輕型車RDE 試驗(yàn)的排放特性研究

陸明江，龔然成，蔣軼謙，陳自力，梁 堂

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全國機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到3.48 億輛，汽車是污染物排放總量的主要貢獻(xiàn)者，其排放的CO、HC、NOx 和PM 等4 項(xiàng)主要污染物均超過90%[1]。近年來，我國出臺(tái)了更為嚴(yán)苛的汽車排放法規(guī)[2-3]，來降低汽車的實(shí)際道路排放。其針對(duì)輕型車和重型車，均增加了使用便攜式車載排放測(cè)試系統(tǒng)（portable emission measurement system，PEMS）進(jìn)行車輛排放測(cè)試的要求。輕型車的實(shí)際道路行駛污染物試驗(yàn)稱為RDE（Real Driving Emissions）試驗(yàn)。實(shí)際道路排放試驗(yàn)往往能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境下，將整車的真實(shí)排放水平反映出來。

在進(jìn)行實(shí)際道路排放測(cè)試結(jié)果計(jì)算過程，我國輕型車采用CO2質(zhì)量[4-5]的移動(dòng)平均窗口法計(jì)算車輛的移動(dòng)窗口排放值。羅佳鑫等[6]利用國六輕型車在轉(zhuǎn)轂上的NEDC、WLTC 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與RDE 工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者冷啟動(dòng)過程中CO、NOx、PN 排放均相對(duì)較高。考慮到此類比對(duì)是在不同試驗(yàn)條件完成，因此本文對(duì)多次RDE 試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，使用轉(zhuǎn)轂排放試驗(yàn)的計(jì)算方法得到全程的排放結(jié)果，以下簡稱為臺(tái)架法。將其結(jié)果與RDE 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，在去除停車和不去除停車的情況下，按照轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)的計(jì)算方法的結(jié)果比RDE 試驗(yàn)排放均偏大。

1 實(shí)際道路排放試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1.1 RDE 計(jì)算方法

按照輕型車“國六”法規(guī)要求，在進(jìn)行排放計(jì)算過程中，要求去除包括冷啟動(dòng)、車速低于1 km/h 和發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)的數(shù)據(jù)。采用基于參考CO2質(zhì)量，使用移動(dòng)平均窗口法進(jìn)行積分計(jì)算。隨著行駛里程數(shù)和CO2排放量的不斷累積，基于參考CO2排放量（MCO2ref）作為移動(dòng)窗口進(jìn)行污染物的排放（g/km）和平均車速（km/h）的計(jì)算，如圖1 所示。每1 s 進(jìn)行一次數(shù)據(jù)記錄，MCO2為CO2的累積質(zhì)量（g），Mgas為排放污染物累積質(zhì)量（g）。

圖1 移動(dòng)窗口劃分示意圖

針對(duì)移動(dòng)窗口有效性判斷采用CO2特性曲線定義，如圖2 所示，若窗口平均車速下的CO2排放在特性曲線上、下公差范圍內(nèi)，則表示窗口有效，反之則無效。其中CO2特性曲線受Ⅰ型試驗(yàn)的三個(gè)排放點(diǎn)P1、P2、P3的CO2排放結(jié)果所限制。曲線由兩部分組成：在0 ～ P2車速范圍內(nèi)，CO2排放量是在以（V P1，1.2×MCO2，1）和（VP2，1.1×MCO2，2）所形成的一元一次曲線；在P2～ 145 km/h 車速范圍內(nèi)，CO2排放量是在以（VP2，1.1×MCO2，2）和（VP3，1.05×MCO2，3）所形成的一元一次曲線。上下公差指的是CO2特性曲線最大上下偏差范圍，基本偏差為25%，擴(kuò)展偏差為50%。

圖2 窗口有效性判斷

另外，定義平均車速小于45 km/h 為市區(qū)窗口，平均車速在45 km/h～80 km/h 范圍內(nèi)為郊區(qū)窗口，平均車速在80 km/h ～ 120 km/h 范圍內(nèi)為高速公路窗口，所有窗口占比均在15%以上，則判定試驗(yàn)有效。至少有50%的市區(qū)、郊區(qū)和高速公路窗口落在上述基本偏差范圍內(nèi)，如果不滿足要求，則在30%的最大限值范圍內(nèi)按1%的步長增加正上基本偏差，直到滿足要求。

為計(jì)算總行程個(gè)污染物的排放量，分別計(jì)算市區(qū)、郊區(qū)和高速的總行程窗口特性排放的加權(quán)平均值，再按0.34、0.33、0.33 的加權(quán)系數(shù)對(duì)窗口加權(quán)平均值進(jìn)行相加。其中窗口加權(quán)平均值計(jì)算式為：

式中：ωj為每個(gè)窗口的加權(quán)系數(shù)。

假使在窗口CO2排放量在CO2特性曲線基本偏差曲線內(nèi)，ωj=1；居于基本偏差曲線和擴(kuò)展偏差曲線范圍內(nèi)，ωj與CO2排放量呈線性關(guān)系。總行程各污染物排放量計(jì)算式為：

式中：u、r、m分別代表市區(qū)、郊區(qū)和高速。

1.2 臺(tái)架法計(jì)算方法

在滿足法規(guī)所要求的行駛路線要求的情況下，如圖3 所示，以全程下的排放量作為衡量實(shí)際道路試驗(yàn)排放的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算公式如式（3）所示。

圖3 RDE 車速圖

式中：μgas為排氣組分密度和空氣密度比。Cgas為修正后的排氣組分濃度，ppm，其中CO 和CO2經(jīng)過干濕基修正，NOx 不需要修正[4]；MExh為瞬時(shí)排氣流量，kg/h；D為全程數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 分段排放結(jié)果

對(duì)3 臺(tái)車的RDE 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行研究，對(duì)包含冷啟動(dòng)的各分段排放結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，如圖4、圖5所示。圖中所示為各污染物在包含冷啟動(dòng)情況下，分段排放（g/km）與全程排放（g/km）的比值。可以看出，CO 排放量在高速窗口區(qū)占比較大，這也是主要因?yàn)楦咚傩旭偟能囕v負(fù)荷相對(duì)較大，需要相對(duì)比較大噴油量，燃油不完全燃燒的比例增加所導(dǎo)致。NOx 排放主要集中在市區(qū)，其排放量是郊區(qū)窗口的2.8 倍，高速窗口的3.8 倍。車輛急加急減速對(duì)NOx 排放量的影響大于車輛負(fù)荷的影響。

圖4 分段CO 排放結(jié)果

圖5 分段NOx 排放結(jié)果

2.2 冷啟動(dòng)的影響

對(duì)包含和不包含冷啟動(dòng)的各分段排放結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后，冷啟動(dòng)僅對(duì)市區(qū)窗口的CO 和PN 排放有很大的影響，進(jìn)而影響到全程的排放。其對(duì)NOx 的窗口及全程排放幾乎沒影響。在市區(qū)窗口內(nèi)，冷啟動(dòng)對(duì)CO和PN 排放增加量不可忽視，相較不包含冷啟動(dòng)的市區(qū)窗口排放，最大為4.4 倍，見表1。即使CO 排放主要集中于高速窗口，冷啟動(dòng)階段所產(chǎn)生的大量排放污染物還是讓全程CO 排放有所增加，最大增加12.6%，PN 排放最大增加38.5%。

表1 市區(qū)窗口各污染物分段排放和全程排放表

2.3 臺(tái)架法計(jì)算結(jié)果與RDE 結(jié)果差異

使用兩種計(jì)算方法的全程排放結(jié)果見表2。不管包含冷啟動(dòng)與否，在用于對(duì)比的18 組數(shù)據(jù)中，除極少數(shù)使用轉(zhuǎn)轂計(jì)算的結(jié)果在RDE 數(shù)據(jù)結(jié)果之上，其余基本處于略小于RDE 數(shù)據(jù)結(jié)果范圍內(nèi)。其中CO 和PN 排放基本相差10%范圍內(nèi)，平均相差4.7%和3.9%，NOx 排放相差在20%范圍內(nèi)，平均相差12.2%。而在包含冷啟動(dòng)的結(jié)果對(duì)比數(shù)據(jù)來看，二者差距進(jìn)一步縮小，整體來說，RDE 數(shù)據(jù)結(jié)果仍舊偏大。

表2 臺(tái)架排放計(jì)算與RDE 計(jì)算對(duì)比表

3 結(jié)論

在輕型車RDE 試驗(yàn)中，CO 排放量主要處于高速窗口，NOx 高排放點(diǎn)處于市區(qū)窗口。應(yīng)加強(qiáng)研究這兩種實(shí)際道路工況的減排方案。冷啟動(dòng)期間產(chǎn)生的CO和PN 對(duì)市區(qū)窗口排放影響較大，甚至使得全程排放的增加量不可忽視，但對(duì)NOx 排放影響甚微。在18組包含冷啟動(dòng)和不包含冷啟動(dòng)的數(shù)據(jù)中，臺(tái)架法結(jié)果整體偏低于RDE 法。CO 和PN 排放的一致性要好于NOx 排放，平均相差在4.7%和3.9%以內(nèi)，具備一定的參考意義。