國(guó)Ⅵ輕型汽油車市區(qū)工況排放特性分析

李漢軻 韓飛 張秋菊 石燁楠

摘要：為了研究國(guó)Ⅵ輕型燃油車市區(qū)工況下的排放特性，選擇一輛國(guó)Ⅵ汽油車，在建水市區(qū)利用PEMS在非高峰時(shí)段進(jìn)行市區(qū)排放測(cè)試。結(jié)果表明：在市區(qū)工況下，隨著速度增大，CO2排放降低，NO排放降低，燃油消耗降低，但CO排放會(huì)隨著速度的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)VSP小于0時(shí)，CO2排放速率很小；當(dāng)VSP大于0時(shí)，隨著VSP的增大，CO2排放速率增大；市區(qū)工況下，車輛減速時(shí)CO2排放速率很低；當(dāng)速度為定值時(shí)，隨著加速度的增大，CO2排放速率可以達(dá)到極大值。

關(guān)鍵詞：市區(qū)工況；國(guó)Ⅵ輕型汽油車；VSP；污染物排放

中圖分類號(hào)：U4613? 收稿日期：2024-04-08

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405031

1 前言

全球碳排放量的增加引發(fā)了一系列氣候問題。隨著國(guó)內(nèi)車輛保有量的激增，汽車污染物排放已經(jīng)成為空氣污染的主要來源。我國(guó)相繼出臺(tái)了多項(xiàng)減排政策和排放法規(guī)[1]。以往的排放法規(guī)，輕型車排放測(cè)試一般基于實(shí)驗(yàn)室中的底盤測(cè)功機(jī)進(jìn)行測(cè)試，一般都按照固定的測(cè)試循環(huán)曲線進(jìn)行行駛。許多研究表明，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試循環(huán)不能完全反映實(shí)際行駛情況下的運(yùn)行工況，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室排放結(jié)果與實(shí)際排放狀況存在較大差異[2]。

車輛實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和道路測(cè)試結(jié)果之間的差異取決于多種因素，其中最重要的是駕駛周期和道路負(fù)荷。在大多數(shù)研究中，在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行的測(cè)試都涉及形式認(rèn)可循環(huán)（NEDC-新歐洲行駛循環(huán)、WLTC-全球統(tǒng)一輕負(fù)荷測(cè)試循環(huán)、FTP-聯(lián)邦測(cè)試程序），這些循環(huán)與實(shí)際道路測(cè)試不同。

Boya Zhou等[3]的研究表明，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試周期和路面載荷設(shè)定方法對(duì)燃料消耗量的影響較小，差異小于4%。在交通擁堵的情況下（平均車速低于25 km/h），油耗對(duì)車速的變化非常敏感。因此，建議在評(píng)估低速輕型汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和溫室氣體減排效果時(shí)，不能忽視實(shí)際駕駛條件。

Artur Jaworski等[4]在道路和實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)一輛混合動(dòng)力汽車進(jìn)行了相同行駛周期的測(cè)試，確定混合動(dòng)力汽車在道路條件下的氣體排放（四氯化碳、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物）和燃料消耗（能量）結(jié)果與底盤測(cè)功機(jī)在相同周期和3種阻力作用下的測(cè)試結(jié)果之間的有很大差異。

建水縣位于云南省南部，海拔高度約1 400 m，處于高海拔環(huán)境下，氧氣稀薄，氣壓較低，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)充氣量減少，混合氣濃度變大，燃燒經(jīng)濟(jì)性降低[5]。

2 測(cè)試方案

21 測(cè)試路線及環(huán)境

為了分析國(guó)Ⅵ輕型燃油車在市區(qū)工況下的排放特性，本研究選在建水城區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。在制定試驗(yàn)路線的時(shí)候充分考慮交通流量、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、海拔增量等。表1列出了測(cè)試過程中的環(huán)境條件。

表1 測(cè)試環(huán)境條件

[環(huán)境溫度，℃ 19 環(huán)境濕度，% 578 氣壓，kPa 86.6 海拔高度，m 1 339 ]

22 測(cè)試車輛

本研究選擇了一輛國(guó)Ⅵ輕型燃油車作為測(cè)試車輛，以研究國(guó)Ⅵ輕型車市區(qū)工況污染物排放特性。這輛車在燃料類型和排放標(biāo)準(zhǔn)方面具有普遍性和代表性。表2提供了測(cè)試車輛基本信息。

23 測(cè)試設(shè)備

本研究采用的測(cè)試設(shè)備是HORIBA OBS-ONE。OBS ONE配備了GPS和氣象站，以監(jiān)測(cè)駕駛條件和天氣條件，包括速度、海拔、位置、環(huán)境溫度、大氣壓和濕度。OBS ONE負(fù)責(zé)檢測(cè)氣態(tài)排放物，一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）是通過非色散紅外探測(cè)器（NDIR）來測(cè)量的，一氧化氮（NO）和氮氧化物（NOx）是通過化學(xué)發(fā)光檢測(cè)器（CLD）來測(cè)量的，總烴（THC）是通過加熱火焰離子化檢測(cè)器（HFID）來檢測(cè)的，而發(fā)動(dòng)機(jī)在工作狀態(tài)下的參數(shù)則由車載診斷系統(tǒng)（OBD）來記錄。所有排放數(shù)據(jù)和發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)都是實(shí)時(shí)收集的。

此外，所有測(cè)量設(shè)備均由24 V電池供電，并且所有數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后，所有分析儀的輸出頻率均設(shè)置為1 Hz。氣態(tài)排放物CO、CO2、NO和NOx的測(cè)量范圍分別是0%～10%、0%～20%、0～0.3%、0～0.3%，而顆粒物的測(cè)量范圍是10 nm～25 [μ]m。測(cè)量精度分別達(dá)到了1×10-6、001%、1×10-7和1×10-7。每次測(cè)試前，便攜式排放測(cè)量系統(tǒng)（PEMS）都會(huì)進(jìn)行充分預(yù)熱，并接受泄漏檢查和功能檢查。每個(gè)分析儀都會(huì)在每次測(cè)試前后進(jìn)行歸零和校準(zhǔn)，以符合《中國(guó)排放標(biāo)準(zhǔn)Ⅵ》，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

24 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

為確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，測(cè)試儀器在每次測(cè)試前都要預(yù)熱60 min。此外，還使用高純度氮?dú)夂透鞣N標(biāo)準(zhǔn)氣態(tài)污染物對(duì)儀器進(jìn)行了歸零校準(zhǔn)，還根據(jù)每臺(tái)儀器響應(yīng)時(shí)間的差異，對(duì)其輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行了時(shí)間同步校正。

25 數(shù)據(jù)處理

計(jì)算排放因子：通過瞬時(shí)排放量和累計(jì)行駛里程計(jì)算燃油車污染物排放因子，計(jì)算公式：

Mj=[n=irmj，n10?3Sn]

式中，Mj為基于距離的排放因子，g/km;j為污染物種類（CO2、NO）;m為污染物的瞬時(shí)排放量，g/s;n為某種操作模式的持續(xù)時(shí)間，s；S為累計(jì)行駛里程，km[6]。

計(jì)算車輛比功率：

VSP=v（11a+981sinθ+0132）+302×10-4v3

式中，v為車輛行駛速度，m/s;a為車輛行駛瞬時(shí)加速度，m/s2;θ為道路坡度[7]。

3 結(jié)果與討論

31 數(shù)據(jù)描述

數(shù)據(jù)集的數(shù)量、質(zhì)量和多樣性對(duì)于排放特性研究十分重要。本研究采用PEMS收集到的9 000組機(jī)動(dòng)車瞬時(shí)排放數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集涵蓋了駕駛特性、外部環(huán)境特性、發(fā)動(dòng)機(jī)特性。每組數(shù)據(jù)的名稱、最大值、最小值、平均值等信息如表3所示。

32 行駛速度對(duì)CO2排放的影響

為了分析車輛行駛速度對(duì)燃油車CO2排放的影響，本研究將速度劃分為（0，10]，（10，20]，（20，30]，（30，40]，（40，50]，（50，60]6個(gè)區(qū)間，并分別計(jì)算其CO2排放因子，得出了CO2排放與車速的關(guān)系，如圖1所示。可以發(fā)現(xiàn)，隨著速度的增大，CO2排放呈降低的趨勢(shì)。（0，10]速度區(qū)間的CO2排放是（50，60]速度區(qū)間的719倍。速度小于10 km/h時(shí)，頻繁的停車和起動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，缸內(nèi)溫度較低，燃料燃燒不充分，導(dǎo)致（0，10]區(qū)間內(nèi)CO2排放較大[8]。

33 行駛速度對(duì)CO排放的影響

CO是含碳燃料燃燒過程中產(chǎn)生的主要中間產(chǎn)物。如果反應(yīng)氣體中氧氣濃度足夠高、溫度足夠高、化學(xué)反應(yīng)時(shí)間足夠長(zhǎng)，CO就會(huì)氧化成CO2。因此，如果不具備這3個(gè)條件，就會(huì)產(chǎn)生CO排放。圖2顯示了車輛行駛速度對(duì)CO排放的影響。可以看出隨著速度增加，CO排放呈遞減的趨勢(shì)，但是在（50，60]區(qū)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)遞增。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程在低速條件下發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度相對(duì)較低，燃燒不充分導(dǎo)致CO排放增大。隨著速度的增大，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)載增加，混合氣的濃度和空氣流量也發(fā)生了相應(yīng)的變化，燃燒效率升高，CO排放減少。當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，車輛阻力增大，導(dǎo)致CO增加。

34 行駛速度對(duì)NO排放的影響

當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，高溫高壓下使得空氣中的氧氣和氮?dú)庠陔娀鸹ǖ淖饔孟掳l(fā)生反應(yīng)，生成NO[9]。由圖3可知，六個(gè)速度區(qū)間，隨著速度的增加，NO先減少后增加。NO的生成隨溫度呈指數(shù)函數(shù)變化。溫度每提高100 k，NO的生成速率幾乎翻一番。氧濃度增加也會(huì)提高NO的生成量。速度增大，進(jìn)氣量增加，NO會(huì)增加。

35 速度和加速度對(duì)CO2排放的耦合影響

為了研究駕駛特性對(duì)CO2排放的影響，本研究選擇速度和加速度來表征駕駛特性。由圖4可以看出，當(dāng)加速度小于0時(shí)，即減速工況下，在每一個(gè)速度區(qū)間CO2排放速率都很低；CO2排放值在較大區(qū)域，是車輛在中低速中但加速度較大的情況。

36 VSP對(duì)CO2排放的影響

除了車速和加速度，VSP也是車輛行駛特性中排放的重要影響因素。其對(duì)國(guó)VI輕型汽油車二氧化碳排放率的影響有待研究。然而，與MOVES模型中通過VSP-bin對(duì)VSP的描述不同，本研究將VSP值視為獨(dú)立點(diǎn)，并在圖5中繪制了這些獨(dú)立VSP點(diǎn)與CO2排放量之間的擬合曲線。通過PEMS測(cè)量收集的9 000多個(gè)VSP排放數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行拋物線擬合。結(jié)果如圖6所示，CO2的排放率與VSP之間的關(guān)系呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式特征。當(dāng)VSP值大于0時(shí)，二氧化碳排放率隨著VSP的增加而急劇增長(zhǎng)。當(dāng)VSP值小于0時(shí)，二氧化碳排放率先在[-10，0]區(qū)間內(nèi)略有下降，然后緩慢上升。國(guó)VI汽油車擬合曲線的R2值平均達(dá)到055。這表明VSP對(duì)國(guó)VI汽油車二氧化碳排放的影響更穩(wěn)定、更顯著。

為了分析VSP分區(qū)與CO2排放的關(guān)系，本研究將VSP分為＜-10、[-10，-3）、[-3，0）、[0，3）、[3，6）、[6，9）、[9，12）、[12，15）、[15，20），9個(gè)區(qū)間，可以看出隨著VSP分區(qū)的增大，CO2排放速率呈一直增大的趨勢(shì)。因此機(jī)動(dòng)車市區(qū)行駛時(shí)可以采取措施避免激烈駕駛或重載駕駛，以減少CO2排放。

4 結(jié)語

a在市區(qū)工況下，隨著速度增大，CO2排放降低，NO排放降低，燃油消耗降低；CO排放隨著速度增大，呈現(xiàn)降低后增加的趨勢(shì)。

b當(dāng)VSP值小于0時(shí)，CO2排放速率很小；當(dāng)VSP值大于0時(shí)，隨著VSP值的增大，CO2排放速率增大。

c市區(qū)工況下，車輛減速時(shí)CO2排放速率很低；當(dāng)速度為定值時(shí)，隨著加速度的增大，CO2排放速率可以達(dá)到極大值。

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作者簡(jiǎn)介：

李漢軻，男，1984年生，助理工程師，研究方向?yàn)檎嚋y(cè)試技術(shù)。