不同海拔下輕型汽油車RDE排放特性研究

摘 要：為探究在不同海拔下輕型車實際行駛污染物排放的變化規律，在柳州（100m）、蒙自建水（130m）、昆明（1900m）和西寧（2400m）這四個不同海拔的城市下，采用輕型車便攜式排放測試設備PEMS對一輛輕型汽油車進行了實際行駛工況的NOx、CO、CO2、PN（顆粒物數量 Particle Number）排放試驗的研究。研究表明，隨著海拔的升高，空氣密度降低，發動機負荷減小，CO隨海拔升高是增大的趨勢；CO2隨海拔整體變化差異不大；NOx隨海拔升高有先降低再升高的趨勢，2400m時，排放相比1900m升高5倍；PN隨海拔升高有先降低再升高的趨勢，1900m時比100m海拔排放降低至原來的三分之一。

關鍵詞：輕型車 實際行駛污染物排放 海拔 排放特性

環境的問題依然是全球十分密切關注的熱點問題之一[1]，汽車尾氣排放對環境造成的污染問題確實是一個需要重視的問題。中國第六階段排放標準（China VI）的實施，引入了實際行駛排放（Real Driving Emission，RDE）測試，這是對傳統實驗室排放測試的重要補充，它能夠更真實地反映車輛在實際道路上的排放情況。

RDE測試考慮了車輛在不同條件下的排放表現，包括：有效載荷：車輛在不同載荷下的排放情況。環境參數：如溫度、濕度、氣壓等對排放的影響。海拔：不同海拔對發動機性能和排放的影響。駕駛模式：車輛在不同駕駛模式下的排放表現。車輛狀態：車輛的維護狀態、使用年限等對排放的影響。載荷代表性：測試車輛是否能夠代表同一系族的其他車輛。這些因素對RDE測試結果的影響是多方面的，需要汽車制造商和相關研究機構深入研究，以確保車輛在各種條件下都能滿足排放標準。這不僅有助于環境保護，也推動了汽車技術的進步和創新[2-5]。

總之，RDE測試的引入是中國汽車排放標準進步的重要標志，它對汽車制造商提出了更高的要求，同時也為環境保護和公眾健康帶來了積極的影響。

中國擁有多樣的地形，其中大部分地區位于較高海拔。具體來說，超過70%的國土海拔超過700米，而海拔超過1300米的地區則占據了國土總面積的一半。這表明，中國的地理特征以高原和山地為主，形成了獨特的自然景觀和生態環境[6]。中國地域遼闊，緯度跨度大，因此氣候類型多樣，溫度帶覆蓋廣泛。此外，中國也是一個高原眾多的國家，許多城市坐落在海拔2000米以上，這些地區的氣候和生態環境與低海拔地區有顯著差異。目前，針對高海拔地區RDE的研究主要集中在駕駛習慣對排放的影響，對高海拔對機動車影響的研究主要集中在柴油發動機性能和燃料特性方面，很少涉及整車排放和油耗[7]。

本文旨在探究海拔對輕型汽油車排放特性的影響。為此，研究團隊運用便攜式車載排放測量系統（PEMS），在多個不同海拔的條件下，對輕型汽油車進行了實際道路排放測試。通過這項測試，研究了NOx、CO、CO2和PN（顆粒物）等污染物的排放，并對比了不同海拔條件下這些污染物的排放因子。此外，還分析了不同道路類型對NOx、CO、CO2和PN排放的影響，旨在為高海拔地區輕型汽油車排放控制提供科學依據和技術支持。

1 試驗資源與試驗方案

1.1 測試車輛

選用一輛滿足國ⅤI排放標準的輕型汽油車，在不同海拔地區進行RDE試驗。

1.2 測試設備

測試設備使用便攜式排放測試系統PEMS（AVL M.O.V.E is+），如圖1、圖2所示，進行車輛排放測試。PEMS設備至少應包含以下零部件：分析儀：確定排氣中各種污染物的濃度；一個或多個儀器或傳感器：確定排氣質量流量；北斗衛星、全球定位系統（GPS）或其他系統：確定車輛的位置、海拔和行駛速度；車輛本身以外的傳感器和其他設備：確定環境溫度、相對濕度、大氣壓力和車速等。使用獨立的電源為PEMS設備供電。為保障試驗數據的可靠性，在正式試驗前，對PEMS設備進行泄漏檢查和標零及標定，試驗后進行漂移檢查。

本文在車輛排放測試中，應用了一套名為AVL M.O.V.E is+的便攜式排放測量系統（PEMS），如圖1、圖2所示。其組成和操作流程如下：

核心組件：系統包含用于檢測排氣污染物濃度的分析儀，以及測量排氣流量的傳感器設備。定位技術：集成了北斗衛星導航系統或GPS，以實時監控車輛的定位、高度和速度。環境參數監測：系統還配備了監測環境溫度、濕度、氣壓和車速的傳感器。電源供應：PEMS設備通過獨立電源進行供電。測試前準備：為確保數據的精確度，測試前對系統執行了細致的泄漏檢查，并進行了零點和量程的校準。測試后驗證：測試結束后，進行漂移測試，以驗證測量結果的連續性和可靠性。通過這些嚴格的測試流程，確保了PEMS系統在車輛排放測試中的高效和準確性。

1.3 試驗路線及測試工況

在柳州（100m）、蒙自建水（130m）、昆明（1900m）和西寧（2400m）這4個海拔不相同的城市來進行輕型汽油車RDE測試，測試路線如圖3-6所示。

根據國Ⅵ排放標準，輕型車排放測試的路線設計需滿足以下要點：行駛環境：路線應包括城市、郊區和高速公路三種路況。環境條件：測試應在溫度-7℃至35℃之間，海拔從0米至2400米，不同條件對應不同的測試要求。車速分布：路線分為三個主要部分，城市路段車速低于60km/h，郊區路段車速在60至90km/h之間，高速路段車速超過90km/h。行駛距離：每段路線至少16公里，總長度大約均分為三等分，允許有±10%的誤差，城市路段至少占總行程的29%。海拔變化：起點和終點海拔差不超過100米，每100公里正海拔增加不超過1200米。行駛時間：總行駛時間介于90至120分鐘，車速超過100km/h的持續時間至少5分鐘。最高車速：常規情況下車速不超過120km/h，高速路段行駛時間的3%內可將車速提高最多15km/h。城市路段車速：平均車速在15至40km/h之間。停車時間：城市路段停車時間（車速低于1km/h）占總行駛時間的6%至30%，允許包含10秒以上的停車，但超過180秒的停車需在數據處理時排除，否則測試無效。這些要求確保了測試結果能夠全面反映車輛在不同路況和環境條件下的排放性能。

2 試驗結果及分析

本文通過上述4個不同海拔的地區進行了實際行駛排放測試，并且對測試結果進行了研究以及分析。

2.1 不同海拔下的NOx排放特性

汽油發動機排放的氮氧化物主要包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）和一氧化二氮（N2O）。這些氮氧化物的形成主要依賴于高溫環境、高溫持續的時間以及氧氣的充足供應。在汽油發動機中，由于由燃料直接產生的氮氧化物（即燃料型NO）和由空氣中氮氣激發產生的氮氧化物（即激發型NO）的量相對較少，因此可以忽略，主要的氮氧化物排放來源于高溫條件下的化學反應。

圖7為不同海拔下MAW法計算NOx排放及符合因子圖，從圖中我們可以看到：NOx排放在各海拔下市區相比總行程都要偏高，符合性因子均要大2倍左右，因為NOx是在高溫富氧下生成，中高速負荷下都進行噴油加濃，不易形成NOx，市區中低負荷下增多；而且當隨著海拔的不斷升高，NOx的排放呈現先降低再升高的趨勢，但總體上經擴展系數校正后高原NOx排放結果要優于平原；相比較來看：昆明1900m海拔測得的NOx較其他海拔都有優勢。

2.2 不同海拔下的CO排放特性

CO是燃料不完全燃燒的產物。RDE試驗中，CO排放主要產生在高速工況。圖8為不同海拔下MAW法計算CO排放及符合因子圖，從圖中我們可以看到：昆明試驗工況和西寧市CO市區排放隨海拔升高呈現增加趨勢，符合性因子從0.01增大到0.2，與低海拔地區相比，高海拔地區的空氣氧含量較低，這會降低發動機的燃燒效率，尤其在城市行駛中的低負荷工況下，這種影響尤為顯著。CO全行程排放也是隨海拔升高呈現增加趨勢，但倍數關系不明顯，蒙自建水1300m海拔的CO比其他各海拔高是由于在市郊和高速工況下V.A明顯高于其他，激烈程度高也會導致CO排放劇烈惡化。

2.3 不同海拔下的PN排放特性

顆粒物的形成通常發生在高溫和缺氧的環境中。在發動機高速運轉時，PN的排放量會增加，這是因為高速運轉時排氣溫度和氣缸內溫度都達到峰值，這些高溫條件促進了顆粒物的生成。圖9為不同海拔下MAW法計算PN排放及符合因子圖，從圖中我們可以看到：PN排放隨著海拔升高先降低后升高，1900mPN排放最低，與100m相比降低至十分之一左右；在市區和全行程中PN排放比較接近，100m市區略高于全行程。

圖10為4個不同海拔的全行程比排放測試結果圖，從圖中可以看到：CO隨海拔升高而增高、CO2隨海拔整體無明顯變化差異、NOx隨海拔升高先降低再升高、PN隨海拔升高先降低再升高。

3 結論

本文在不同海拔對輕型汽油車進行了實際道路排放測試，并得出了以下結論。

（1）NOx隨海拔升高有先降低再升高的趨勢，2400m時，排放相比1900m升高5倍；

（2）CO隨海拔升高是增大的趨勢，實際的變化規律并不明顯，與路況累計海拔增加量、坡度和駕駛行為相關性強；

（3）CO2隨海拔整體變化差異不大，略有增加（7%以內）。相對平原地區，高海拔地區累計正海拔增加量大，溫度比平原低，會導致油耗增加；

（4）PN隨海拔升高有先降低再升高的趨勢，1900m時比100m海拔排放降低至原來的三分之一。

參考文獻：

[1]Pielecha J，Merkisz-Guranowska A， Jacyna-Golda I. A new ecological research： real driving emissions[J].Journal of KONES，2014：21.

[2]杜寶程.輕型汽車實際行駛排放試驗邊界和評價方法的研究[D].重慶：重慶大學，2021.

[3]馬志成，付鐵強，戴春蓓，等.海拔對輕型柴油車實際駕駛排放的影響[J].車用發動機，2017（04）：84-87+92.

[4]楊順堃.不同海拔下氫氣/柴油雙燃料發動機燃燒及排放特性研究[D].昆明：昆明理工大學，2023.

[5]馬志成，付鐵強，戴春蓓，等.海拔對輕型柴油車實際駕駛排放的影響[J].車用發動機，2017（04）：84-87+92.

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