海拔對輕型汽油車RDE排放特性影響試驗研究

程亮

(上海汽車集團股份有限公司乘用車公司技術中心，上海 201804)

環境問題是全球關注的熱點問題。當前，世界各國法規規定的輕型車排放試驗均按照特定試驗循環工況在實驗室轉鼓上進行，而單一的實驗室測試循環不能覆蓋實際行駛情況下的運行工況[1-2]，車輛的實驗室測試循環排放結果與實際排放狀況可能存在較大差異[3-7]。國六排放法規增加的Ⅱ型試驗——實際行駛污染物排放試驗RDE(Real Driving Emission) 補充了實驗室測試不能準確反映實際道路排放狀況的不足。

我國海拔1 000 m以上的土地面積占全國陸地總面積的60%，3 000 m以上的面積占16%[8]。針對高海拔對機動車影響的研究主要集中在柴油發動機性能和燃料特性方面，很少涉及整車排放和油耗[9]。馬志成等[10]對一輛輕型柴油車在青海地區選擇海拔為1 900 m，2 200 m，2 400 m和3 000 m的4個環境點進行RDE測試，結果表明：隨著海拔的增加，CO與PN排放先增加后減小，在2 400 m時出現最大值，NOx排放先減小后增加，在2 400 m處出現最小值。目前，國內外對高海拔地區輕型汽油車的RDE排放相關的研究鮮有報道，本研究對1臺GDI輕型汽油車進行了RDE高原排放特性試驗研究。

1 試驗裝置及方案

1.1 試驗樣車、設備及燃料

試驗樣車配置了1臺增壓中冷、直列4缸四沖程、缸內直噴式汽油發動機及1臺7擋雙離合變速箱。試驗樣車后處理裝置為三元催化器(TWC，Three Way Catalyst)和顆粒捕集器(GPF，Gasoline Particulate Filter)，滿足國六排放標準要求，試驗中未對樣車進行任何調整。試驗樣車主要參數見表1。

表1 試驗樣車主要技術參數

臺架試驗設備主要包括HORIBA全流CVS采樣和MEXA-7000系列排放采樣分析系統、MAHA AIP-ECDM-48L-Dyno Server汽車底盤測功機和Imtech環境艙。RDE測試設備為HORIBA OBS-ONE輕型車便攜式排放測試系統PEMS，主要包括：用以測試排氣中CO/CO2/NOx/NO/NO2/PN各污染物濃度的OBS-ONE車載排放測試系統，主分析單元分別采用不分光紅外法(NDIR)測定CO和CO2濃度，化學發光探測法(CLD)測定NOx濃度，采用CPC凝結粒子計數器(CPC)測定PN；用以確定車輛的位置、海拔、車輛行駛速度的全球定位系統GPS；用以確定環境溫度、相對濕度、大氣壓力等的車載氣象站；用以確定排氣質量流量的流量計EFM；用以獨立為測試設備供電的鋰電池。試驗燃料使用國六基準汽油。

1.2 試驗方案及試驗路線

對裝有PEMS設備的試驗樣車在整車排放實驗室進行WLTC試驗工況測試，以得到RDE試驗輸入參數數據，并考察RDE排放測試設備PEMS的精度。之后對試驗樣車分別在北京(試驗線路平均海拔為28.6m，下同)、銀川(1 113.3 m)、蘭州(1 610.8 m)、昆明(1 891.7 m)和西寧(2 255.5 m)5個不同海拔的典型城市進行實際道路排放測試，分析海拔對GDI輕型汽油車RDE高原排放的影響。

根據RDE試驗要求及地理信息，在5個城市選定試驗路線并進行實車試驗，確認了所選定的試驗線路能夠滿足國六排放標準GB 18352.6—2016中對RDE試驗線路的要求。

按照RDE 規程的要求，試驗車輛依次在城區、城郊和高速公路上連續行駛，每個速度區間至少行駛16 km，試驗總時間在90～120 min，試驗開始點和結束點之間的海拔差不超過100 m，并且試驗車輛的累計正海拔每100 km增加量應不大于1 200 m。城區工況：停車時段應占城區行駛時間的6%～30%，最小里程為16 km，平均速度15～40 km/h；城郊工況：可被城區(行駛距離很短)行駛中斷；高速工況：車速覆蓋90～110 km/h，且車速大于100 km/h至少5 min，在不超過高速路段行駛時間3%的時間內，最高車速可增加15 km/h，車速若超過限速規定，PEMS試驗結果仍有效，可被城區或城郊(行駛距離很短)行駛中斷。具體車速和里程工況要求見表2。

表2 RDE車速和行駛里程工況要求

為保證試驗條件的一致性，減少試驗誤差，每次試驗前后都會進行相關試驗儀器的標定，嚴格按照GB 18352.6—2016試驗規程進行試驗操作，在確保試驗樣車狀態已穩定的條件下進行試驗，并采集試驗數據。每次試驗都盡可能保持行程動力學參數接近，以便于對試驗結果進行對比及分析。

2 試驗結果及分析

根據選定5個典型城市的試驗路線分別進行RDE試驗，5組工況下的RDE試驗環境條件及發動機平均轉速和具體工況下的行程動力學參數及平均車速等對比分別見表3和表4。

由表3可見，隨著海拔的升高，環境平均壓力逐漸減小，平均溫度有降低趨勢，平均濕度有增大趨勢。由表4可見，比較行程動力學參數，銀川試驗工況下的RDE駕駛相對其他工況的駕駛更為激烈。

表3 試驗環境條件及發動機狀態對比

表4 行程動力學參數及行程對比

續表

2.1 PEMS允許誤差的驗證

該車在整車轉鼓排放實驗室進行WLTC循環工況試驗，分別采用PEMS和實驗室CVS條件下MEXA-7000排放測試系統的試驗結果，并參照國六排放法規中對PEMS驗證允許的誤差規定允許值，試驗結果見表5。

表5 污染物差值絕對值與PEMS允許誤差值

由表5可見，PEMS和MEXA-7000系列排放分析儀的污染物測試結果誤差在國六標準允許誤差范圍內。

2.2 RDE環境條件說明及試驗數據處理

嚴格按照GB 18352.6—2016試驗規程進行試驗，試驗環境海拔擴展按照國標規定進行。普通海拔條件：海拔不高于700 m；擴展海拔條件：海拔高于700 m，不高于1 300 m；進一步擴展的海拔條件：海拔高于或等于1 300 m，但不高于2 400 m。本研究中RDE各污染物排放試驗結果已除以相關擴展系數(基本擴展條件擴展系數為1.6，進一步擴展條件擴展系數為1.8)，且不包含冷起動排放數據。

2.3 海拔艙WLTC試驗

試驗樣車在整車轉鼓海拔艙內分別在0，700，1 300，1 900，2 400 m海拔條件下進行WLTC試驗，得到海拔艙試驗條件下的排放結果(見圖1)。由于設備的限制，PN測試只能在海拔1 500 m以下進行。

圖1 海拔艙試驗條件下的WLTC試驗結果

由圖1可見，隨海拔增加，該車的CO排放呈先升高后降低趨勢，NOx排放呈升高趨勢，PN排放呈先降低后升高趨勢。

2.4 RDE試驗結果及分析

GB 18352.6—2016規定RDE試驗結果的城區行程和總行程污染物排放均不得超過國六Ⅰ型試驗排放限值與符合性因子CF(Conformity Factor)的乘積，其中CF(NOx)=CF(PN)=2.1，CF(CO)暫為監測項。由此可得，污染物i對應的符合性因子CF(i)：

CF(i)=xi/yi。

(1)

式中：xi為RDE試驗條件下污染物i排放結果；yi為國六Ⅰ型試驗污染物i對應的標準限值。

2.4.1CO排放特性

圖2示出試驗樣車在北京、銀川、蘭州、昆明和西寧5個不同海拔的典型城市分別進行實際道路排放測試的各工況CF(CO)結果，其中綜合工況為整個RDE試驗的全部工況，包含城市、城郊和高速工況。

由圖2可見：隨著海拔的增加，在城區工況下CO排放升高；在高速工況和綜合工況下，CO排放呈先升高后降低的趨勢，且在蘭州試驗工況下排放最高。除西寧試驗工況外，CO排放主要產在高速工況，城郊工況次之，城區工況相對最低。相較北京試驗工況下的CF(CO)，銀川、蘭州、昆明和西寧試驗工況下的CF(CO)在城區工況下分別增加32.8%，244.8%，294.0%和406.0%，在城郊工況下分別增加28.1%，149.6%，100.7%和122.2%，在高速工況下分別增加22.6%，110.2%，7.9%和-51.5%，在綜合工況下分別增加24.7%，131.1%，53.2%和26.0%。

圖2 不同海拔下RDE各工況的CF(CO)

CO是燃料不完全燃燒的產物。車用汽油機CO排放主要是冷起動、怠速和大負荷工況下發生不完全燃燒所致。冷起動工況下由于發動機未達到正常工作的水溫和油溫，且燃料汽化著火條件差，發生不完全燃燒；怠速運轉時，缸內殘余廢氣多，為保證燃燒穩定，需要加濃混合氣， CO生成量較多；大負荷工況下，為了提高功率輸出，一般加濃混合氣，導致CO排放量劇增；加速工況時，為保證加速順滑，在短時間內加濃混合氣，導致出現CO排放高峰[11-12]。

國六排放法規中對Ⅱ型試驗計算結果中剔除了冷起動部分的CO排放，且整個試驗過程中怠速時長占比較低，而高速工況下，發動機為全負荷工況運行，根據安裝在排氣管上的氧傳感器的反饋信號控制過量空氣系數小于1.0，電噴汽油機為了輸出較大的功率將會增加噴油量以形成濃混合氣，而高轉速段混合氣的形成時間較短，因此，RDE試驗中，CO排放主要產生在高速工況。昆明試驗工況和西寧試驗工況下的高速段CO排放相對較低，可能是由于高速段的平均車速相對較低，節氣門開度相對較小，混合氣反應時間相對較長，燃燒相對較充分引起的。

總體來看，城區工況下CO排放最低，且CO排放隨海拔的升高而增加。一方面，城區工況下發動機在中、小負荷工況下運行，電噴汽油機的控制策略是閉環控制，根據氧傳感器的反饋信號控制過量空氣系數稍大于1.0，基本上保證燃料充分燃燒，CO排放相對較低。另一方面，試驗樣車配置電噴汽油機，發動機的排放是在平原條件下進行標定，而高海拔下的空氣密度降低，進氣壓力隨海拔升高逐漸減小，導致進氣量不充足。且海拔越高，排氣溫度上升越慢，對三元催化器的轉換效率也有一定影響，從而CO排放隨海拔的增加而升高。此外，點火提前角隨海拔的升高而增大，對CO排放惡化可能也有一定的影響[13]。

2.4.2NOx排放特性

圖3示出試驗樣車在5個城市分別進行實際道路排放測試的CF(NOx)結果。圖4示出試驗樣車在測試工況下RDE試驗的排氣溫度和車速模態圖。

圖3 不同海拔下RDE各工況的CF(NOx)

圖4 不同海拔下RDE排氣溫度和車速模態

由圖3可見，隨著海拔的增加，在城區工況下NOx排放升高，在高速和綜合工況下，NOx排放呈先降低再升高的趨勢。且除北京試驗工況外，其他工況下城區排放結果較綜合排放高。除北京試驗工況外，NOx排放主要產在城區工況，城郊工況次之，高速工況相對最低。相較北京試驗工況下的CF(NOx)，銀川、蘭州、昆明和西寧試驗工況下的CF(NOx)在城區工況分別增加125.4%，147.8%，147.8%和220.9%，在城郊工況下分別增加23.0%，-5.5%，-13.0%和114.5%，在高速工況下分別降低77.9%，76.7%，73.5%和43.9%，在綜合工況下分別降低13.1%，14.0%，13.1%和-46.7%。

汽油機的NOx排放物包括NO，N2O和NO2。NOx產生條件主要為高溫、富氧和高溫持續時間[14]。由于汽油發動機氮氧化物來源中的激發型和燃料型NO生成量很少，可忽略不計，則主要的氮氧化物就來源于高溫型NO。根據高溫NO生成機理，對NOx生成起主要影響的是焰后區混合氣溫度與混合氣中殘留的氧濃度[15]，海拔越高，空氣中的含氧量越少，混合氣中的氧濃度也相對越低，因此高海拔條件下，影響NOx生成的主要因素為焰后區混合氣的溫度。

由圖4可見，城區試驗階段，西寧試驗工況下排氣溫度最高，北京試驗工況下排氣溫度最低，對應圖3中城區試驗階段的NOx排放在西寧試驗工況下最高，在北京試驗工況下最低。高速試驗階段，北京試驗工況下的排氣溫度最高，銀川試驗工況下的排氣溫度最低，對應圖3中高速試驗階段的NOx排放在北京試驗工況下最高，在銀川試驗工況下最低。

總體來看，NOx排放主要產生在城區工況。這是由于，國六排放法規中對II型試驗計算結果中剔除了冷起動部分排放，發動機為熱機狀態。RDE試驗在城區工況下的試驗持續時間較城郊和高速工況的長(如北京試驗工況下，城區、城郊和高速工況時間分別為65 min，21 min和15 min)，在城區工況時，缸內混合氣在高溫且高溫持續時間較長的環境下進行反應，因此，NOx排放在城區工況的總排放濃度也較城郊和高速工況時高。

2.4.3PN排放特性

圖5示出試驗樣車在5個城市分別進行實際道路排放測試的CF(PN)結果。國六排放法規中對Ⅱ型試驗計算結果中剔除了冷起動部分的PN排放。由圖5可見，熱機RDE試驗工況下的PN排放主要產在高速工況，且北京、銀川和西寧試驗工況下的PN排放在高速工況下最高，城郊工況次之，城區工況最低；而蘭州和昆明試驗工況下的PN排放在高速工況下排放最高，城區工況次之，城郊工況最低。隨著海拔的增加，在城區、高速和綜合工況下，PN排放變化規律一致：呈先升再降后升的趨勢，在銀川試驗工況下的PN排放呈現一個小峰值，在蘭州試驗工況下PN排放呈現低谷值，此后隨海拔升高，PN排放升高，且在西寧試驗工況下PN排放最高。除蘭州試驗工況下的PN排放值差異不大之外，其他工況下的PN排放在綜合工況下的試驗結果較城區工況下的排放值高。相較北京試驗工況下的CF(PN)，銀川、蘭州、昆明和西寧試驗工況下的CF(PN)在城區工況下分別增加341.0%，249.4%，252.2%和461.3%，在城郊工況下分別增加279.4%，152.9%，108.8%和542.6%，在高速工況下分別增加28.1%，-21.3%，17.2%和77.2%，在綜合工況下分別增加118.7%，49.7%，68.8%和216.0%。

顆粒物的生成條件是高溫缺氧。熱機下的PN排放主要產生在高速工況。這是由于高速工況時的排氣溫度最高(見圖4)，對應高速工況時缸內溫度也最高，高溫條件下有利于顆粒物的生成。在高速工況，為保證車輛的動力性，缸內混合氣加濃，導致燃燒室內可燃混合氣混合不均勻，燃料燃燒條件較差，燃燒惡化，進而導致某些揮發性有機物以及煙粒排放的升高，從而形成新的顆粒物。此外，高速工況下燃料在發動機內的燃燒時間明顯減少，使燃料燃燒不完全，廢氣在缸內的滯留時間也明顯縮短，碳粒來不及氧化就被排出氣缸，也會導致顆粒物排放數量的增加。

總體來說，PN排放隨海拔的增加而升高，在西寧試驗時PN排放最高。一方面，西寧試驗工況下排氣溫度最高，高海拔下環境壓力較低，進氣量降低，缸內氧含量較低，滯燃期增加，燃燒始點推遲，預混燃燒比例增加，燃燒溫度提高，阻礙了燃燒過程中產生的顆粒物的氧化。缸內高溫缺氧的條件有利于PN的生成。另一方面，燃料在開始生成顆粒之前，會發生燃料分子的分解以及反應物原子的重新排列。裂解通常產生許多分子量低的直鏈不飽和碳氫化合物。燃油裂解一般是吸熱反應，需要很高的活化能，因此其反應速率受溫度影響較大。海拔的增加導致燃燒溫度的升高，提高了燃油裂解的反應速率，從而促進了顆粒物的生成[16]。

3 結論

a) 海拔艙WLTC工況試驗條件下，隨海拔增加，CO排放出現先升高后降低趨勢，NOx排放升高，PN排放有先降低后升高趨勢；

b) 隨著海拔的增加，CO排放在城區工況下升高，在高速和綜合工況先升高后降低；除西寧試驗工況外，CO排放主要產生在高速工況，CO在綜合工況下的排放結果較城區工況下的高；總體來看，城區工況下的CO排放最低，且CO排放隨海拔的升高有增加趨勢；

c) 隨著海拔的增加，NOx排放在城區工況下升高，在高速和綜合工況下呈先降低再升高的趨勢；除北京試驗工況外，NOx排放主要產生在城區工況，高速工況下排放相對最低，且NOx在城區工況下的排放較綜合工況下的高；總體來看，NOx排放主要產生在城區工況；

d) 隨著海拔的增加，在城區、高速和綜合工況下PN排放變化規律一致：呈先升再降后升的趨勢，在銀川試驗工況下PN排放呈現一個小峰值，在蘭州試驗工況下PN排放呈現低谷值，此后隨海拔升高，PN排放升高，在西寧試驗工況下PN排放最高；除蘭州試驗工況下的PN排放值差異不大之外，其他工況下的PN排放在綜合工況下的試驗結果較城區工況下的高；總體來說，PN排放主要產生在高速工況，PN排放隨海拔的增加有升高趨勢。