基于動力學參數的國Ⅵ重型天然氣車實際道路排放特性研究

王志紅，黃鈺焜，張遠軍，丁 玲，王志軍

（1. 武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070； 2. 武漢理工大學汽車零部件技術湖北省協同創新中心，湖北 武漢 430070； 3. 國家汽車質量監督檢驗中心（襄陽），湖北 襄陽 441004）

隨著中國汽車保有量的不斷增加，汽車尾氣污染物排放總量也逐年上升，2020 年，全國機動車4項污染物排放總量為1 593 萬t。 其中，在各類型汽車中，重型車是氮氧化合物（NOx）和顆粒物（PM）排放的主要貢獻者[1]。 為了降低城市污染、改善空氣，我國接連實施了一系列排放標準，2021 年7 月1 日，重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）標準（以下簡稱為國Ⅵ標準）全面實施，相較于國Ⅴ排放標準，國Ⅵ對重型車排放測試方法和限值要求更加嚴格，污染物排放限值大幅降低。 并且，與國Ⅴ標準相比， 國Ⅵ標準新增了整車車載法（PEMS）試驗，與傳統的轉轂試驗相比，整車車載法（PEMS） 試驗可更真實可靠的反映由于汽車位置，駕駛模式，駕駛行為變化所導致的汽車油耗和排放的變化[2]。

天然氣燃燒清潔度高、燃燒熱值高、且燃燒產物主要是H2O 和CO2， 并且在裝有SCR/TWC 等后處理裝置時二氧化碳（CO2）、氮氧化合物（NOx）和顆粒物（PM）的排放很低，是很好的柴油發動機替代能源[3-6]。 相較于氫氣、甲醇以及其他生物質燃料汽車，天然氣儲量大、成本低、穩定性高且技術較為成熟，與電動汽車相比，電動汽車所需要的能源（電）的生產、傳輸、轉化等階段產生的NOx，SOx和PM 排放量分別是天然氣車的1.2，3.5 及7.5 倍， 天然氣車是我國推廣清潔能源汽車、盡快達到碳達峰和碳中和、實現交通減排的現實選擇[7]。 天然氣發動機早期是無尾氣后處理裝置的稀薄燃燒發動機的形式，用于降低PM 的排放[8]， 后來加裝了氧化催化轉化器（OC）進一步降低了CO 和THC 的排放[9]，隨后為解決稀薄燃燒發動機功率小和NOx排放控制問題，電控噴射天然氣發動機應運而生， 同時， 加裝TWC/SCR 可進一步降低污染物排放， 滿足法規的要求[9]。

國內外學者對重型天然氣車實際道路排放特性研究已經取得一定的成果，Mccaffery 等[10]分析比較了加利福尼亞州50 輛不同用途， 不同發動機技術的重型車NOx實際道路排放特性，發現相較于柴油車，LPG 車、CNG 車和柴電混和車NOx排放均有大幅度的降低，并且怠速階段車輛排放最高，低速其次。 Wang 等[9]對兩輛滿足國Ⅴ標準的LNG 重型清潔車分析了其實際道路排放特性， 結果表明，在中等車速激烈駕駛會導致THC 大幅度增加。Lyu 等[11]分析比較了中國北方6 輛分別滿足國Ⅴ或國Ⅳ排放標準，使用LNG 或柴油的半掛牽引車實際道路排放特性，結果表明，頻繁加減速會導致NOx排放增加。 Zhang[12]分析比較了分別滿足歐Ⅴ，歐Ⅳ標準的柴油、 柴混、CNG 和LNG 公交車實際道路排放特性， 并研究了VSP 和車速對車輛NOx排放的影響，研究發現， 相較于柴油車， CNG 和LNG 以及混電車的污染物排放顯著降低，NOx平均排放率與比功率VSP 呈現良好的正相關，NOx相對排放因子與車速成反比。 Guo 等[13]分析比較了13 輛分別滿足歐Ⅲ，歐Ⅳ、歐Ⅴ排放標準的柴油、天然氣公交車的實際道路排放特性，結果表明：CNG 公交車的PM 和PN排放較柴油車有大幅降低，并且，各污染物排放因子與VSP 成正比。

相較于壓縮天然氣（CNG），液化天然氣（LNG）易運輸、易儲存、密度大，相較于CNG 車輛，LNG 車輛有更小的油箱，更少的加油頻率以及更長的行駛距離[14]。 LNG 發動機可更廣泛的應用于長距離運輸車輛上，如大型客車，貨車，半掛牽引車等，在各類運輸車輛中，半掛牽引車由于運輸量大，經濟效益高的特點，廣泛應用于公路貨運中[15]，降低半掛牽引車車的排放對我國環境控制具有顯著意義。 然而目前多為對小型公交車等城市車輛的研究， 對LNG半掛牽引車的排放特性研究較少，并且都是對滿足舊標準排放法規車輛的排放特性分析， 本文使用PEMS 研究國Ⅵ天然氣半掛牽引車（N3 類型）的車載排放特性，分析了動力學參數、行駛路段、行駛速度、加速度、冷啟動以及汽車比功率對車輛排放的影響。 為重型車排放控制和城市空氣質量的提高提供科學的數據支持。 同時也為日后開發國Ⅵ重型天然氣車的排放模型提供數據參考和支撐以便更加科學有效的控制排放。

1 試驗和數據處理

1.1 試驗主要儀器設備

本次試驗使用PEMS 對國Ⅵ重型天然氣車進行實際道路排放試驗，本研究使用的車載排放測量裝置是日本HORIBA 公司的OBS-ONE 設備，該系統主要由4 個模塊組成，分別是CC 模塊（中央控制單元）：用于接受外部信號（GPS，氣象站，OBD 信息等），PE 模塊：用于市電和電瓶之間電源切換，氣體分析模塊（GA）。其中，氣體分析模塊（GA）包括測量THC 濃度的加熱火焰離子檢測器（FID），讀取精度為±0.5%， 測量CO，CO2的不分光紅外分析儀（NDIR），其中CO 的讀取精度為3%，CO2的讀取精度為2%， 測定NOx濃度的化學發光探測分析儀(CLD) ，讀取精度為1%。

1.2 試驗車輛和試驗方法

1.2.1 試驗車輛

本文選取滿足國Ⅵ重型車排放標準的N3 類天然氣半掛牽引車，后處理裝置為TWC+ASC,更多車輛詳細參數見表1。

表1 試驗車輛信息Table.1 Information about the tested vehicle

1.2.2 試驗路線

本試驗選擇的路線覆蓋了襄陽天然氣半掛牽引車輛的典型道路類型， 根據速度大小分為市區路，市郊路和高速路，其中，按照國Ⅵ標準，N3 類型車輛市區路占20%，市郊路占25%，高速路55%，實際道路測試時間應保證發動機作功大于發動機WHTC 循環功的4～7 倍，即試驗時間應在2.5 h，本次車輛試驗時間為9 072 s（即2.52 h），滿足試驗要求。 圖1 為測試車輛的速度分布圖，表2 為各路段實際占比和平均速度。

圖1 速度分布圖Fig.1 Velocity profile

表2 速度占比和平均速度Table.2 Speed proportion and average speed

1.3 數據處理

根據PEMS 試驗要求[16]，首先將冷啟動數據、停車數據等無效數據刪除，將由于儀器零點飄移導致的污染物排放數據負值歸零，由于本次研究車輛測試時間地點位于湖北襄陽夏季， 測試海拔高度在100 m 左右，溫度在30 ℃左右，滿足PEMS 試驗要求，將無效數據剔除后，剩余8 796 組數據，然后根據GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》規定的公式（1）計算各氣體排氣質量

式中：mgas為整個循環的總稀釋排氣質量，kg；ugas為GB 17691—2018 中表CA.2 排氣組分密度和稀釋排氣密度比；Cgas為背景修正后的排氣組分平均濃度，ppm；medf為整個循環當量稀釋排氣質量，kg。

接下來依據GB 17691-2018 規定將數據進行對齊，并將試驗所得的數據分為3 類：①分析儀測得的尾氣排放物質濃度（CO，CO2，NOx，THC）；②排氣流量計測得的數據：排氣質量流量和排氣溫度；③發動機測得的數據：扭矩、速度、溫度、燃油消耗率、ECU 測得的車速。

需要將三類數據彼此對齊，選取每兩類數據中相關性系數最高的兩個參數進行對齊，平移每一類別所有數據使得數據相關性最高。 具體步驟如下：

1） 三類數據的時間對齊：GPS 測得的車速與ECU 獲取的車速對齊；

2） 一類與二類數據的時間對齊：CO2濃度和排氣質量對齊；

3） 二類和三類數據的時間對齊：CO2濃度和發動機燃油消耗量。

為了直觀的展示，本文選取t=300～700 s 內CO2濃度與燃油消耗率對齊進行可視化，計算二者之間的相關系數，選取相關系數最大時的平移時間進行平移， 數據顯示，CO2濃度和燃油消耗率相關性較好，相關系數為0.950 7（圖2）。

圖2 CO2 濃度與燃油消耗率數據相關性Fig.2 The correlation between CO2 concentration and fuel consumption rate data

1.4 排放因子的計算

如式（2），首先將氣體污染物的瞬時排放率依據行駛工況模式求取平均排放率

式中：Bink 是某時間范圍內的汽車行駛工況。 ERjk為行駛工況Bink 下的污染物j 的平均排放率，g/s；Tk為每個行駛工況模式的時間，s；ERj為污染物j的瞬時排放率，g/s；

在給定的駕駛循環中的基于距離的THC，CO，CO2，NOx排放因子可通過平均排放因子和駕駛工況的時間分配推導，如下

1.5 VSP 工況分類

車輛瞬時功率和機動車質量的比值稱為瞬時比功率（vehicle specific power，VSP），表征汽車對自身和貨物乘客的牽引力，是車速、加速度、風阻和坡度等的函數，考慮了空氣阻力，滾動阻力和道路等級等參數， 可以很好的展現汽車實際行駛工況，大量研究表明瞬時比功率與機動車的排放有很好的相關性[17－18]，被廣泛用于開發新的汽車排放模型中[19]，故本文基于瞬時比功率，研究國Ⅵ重型天然氣車排放情況。

本次試驗參考MOVES 模型[20]推導VSP 公式如下汽車VSP 相關參數如表3 所示，為確保分布均衡，使得計算更為精確，現將分為12 個區間，區間Bin1 表示VSP＜0 的工況區間， 由于VSP 比較集中于[0，4]區間，故將該區間細分為Bin2～9 共8 個工況區間，Bin10～12VSP 分布略微松散， 圖3 展現了車輛各個VSP 區間的時間占比， 可以看到， 整體VSP 區間分布較為均衡。然后通過計算各個VSP 區間的各污染物排放因子來分析VSP 對汽車排放影響。

表3 VSP 相關參數Tab.3 Vehicle specific power（VSP） related parameters kW/t

圖3 VSP 區間時間占比Fig.3 Allocation of time of each operating mode bin to total time

2 結果與討論

2.1 行駛動力學參數與駕駛路段排放分析

相對正加速度（RPA）和速度與大于0.1 m/s2正加速度的乘積的第95 百分位（v·apos[95]）分別可以表示車輛的加速加載情況和駕駛的激烈程度。 本小節采用汽車行駛動力學特性參數研究汽車行駛動力學特性與汽車尾氣排放因子的關系。 分析了不同駕駛路段排放的特性。

圖4 為不同行駛路段的動力學參數，可以看到市區的RPA 和v·apos[95]最大，分別為3.970 9 W/kg和0.076 02 m/s2，市郊最低，分別為2.284 0 W/kg 和0.012 53 m/s2，由于市區激烈駕駛行為較多，故市區兩個行駛動力學參數最高，高速時車速很高，故v·apos[95]略微增加， 圖5 是不同行駛路段污染物排放因子，可以看出，CO，CO2，NOx，THC 排放因子市區排放最高，市郊最低，與動力學參數正相關，4 種污染物市區排放因子分別為市郊的4.072 倍，1.931 倍，2.47 倍，3.834倍。 結果表明，市郊路段頻繁啟停動力學參數RPA 和v·apos[95]最高，并且動力學參數與車輛的4 類污染物排放因子呈正相關，市區動力學參數高，排放也較高。

圖4 各路段行駛動力學參數Fig.4 Vehicle dynamics parameters under different driving condition

圖5 不同路段污染物排放因子Fig.5 Vehicle emission factors under different driving conditions

2.2 車速與排放的關系

圖6 是PEMS 試 驗 中 汽 車 污 染 物（CO，CO2，NOx，THC）的排放隨車速的變化情況，從圖中可清晰的看出，隨著車速的升高，污染物排放因子逐漸下降，且在中低速時下降比較迅速，后來隨著車速的繼續上升排放下降趨勢逐漸減緩， 同時可以看到， 四類污染物排放因子在車速0～10 km/h 區間內排放最高，平均車速是8.10 km/h 時CO 排放因子高達5.29 g/km，而平均車速為75.63 km/h 時的CO 排放因子僅為0.146 g/km，前者是后者的35 倍，隨著車 速 從0～10 km/h 升 高 到10～20 km/h，CO，CO2，NOx，THC 排放因子分別下降了25%，69%，43%，60%，隨后，下降趨勢變緩，結果顯示，汽車低速行駛時會導致較高的排放因子。 這是因為低速時發動機缸內溫度較低，燃料燃燒不充分，并且在低速時車輛單位行駛距離短， 導致CO 和THC 排放因子較高，同時，在低速區間，發動機溫度較低，所以排放控制裝置效率較低，故NOx排放較高。 低速時，發動機處于低速小負荷階段， 根據發動機萬有特性曲線，此時燃油消耗率較高，CO2排放因子較大。

圖6 車速對污染物排放的影響Fig.6 Effect of speed on pollutant emissions

2.3 加速度與排放的關系

根據被測車輛車速分布和加速度分布，將車速分為低速（0～30 km/h）,中速（30～50 km/h）,中高速（50～70 km/h）和高速（＞70 km/h）,分析在不同速度區間內加速度對汽車污染物排放的影響。 圖7 說明了在同一車速下隨著加速度的升高，車輛各排放因子的變化情況，從圖中可以看出，汽車加速，尤其是急劇加速時，會顯著增加汽車污染物的排放，而汽車減速對汽車排放的影響較小， 在同一車速范圍下， 車輛減速時的排放最低并且數值波動不大，從減速階段到巡航階段再到加速階段，汽車污染物排放因子隨著加速度的增大而增大， 并且可以看到，同一加速度，車速升高，排放降低，低速高加速狀態下（v≤30 km/h，a≥0.8 m/s2）汽車污染物排放最高，CO，CO2，NOx，THC 排放因子最高值分別是11.023 8，2 988.315 4，0.620 0，0.716 6 g/km，分別是同一車速汽車巡航(-0.1≤a＜0.1 m/s2) 時的9.0 倍，2.65 倍，2.73 倍，2.55 倍，是同一車速減速時的（a＜-0.8 m/s2）10.65 倍，5.50 倍，4.53 倍，2.33 倍。 這主要是由于車輛低速行駛時，發動機溫度較低，燃料燃燒不充分，并且低速車輛單位行駛距離較低，故THC 和CO 排放因子較高，此時排放后處理裝置效率較低，NOx排放因子也較高，急劇加速時，發動機大量供油，容易導致供油過量，混合氣過濃，一部分燃油燃燒不充分， 故而進一步導致CO 和THC 排放因子增大，大量供油也導致CO2排放因子的升高，而在急劇加速階段，發動機溫度很高，氣缸氧濃度高，故而NOx排放因子增加，減速階段，油門關閉，停止供油，發動機溫度降低，污染物排放因子略有升高，因此，駕駛員在駕駛車輛時應盡量避免低速高加速狀態行駛，以減少車輛排放。

圖7 加速度對污染物排放的影響Fig.7 Effect of acceleration on pollutant emissions in each speed range

2.4 VSP 與排放的關系

圖8 是 不 同 駕 駛 模 式 下CO，CO2，NOx，THC排放因子和排放率的變化， 從圖中可以看出，汽車污染物排放因子與排放率都與駕駛模式成正相關，隨VSP 的增大而增大，排放因子和排放率整體趨勢相同，并且可以發現污染物排放因子和排放率均在VSP＜0 時較小，在VSP＞6 時較大。 這是由于汽車驅動過程中需要更大的動力從而燃料消耗增加進而導致排放增加， 相較于排放因子，平均排放率與VSP 的線性趨勢更好，這是由于排放因子考慮了行駛距離這一參數，當汽車在某一區間排放較高，而行駛距離也較高（如高速超車時），這時，平均排放率較高，而排放因子會變小， 整體上， 污染物排放率和排放因子與VSP有較好的相關性。

圖8 駕駛模式與污染物排放的關系Fig.8 Correlations between gaseous pollutants emission factors and operating mode

3 結論

1） 市區路段車輛的RPA 和v·apos[95]最大，分別為3.970 9 m/s2和0.076 02 m2/s3，市郊最低，分別為2.284 0 m/s2和0.012 53 m2/s3，CO，CO2，NOx，THC排放因子市區排放最高，市郊最低,與相對正加速度和速度和加速度的乘積的第95 百分位正相關。

2） 污染物排放因子和加速度，車速有很好的相關性，提高車速可顯著降低污染物排放；汽車加速，特別是大幅加速時， 汽車污染物排放顯著增加，而減速對汽車排放影響較小；在車速較低加速度較高時，污染物排放會達到峰值，這種情況主要發生在城市擁堵路段行車時，為改善車輛污染物排放，政府應采取相關措施改善城市交通擁堵。

3） 污染物的排放因子和排放率均與比功率VSP 成正相關。 VSP 在0 附近時，污染物排放因子和排放率最低，隨著VSP 的增大，排放因子和排放率逐漸增大，VSP＞6 時,污染物排放因子和排放率達到峰值。