不同環境條件下輕型車RDE測試排放特性研究

王 欣,葛蘊珊*,蔣 平,王顯剛,曾 軍,辜冬林,徐長健,李家琛

不同環境條件下輕型車RDE測試排放特性研究

王 欣1,葛蘊珊1*,蔣 平2,王顯剛2,曾 軍2,辜冬林2,徐長健2,李家琛1

(1.北京理工大學機械與車輛學院,北京 100081；2.重慶長安汽車股份有限公司,重慶 400023)

以一輛國六排放標準的缸內直噴輕型汽油車為研究對象,試驗測量了不同環境溫度和測試海拔對于RDE試驗常規污染物排放的影響規律.試驗結果表明,相比于常溫(23℃)測試,更高的測試環境溫度(30℃)增加了后處理裝置的熱負荷,更易觸發燃油加濃,使試驗車輛的CO和PN排放增加、NOx排放略有降低.試驗發現在30℃溫度下,測試海拔的增加使車輛的道路阻力需求降低,從而降低燃油加濃頻率,導致CO和PN呈現隨海拔升高而降低的趨勢.此外,CO和市區階段的PN排放對于RDE邊界測試條件的變化具有相對較高的敏感度,表明車輛在排放標定時仍有進一步精細化的必要.

輕型汽油車；RDE；環境溫度；海拔高度

為了有效降低機動車在實際運用過程中的污染物排放,我國輕型車第六階段排放標準首次將實際駕駛排放(RDE)納入型式核準內容[1].不同于實驗室測試中嚴格的邊界條件控制,RDE測試允許在-7～35℃環境溫度?0～2400m海拔范圍內,以實際駕駛場景下可能出現的駕駛風格,在以市區、市郊和高速路組成的實際道路上完成測試,并以移動平均窗口法(MAW)進行排放量計算[2-3].隨著國六標準的實施,國內學者對于可能影響RDE測試結果的邊界條件,包括行程動力學參數[4-8]?海拔[8-10]、冷起動[8,11]、油品組分[12-13]、混合動力車能量管理策略[8,14-16]以及數據處理方法[8,17],均開展了研究,但受制于實際道路上開展RDE測試的再現性,結論尚存在較大的分歧.

我國地域遼闊,由北至南跨越寒帶、溫帶、亞熱帶和熱帶,環境溫差極大.同時,我國約有26%的領土位于海拔1000m以上地區,高海拔地區機動車保有量超1500萬輛[18].此前的研究已表明,環境溫度和高海拔條件均對車輛的氣態污染物和顆粒物排放有較大影響[19-20].鑒于此,開展測試環境溫度和海拔對輕型車RDE測試影響研究對于我國的在用車排放管控和大氣質量改善具有很強的現實意義.

在便攜式排放測試系統(PEMS)廣泛應用以前,海拔影響研究多采用發動機臺架模擬測試,并主要在柴油機上開展.針對海拔高度對柴油機排放性的影響,Graboski等[21]對比海平面和高海拔條件下柴油機顆粒物(PM)排放研究表明,海拔升至5820英尺時,PM排放增加了50%～67%.He等[22]在模擬2000m海拔條件時測得排氣不透光度較海平面時增加了6倍,同時顆粒物數量(PN)約增加了半個數量級; Bishop等[23]分析了5772組重型卡車遙感排放數據發現,一氧化碳(CO)?碳氫化合物(HC)和PM排放量均隨海拔的升高而增加;Yin等[24]和Liu等[18]采用非法規PEMS對輕型柴油車在高海拔條件下的顆粒物排放粒徑分布進行了測量,并發現高海拔條件下顆粒物的平均粒徑呈縮小趨勢,但PN排放濃度增大.這一規律與馬志成等[10]在青海省開展的國六輕型柴油車的1900～3000m海拔比對測試的PN排放結果基本吻合.

此外,程亮等[7,9]針對輕型汽油車開展的高海拔RDE模擬和實際測試結果表明,CO和NO排放在市區工況下隨海拔增加而增加,而在高速和綜合工況下分別呈現先增后降、先降后增的趨勢,PN排放隨海拔變化的趨勢不明顯.總體而言,高海拔條件下,汽油車NO超標的風險增加.

針對環境溫度對柴油機排放性的影響,Kwon等[25]使用PEMS在不同溫度下對六臺歐六輕型柴油車的氮氧化物(NO)排放進行了比對測試,結果表明,由于廢氣再循環和后處理性能降低,0～5℃環境溫度下的NO排放較15～20℃高出82～192%.這一現象與Hata等[26]在不同季節條件下采用同一試驗車獲得的PEMS測試結果一致.此外,Park等[27]指出,不同于柴油車,滿足ULEV和SULEV標準汽油車的實際駕駛NO排放對于環境溫度的變化不敏感,且不存在超標現象.

從上述綜述中可以看出,此前針對環境溫度和海拔影響的研究主要集中于柴油車和低溫環境.對于汽油車和夏季高溫條件下的研究較少,導致沒能充分考慮車輛在實際行駛過程中的運行環境,進而導致實際道路測試再現性較差.為了避免上述問題,本研究以一臺滿足國六排放標準的代表性輕型汽油車為研究對象,在環境模擬實驗室內使用PEMS設備對測試車輛在激烈駕駛工況RDE等效循環下的污染物排放開展重復性測試,以探究環境溫度和海拔對輕型汽油車RDE排放的影響規律.

1 試驗方法

1.1 測試設備

圖1所示為試驗設備示意圖,測試車輛在底盤測功機(BBK-M4601)上依照RDE試驗等效曲線進行測試,并使用HORIBA公司OBS-ONE系列PEMS設備對尾氣污染物進行實時測量.OBS-ONE主要由氣體分析模塊、顆粒數(PN)分析模塊和排氣流量計組成.顆粒物濃度(個/cm3)由凝結粒子計數器(CPC)測量,PN測量時的50%切割效率直徑(D50)為23nm.排氣體積流速(m3/min)由皮托管流量計測量.整套試驗設備還包括GPS模塊、濕度計、OBD通信模塊、供電電池、駕駛輔助屏幕和冷卻風機等輔助設備.

圖1 試驗設備示意

1.2 測試車輛

研究項目共對搭載同一系族發動機的三種車型開展了比對測試,結果規律基本一致.本文選取了其中一輛進行了重復性測試(3次,污染物測試結果的不確定度以標準差給出)車輛,對其結果進行分析.該試驗車為滿足國六標準的輕型汽油車,搭載一臺排量1.5L的直噴增壓發動機,配備了三元催化器,未加裝排氣顆粒物捕集裝置.所有比對測試中,試驗車輛均使用同一批次滿足國六標準的市售#92汽油.測試車輛的主要技術參數如表1所示.

表1 測試車輛主要技術參數

1.3 測試循環

圖2所示為車輛在底盤測功機上運行的RDE等效測試循環,循環曲線由三部分組成,分別對應RDE試驗市區段、市郊段和高速段,循環總計用時5485s.該RDE等效循環市區?市郊和高速段的v*apos[95]和RPA值分別為19.39,23.54,24.31m2/s3以及0.41,0.18, 0.19m/s2,屬于法規邊界內非常激烈的駕駛行為.

圖2 測試循環速度曲線

2 結果與分析

2.1 不同環境溫度試驗

圖3和圖4分別給出了常溫(23℃)和高溫(30℃)條件下,試驗車輛在該激烈RDE循環測試中的CO、NO和PN排放測試結果以及逐秒排放速率曲線.需要說明的是,圖3中的3種污染物的排放因子是根據國六法規中的移動平均窗口法(MAW)計算得出.相比于通過逐秒積分獲得的排放因子(圖4中污染物濃度和速度曲線與橫軸間封閉區域面積之比), MAW借助窗口移動,提高了數據的利用率和位于整個RDE行程中后部排放事件在排放結果計算中的權重.

由圖3a可見,在市區?市郊?高速和整個RDE行程中,特別是在市區工況中,較高的測試環境溫度都不利于對CO排放的控制.如圖4a所示,除了在冷起動的瞬間,常溫測試具有更高的CO排放速率,這是由于相對較低的進氣溫度調用了更大的冷起動加濃系數導致的.但在冷起動后,常溫測試中的CO排放速率降低至接近于0的水平.而在高溫測試中出現了一些對應于急加速過程的CO峰值,并且這些CO峰與駕駛工況間存在重復性.這一現象表明,這些CO峰值的產生與發動機控制有關.一方面,由于目前國六標準中實驗室型式核準試驗僅在23℃和-7℃條件下開展,排放標定對于測試環境溫度以外的運行工況標定相對放松.另一方面,市區工況后部的CO峰值更加明顯,這可能與此時后處理裝置的溫度更高,調用了催化器超溫保護(COP)加濃策略有關.當催化器內部的溫度因發動機負荷過大而逼近催化劑或載體失效溫度時,發動機控制系統會通過加濃混合氣的方式來降低排氣溫度以避免燒毀風險[28].這一現象在圖4a中的市郊和高速階段有著非常明確的體現.在市郊階段加速度最大的三個工況中的后兩個,高溫測試中都出現了很高的因COP而引起的CO排放峰值.第一次急加速時未產生CO峰值是因為此時市區駕駛的負荷相對較低,后處理裝置的溫度尚未達到觸發COP的條件.而在高速階段,由于循環的激烈程度更高,即使是常溫測試中也出現了COP加濃引起的CO峰值.但從圖4a中的對比可以看出,高速階段的四次COP加濃中,常溫測試都得以使用更小或更短的加濃,只有在最后一次COP加濃時,常溫和高溫測試的CO排放速率才達到相近水平,表明所調用的加濃程度相當,這是由于此時后處理溫度最高,對環境溫度的敏感度降至最低.

由圖3b可見,隨著測試環境溫度的升高,試驗車的NO排放在整個RDE行程和其中的各個階段都有不同程度的下降.其中,市區階段的降幅最為明顯.從圖4b中可以看出,更高的測試溫度有利于后處理裝置盡快達到工作溫度,進而在冷起動后的暖機階段實現更低的NO排放速率.此外,結合圖3a和圖4a中給出的CO排放結果也可以看出,在高溫測試條件下,測試車輛更傾向使用偏濃的混合氣.汽油車的NO排放以熱力型NO為主,高溫?富氧和更長的反應時間是決定NO排放生成速率的核心因素[29].由于高溫環境溫度加重了后處理裝置的熱負荷,COP加濃策略被更頻繁地調用,NO生成反應在過量空氣系數為0.8～0.9時被大幅抑制.因此,高溫測試相比常溫測試反而減少了缸內富氧條件出現的幾率,進而引起市郊和高速階段高溫測試相比于常溫測試NO排放略低.

如圖3c所示,在整個RDE等效循環測試中,高溫測試較常溫測試的PN排放量增加了12.9 %.這主要是由于市區階段,高溫測試中的PN顯著高于常溫測試.從圖4c中不難看出,在冷起動和之后的加速中,高溫測試時的PN排放速率明顯高于常溫時.不同于顆粒物質量,PN排放速率與燃料燃燒的不完善度并非單調關系.盡管常溫下的冷起動加濃系數更大,這一點可以通過圖4a中相對較高的CO排放速率印證,但是常溫下的燃料霧化與燃燒品質不及高溫,使得顆粒物的粒徑尺寸有增加的趨勢,反而有助于降低PN排放速率.高溫測試進行至約400s后出現的密集且明顯高于常溫測試的連續PN峰值可能也是在這一作用機制下形成的.而對于常溫測試中出現在500s附近的PN峰值,一個可能的解釋是由于常溫測試尚未完全退出暖機加濃程序;因此在此后的市區駕駛中,盡管速度曲線出現重復的工況,但是并未再出現類似的PN峰值.

圖4 不同環境溫度測試污染物瞬時排放

在市郊和高速階段,由于后處理系統溫度過高而觸發的COP加濃同樣對高溫測試的PN排放結果產生了影響.在市郊的兩次和高速的四次COP加濃過程中,PN排放都出現了相應的峰值,使得高溫測試中高速階段的PN排放也高于常溫測試.在RDE等效循環測試末尾的減速階段,常溫和高溫測試中都出現了一個排放速率相當的PN峰值.這一PN峰值形成于減速階段,與燃燒基本無關,主要是在發動機制動過程中,因潤滑油膜和后處理器內部顆粒物氧化而形成的PN峰值,其中以小粒徑的無機碳顆粒物為主[30].

就本研究所采用的試驗車而言,在更高的環境溫度下進行RDE排放測試,會導致CO和PN排放的增加而NO排放略有降低.其中,CO排放對測試環境溫度的變化最為敏感,表明在非法規測試條件下的排放控制精細化程度仍有提升的空間.除此之外,盡管總行程內PN排放的增幅不大,但市區階段的PN排放在高溫測試中增幅達到了31.6%,對在用階段RDE排放合規構成了挑戰,應當引起重視.

2.2 不同海拔試驗

圖5和圖6中分別給出了在30℃的高溫條件下,使用海拔環境模擬裝置進行的400m?1300m和1900m海拔影響對比測試的排放因子和排放速率曲線.需要說明的是,由于1300m和1900m海拔已經分別進入到國六排放標準海拔擴展和進一步擴展條件,因此在進行圖5的污染物排放因子計算時,已經按照法規的要求,將排放結果分別除以1.6和1.8的調整系數.

由圖5a可見,在整個RDE行程中,隨著海拔的增加,CO排放呈現出逐漸下降的趨勢,盡管在將海拔擴展修正系數乘回后,這種差異變得并不很顯著.結合圖6a中的逐秒排放曲線不難發現,在市郊和高速階段,400m海拔試驗CO排放最多的核心原因為道路阻力需求的下降.而在市區階段,低海拔CO排放偏高則主要源于急加速過程中可能出現加速加濃策略[31].

車輛CO排放是燃料因缺氧無法完成向CO2轉化而形成的不完全燃燒產物[29].對于絕大多數時間都使用當量混合氣的汽油發動機,缺氧僅發生于缸內混合不均的局部,加之后處理裝置的高效轉化,CO排放可被有效控制.隨著海拔的升高,空氣密度降低,從而降低了進氣的湍流強度,不利于油氣的充分混合和燃燒,有使CO排放增加的趨勢.

由圖6a可見,由于本研究采用的RDE循環激烈程度很高,導致了多處混合氣加濃發生,進一步加劇了汽油車RDE測試中CO的增加幅度[32].相比于當量混合氣工況下的局部缺氧,混合氣加濃工況下缸內處于總體缺氧,且后處理裝置的轉化能力大幅下降,此時的CO排放量遠高于當量比燃燒[29],這是導致本研究中試驗車CO排放量變化的主要原因.

行駛中的車輛,其傳遞到輪邊的驅動力與來自路面的摩擦阻力、加速阻力、坡道阻力和作用于車身的空氣阻力之和相平衡,據此可根據公式(1)計算車輛在某一時刻的比功率(VSP)[33].

fvgcos+gvsin(1)

式中:F、F、F、F分別代表加速阻力、空氣阻力、摩擦阻力和坡道阻力;、和分別為車輛行駛時的加速度、速度和質量;air、C、分別為空氣密度、車輛風阻系數和迎風面積;、、則代表輪胎的滾動阻力系數、當地重力加速度以及道路的坡度.

隨著海拔的增加,重力加速度略有降低,但這一影響在模擬試驗中并不涉及,進而使得海拔升高對道路阻力的最直接影響表現為空氣阻力的下降.海拔每升高1000m,空氣密度約降低12%.這使得高海拔條件下車輛的行駛阻力降低.從公式(1)中可以看出,空氣阻力項與車速的三次方成正比,因此空氣密度下降的影響理論上隨著車速的增加會愈發明顯[18,33].發動機的絕對負荷隨海拔升高而下降,這將同時降低激烈駕駛工況中因急加速或催化器超溫保護而調用加濃策略的強度和頻率.但由于本研究采用的RDE循環駕駛風格十分激烈,高速階段的動力需求很高,仍無法避免頻繁加濃的發生.因此,如圖5a所示,道路阻力降低導致的加濃系數減小在市郊階段更為明顯.

不同海拔條件下的NO排放,如圖5b所示,在整個RDE行程和其間的三個階段都呈現出隨海拔先升高后降低的變化規律.從圖6b中的逐秒曲線可以看出,導致1300m海拔時市區和市郊階段NO排放量最高的主要原因是出現在各個急加速初期較小但頻繁的NO峰值.對比圖6a中CO排放速率可以看出,這一NO峰值對應了高速階段第一次COP加濃策略調用.并且在1300m測試中,這一次COP加濃所引起的CO排放速率也是最高的.CO和NO排放的同時增加表明在這一加濃事件中,后處理裝置的轉化效率發生了嚴重的下降.而相比于其它海拔測試,1300m測試時后處理裝置轉化效率下降的幅度最大.

圖6 不同海拔高度測試污染物瞬時排放

圖5c中給出了三種海拔測試條件下的PN排放因子對比.從圖中可以看出,在整個RDE行程和市區、市郊、高速三個階段,PN排放都隨著海拔的升高而下降.造成這一現象主要有兩個方面的原因.首先,在市郊和高速階段,由于高海拔條件下道路阻力的下降,發動機的動力需求和熱負荷均下降,而由于廢氣渦輪增壓的存在,發動機在高海拔條件下的動力恢復較好,所以在急加速過程中因加濃產生的PN峰值較400m海拔時明顯減少.其次,從圖6a中1900m海拔條件下的CO排放也可以看出,進入市郊和高速階段后,試驗車輛的不完全燃燒產物增加,這反映了缸內燃燒的惡化.惡化的缸內燃燒有使顆粒物粒徑增加的趨勢,孤立的核態顆粒物更傾向于發生凝聚并形成粒徑更大的積聚態顆粒物,進而導致PN排放的降低.

3 結論

3.1 相比于常溫(23℃)測試,更高的測試環境溫度(30℃)增加了后處理裝置的熱負荷,從而更易觸發COP加濃,使得試驗車輛的CO和PN排放都出現了不同程度的增加,而NO排放略有降低.

3.2 在高溫測試條件下,測試海拔的增加使車輛的道路阻力需求降低,從而減少了燃油加濃事件的發生,CO和PN呈現出隨海拔升高而降低的趨勢.

3.3 整體而言,CO和市區階段的PN排放對于RDE邊界測試條件的變化具有相對較高的敏感度,一方面反映出在法規循環以外的工況下,排放標定仍有進一步精細化的必要和可能,另一方面也指明了面向國六b階段在用符合性檢查和未來標準合規的優化方向.

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Emission characteristics of light duty vehicle in RDE tests under different environmental conditions.

WANG Xin1, GE Yun-shan1*, JIANG Ping2, WANG Xian-gang2, ZENG Jun2, GU Dong-lin2, XU Chang-jian2, LI Jia-chen1

(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081；2.Chongqing Chang-an Automobile Company Limited, Chongqing 400023)., 2022,42(6)：2561～2568

The effect of different ambient temperatures and altitudes on the tailpipe emissions from the RDE test was measured on a China-6emission standardlight-duty direct-injection gasoline vehicle. The results showed that the 30oC ambient temperature increased the heat load on the aftertreatment devices compared to the 23oC ambient temperature test, resulting in an increase in CO and PN emissions and a slight decrease in NOemissions from the test vehicle. It is found that at 30oC, the increase in test altitude reduced the vehicle's road resistance requirements, which in turn reduced the frequency of fuel enrichment, resulting in a trend of decreasing CO and PN with increasing altitude. The results also show a relatively high sensitivity of CO and PN emissions in the urban phase to changes in RDE testboundary conditions, indicating that further refinement of the vehicle's emissions calibration is still necessary.

light-duty gasoline vehicles；RDE；ambient temperature；altitude

X703.1

A

1000-6923(2022)06-2561-08

王 欣(1989-),北京人,副教授,博士,主要從事車輛污染物排放方面的研究.發表論文 篇.

2021-12-01

國家自然科學基金資助項目(51806015)

* 責任作者, 教授, geyunshan@bit.edu.cn