輕型汽油車實際行駛排放試驗中冷啟動排放的評估

陳凌建，杜寶程,，彭竟德，徐劃龍，王 彬，張 力

(1.重慶大學 機械與運載工程學院，重慶 400044；2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

機動車保有量的持續增長給中國環境帶來了巨大壓力。研究表明，大氣中的氮氧化物、顆粒物等污染物主要來源于汽車尾氣排放，尤其是在城市區域[1-2]。為有效防治機動車尾氣排放，改善環境質量，中國生態環境部于2016年12月發布了《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》排放法規。該法規不僅新采用了WLTC(world light-duty test cycle)測試循環,提高了污染物排放達標的要求，還要求車輛進行實際行駛排放(real driving emission, RDE)試驗，進一步提高車輛排放測試結果的可靠性和真實性[3-4]。

RDE試驗采用便捷式車載排放測試系統(portable emissions measurement systems, PEMS)，可在車輛行駛于實際道路的過程中對其污染物排放進行實時監測、分析，這無疑有利于得到更符合車輛真實情況的排放結果[5-6]。為此，國內外學者已經開展了大量RDE試驗，但絕大部分都僅僅分析了車輛在非冷啟動階段的排放特征。宋彬等[7]研究了行駛動力學參數對RDE試驗非冷啟動行程排放結果的影響。鄒杰等[8]利用PEMS分析了路線的累積正海拔增量對RDE試驗結果的影響。Costagliola等[9]和Suarez-Bertoa等[10]都對RDE試驗邊界條件與非冷啟動階段污染物排放的關系進行了研究。目前國內外學者主要關注輕型車的非冷啟動排放，而對RDE試驗中的冷啟動排放研究較少。

由于車輛冷啟動期間的發動機、潤滑系統和尾氣后處理系統的溫度尚未達到正常水平，其污染物排放往往非常嚴重。現有研究發現在實驗室標準循環下冷啟動階段的污染物排放比熱機狀態下的排放高11～15倍[11-12]。因此，在RDE試驗中考慮冷啟動排放有較大的實際意義。歐洲的RDE法規已經走在前列，在其2017年發布的歐六 Package 3中要求將RDE試驗的冷啟動排放納入市區和全行程排放中計算評估[13]。在此背景下，近幾年已有學者開始利用PEMS對冷啟動排放展開研究。Faria等[14]研究發現RDE試驗中冷啟動工況的燃油消耗和污染物排放都顯著高于非冷啟動工況。Varella等[15]重點研究了冷啟動工況的燃油消耗和NOx排放，發現初始環境溫度對兩者有一定影響但并不具備明顯的相關性。Dimaratos等[16]的研究表明冷啟動階段的CO、NOx和PN排放是RDE試驗的市區總排放主要來源。Du等[17]從評估方法、發動機啟動時熱狀態以及環境溫度幾個角度探究RDE試驗下冷啟動排放的影響因素。在相關研究中，國內外學者主要關注的是溫度因素對冷啟動排放的影響，缺少從RDE法規角度考慮冷啟動試驗邊界條件(如環境條件、行程動力學狀態等)對試驗結果的影響，以此確定可實施的冷啟動試驗程序。中國國六法規正逐步在全國范圍內實施，有關下一步排放法規的修訂也在持續推進，將冷啟動排放納入RDE試驗中評估是未來法規發展的必然趨勢。

為探究輕型汽油車在RDE試驗中的冷啟動排放特征，筆者利用PEMS對1輛輕型汽油車進行了共計8次RDE試驗，分析其冷啟動階段污染物(CO、CO2、NOx、PN)排放特征及排放結果產生差異的原因。

1 試驗方案

1.1 試驗車輛

試驗選用1輛滿足國六a階段法規要求的輕型自動擋汽油車，發動機排量為2.0 L，最大功率為151 kW，燃油標號為92號汽油，采用渦輪增壓和缸內直噴技術，噴油控制策略為閉環控制，并配備有三效催化轉化器和汽油機顆粒物捕捉器作為尾氣后處理裝置，整車整備質量為1 935 kg，進行本試驗前已行駛里程11 596 km。

1.2 測試設備

車載排放測試設備安裝布置如圖1所示，選用日本HORIBA公司生產的OBS-ONE便攜式排放測試系統，其測試模塊主要分為兩大板塊：氣體污染物分析儀(HORIBA-GS)和顆粒物實時測量系統(HORIBA-PN)，分別測量機動車尾氣氣態污染物和顆粒物的濃度。同時，利用全球定位系統(GPS)獲取車速、經度、緯度和海拔高度信息，環境溫度和濕度信息由氣象站監測，車載診斷(OBD)提供發動機轉速、冷卻液溫度等發動機運轉參數。

1.OBS-ONE主單元；2.電池；3.GPS；4.氣象站；5.控制計算機；6.OBD通訊連接；7.排氣流量計圖1 車載排放測試設備安裝布置示意圖Fig. 1 The installation layout of PEMS equipment

1.3 試驗路線與測試步驟

所有RDE試驗均在重慶市進行，在渝北區和江津區選取了4條路線，具體試驗路線見圖2。此外，表1展示了4條路線的道路坡度信息，表中“平緩路段占比”統計的為道路坡度在±1%范圍內行駛的里程在相應路段總行駛里程中的占比；“上坡路段占比”和“下坡路段占比”統計的分別為道路坡度大于1%和小于-1%的行駛里程在相應路段總行駛里程中的占比。所選的試驗路線均覆蓋了市區、市郊和高速3種路段，并確保每條路線的市區、市郊和高速路段的行駛距離超過16 km，試驗總行駛時長均保持在90～120 min。

表1 試驗路線信息

圖2 試驗路線Fig. 2 Experimental routes

測試步驟嚴格按照國六法規相關要求執行，每條路線完成2次RDE試驗，共計8次試驗。每次試驗前車輛都經過了12 h以上的浸車處理，確保發動機潤滑油、冷卻液和尾氣后處理裝置的溫度與環境溫度達到一致。此外，所有試驗均從市區開始，依次行駛于市區、市郊及高速3種道路，其中市區行駛車速低于60 km/h，市郊行駛車速在60 km/h和90 km/h之間，高速路段車速大于90 km/h但低于120 km/h。每次試驗都記錄了試驗車輛在冷啟動、市區、市郊和高速工況下行駛的測試數據。車輛在4條路線的行駛工況信息以及試驗過程中的大氣壓力變化如圖3所示。

圖3 行駛工況及測試過程大氣壓力變化圖Fig. 3 Speed-time profile of the four routes and change of atmospheric pressure during tests

2 冷啟動行程信息與排放量計算

2.1 冷啟動行程

對于冷啟動持續時段，國六法規采用時間和發動機冷卻液溫度兩條并行判別標準，即車輛初次啟動發動機后的300 s內為冷啟動階段；或以冷卻液溫度達到70 ℃作為冷啟動結束的標志，但前提是冷卻液溫度達到70 ℃的時間不超過發動機初次啟動后300 s。將8次RDE試驗按照1～8進行編號，試驗的冷啟動行程信息如表2所示。T0為初始冷卻液溫度，Tend為冷啟動判斷結束時冷卻液溫度，P為冷啟動行程的平均大氣壓力。

表2 8次RDE試驗冷啟動行程信息

2.2 排放量計算方法

國六RDE法規目前只要求記錄冷啟動階段的排放數據，而在最終的市區和全行程排放量計算過程中需將其剔除(即不考慮冷啟動排放)。此外，國六法規規定采用移動平均窗口法計算污染物排放因子(單位行駛里程的排放量)，但有研究表明采用移動平均窗口法處理包含冷啟動的RDE試驗數據并不合理[17]，筆者在研究中也發現移動平均窗口法無法準確得到冷啟動排放因子。因此，在后續分析中沒有采用移動平均窗口法計算冷啟動以及市區的排放因子，而是參照歐六RDE法規Package 4中的辦法對包含冷啟動的瞬時排放數據進行直接累積平均得到污染物的排放因子，如式(1)所示。

(1)

式中：Eφ,k為污染物排放因子，下標φ表示污染物排放類別(CO、CO2、NOx、PN)，下標k指代路段(市區或全行程)；Mφ,i為污染物瞬時質量排放,i=1,2,…,k；Dk為市區或全行程的行駛距離。

鑒于冷啟動排放最終是被納入RDE的市區和全行程中進行評估，研究中將冷啟動行程的瞬時質量排放累積后除以市區或全行程行駛距離得到冷啟動排放因子，以此來量化冷啟動排放對市區或全行程排放因子的貢獻，冷啟動排放因子計算式為

(2)

式中Eφ,c為冷啟動污染物排放因子，下標c指代冷啟動行程。

3 試驗結果

3.1 冷啟動污染物排放結果

采用累積平均法計算得到市區和冷啟動行程的CO、CO2、NOx及PN排放因子如圖4所示。此外，圖4還以百分數的形式展示了冷啟動行程的污染物排放在整個市區行程排放中的占比。由圖可見，冷啟動排放在市區排放中占有相當大的比重，其中，8次試驗冷啟動行程的CO排放在各自市區CO排放中的占比平均達到了28.3%，其最高占比達到51.5%。冷啟動行程的NOx排放平均占比高達31.9%，PN排放平均占比更高達39.8%。而冷啟動行程的CO2排放在市區排放的占比明顯低于CO、NOx和PN排放，最高占比僅為9.1%。由此說明，雖然冷啟動持續時間短(不到300 s)，但期間污染物排放極高，冷啟動排放必定是未來傳統燃油車排放控制的重點，因而在RDE試驗中考慮冷啟動排放有較大的實際意義。

圖4 市區(含冷啟動)行程與冷啟動行程的污染物排放結果對比Fig. 4 Comparison of pollutant emission results between the urban trips (including cold-start) and cold-start trips

此外，從圖4還可以看出，8次試驗冷啟動污染物排放因子變化范圍很大，尤其是CO、NOx和PN排放，在RDE試驗中考慮冷啟動排放勢必會進一步降低試驗的可重復性和評估結果的一致性。因此，有必要對冷啟動排放差異產生的原因加以研究。

3.2 冷啟動排放影響因素

3.2.1 溫度因素

圖5為8次試驗冷啟動污染物排放因子隨冷啟動階段的平均冷卻液溫度變化關系圖，此外，圖中還以氣泡直徑表示冷啟動階段的平均環境溫度，以氣泡顏色區分試驗路線，從而可綜合考慮平均冷卻液溫度、環境溫度以及試驗路線對冷啟動排放因子的影響。每條路線完成了2次試驗，故一共有8個、4種顏色不同的氣泡。由圖5可知，冷啟動CO2和CO排放因子都與平均冷卻液溫度表現出良好的負相關性，但NOx和PN排放與平均冷卻液溫度沒有明顯的相關性。從氣泡大小來看，所有污染物排放高的氣泡其直徑時大時小，并無明顯的規律，說明平均環境溫度對冷啟動排放因子影響有限，這可能是由于本文的試驗環境溫度均在20 ℃以上，環境溫度變化對冷啟動排放的影響不明顯；此外，從氣泡顏色分布來看，同一顏色的氣泡對應的污染物排放因子有高有低，說明試驗路線也不是冷啟動排放因子產生差異的主要原因。

圖5 冷啟動污染物排放隨平均冷卻液溫度和環境溫度變化關系Fig. 5 ollutant emission of cold-start with average coolant temperature and ambient temperature

車輛冷啟動階段的平均冷卻液溫度主要與初始冷卻液溫度(通常與環境溫度一致)及發動機的運轉情況有關，低溫環境會影響平均冷卻液溫度、尾氣后處理系統的起燃時間并延長冷啟動持續時間，因而會對冷啟動排放產生影響[18]。而當前RDE法規的溫度邊界條件(普通條件0～30 ℃；擴展條件-7～0 ℃或30～35 ℃)對于開展冷啟動試驗可能過于寬泛。

3.2.2 行程動力學因素

圖6 冷啟動污染物排放隨平均車速和RPA變化關系Fig. 6 Pollutant emissions of cold-start with average vehicle speed and RPA

圖7 冷啟動污染物排放隨平均車速和vapos[95]變化關系Fig. 7 Pollutant emissions of cold-start with average vehicle speed and vapos[95]

3.3 冷啟動前50 s污染物排放

圖8 冷啟動全程與冷啟動前50 s的污染物排放結果對比Fig. 8 Comparison of pollutant emission results between total cold-start trips and the first 50 seconds of cold-start

圖9 冷啟動前50 s污染物瞬時排放與瞬時vapos對比Fig. 9 Comparison of instantaneous pollutant emissions and instantaneous vapos in the first 50 seconds of cold-start

4 結 論

1)實際行駛排放(RDE)試驗中冷啟動排放對市區排放的貢獻較大，尤其是冷啟動初始階段(如冷啟動的前50 s)的排放。冷啟動階段的CO、NOx和PN排放在市區排放中的占比分別高達28.3%，31.9%和39.8%，冷啟動階段的CO2排放的平均占比也達到了5.8%。因此在RDE試驗中考慮冷啟動排放有較大的實際意義。

2)冷啟動試驗結果不具有重復性，不同RDE試驗中冷啟動CO、NOx和PN排放結果可能出現較大差別。從冷啟動全程來看，CO和CO2排放因子都與平均冷卻液溫度表現出較強的相關性；而NOx和PN排放因子與平均冷卻液溫度的相關性不明顯。此外，冷啟動NOx和PN排放因子與冷啟動階段的平均車速存在強相關性，CO2排放因子也與平均車速具有較強的相關性，而CO排放因子與平均車速的相關性不明顯。

4)文中試驗所涉及的環境溫度均在20 ℃以上，而低溫環境對冷啟動排放的影響不可忽視，當前RDE法規的溫度邊界條件對于開展冷啟動試驗可能過于寬泛，相關研究有待進一步深入。

當前國六RDE排放法規中尚未考慮冷啟動排放，為了更加真實、全面地評價車輛實際行駛污染物排放，將冷啟動排放納入市區和全行程排放中評估是十分必要的。但冷啟動的試驗結果重復性差，故在包含冷啟動排放的RDE試驗程序修訂過程中，需要充分考慮試驗邊界條件(如環境溫度、動力學參數)對冷啟動排放的影響，尤其要對冷啟動初始階段(如冷啟動的前50 s)的動力學參數進行嚴格限定，以便在考慮冷啟動排放的同時保證RDE試驗結果具有良好的一致性。