與節能學報，2010，1（2）:146～151.

6 王愛娟，葛蘊珊，譚建偉，等.北京市出租車實際道路行駛特征與排放特性的關系研究.北京理工大學學報，2010，30（8）:891～895.

7 胥耀方，于雷，宋國華，等.針對二氧化碳的輕型汽油車VSP 區間劃分.環境科學學報，2010，30（7）:1358～1365.

8 馬冬，劉焰，劉志華，等.輕型汽車實際行駛工況的排放研究.安全與環境學報，2008，8（5）:66～68.

9 賀克斌，霍紅，王岐東，等，城市輕型車實際道路瞬態排放的特性.中國環境科學，2006，26（4）:390～394.

10 孟銘.基于上海市區道路行駛工況的混合動力汽車性能仿真研究.上海汽車，2007（2）:3～6.