輕型汽油車的實際道路排放試驗研究

王山，朱海兵，姚王鍇，張斌

（上汽大眾汽車有限公司產(chǎn)品研發(fā)與管理部，上海 201805）

1 實際道路排放現(xiàn)狀

目前，國六排放法規(guī)標準為最嚴格的排放法規(guī)，國內(nèi)自主品牌與合資品牌車企都面臨嚴峻考驗。而且，2019 年是中國部分主要城市提前進入國六排放標準，可以認為是機動車進入國六法規(guī)的元年[1]。

機動車國六標準在實施的過程將采用兩步走計劃，分為“國六a”、“國六b”兩個階段。也就是說“國六a”相當于“國五”與“國六”的過渡階段，“國六b”才是真正的“國六”標準。國六標準比國五難度對主機廠的挑戰(zhàn)是空前的。

按照《關(guān)于開展機動車和非道路移動機械環(huán)保信息公開工作的公告》（國環(huán)規(guī)大氣〔2016〕3 號）要求，自2017 年1月1 日起，機動車生產(chǎn)、進口企業(yè)應(yīng)當向社會公開其生產(chǎn)、進口機動車的環(huán)保信息，包括排放檢驗信息和污染控制技術(shù)信息。2018 年，汽車企業(yè)環(huán)保信息公開情況分別如下：

從2018 年申報情況來看，汽車企業(yè)前三季度暫未開始正式申報國六標準的機動車，從四月到十二月共計申報918 個車型，占國五標準的機動車申報數(shù)的4.37%，國六機動車研發(fā)任務(wù)仍然很多，特別是，法規(guī)中要求的Ⅱ型試驗，實際道路排放試驗對整車排放測試提出了更多新的要求。

圖1 2018 年機動車環(huán)保信息公開工作情況匯總

關(guān)于國內(nèi)對實際道路排放試驗正在開展，北京理工大學葛蘊珊教授闡述了PEMS 的應(yīng)用情況及實際道路排放試驗的評估方法，并提出了針對于中國道路交通特點的實際道路排放測試法規(guī)[2]。中國汽車技術(shù)研究中心的王曉偉開展了關(guān)于輕型插電式混合動力汽車的實際道路排放試驗的研究，發(fā)現(xiàn)插電式混動動力汽車在郊區(qū)與高速工況下，發(fā)動機在工作過程中還在給電池充電，導致CO，PN 的排放均偏高[3]，還有中汽研的王勃針對RDE 的試驗方案，開展了更為有效，成功率更高的試驗方法的研究。[4]還有一些學者，馬志成[5]、楊正軍[6]、付秉正[7]、陳劍杰[8]等人開展了輕型柴油車的實際道路排放試驗的高原、多工況循環(huán)的研究。

國外的專家學者對RDE 試驗開展的大量研究，John May在2014 年就通過PEMS 與轉(zhuǎn)鼓試驗臺運行NEDC/CADC/WLTC三種工況的排放試驗結(jié)果的對比分析[9]，巴西的Forcetto 根據(jù)巴西城市道路開展了在實際道路上對NOx 的控制方法上的研究[10]，Jan Schoenhaber 引述中國的第六階段排放法規(guī)關(guān)于RDE 的規(guī)定，在缸內(nèi)直噴汽油機中使用三元催化器及顆粒捕捉器的排放結(jié)果數(shù)據(jù)分析[11]，Roberto 研究了在實際道路排放試驗中，冷啟動對排放結(jié)果的影響規(guī)律[12]。

2 試驗設(shè)備及車輛

2.1 試驗設(shè)備

AVL MOVE 是一種緊湊而又牢固的便攜式排放測量系統(tǒng)（PEMS），可以測量機動車發(fā)動機排放廢氣中的PN，NO/NO2，CO/CO2和O2濃度，該設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在葛蘊珊教授論文中有詳細介紹[2]。

圖2 AVL MOVE 便攜式排放測量設(shè)備安裝圖

該便攜式分析儀系統(tǒng)經(jīng)過不斷優(yōu)化，可以在不斷變化的環(huán)境條件下，實現(xiàn)分析儀中溫度可控，進行移動的高精度測量，設(shè)備安裝見圖1。

2.2 試驗車輛

本研究對象為市場上某品牌國五排放標準的運動型實用汽車(SUV)，發(fā)動機排量為1.4T，里程5976km，胎壓為2.6bar。為避免影響實際道路排放結(jié)果，每次試驗前，車輛電瓶處于電量保持狀態(tài)，減少發(fā)動機除動力系統(tǒng)外的額外輸出功率，試驗車輛配置信息見表1。

表1 試驗車輛配置表

3 試驗過程

3.1 PEMS 比對結(jié)果分析

定容稀釋取樣測試方法（CVS）是國家排放法規(guī)認可的檢測方式之一[13]，在WLTC 工況下，PEMS 采樣測試結(jié)果通過與CVS 測試結(jié)果比對，PEMS 試驗結(jié)果與CVS 比對結(jié)果符合法規(guī)要求，CO2總排放量Mco2為3896.97g。

表2 PEMS 與CVS 比對結(jié)果表

3.2 試驗路線

RDE 試驗過程中要求三段工況，分別是城市工況，郊區(qū)工況，高速工況，由于RDE 試驗必須在實際道路上開展，路面不可控因素較多，例如路面遇到堵車，交通事故等情況都會導致實驗失敗或者無效。故為減小試驗無效的概率，試驗人員經(jīng)過次數(shù)摸索，尋找最優(yōu)路線。該路線全稱約79km，具體路線如下：

圖3 RDE 實際道路排放試驗行駛路線圖

在實際道路排放試驗中，跑車路線十分重要，直接影響到實驗是否有效。本次沿線路線確定后，由于是每次都是實際道路實驗，故不可復制每次實驗過程，故該路線試驗中的一次時間速度曲線如下：

圖4 RDE 實際道路排放試驗時間速度曲線

4 試驗結(jié)果

4.1 試驗有效性驗證

參考國六排放法規(guī)標準，RDE 試驗需要對試驗路線，駕駛的動力性，以及采用CO2 平均窗口移動法評估窗口的完整性及正常性[1][2]。

4.2 CO2 平均窗口移動法評估

分別進行三次RDE 試驗，三次CO2 平均窗口擬合曲線如圖4 所示，A 曲線中郊區(qū)工況駕駛行為略激烈，該工況下的CO2 全部位于正常CO2 線上方，并有27.2%的窗口位于25%CO2窗口上方，城市與高速工況相對溫和，主要集中在正常CO2線下方；B 曲線中，郊區(qū)工況的CO2 窗口更加接近于正常窗口附近，城市與高速工況與A 曲線類似，偏溫和駕駛；C 曲線中，郊區(qū)工況明顯分為三部分，分別覆蓋正常窗口及±25%窗口之間，城市工況下與前兩次試驗接近，而高速工況下，出現(xiàn)有激烈窗口到溫和窗口的走向趨勢。

圖5 三次RDE 試驗CO2 平均窗口擬合曲線圖

整體來看，三次試驗城市與高速工況相對趨勢相同，郊區(qū)工況下，駕駛行為情況變化較大。

國五排放法規(guī)CO 限值為1000g/km，通過實際道路排放試驗，三次試驗結(jié)果都符合國五標準，其中A 和B 符合國六排放法規(guī)限值要求，C 試驗結(jié)果超過國六法規(guī)Ⅰ型試驗的限值，符合性因子為1.31。

圖6 CO 排放結(jié)果值及符合性因子

通過分析三次試驗的秒采數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)CO 主要在低俗和高速工況下排放較多，其中低俗工況中，由于車輛冷啟動過程前期，車輛行駛過程中，反復停車啟動以及加減速過程中，發(fā)動機負荷較大，可燃混合氣加濃，噴油量增多，故產(chǎn)生一定CO，而郊區(qū)工況中，車輛區(qū)域穩(wěn)定駕駛，缸內(nèi)混合氣相對均勻，燃燒較為充分，CO 排放較少，但高速工況下，由于發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速下，氣缸噴油量增多，進氣量的增大，難以迅速達到理想混合氣狀態(tài)，故導致氣缸內(nèi)燃燒不夠充分，導致CO 排放主要集中在高速工況下。

圖7 試驗中CO 的秒采數(shù)據(jù)曲線

NOx 符合國五和國六的法規(guī)排放限值要求，根據(jù)駕駛行為比較分析，相對激烈的駕駛對NOx 排放有一定影響。由于NOx 的生成條件是高溫、富氧及高溫持續(xù)時間[14]0。在試驗C中，駕駛行為較為激烈，導致噴油量進氣量的增多，同時長時間激烈駕駛就是導致NOx 的排放量不斷增多。

圖8 NOx 排放結(jié)果值及符合性因子

國五排放法規(guī)中，對輕型汽油車未作限制，國六法規(guī)提出6*1011#/km，本次使用國五的排放標準的試驗車輛，試驗結(jié)果均超過法規(guī)PN 的限值，其中C 次試驗，超過限值的2.72倍。

圖9 PN 排放結(jié)果值及符合性因子

5 結(jié)論

本次試驗車輛為國五排放標準的車輛，通過高精度便攜式排放分析設(shè)備，根據(jù)國六排放法規(guī)的要求，進行多次實際道路排放試驗，研究在實際道路排放實驗中車輛的排放結(jié)果的影響變化規(guī)律。其中，CO 主要在高速工況下產(chǎn)生，故高速工況未來在研發(fā)過程中較為重要，NOx 對駕駛行為有一定敏感度，在長時間激烈駕駛時，NOx 排放量會增加，而PN 作為國六排放法規(guī)首次提出限值的污染物項目，目前，國五車輛的PN 排放結(jié)果相對較大，故未來車輛動力總成升級換代到國六排放標準仍具有較大的挑戰(zhàn)。