高原低溫實際行駛排放技術研究與應用

涂安全 劉文彬 葉廣島 姜 澤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心 安徽 合肥 230601）

引言

隨著經濟社會的發展，人民生活水平的提高，國民汽車保有量持續增長，在給人們帶來便捷的同時，也給環境帶來了越來越大的壓力[1]。針對機動車排放的危害性，各國都制定了嚴格的法規來加強對機動車排放的監管和控制[2]。傳統測試汽車尾氣排放的方法通常為在底盤測功機上進行轉轂試驗，但該方法測得的結果與實際行駛結果有較大的差異[3]。歐盟率先于2014 年9 月實施第六階段排放標準，并增加實際行駛污染物排放（real drive emission，RDE）測試，我國亦于2016 年年底發布了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）[4]，并正式引入RDE 試驗作為II 型試驗，從2023 年7月1 日起輕型車需滿足RDE 限值要求，因此需要針對性開展限值測試與研究。

本文基于某車型在西寧市進行RDE 測試，研究高原低溫環境下實際道路排放的技術應用。

1 試驗方案

1.1 試驗車輛

本次試驗選用一輛滿足國VI 排放標準的增壓直噴M1 型車，其主要技術參數如表1 所示。

表1 車輛主要技術參數

1.2 測試設備

國VI 法規中規定使用車載便攜式排放測試設備（portable emission measurement system，PEMS）進行RDE 測試[5]。本文所使用的設備為日本HORIBA 公司的OBS-ONE 便攜式車載排放測試系統[6]，該系統主要由氣體（GAS）分析模塊、顆粒數量（PN）分析模塊和排氣流量計3 大部分組成，另有全球定位系統（GPS）、氣象站（溫濕度）和OBD 通信設備等附件。標準配置及實車搭載參見圖1、圖2。

圖1 OBS-ONE 車載排放測試系統

圖2 OBS-ONE 實車搭載

1.3 試驗方案

國VI 法規中RDE 測試對環境溫度與海拔等條件做了較為具體的要求，其中海拔高度要求在2 400 m以下，環境溫度要求在-7 ℃～35 ℃。為測試高原環境對排放的影響，選擇在西寧市進行RDE 試驗。西寧市海拔高度為2 400 m 左右，符合法規進一步拓展海拔的邊界要求，為疊加低溫環境的影響，試驗時間選在11 月底至12 月初，天氣溫度在-8 ℃～6 ℃，經過測試選擇的試驗路線如表2 所示。

表2 試驗路線

2 試驗結果分析與優化

2.1 試驗結果

試驗發動機初始水溫為-7 ℃，駕駛風格以激進為主。試驗完成后，校驗車輛的行程動力學參數，在法規要求的范圍之內，且行程動力學貼近邊界。正常性及完整性校驗、累計正海拔高度均滿足法規要求。CO2窗口見圖3，行程動力學參數見表3。

圖3 CO2 窗口

表3 行程動力學參數

利用移動平均窗口法對數據進行處理。移動平均窗口法是一種分析排放的方法，該方法將試驗結果分為數據子集（不同窗口），并用統計數據處理方法識別有效的RDE 窗口。在RDE 試驗中，主要測量的排放污染物為CO、NOx和PN，評判的標準為排放結果要小于I 型試驗排放限值與符合性因子（Conformity Factor，CF）的乘積，國VI 標準規定的NOx和PN 的CF 值為2.1，CO 的排放結果只需要測量，不進行驗證。

利用移動平均窗口法求得排放結果，與標準限值進行比較，如表4 所示。PN 滿足法規限值要求，但NOx超標。

表4 排放結果

2.2 問題分析

因該車型平原RDE 排放結果較好，為探究NOx超標原因，對平原數據與低溫高原數據進行對比，繪制平原和低溫高原兩種邊界條件下NOx秒采圖，如圖4、圖5 所示。

圖5 低溫高原NOx 秒采圖

由圖4、圖5 可知，低溫高原環境下NOx排放量遠高于平原，且主要集中在高速區。另外，兩種工況在冷起動階段的NOx排放量都很高，但在利用移動平均窗口法進行數據處理時，會去除冷起動階段的數據，因此無需考慮。下面主要從高速段入手探究NOx排放量超標的原因。

以平原RDE 試驗的數據做對比，繪制兩種邊界條件下掃氣率、換擋線以及負荷在高速段的秒采圖，如圖6、圖7 所示。

圖6 掃氣率秒采圖

圖7 換擋線和負荷秒采圖

掃氣是指采用特定的氣門重疊角，在氣門開啟重疊期間，由于進、排氣壓差的作用使得新鮮空氣由進氣歧管直接流向排氣歧管的過程[7]。由圖6 可知，低溫高原工況相比平原更易發生掃氣，這是因為高原環境下空氣稀薄，渦輪增加的效果會更加明顯，使得進、排氣岐管之間的壓力差增大，從而導致掃氣更容易發生。

掃氣雖然可以通過增加充氣效率改善發動機在大負荷下的輸出轉矩[8]，但也容易營造富氧的環境，使得碳完全燃燒變成CO2，而不會與NOx發生氧化還原反應產生N2，因此使得尾氣中NOx的含量急劇增加。

由圖7 可知，低溫高原條件下換擋線波動異常，在6、7、8 三個擋位之間頻繁切換，導致發動機負荷頻繁變化，也使得NOx排放增加。

2.3 排放優化及結果

通過以上問題分析，提出了兩種解決方案。一是調整高速段掃氣；二是調整換擋線，避免擋位的頻繁跳變。

結合發動機臺架標定數據，對VVT 選點進行調整，降低RDE 工況的掃氣率，同時調整高原換擋線，將變更后的ECU、TCU 數據在整車上進行刷新。重新開展測試，發動機初始水溫為-7 ℃，采用同樣的路線及駕駛風格，開展試驗驗證。圖8、圖9 列出了優化后掃氣率、換擋線以及負荷在高速段的曲線。

圖8 掃氣率對比圖

圖9 換擋線和負荷對比圖

由圖8、圖9 可知，優化后換擋線的波動情況有所改善，發動機負荷有一定程度的降低，同時掃氣率明顯降低。

將優化后的排放結果計算整理，如表5 所示，NOx秒采圖如圖10 所示。由圖可知，優化后的排放結果較好，高速段NOx大幅降低，滿足國VI 排放要求。但其在高速段的排放量相對較高，仍值得繼續優化，但是掃氣率的控制與臺架標定數據息息相關，掃氣的控制需要在臺架中予以驗證和優化。

圖10 優化后NOx 秒采圖

表5 優化后排放結果

3 結論

本次參與測試的車型在平原地區排放表現較好，但是在高原低溫環境測試下出現NOx排放較高問題，通過標定數據優化最終予以解決，排放達成法規要求。主要結論如下：

1）掃氣率對NOx排放影響較大，在臺架標定階段應對掃氣率加以控制，避免出現掃氣率過高影響排放結果，導致排放超標問題。

2）換擋線決定發動機運行區間，因高原環境不同，高原換擋線通常不同于平原地區的換擋線，高原換擋線應結合RDE 測試工況，避免出現頻繁選換擋問題，造成發動機負荷頻繁變化，同時應結合動力性等要求控制在合理擋位。

3）高原地區RDE 測試結果與平原地區存在一定差異，應當根據RDE 測試邊界要求，在高原地區開展排放測試，確認排放結果，并針對排放問題進行優化，滿足RDE 限值要求。