基于北京和昆明海拔條件下的國Ⅵ混合動力車實際道路排放特性研究

鄭 豐，趙海光，吉江林，尹 航，丁 焰，李加強

1. 西南林業大學機械與交通學院，云南 昆明 650224

2. 云南省高校高原山區機動車環保與安全重點實驗室，云南 昆明 650224

3. 中國環境科學研究院，國家環境保護機動車污染控制與模擬重點實驗室，北京 100012

4. 中國環境科學研究院機動車排污監控中心，北京 100012

隨著汽車工業的飛速發展，機動車保有量快速增加[1-3]，車輛排放已成為我國環境污染的重要來源[4-7].面對機動車排放產生的嚴重環境污染問題，不斷加嚴排放法規限值和使用清潔能源是減少汽車污染物排放的有效手段[8]. 混合動力作為內燃機動力汽車向純電動車過渡的橋梁技術，成為當前汽車發展中最具潛力的新興方向[9].

目前，各國法規規定的輕型車排放試驗均按特定試驗循環工況在實驗室轉轂上進行. 研究表明，實驗室測試循環不能完全反映實際行駛情況下的運行工況[10-14]，進而導致實驗室排放結果與實際排放狀況存在較大差異[15-19]. 原環境保護部于2016年12月23日發布GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》，規定在Ⅱ型試驗中采用便攜式排放測試系統(portable emissions measurement system, PEMS)測量測試車輛在實際道路行駛過程中的污染物排放(real driving emission, RDE)[20]；同時，該標準詳細規定了測試路線和測試程序要求. 目前，對混合動力汽車實際道路行駛的排放特性研究主要集中在不同行駛工況下的排放特征方面. 如Yang等[21-22]發現，混合動力車在實際道路行駛時由于頻繁的再起動導致混合動力車顆粒物數量(particle numbers，PN)較高；禹文林等[8]發現，當混合動力車輛處于較大負荷和急劇加速工況時易出現一氧化碳(CO)排放峰值，負荷突然增大的瞬間出現氮氧化物(NOx)和PN排放峰值；Ehrenberger等[23]發現，電池初始荷電狀態決定了混合動力車二氧化碳(CO2)絕對排放量. 以上對混合動力汽車實際道路行駛排放的研究均是基于在低海拔城市測試數據. 針對高海拔條件下排放影響研究主要集中在柴油發動機性能和燃料特性方面，涉及實際道路行駛排放的研究較少[24]，特別是對混合動力車的排放特征研究較為鮮見. 我國海拔1 000 m以上地區約占國土面積的58%，海拔2 000 m以上的地區占33%[25]，在這些地區登記的車輛超過1 500×104輛[26].不同海拔下的空氣密度、含氧量等環境條件存在差異，將對車輛排放產生一定的影響. 因此，開展不同海拔下的車輛實際道路排放測試十分必要.

基于此，該研究選擇了1輛國Ⅵ混合動力車，在北京和昆明兩座海拔差異較大的城市進行實際道路的排放測試，整個測試按照國Ⅵ輕型車實際道路測試規程進行. 基于測試結果，對比分析了混合動力車在北京和昆明實際道路行駛過程中的排放差異，以期為混合動力車在北京和昆明海拔條件下的排放差異研究提供參考.

1 測試裝置及方案

1.1 測試車輛及設備

該研究在海拔差異較明顯的北京和昆明兩個典型城市進行混合動力車的實際道路測試. 測試車輛為國Ⅵ混合動力車，燃料噴射方式為進氣道噴射(port fuel injection, PFI)，發動機排量1.8 L，后處理系統為三元催化轉化器(three-way catalytic converter, TWC)，整備質量為1 405 kg. 排放測試設備為日本HORIBA公司生產的OBS-ONE. 該設備采用不分光紅外法(non-dispersive infrared, NDIR)測定CO和CO2濃度，采用化學發光探測法(chemiluminescence detector, CLD)測定NOx濃度，采用凝結粒子計數器(condensation particle counters, CPC)測定PN，使用全球定位系統(global positioning system, GPS)確定車輛行駛速度等，使用車載氣象站確定環境溫度、相對濕度等. 所有測量設備都由12 V電池供電. 在每次測試之前，將PEMS完全加熱后進行泄漏檢查和功能檢查. 每次測試后，對每個分析儀進行零點和量程校準. 為避免測試期間不同燃油品質對排放結果產生影響，2個城市測試中使用的燃油均為同一批次生產的國Ⅵ基準汽油.

1.2 測試方案

1.2.1試驗環境和測試路線

混合動力車分別在北京(平均海拔25 m)和昆明(平均海拔1 897 m) 2個不同海拔的典型城市進行實際道路排放測試. 其中，北京測試溫度、相對濕度分別為19 ℃和25%，昆明溫度、相對濕度分別為23 ℃和65%. 該研究按照RDE試驗要求[20]在2個城市選定測試路線并進行實際道路排放測試，測試道路類型包括市區路、市郊路和高速路.

1.2.2混合動力車行駛特征與動力學參數

混合動力車在兩個城市的行駛工況特征參數與動力學參數如表1所示. 由表1可見，2個城市3種類型道路的里程占比接近且均滿足GB 18352.6-2016規定的要求. 由于北京市區交通流量較大，紅綠燈較多，混合動力車行駛速度相對較低，導致其在北京市區時純電機工作時間占比高于昆明. 此外，相 對正加速度(relative positive acceleration, RPA)在昆明時較大，而RPA表征總行程的激進程度，值越大代表激進程度越大. 混合動力車在昆明行駛時加減速時間占比明顯高于北京，這可能與激進駕駛行為有關.

表1 混合動力車行駛特征參數與動力學參數Table 1 Driving characteristic parameters and dynamic parameters of hybrid electric vehicle

1.3 混合動力車完整性和正常性校驗

混合動力車的窗口校驗數據如表2所示，市區路、市郊路和高速路窗口數量占比均滿足GB 18352.6-2016規定的完整性和正常性校驗要求，表明測試結果有效.

表2 窗口正常性和完整性校驗Table 2 Window normality and completeness check

1.4 數據處理

RDE試驗過程中測試設備會記錄混合動力車行駛過程中污染物濃度、CO2濃度、排氣流量和車速等相關瞬態數據. 污染物瞬時排放速率和排放因子按照目前國Ⅵ排放標準要求[20]計算.

1.4.1算術平均法計算污染物排放因子

算術平均法通過瞬時排放量和累積行駛里程計算混合動力車污染物排放因子，計算公式:

式中:Mj為基于距離的排放因子，g/km或個/km；j為污染物的種類(CO、CO2、NOx、PN)；m為污染物的瞬時排放量，g/s或個/s；n為某種操作模式的持續時間，s；i和r分別為操作模式的開始時間和結束時間，s；S為累積行駛里程，km.

1.4.2VSP的計算

研究[27-28]表明，車輛比功率(vehicle specific power,VSP)能夠很好地表征車輛的實際行駛工況，并且與其他運行參數相比，VSP與污染物排放速率具有更好的相關性. 通過在基準運行模式下對排放結果進行歸一化來減少各測試道路中不同交通條件的影響[29].代表瞬時運行模式的23個Bin按車輛加速度、VSP和車速分類[30]，該研究中瞬時VSP計算公式[31]：

式中：VSP表示車輛比功率，kW/t；v表示車輛速度，m/s；a表示車輛加速度，m/s2；grade表示坡度.

1.4.3符合性因子

為了將實際道路排放因子與GB 18352.6-2016規定的限值做比較，定義每種污染物實際行駛排放結果與相應排放限值(該研究中為國6b階段污染物排放限值)之比為符合性因子(conformity factor, CF)[32]，計算公式：

式中: CFb為排放物b的符合性因子；b為污染物的種類(CO、NOx、PN)；Ereal,b為RDE試驗中排放物b的排放因子，mg/km或個/km；Enorm,b為GB 18352.6-2016規定的b污染物排放限值，mg/km或個/km.

2 結果與討論

2.1 混合動力車氣態污染物瞬時排放速率分析

為研究混合動力車在不同道路類型的氣態污染物排放速率分布，選取混合動力車在北京行駛的測試數據. GB 18352.6-2016規定，將車速小于60 km/h歸為市區路，車速在60～90 km/h之間歸為市郊路，車速大于90 km/h歸為高速路. 由圖1可見，在3種道路類型中混合動力車CO、NOx排放速率和PN排放速率都出現明顯的波動，CO排放速率的波動主要集中在高速路，最大值為0.18 g/s. 混合動力車NOx排放速率峰值出現在市區路，最大值為0.016 g/s，這是因為在市區路上混合動力車到達一定速度后發動機開始工作，此時發動機負荷變化劇烈，從而產生NOx排放速率峰值. PN排放速率的波動則集中在市區和市郊路，其最大峰值達3.75×1011個/s.

圖1 北京RDE工況下混合動力車污染物排放速率的分布特征Fig.1 Distribution characteristics of pollutant emission rates of hybrid electric vehicle under RDE conditions in Beijing

2.2 混合動力車排放分析

混合動力車在全球統一輕型車輛測試循環(worldwide light-duty test cycle, WLTC)工況以及2個城市RDE工況下的排放情況如表3所示. 由表3可見：在WLTC工況下，混合動力車的CO、NOx和PN排放因子均可滿足我國GB 18352.6-2016規定要求(CO、NOx和PN排放限值分別為500 mg/km、35 mg/km和6.0×1011個/s)：在RDE綜合工況下，混合動力車在北京的CO、NOx和PN符合性因子分別為0.31、0.08和0.41，在昆明分別為0.57、0.05和0.30，在不同海拔城市混合動力車3種污染物排放均滿足GB 18352.6 -2016規定的符合性因子要求.

表3 不同道路類型及工況下混合動力車污染物排放對比Table 3 Comparison of pollutant emission factors of hybrid electric vehicle under different road types and working conditions

分析混合動力車在市區路、市郊路和高速路的污染物排放因子發現，在北京和昆明混合動力車CO排放因子均在市區路上最高. 這是因為市區路交通流量較大，混合動力車的平均行駛速度較低，頻繁的起停導致發動機混合氣變濃，使得CO在市區路排放因子最高. 在北京市區路混合動力車PN排放因子比市郊路和高速路分別高1.74和10.92倍，在昆明市區路的PN排放因子分別比市郊路和高速路高3.69和16.17倍，這與混合動力車在市區路頻繁的起停有關.NOx排放因子結果與CO排放因子和PN排放因子相似，在2個城市的市區路NOx排放因子均最高，這是因為在市區路上混合動力車發動機轉速低，增加了NOx的反應生成時間，從而導致在市區路上混合動力車的NOx排放濃度升高.

分析兩個城市混合動力車在RDE綜合工況的污染物排放因子發現，混合動力車在昆明的CO排放因子比北京市高85%. 研究[24]表明，海拔升高，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，對三元催化轉化器的轉換效率也有一定影響，從而導致CO排放因子升高. 而混合動力車的NOx排放因子在昆明降低了37%，這是因為在高海拔空氣密度下降，汽油車進氣量不足，由于氧氣量不足，抑制NOx的生成，因此混合動力車的NOx排放因子在昆明降低. 對于PN排放因子，在北京混合動力車發動機再起動的次數遠高于昆明，導致混合動力車在北京的PN排放因子較昆明高27%. 因此，起停的次數對于混合動力車PN排放因子的影響可能高于海拔的影響.

2.3 2種方法計算混合動力車污染物排放因子

已有研究[33]中排放因子通常采用算術平均法計算〔見式(1)〕，該算法不對排放數據做任何處理，即以污染物總排放質量與總行駛里程的比值作為最終RDE的排放結果，代表了原始排放結果. 比較GB 18352.6-2016中移動平均窗口法與算術平均法計算得到的排放結果(見表4)發現：在北京兩種方法計算的CO和PN排放因子相似，但移動平均窗口法計算的NOx排放因子偏小；在昆明兩種計算方法得到的3種污染物排放差別較大，算術平均法計算得到的CO和NOx排放因子比移動平均窗口法分別高88%和82%，算術平均法計算得到的PN排放因子比移動平均窗口法高69%. 在昆明混合動力車使用移動平均窗口法計算的污染物排放因子明顯小于算術平均法計算結果，即在高海拔地區該混合動力車使用移動平均窗口法計算的污染物排放因子與其原始排放因子差異較大. 這是因為混合動力車在低速行駛時由純電機工作，車輛排放量為0，在使用移動平均窗口法計算時一些窗口包括了混合動力車無排放的里程，此時窗口內污染物排放量不變，行駛距離增加，這可能會導致窗口計算的污染物平均排放因子偏小. 此外，在昆明測試時混合動力車CO2排放因子升高，一些窗口內總數據量減少，純電機工況數據占比增大，導致窗口平均排放因子進一步減小，這可能是在昆明兩種方法計算的混合動力車污染物排放因子結果差距較大的原因.

表4 不同計算方法下混合動力車污染物排放因子對比Table 4 Comparison of pollutant emission factors of hybrid electric vehicle under different calculation methods

2.4 CO2排放對比

混合動力車在北京和昆明的CO2排放測試結果如表5所示. 對于不同道路類型，混合動力車在2個城市的市區路排放均最高，比市郊路和高速路分別高10%～30%和49%～80%. 這是因為市區路上車流量較大，車輛行駛速度較低以及頻繁的加減速所致[34-35]. 對于不同城市，混合動力車在昆明市區路和市郊路的CO2排放因子分別比在北京高43%和25%，這是因為混合動力車在北京和昆明市區純電機工作時間占比分別為25.7%和18.5%，在北京時由于電機工作時間占比較長導致混合動力車在市區路的油耗和CO2排放因子均較低. 混合動力車在昆明市郊路的加速工況較多，導致混合動力車在昆明油耗和CO2排放因子增加. 而混合動力車在北京高速路上的CO2排放因子較高，這是因為高海拔地區空氣密度降低，風阻和滑行阻力減小[36]，并且由于混合動力車所受阻力與車速呈正相關，高速行駛時其對混合動力車的影響程度更大，使得油耗和CO2排放因子降低. 由此可知，在市區和市郊路上駕駛工況對于混合動力車油耗和CO2排放因子的影響可能大于海拔影響，而在高速路行駛時海拔對混合動力車油耗和CO2排放因子的影響可能大于駕駛工況的影響. 由于混合動力車在昆明市區和市郊路的CO2排放因子較高，導致綜合工況下混合動力車油耗在昆明有所增加，CO2排放因子也增加了17%.

表5 不同測試工況下混合動力車在2個城市的CO2排放因子Table 5 CO2 emission factors of hybrid electric vehicle under different tested conditions in 2 cities

2.5 駕駛條件對CO、NOx和PN排放的影響

該研究根據美國MOVES模型對輕型車VSP的劃分方法，將測試的工況和排放數據劃分為23個Bin區間. 其中，Bin 0代表減速或制動(a≤-0.9 m/s2)，Bin 1代表怠速(-1.6 km/h≤v＜1.6 km/h，a＞-0.9 m/s2)，Bin 11～Bin 16代 表 低 速(1.6 km/h≤v＜40 km/h，a＞-0.9 m/s2)，Bin 21～Bin 30代表中速(40 km/h≤v＜80 km/h，a＞-0.9 m/s2)，Bin 33～Bin 40代表 高速(v≥80 km/h，a＞-0.9 m/s2). 在每個速度區間內，Bin序號越大，則VSP值越大. 混合動力車在2個城市不同Bin區間內的CO、NOx和PN排放速率如圖2所示. 在不同速度區間內，污染物排放速率基本隨Bin值的增大而增加. 對于CO，由于海拔和駕駛工況的影響，混合動力車在昆明的CO排放速率波動頻率和峰值均高于在北京，導致在昆明所有Bin區間混合動力車的CO排放速率均高于北京. 對于NOx，混合動力車在北京中低速(Bin 11～Bin 30)區間內的NOx平均排放速率基本高于昆明，這與高海拔空氣密度下降有關；而高速(Bin 33～Bin 40) 時，混合動力車在昆明的NOx平均排放速率基本高于北京. 對于PN，當VSP≥9時(Bin 15～Bin 16、Bin 25～Bin 30、Bin 37～Bin 40)，混合動力車在北京的PN平均排放速率總體高于昆明.

圖2 不同Bin下CO、NOx和PN的平均排放速率Fig.2 Average emission rates of CO, NOx and PN in different Bin

3 結論

a) 對比移動平均窗口法和算術平均法的計算結果發現，在北京混合動力車使用兩種方法計算得到的結果差異較小，但在海拔較高的昆明，算術平均法得到的CO、NOx和PN排放因子比移動平均窗口法分別高88%、82%和69%.

b) 由于駕駛工況和海拔高度的不同，混合動力車在昆明時CO排放因子比在北京增加了85%，NOx和PN排放因子則分別下降了37%和27%. 與北京相比，混合動力車在昆明實際道路行駛時油耗增加，CO2排放因子增加了17%.