駕駛特性對(duì)進(jìn)氣道噴射汽油車RDE排放的影響?

汪曉偉，顏 燕，景曉軍，戴春蓓，閆 峰

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

前言

快速發(fā)展的汽車工業(yè)已經(jīng)成為了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)支柱之一。但隨著汽車保有量的急劇增加，其所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也引發(fā)了越來(lái)越多的關(guān)注。日趨嚴(yán)格的排放和油耗法規(guī)在規(guī)范產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)也對(duì)汽車生產(chǎn)企業(yè)提出了更高的要求。大量研究表明，實(shí)際行駛的污染物排放要比車輛實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證的排放高得多[1-3]。因此2016年底，我國(guó)發(fā)布了輕型車國(guó)6標(biāo)準(zhǔn)(GB 18352.6—2016)[4]。與國(guó)5標(biāo)準(zhǔn)相比，國(guó)6標(biāo)準(zhǔn)的明顯不同是將實(shí)際行駛污染物排放(RDE)試驗(yàn)定為Ⅱ型試驗(yàn)。在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之后，國(guó)內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)紛紛開(kāi)展對(duì)輕型車RDE排放特性進(jìn)行研究[5-9]。但實(shí)際行駛污染物的排放水平跟實(shí)驗(yàn)室排放認(rèn)證的污染物排放水平的差異并不完全一致:即有時(shí)實(shí)際行駛污染物排放要低于或接近于實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證的污染物排放，但有時(shí)實(shí)際行駛的污染物排放要遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證的污染物排放。在環(huán)境條件相差不大的情況下，行駛的行程動(dòng)力學(xué)成為影響排放的最主要因素[10-11]?；诖耍疚闹袑?duì)通過(guò)不同的駕駛模式使用便攜式車載排放測(cè)量系統(tǒng)(PEMs)按照國(guó)6標(biāo)準(zhǔn)要求的RDE測(cè)試循環(huán)對(duì)一輛滿足國(guó)5標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車進(jìn)行了實(shí)際行駛排放測(cè)試，以探尋駕駛模式對(duì)實(shí)際行駛下的污染物排放的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備和方法

1.1 測(cè)試車輛和測(cè)試設(shè)備

被測(cè)車輛的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 被測(cè)車輛主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)采用奧地利AVL公司生產(chǎn)的AVL M.O.V.E便攜式車載排放車輛系統(tǒng)(PEMs)。該套PEMs系統(tǒng)包括尾氣氣態(tài)污染物分析系統(tǒng)(GAS PEMs)，尾氣顆粒物數(shù)量分析系統(tǒng)(PN PEMs)，尾氣流量計(jì)(EFM)，全球定位系統(tǒng)(GPS)，溫濕度儀和OBD記錄儀等設(shè)備。其中GASPEMs采用不分光紅外分析儀(NDIR)來(lái)測(cè)量尾氣中的CO和CO2，采用紫外線分析儀(NDUV)來(lái)測(cè)量尾氣中的NO和NO2。而PN PEMs則是利用擴(kuò)散充電的原理(DC)，通過(guò)法拉第籠電位計(jì)來(lái)測(cè)量尾氣中的顆粒數(shù)量。對(duì)于轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)，還應(yīng)用了AVL全流取樣系統(tǒng)(CVS)，氣態(tài)污染物測(cè)量系統(tǒng) AMAi60，AVL489顆粒計(jì)數(shù)器和AVL472顆粒采集器等設(shè)備。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法遵循國(guó)6標(biāo)準(zhǔn)的要求，先通過(guò)冷起動(dòng)WLTC試驗(yàn)確定該車的排放狀況，CO2排放的特性曲線。在轉(zhuǎn)轂完成了全流稀釋取樣排放結(jié)果PEMs測(cè)量結(jié)果的比對(duì)，確定PEMs測(cè)試設(shè)備的狀態(tài)正常。此后，對(duì)該車進(jìn)行了兩次RDE試驗(yàn)，試驗(yàn)路線依次按市區(qū)、市郊和高速連續(xù)行駛。實(shí)際行駛的速度曲線如圖1所示。兩次試驗(yàn)的結(jié)果都滿足RDE測(cè)試的相關(guān)要求，試驗(yàn)有效。第一次和第二次試驗(yàn)的區(qū)別在于對(duì)油門踏板的控制。第一次比較舒緩而第二次比較激進(jìn)。

圖1 兩次駕駛的速度曲線

兩次RDE試驗(yàn)的環(huán)境條件和行程參數(shù)如表2所示。從表中可以看出，兩次RDE試驗(yàn)的環(huán)境溫度均處在30-35℃的擴(kuò)展溫度條件，濕度條件在40%左右。從行程參數(shù)上來(lái)看，兩次RDE試驗(yàn)的總時(shí)間基本相同，第二次RDE試驗(yàn)的總里程要比第一次多6km。但從市區(qū)、市郊和高速的占比情況來(lái)看，兩次RDE試驗(yàn)相差不大。因此，可認(rèn)為兩次試驗(yàn)的環(huán)境和路線均相差不大。

表2 RDE測(cè)試的環(huán)境條件

1.3 行程動(dòng)力學(xué)特性定義

為驗(yàn)證行程的有效性，國(guó)6標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩個(gè)參數(shù)，分別是相對(duì)正向加速度(RPA)和車速與大于0.1m/s2正加速度乘積的第95個(gè)百分位((v·apos)[95])。RPA和(v·apos)[95]的計(jì)算方法詳見(jiàn)國(guó)6標(biāo)準(zhǔn)[4]。有效的行程需滿足如下條件:

(1)驗(yàn)證每個(gè)速度組中的(v·apos)[95]

其中(v·apos)[95]代表了駕駛是激進(jìn)還是溫和。(v·apos)[95]的值越接近上限，表明駕駛越激進(jìn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 原車基于WLTC循環(huán)的排放

表3列出了該車基于冷起動(dòng)WLTC循環(huán)的排放。從表中可以看出，原車的排放能滿足國(guó)6a的要求。與國(guó)6b的限值要求相比，只有PM略微超標(biāo)，表明該車的排放狀況良好。對(duì)于國(guó)6階段關(guān)注的顆粒物數(shù)量排放，由于該車采用的是進(jìn)氣道噴射而非缸內(nèi)直噴，因此該車的顆粒物數(shù)量排放較低。

表3 基于WLTC循環(huán)的排放

2.2 兩次RDE測(cè)試排放結(jié)果

兩次RDE測(cè)試的排放結(jié)果如圖2所示。其中圖2(a)為市區(qū)行程的排放結(jié)果，圖2(b)為總行程的排放結(jié)果。由圖可見(jiàn)，在市區(qū)行程，第二次RDE試驗(yàn)的NOx較第一次略高，PN較第一次略低，但CO排放較第一次增加明顯，從 18.2增加到1 531.2mg/km，第二次的CO排放約為第一次CO排放的84倍。對(duì)于總行程，第二次試驗(yàn)的NOx和PN比第一次略高，但均處于同一數(shù)量級(jí)。但對(duì)于CO排放，從47.6增加到3 564.2mg/km，第二次的CO排放約為第一次CO排放的75倍。從前文的分析可以看出，這兩次駕駛在路線和環(huán)境條件差異很小，而且兩次駕駛都符合RDE標(biāo)準(zhǔn)的要求，但CO排放差異巨大，其原因?qū)⒃谙乱徊糠謨?nèi)容中進(jìn)行詳細(xì)的分析。

圖2 RDE測(cè)試的排放結(jié)果

3 分析與討論

3.1 行程動(dòng)力學(xué)特征

兩次駕駛的行程動(dòng)力學(xué)特征如表4所示。從結(jié)果中可以看出，第二次駕駛的(v·apos)[95]要大于第一次。

表4 行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)

溫和駕駛和激進(jìn)駕駛的定義見(jiàn)圖3[10-11]。如果行程的(v·apos)[95]值遠(yuǎn)小于限值，為溫和駕駛；接近但不超過(guò)限值，為激進(jìn)駕駛；超過(guò)限值為過(guò)于激進(jìn)駕駛，這種駕駛是無(wú)效的。由表4可以認(rèn)為，第一次為溫和駕駛(moderate driving)，第二次為激進(jìn)駕駛(dynamic driving)。

圖3 基于(v·a pos)[95]駕駛模式的劃分

3.2 加速度和負(fù)荷脈譜

兩次駕駛的加速度脈譜(MAP)如圖4所示。從圖中可以看出，激進(jìn)駕駛的加速度要大于溫和駕駛的加速度，而且主要體現(xiàn)在市區(qū)和市郊工況。其中激進(jìn)駕駛的最大加速度為2.83m/s2，溫和駕駛的最大加速度為1.58m/s2。

圖4 兩次駕駛的車速 加速度脈譜

而從兩次駕駛的負(fù)荷脈譜圖(圖5)可以看出，激進(jìn)駕駛覆蓋的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)溫和駕駛。對(duì)于國(guó)5標(biāo)準(zhǔn)的車輛，企業(yè)在進(jìn)行排放標(biāo)定的時(shí)候，一般都主要關(guān)注NEDC的工況范圍，而對(duì)超出NEDC工況范圍的點(diǎn)，標(biāo)定不是特別細(xì)致。這也更進(jìn)一步說(shuō)明對(duì)于RDE測(cè)試，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定不能僅僅關(guān)注法規(guī)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)室循環(huán)(如NEDC或WLTC)的工況點(diǎn)，而應(yīng)該盡可能地對(duì)全MAP進(jìn)行標(biāo)定，尤其是在高速高負(fù)荷的工況。

3.3 瞬態(tài)特性

兩次駕駛的瞬態(tài)排放特性如圖6所示。在市區(qū)工況時(shí)，CO排放與加速度呈正相關(guān)的關(guān)系[5-6，12-13]。如激進(jìn)駕駛時(shí)加速度較大的工況都對(duì)應(yīng)著CO的峰值排放。這主要是由于在加速時(shí)會(huì)增加噴油以加濃混合氣(加速加濃)。同時(shí)由于噴射方式為進(jìn)氣道噴射，燃油控制系統(tǒng)還有可能為提高發(fā)動(dòng)機(jī)在加速時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，會(huì)在噴油結(jié)束后到進(jìn)氣門開(kāi)啟前再補(bǔ)噴一次燃油，從而導(dǎo)致不完全燃燒生成大量的CO[14]。這表明發(fā)動(dòng)機(jī)的加減速標(biāo)定還是按照NEDC的工況區(qū)域進(jìn)行，因此在進(jìn)行急加速(減速)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放較差。此外空燃比偏離理論空燃比也會(huì)導(dǎo)致三元催化器的轉(zhuǎn)化效率降低。值得注意的是，盡管激進(jìn)駕駛時(shí)CO排放大幅增加，但顆粒數(shù)反而下降了。這從另外一方面也說(shuō)明顆粒物數(shù)量和顆粒物質(zhì)量是兩個(gè)概念。由于不完全燃燒導(dǎo)致顆粒物排放質(zhì)量增加，但可能生成的顆粒粒徑更大，導(dǎo)致數(shù)量反而變少[15]。

圖5 兩次駕駛的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 相對(duì)負(fù)荷脈譜

圖6 兩次駕駛的瞬態(tài)排放和加速度特性

但在市郊和高速工況，CO排放與加速度的關(guān)系并不顯著。激進(jìn)駕駛時(shí)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)排放峰值區(qū)域并不能很好地對(duì)應(yīng)加速度的峰值，尤其是在高速行程。為此，將高速行程CO排放峰值對(duì)應(yīng)的區(qū)域(4 950-5 300s時(shí)間段)內(nèi)的瞬態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，如圖7所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，由于該發(fā)動(dòng)機(jī)是自然吸氣而非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，因此在高速路段車速已經(jīng)很高的情況下，完全踩下油門踏板的瞬間加速度并沒(méi)有很明顯的變化(提速不明顯)，但從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、過(guò)量空氣系數(shù)和相對(duì)負(fù)荷的變化可以看出發(fā)動(dòng)機(jī)在這一瞬間為了響應(yīng)油門踏板的動(dòng)作已經(jīng)加濃混合氣，從而導(dǎo)致不完全燃燒造成CO排放的急劇升高。此外，在這個(gè)階段的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到4 000～4 500r/min，超過(guò)了NEDC循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到的轉(zhuǎn)速。而企業(yè)對(duì)這個(gè)轉(zhuǎn)速段的標(biāo)定并非特別細(xì)致，這也是導(dǎo)致CO排放高的原因之一。

圖7 激進(jìn)駕駛高速行程CO峰值排放區(qū)域的瞬態(tài)特性

4 結(jié)論

本文中通過(guò)便攜式車載排放測(cè)量系統(tǒng)，按照國(guó)6標(biāo)準(zhǔn)要求的RDE測(cè)試循環(huán)，對(duì)一輛滿足國(guó)5標(biāo)準(zhǔn)的輕型汽油車進(jìn)行了兩次實(shí)際行駛排放測(cè)試，其中第一次為溫和駕駛，第二次為激進(jìn)駕駛。兩次駕駛行程均符合RDE測(cè)試的要求。結(jié)果表明:

(1)激進(jìn)駕駛的加速度比溫和駕駛要大，其覆蓋的轉(zhuǎn)速負(fù)荷范圍也比溫和駕駛要寬；

(2)駕駛特性的改變對(duì)NOx和PN的影響不大，但激進(jìn)駕駛的CO排放為溫和駕駛CO排放的數(shù)十倍，表明對(duì)于進(jìn)氣道噴射汽油機(jī)，在進(jìn)行RDE標(biāo)定時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注CO排放；

(3)激進(jìn)駕駛中頻繁的加減速是CO排放大幅增加的主要原因，在市區(qū)行程，CO排放與加速度正相關(guān)，在高速行程，由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在高速大負(fù)荷的工況點(diǎn)，而這些工況點(diǎn)企業(yè)在進(jìn)行國(guó)5的NEDC排放標(biāo)定時(shí)很少涉及，導(dǎo)致CO的排放很高。