駕駛特性對國六輕型汽油車氮氧化物瞬時排放的影響

摘要：速度、加速度和車輛比功率（VSP）等表征駕駛特性的參數與車輛實際駕駛時的瞬時排放有著很高的相關性。為探究駕駛特性對國六輕型汽油車氮氧化物（NOx）瞬時排放的影響，在正常駕駛和激烈駕駛2 種駕駛風格下使用便攜式排放測試系統（PEMS）進行了實際駕駛排放測試（RDE）。通過數據處理和建立RDE 數據集，研究了不同駕駛風格下的車輛速度和加速度分布，以及兩者對國六輕型汽油車NOx 瞬時排放量的耦合影響。此外，為探究VSP與NOx 瞬時排放量的關系，引入高斯曲線進行了散點擬合。結果表明：測試車輛的高NOx 瞬時排放量主要集中在0～2 m/s2的正加速度區域，在激烈駕駛時排放量更大；激烈駕駛在VSP0～25 kW/t 時都有高NOx瞬時排放量，高排放的VSP 范圍是正常駕駛的1.5 倍。

關鍵詞：實際駕駛排放；駕駛特性；氮氧化物（NOx）；國六輕型汽油車

0 前言

隨著城市化的發展和車輛數量的激增，道路交通消耗了大量的化石能源，成為重要的環境污染來源［1］。根據國家統計局統計，2021 年中國道路交通污染物排放總量為1 557.7 萬t，占移動源排放的80% 以上。研究表明，車輛排放的實驗室測量值與實際駕駛排放值存在較大差異。為此，我國從2023年7 月1 日起正式執行國六排放b 階段法規，并實施排放限值更加嚴格的實際駕駛排放測試（RDE），其中輕型汽油車的NOx 排放質量濃度限值從60 mg/km 降至35 mg/km［2］。車輛實際駕駛中的污染物排放受到多種因素影響，其中駕駛特性是重要的影響因子。

在實際駕駛條件下，車輛污染物排放受駕駛行為、發動機性能和環境特性等的影響［3］。有研究對帶有便攜式排放測試系統（PEMS）的車輛進行排放分析，發現高廢氣再循環（EGR）率可以將NOx排放降到極低的水平，但會引起碳氫化合物（HC）排放量的增多［4］。YU 等［5］利用RDE 和底盤測功機對發動機技術、啟動條件和發動機負荷與輕型汽油車顆粒物排放之間的關系進行了研究。結果表明，車輛比功率（VSP）是顆粒物排放的重要解釋變量。ZHENG 等［6］用全球定位系統（GPS）設備收集了28 名司機的駕駛數據，發現不同駕駛風格的司機駕駛的車輛在排放和燃油消耗量方面有顯著差異。然而，隨著國六排放法規6b 階段開始逐漸推行更加嚴格的RDE 法規，實際駕駛過程中駕駛員的不同駕駛特性對排放的影響成為重要的不可控因素。因此，研究駕駛特性對國六輕型汽油車在實際駕駛中污染物排放的影響成為重要的方向。

本文為研究駕駛特性對國六輕型汽油車在實際駕駛過程中NOx瞬時排放的影響，以不同的駕駛風格在選定的測試路線上進行RDE。通過PEMS收集速度、加速度和NOx瞬時排放量等約11 000 組數據，分析速度、加速度和VSP 與NOx 瞬時排放量之間的關系，以期為車輛制造商的減排工作提供一定參考。

1 RDE 方案

1. 1 測試車輛和設備

選用一輛滿足國六排放要求的輕型汽油車（以下簡稱“國六輕型汽油車”）作為測試車輛。該測試車輛配備有三元催化器（TWC）和汽油顆粒物捕集器（GPF），其燃料類型為95 號汽油。測試車輛的具體型號和參數見表1。

在試驗過程中，選用AVL 公司的PEMS 作為排放物濃度測試設備，設備由氣體分析儀模塊和流量計控制模塊組成。其中，氣體分析儀用于測量NOx 濃度，流量計控制模塊用于測量排氣口的實時流量。車輛前端裝備了用于記錄測試車輛實時位置、速度和海拔高度等數據信息的GPS 設備。測試過程中的周圍環境溫度和濕度記錄值來自氣象站觀測數據。將車輛駕駛艙前端的車載自動診斷（OBD）系統接口接入主控模塊，讀取并記錄測試車輛控制器局域網總線輸出的發動機轉速和排氣溫度等信息。所有測試設備都通過主控模塊進行控制和時間同步。此外，配備額外的電池為PEMS 系統提供單獨的電源，并通過配電柜智能控制終端E-BOX 為其他模塊供電。測試車輛和測試設備如圖1 所示。

1. 2 測試路線

上海位于中國平原地區，擁有完備的基礎交通設施，因此選擇上海作為研究區域可以得到更具普遍性、通用性的結論［7］。本研究中的實際排放測試在上海嘉定區進行，測試路線如圖2 所示。測試從A 點開始，到K 點結束。其中，城市行駛路線為A→B→C→D→E→F→G→F→H，行駛總長度為26 km，占總里程的32%；郊區行駛路線為H→I→J，行駛總長度為28 km，占總里程的35%；高速公路行駛路線為J→K，行駛總長度為27 km，占總里程的33%。考慮駕駛風格對實際排放的影響，由駕駛員以不同的駕駛風格在相同路線上進行多次測試。

2 測試過程和數據處理

2. 1 測試方法

為保證數據的準確性，PEMS 設備在車輛上安裝完成后首先進行預熱處理，然后用堵頭將與流量管斷開的采樣探頭堵住，進行泄漏檢查，再后對分析儀進行零點校準和量距點校準。由于分析儀和各種采樣設備（GPS 設備、OBD 系統接口）的響應時間不同，測試中記錄排放物質量濃度與其他參數的時間不一致，因此在測試前通過程序讓時間序列自動對齊。

在測試過程中，由駕駛員分別以不同的駕駛風格駕駛測試車輛進行測試。按照車輛速度和加速度將駕駛風格分為正常駕駛和激烈駕駛。每次測試總時長在125 min 左右，以充分獲取實際駕駛排放數據。

氣體分析儀讀取NOx 瞬時排放量。從OBD 系統接口讀取車輛傳感器的車輛速度和加速度測量值。在測試完成后，進行測試設備校準，并去除校準數據和冷啟動數據。

2. 2 數據處理

采用移動平均窗口法對收集到的原始數據進行處理，以獲得廢體污染物的瞬時排放量。氣體污染物瞬時排放量計算式為［8］：

mgas，i = ugas，i × cgas，i × qmew，i （1）

式中：mgas，i 為當前時刻廢氣中污染物i 的排放質量流量，單位g/s；ugas，i 為污染物i 與總廢氣污染物密度之比；cgas，i 為當前總氣體污染物質量分數；qmew，i是當前時刻的總廢氣的質量流量，單位kg/s。

2. 3 數據集建立

根據實際駕駛排放測試中PEMS 采集到的數據建立數據集，用于分析駕駛行為和道路特性對NOx 瞬時排放量的影響。駕駛特性主要包括速度、加速度和VSP 3 個特征參數。速度和加速度可以綜合反映出駕駛員的駕駛風格，以及影響車輛污染物的排放情況［9］。VSP 能夠反映出機動車的輸出功率，與車輛排放密切相關［5］。當VSP 小于0 時，車輛處于減速或者下坡狀態；當VSP 等于0 時，車輛通常處于空轉狀態；當VSP 大于0 時，車輛處于巡航、加速或上坡狀態［10］。本研究采用的VSP 計算式為［7］：

Vvsp = ui × （ 1.1ai + 9.81si + 0.132） + 0.000 302ui3（2）

式中：Vvsp 為車輛比功率，單位kW/t；ui 為瞬時速度，單位m/s；ai 為瞬時加速度，單位m/s2；si 為道路坡度，單位（°）。

通過PEMS 設備進行數據收集，本研究建立了包含表征駕駛特性的3 個特征參數和NOx 實際駕駛排放量的數據集。

3 測試結果分析

3. 1 駕駛風格和道路類型對駕駛特性的影響以往研究通常將駕駛特性的變化歸因于道路類型和交通狀況的不同，而忽視了駕駛員風格的影響［11］。本研究中，駕駛員以不同駕駛風格分別在城市、郊區和高速3 種不同的道路場景中進行測試，測試采集了不同駕駛風格下的車輛數據信息，不同駕駛風格下的車輛速度和加速分布結果如圖3 所示。

由圖3 可知，城市道路中車輛行駛速度主要在0～60 km/h，郊區中主要在60～90 km/h，而高速上達到90 km/h。主要原因為城市道路中交通擁擠并且紅綠燈較多，郊區道路車流量少，而高速道路車道較寬且限速較高。不同駕駛風格在不同道路類型中的車速分布基本相同，但是平均加速度差異很大，在激烈駕駛模式下表現出頻繁加速和減速。

3. 2 車速和加速度對NOx瞬時排放的耦合影響

NOx 排放量主要受高溫持續時間、缸內燃燒溫度和氧濃度3 個因素的影響［12］。2 種不同駕駛風格下車輛不同速度和加速度對應的瞬時NOx 排放量如圖4 所示。

由圖4 可知，測試車輛的高瞬態NOx 排放主要集中在0～2 m/s2 的正加速度區域，在激烈駕駛時排放量增加趨勢更加顯著。這是因為在加速時，當前時刻進氣量和噴油量增多，更多的混合氣燃燒使缸內溫度升高，缸內處于高溫和富氧狀態，為NOx的生成創造了有利條件。因此，在急加速情況下可以調整進氣策略并降低燃燒溫度，以降低NOx瞬時排放量。

3. 3 VSP 對NOx瞬時排放的影響

VSP 與NOx 相關性也較高。以往的研究調查了NOx 與不同VSP 區間的關系和分布情況。本研究將VSP 視為自變量，NOx 瞬時排放量視為因變量，2 種駕駛風格下兩者的擬合曲線如圖5 所示。

由圖5 可知，NOx 瞬時排放量與VSP 呈現出單峰分布的關系。當VSP≤0 時，NOx排放量很低；當VSPgt;0 時，NOx 排放量在迅速增加到峰值（0.5～1.5 mg/s）后又迅速降低到較低水平，這可能與在城市道路行駛時頻繁啟停，而高速上行駛更加穩定有關。對比2 種駕駛風格發現，激烈駕駛模式中，VSP 為0～25 kW/t 時都有高NOx 排放，是正常駕駛的1.5 倍，因此可以采取避免激烈駕駛的策略降低NOx排放量。

4 結論

本文研究駕駛特性對國六輕型汽油車在實際駕駛中NOx瞬時排放的影響，得出如下結論：

（1） 道路類型和駕駛風格是影響駕駛特性的重要因素，進而影響到國六輕型汽油車的NOx瞬時排放。

（2） 高NOx 瞬時排放質量流量主要集中在0～2 m/s2的正加速度區域，在激烈駕駛時排放更加明顯。

（3） NOx 瞬時排放質量流量隨著VSP 增加迅速增加到峰值（0.5～1.5 mg/s），之后隨著VSP 增加又迅速降低到較低水平。

（4） 對比高NOx瞬時排放的VSP 區間，激烈駕駛的區間范圍是正常駕駛模式的1.5 倍，并傾向于更高的NOx瞬時排放。

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