不同海拔下國Ⅵ輕型汽油車實際道路排放特性分析

潘仲浦 陸雅婷 韓飛 余煒

摘要：為了研究不同海拔國Ⅵ輕型汽油車的實際道路排放特性，分別在開遠和建水開發RDE測試路線，利用便攜式排放測試系統（PEMS）在兩個城市開展國Ⅵ輕型汽油車實際道路排放測試。結果表明：隨著海拔的升高，CO2、NOX、PN排放呈現增加趨勢，建水的CO2綜合排放因子是開遠的116倍，NOX綜合排放因子是開遠的103倍，PN綜合排放因子是開遠的146倍；當速度為定值時，隨著加速度增大，CO2排放速率增大，當加速度為定值時，隨著速度增大，CO2排放速率增大；發動機轉速、速度、加速度與CO2排放表現出較強的正相關關系。

關鍵詞：高海拔；國Ⅵ輕型汽油車；排放特性

中圖分類號：U4613? 收稿日期：2024-04-08

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405032

1 前言

目前，機動車排放是空氣污染的主要來源。汽車在給人們的生活帶來便利的同時，也造成了環境污染。汽車尾氣排放的CO、HC、NOx和顆粒物等有毒物質不僅污染環境，而且危害人體健康[1]。為了平衡汽車產業與生態環境的協調發展，各國紛紛出臺更加嚴格的排放法規和生態環境保護政策。據公安部統計，2023年全國機動車保有量達435億輛，其中汽車336億輛。因此，降低機動車污染物排放對大氣污染具有重要意義。

與低海拔地區相比，高海拔地區的機動車排放呈現出明顯的特點。高海拔獨特的環境條件，空氣壓力和氧氣含量降低，顯著影響發動機的內部負荷和燃燒狀態[2]。此外，高海拔路段會影響駕駛員的駕駛行為，進而影響汽車排放。Huang等[3]研究發現高海拔對燃油車的實際駕駛排放有著顯著影響；Jiang等[2]發現隨著海拔升高，燃燒效率下降，駕駛條件對排放率的整體影響減少，海拔和氣象對CO2的排放有顯著影響；Wang等[4]研究發現，CO排放量隨著海拔的升高而增加，PN和NOX排放也隨之海拔增加而增加，但是在海拔2 990 m處，NOX排放呈下降趨勢；Serrano等[5]研究發現隨著環境濕度的增加，發動機外NOx排放有了持續和顯著的降低；王欣等[6]發現在所有海拔高度，隨著車速的增加，CO和HC排放量下降。在海拔高度的影響方面，CO、HC和PM隨海拔高度的升高而增加。氮氧化物的排放表現不同，氮氧化物的排放量隨著海拔變化呈現先增加再減小的趨勢。

本文對國Ⅵ輕型汽油車實際道路污染物排放進行了測試，分析不同海拔下污染物排放特性，對比不同海拔下污染物排放因子，分析污染物排放的影響因素。

2 試驗方案

21 試驗車輛

本研究選取國Ⅵ標準下的一款輕型汽油車作為測試車輛，研究不同海拔下對實際道路排放的影響。試驗車輛的具體信息如表1所示。此外，本研究所有測試數據均由同一臺PEMS測試。

22 試驗路線

為分析海拔高度對國Ⅵ輕型汽油車的實際行駛過程中污染物排放的影響，分別在開遠和建水開發RDE測試路線。考慮市區、市郊、高速的行車比例和測試總時長以及海拔增量等，確保兩條試驗路線均能通過RDE法規要求。測試路線具體信息如圖1、圖2所示。

23 試驗設備

測試設備采用PEMS設備（AVL MOVE GAS PEMS 493），用于測量柴油、汽油車輛和發動機尾氣中的THC、NO/NO2、CO/CO2和O2濃度。PEMS設備使用加熱式FID分析儀測量THC的濃度，除燃燒器氣體（He/H2混合氣）外，無需攜帶其他工作氣體。NO/NO2測量由紫外分析儀進行，該儀器可以同時直接測量NO和NO2，可使用內部校準比色皿進行校準。CO/CO2的測量，使用的是NDIR分析儀，該分析儀經過特別優化，在測量范圍低于01vol%時，CO通道具有高精度和高分辨率。為保證實驗結果的準確性，每次測試前對測試儀器進行了60 min的預熱。此外，使用高純度的氮氣和各種標準氣體污染物來進行標定。取樣管和稀釋系統經過仔細的清潔和干燥過程，沒有殘留的污染物或水。

24 數據處理

下面計算瞬時質量排放。根據污染物瞬時濃度（10-6）、瞬時排氣質量流量（kg/s）（傳遞時間校正和校準后）與響應污染物的密度，確定瞬時質量排放（g/s）。公示如下：

[mgas，i=ρgas，iρgas，e]×[cgas，i]×[qmew，i]×10-3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[mgas，i]為污染物組分質量，g/s；[ρgas，i]為氣體污染物組分密度，kg/m3;[ρgas，e]為排期密度，kg/m3;[cgas，i]為排氣中測得的氣體污染物組分的濃度，10-6;[qmew，i]為測得的排氣質量流量，kg/s;gas為相應污染物的標號；i為測量值編號。

計算加速度：

ai=（vi+1-vi-1）/（2×36），i=1-Nt? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

計算每個速度組的相對正加速度和v·apos-[95]

[j（?t?（v?apos）j，k]，j=1-Mk，i=1-Nk，k=u，r，m

RPAk=[idi，k]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，RPAk為市區、市郊、高速路段的相對正加速度，m/s2;[?t]為1 s；Mk為具有相對正加速度的市區、市郊、高速路段的樣本數；Nk為市區、市郊、高速路段的樣本總數。

[v?apos=v?apos3.6]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

3 試驗數據分析

31 不同道路類型下污染物排放因子

比較國Ⅵ輕型汽油車在兩個海拔下市區、市郊、高速還有總試驗的CO2排放因子，如圖3所示。隨著海拔升高，CO2排放因子呈增大的趨勢。在兩種海拔下，三種道路類型的CO2排放因子從高到低依次為市區＞市郊＞高速。建水的CO2綜合排放因子是開遠的116倍。出現這樣的現象是由于隨著海拔的升高，氧氣稀薄，發動機燃燒效率下降，油耗升高，CO2排放增加[7]。

由于NO的生成反應比燃料燃燒反應慢，所以雖然火焰前鋒的溫度很高，但也只有很小一部分產生于此，大部分是在焰后高溫區生成[8]。由圖4可以看出，建水的RDE試驗NOX排放高于開遠，NOX綜合排放因子是開遠的103倍。這是由于隨著海拔的升高，發動機的滯燃期和燃燒后期延長，缸內溫度升高，從而促使了NOX的生成[9]。

圖5顯示了測試車輛在不同海拔高度的PN排放因子的變化。試驗車輛的總出行PN排放因子隨海拔高度的增加而增加。這一方面是由于海拔升高引起的缸內局部缺氧促進了PN排放的產生；另一方面，CH自由基促進了PM的產生。由于海拔高度的增加，缸內溫度升高，更多的CH自由基被分解，進一步促進PN排放的產生。因此，車輛的PN排放隨著海拔的增加而增加[10]。

32 行程動力學參數驗證

篩選車速大于3 km/h的試驗數據，計算加速度、apos、RPA值。將速度小于60 km/h的數據劃分為市區組，速度大于60 km/h且小于或等于90 km/h的數據劃分為市郊組，速度大于90 km/h的數據劃分為高速組。計算每個速度組的平均速度[vk]，保證每個速度組中加速度值ai＞01 m/s2的數據集合數量不小于150個[11]。分別驗證三個速度組的（v·apos）k? [95]和RPA，驗證行程有效性的標準如下：如果vk＞746 km/h，并且（v·apos）k? [95]>（00742vk+18966），行程無效。對RPA進行驗證的標準為：如果vk≤9405 km/h，并且RPAk<（-00016·vk+01755），行程無效；如果vk＞9405 km/h，并且RPAk＜0025，行程無效。通過計算，實際道路能耗試驗各路段的v·apos? [95]和RPA驗證結果如表2和表3所示，建水和開遠各路段v·apos? [95]的實際值均小于括號內的參考值，RPA的實際值均大于括號內的參考值，兩種海拔下的v·apos? [95]與RPA均通過驗證。

33 速度和加速度對CO2排放的雙重影響

圖6展示了在不同海拔下，車輛行駛速度和加速度對CO2排放速率的耦合影響。結果表明，在速度不變的情況下，加速度的變化對CO2排放速率有直接影響，加速度越大，CO2排放速率越大。這是由于在加速過程中，車輛需要增加燃料來產生更強的動力去提高速度，從而增大了CO2排放速率。當加速度為定值時，隨著速度的增大，CO2排放速率增大。隨著速度的增加，發動機負荷增加，使其排放更多的污染物氣體[12]。總之，車輛行駛速度和加速度是影響CO2排放速率的關鍵因素。

34 相關性分析

采用Spearman法來確定所有特征參數與污染物排放速率之間的相關性。圖7顯示了相關性分析的結果。發動機轉速、速度、加速度與CO2排放速率有明顯的正相關，其Spearman系數均大于或等于05。環境條件與CO2排放速率相關性不強。然而環境條件、發動機特性、駕駛特性似乎與NOX排放速率和PN排放速率無明顯相關性。

4 結語

a.隨著海拔的增加，國Ⅵ輕型汽油車CO2排放增加。

b.車輛行駛速度和加速度是影響CO2排放速率的關鍵因素。

c.發動機轉速、速度、加速度與CO2排放速率有明顯的正相關；環境條件、發動機特性、駕駛特性與NOX排放速率和PN排放速率無明顯關系。

參考文獻：

[1]Zheng F， Zhang H， Yin H，et al.Evaluation of real-world emissions of China V heavy-duty vehicles fueled by diesel， CNG and LNG on various road types[J].Chemosphere， 2022， 303：19-25.

[2]Jiang Z， Wu L， Niu H，et al.Investigating the impact of high-altitude on vehicle carbon emissions： A comprehensive on-road driving study[J].Science of The Total Environment， 2024， 918：65-73.

[3]Huang R， Ni J， Shi X，et al.Assessing and characterizing the effect of altitude on fuel economy， particle number and gaseous emissions performance of gasoline vehicles under real driving[J].Proc SAE Technical Paper Series，2023

[4]Wang H， Ge Y， Hao L，et al.The real driving emission characteristics of light-duty diesel vehicle at various altitudes[J].Atmospheric Environment， 2018， 191：126-131.

[5]Serrano J R， Martín J， Piqueras P，et al.Effect of natural and forced charge air humidity on the performance and emissions of a compression-ignition engine operating at high warm altitude[J].Energy， 2023， 266：81-88.

[6]Wang X， Yin H， Ge Y，et al.On-vehicle emission measurement of a light-duty diesel van at various speeds at high altitude[J].Atmospheric Environment， 2013， 81：263-269.

[7]鄭豐，趙海光，吉江林，等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[J]環境科學研究，2022，35（7）：1581-1588

[8]Ariemma G B， Sorrentino G， Ragucci R，et al.Ammonia/Methane combustion： stability and NOx emissions[J]Combustion and Flame， 2022， 241：35-43.

[9]曹磊國Ⅵ輕型汽油車實際行駛排放特性研究[D]長春：吉林大學，2019

[10]郭曉年高海拔下輕型汽油車油耗及排放特性研究[D]北京：北京理工大學，2017

[11]張小奇不同行駛條件下混合動力汽車與燃油車污染物排放特性對比分析[D]重慶：重慶大學，2022

[12]Zhu X H， He H D， Lu K F，et al.Characterizing carbon emissions from China V and China VI gasoline vehicles based on portable emission measurement systems[J]Journal of Cleaner Production， 2022， 378：75-83.

作者簡介：

潘仲浦，男，1994年生，助理工程師，研究方向為整車測試技術。