基于遠(yuǎn)程監(jiān)控的重型車實(shí)際行駛冷起動(dòng)特征

關(guān)鍵詞：重型車；實(shí)際行駛；冷起動(dòng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控 DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2025.04.004 中圖分類號(hào)：TK421.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2222（2025）04-0023-06

據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)分析，2023年，中國商用車產(chǎn)量和銷量分別為403.7萬輛和403.1萬輛。柴油車的氮氧化物（nitrogenoxide， NO_x ）排放量超過汽車排放總量的 80% ，顆粒物（particulatemat-ter，PM）超過 90%^[1] 。2022年11月，生態(tài)環(huán)境部等15部門聯(lián)合印發(fā)了《柴油貨車污染治理攻堅(jiān)行動(dòng)方案》，計(jì)劃到2025年全國柴油貨車 NO_x 排放量下降 12% 。中國已于2023年7月1日正式全面實(shí)施重型車國六b階段排放標(biāo)準(zhǔn)（GB17691—2018）[2]，將重型車的實(shí)際道路測(cè)試列為重點(diǎn)之一，試驗(yàn)采用便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（portableemissionmeasurementsystem，PEMS）進(jìn)行。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)PEMS測(cè)試開展了大量研究。北京理工大學(xué)呂立群等[3的研究結(jié)果表明，現(xiàn)行功基窗口法在排放評(píng)估過程中最高可剔除 46.68% 的NO_x 高比排放窗口，嚴(yán)重低估了實(shí)際道路工況尤其是市區(qū)擁堵路況下的重型柴油車實(shí)際 NO_x 排放量。歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心P.MENDOZA-VILLAFUERTE等4的研究結(jié)果表明，高達(dá) 85% 的 NO_x 排放結(jié)果未納入計(jì)算。目前，國際上開始對(duì)傳統(tǒng)的PEMS測(cè)試和計(jì)算方法進(jìn)行改良，并期望在未來排放法規(guī)中予以升級(jí)[5]。X.ZHANG等[6]提出了一種適用于PEMS測(cè)試的基于油耗的窗口劃分方法，這種方法的 NO_x 排放偏差較功基窗口法降低 6% 。

2021年開始，中國環(huán)境科學(xué)院牽頭起動(dòng)了國七排放標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)研工作，明確將增加對(duì)PEMS測(cè)試?yán)淦饎?dòng)排放的考核，并考慮降低對(duì)車輛載荷和行駛工況的限制。2021年，美國環(huán)境保護(hù)署（Environmen-talProtectionAgency，EPA）發(fā)布“清潔卡車計(jì)劃”，旨在降低重型貨車的溫室氣體和有害污染物的排放，并于2022年12月發(fā)布該計(jì)劃的第1項(xiàng)法規(guī)，即 EPA2027排放法規(guī)。該標(biāo)準(zhǔn)中引入二區(qū)移動(dòng)平均窗口（2bin moving average window，2B-MAW）方法對(duì)在用車進(jìn)行日常行駛工況的實(shí)際道路測(cè)試。2024年5月，歐盟發(fā)布了歐七排放標(biāo)準(zhǔn)[8。歐七排放標(biāo)準(zhǔn)沿用了歐六的PEMS測(cè)試方法和功基窗口法的排放核算方法，將有效窗口的平均功率閾值從 10% 降低至 6% 。綜上，采用實(shí)際行駛工況進(jìn)行PEMS測(cè)試且對(duì)冷起動(dòng)排放進(jìn)行考核是未來重型車排放法規(guī)的發(fā)展方向之一。

柴油車的排放物主要依靠后處理裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)化，但后處理裝置需要達(dá)到一定的溫度才能進(jìn)行充分反應(yīng)。例如，柴油氧化催化器（dieseloxidationcatalyst，DOC）的起燃溫度為 ，而選擇性催化還原（selectivecatalyticreduction，SCR）的尿素起噴溫度一般為 160～200° ，因此，車輛冷起動(dòng)過程中的排放相對(duì)較為惡劣。（以下簡(jiǎn)稱“天津檢驗(yàn)中心”的吳春玲等9研究了PEMS測(cè)試過程中的冷起動(dòng)排放特征，發(fā)現(xiàn)冷起動(dòng)階段 NO_x 排放占比達(dá) 23.7% ～82.4% 。天津檢驗(yàn)中心的許丹丹等[10]對(duì)一輛重型柴油混動(dòng)自卸車進(jìn)行PEMS測(cè)試，發(fā)現(xiàn)與剔除冷起動(dòng)的排放測(cè)算結(jié)果相比，包含冷起動(dòng)數(shù)據(jù)后 NO_x 排放增長(zhǎng)約20倍， NO_x 排放的綜合符合性因子增加了92.3倍。廈門環(huán)境保護(hù)機(jī)動(dòng)車污染控制技術(shù)中心的蘇盛11發(fā)現(xiàn)國六重型柴油車PEMS測(cè)試過程中冷起動(dòng)的CO， NO_x ，PN排放量占比最多分別可達(dá) 25.4%，60.3%，67.6% 。葡萄牙里斯本大學(xué)的R.A.VARELLA等[12]研究了環(huán)境溫度對(duì)實(shí)際道路測(cè)試?yán)淦饎?dòng)的影響，結(jié)果表明環(huán)境溫度為 5C 時(shí)的 NO_x 排放較其他工況高出約 30% 。重慶大學(xué)的B.DU等[13]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三元催化器的初始熱狀態(tài)對(duì)實(shí)際駕駛測(cè)試中冷起動(dòng)排放有直接的影響。韓國漢陽大學(xué)的J.SEO等[14]通過實(shí)際道路數(shù)據(jù)訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于預(yù)測(cè)冷起動(dòng)排放，研究發(fā)現(xiàn) NO_x 排放對(duì)冷起動(dòng)排放的敏感性與車型有關(guān)。

綜上，重型車的冷起動(dòng)排放（尤其是 NO_x ）占有較高比例，面對(duì)日漸嚴(yán)苛的排放法規(guī)，需要對(duì)重型車?yán)淦饎?dòng)特征進(jìn)行深入研究。然而目前的研究大都采用排放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的統(tǒng)一測(cè)試方法和循環(huán)，與實(shí)際的駕駛工況不盡相同，因此有必要采用實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)重型車?yán)淦饎?dòng)特性進(jìn)行分析。本研究采用重型車遠(yuǎn)程監(jiān)控排放數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)際駕駛工況的行程和冷起動(dòng)的時(shí)長(zhǎng)、做功、排放等特征進(jìn)行了分析，旨在為國七排放標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)際道路測(cè)試?yán)淦饎?dòng)排放考核方案的研究提供參考。

1數(shù)據(jù)及分析方法

1.1 樣車數(shù)據(jù)

研究分析的數(shù)據(jù)來源于某重型車排放遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，按照國六排放標(biāo)準(zhǔn)2要求，重型車應(yīng)按照1Hz 的頻率上傳車速、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃料流量、進(jìn)氣量、 NO_x 傳感器輸出值等車輛瞬時(shí)運(yùn)行及排放數(shù)據(jù)[15]。本研究隨機(jī)選擇8個(gè)型號(hào)的36臺(tái)重型國六在用柴油車，數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)共計(jì) 16629.4h 。所選樣車的參數(shù)及數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)如表1所示，車輛型號(hào)覆蓋貨車、牽引車、自卸車和客車的不同質(zhì)量段，即最大總質(zhì)量GVW（grossvehicleweight）不同。對(duì)于每輛樣車，遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包含了同一年中的4個(gè)不同月份（1月、4月、7月和10月）來代表不同的季節(jié)。車輛的行駛路線和載重都是來自日常使用的真實(shí)場(chǎng)景。由于目前柴油車上廣泛安裝了 NO_x 傳感器，因此遠(yuǎn)程監(jiān)控中只采集了 NO_x 排放數(shù)據(jù)。

表1樣車參數(shù)及數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)

1.2 分析方法

本研究的數(shù)據(jù)分析分為數(shù)據(jù)清洗、行程分析和冷起動(dòng)分析3個(gè)步驟。

1）數(shù)據(jù)清洗：刪除發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為0的數(shù)據(jù)，并根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中的發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、燃料流量、進(jìn)氣量按照下式計(jì)算功率。

式中： Ψ_tΨ_t 為時(shí)間的索引變量； P 為發(fā)動(dòng)機(jī)凈功率； T_net 為發(fā)動(dòng)機(jī)靜扭矩 （N?N）：n 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速； T_ref 為發(fā)動(dòng)機(jī)參考扭矩 （N?m） ； T_act 為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩 （%）：T_fri 為發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦扭矩 （%） 。

2）行程分析：定義“行程”為一次發(fā)動(dòng)機(jī)著火至熄火的連續(xù)過程。行程之間中斷時(shí)間應(yīng)超過 30s 0否則認(rèn)為中斷數(shù)據(jù)屬于漏傳或臨時(shí)熄火，前后數(shù)據(jù)為連續(xù)的一個(gè)行程。考慮到短程移車等情況，認(rèn)為5min 以上的行程為有效行程。

3）冷起動(dòng)分析：按照國六排放標(biāo)準(zhǔn)中實(shí)際道路測(cè)試要求，定義車輛冷起動(dòng)過程為行程初始從冷卻水溫度低于 30^°C 至首次熱機(jī)到達(dá) 70°C 的過程。若行程起始溫度高于 30^°C ，則不對(duì)該行程進(jìn)行冷起動(dòng)分析。

2 結(jié)果及分析

2.1 行程特征

不同車型的總行程數(shù)如圖1所示。如前文所述，本研究中的行程是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)是否運(yùn)行來定義的，因此包含了臨時(shí)停車。本研究中共分析了21466個(gè)行程，其中貨車1、貨車3和牽引車1的行程數(shù)約為1500個(gè)。由于牽引車2的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度最長(zhǎng)（見表1），因此牽引車2的行程數(shù)高達(dá)6685個(gè)。可以看出，所有車型的行程數(shù)都足夠大，可以代表它們的日常運(yùn)行情況。

不同車型的行程時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)如圖2所示。可以看出，不同車型的行程時(shí)間大致分布在 0～3h 范圍內(nèi)，所有樣車的平均行程時(shí)長(zhǎng)為 0.68h 。對(duì)于相同用途的車輛，平均行程時(shí)長(zhǎng)隨著GVW的增長(zhǎng)而升高，這與車輛的實(shí)際用途有關(guān)，GVW較小的車型多用于城市內(nèi)短途運(yùn)輸，而GVW較大的車型多用于城際中長(zhǎng)途運(yùn)輸。

國六排放標(biāo)準(zhǔn)2中要求PEMS測(cè)試的累計(jì)功達(dá)到WHTC循環(huán)功的 4～7 倍，而本研究中車輛行駛的WHTC循環(huán)功倍數(shù)在 0～6 范圍內(nèi)變化，平均值約為1.38。此外，歐七和美國EPA2027排放法規(guī)中已經(jīng)取消了PEMS測(cè)試?yán)塾?jì)功的要求，因此有必要在國七標(biāo)準(zhǔn)中降低或取消PEMS測(cè)試的累計(jì)功要求。與行程時(shí)長(zhǎng)類似，對(duì)于相同用途的車輛，WHTC循環(huán)功倍數(shù)平均值隨著GVW的增長(zhǎng)有上升的趨勢(shì)，這也與車輛的實(shí)際用途有關(guān)。

不同車型的行車和冷起動(dòng)速度分布如圖4所示。中國對(duì)于重型車在市區(qū)、市郊和高速路況的車速限值一般分別為 60，80，100km/h 。從圖4可以看出，貨車1和貨車3的主要車速分別約為45km/h 和 60km/h ，因此二者可能主要行駛在市區(qū)范圍內(nèi)。除了市區(qū)路況外，其他車型在 80km/h 左右存在一個(gè)峰值，因此這些車型也行駛在高速路況以實(shí)現(xiàn)城市間的物流運(yùn)輸。對(duì)于冷起動(dòng)工況而言，所有車型的車速基本上均小于 60km/h ，說明冷起動(dòng)期間車輛的運(yùn)行負(fù)荷較低，此時(shí)后處理系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率較低。

2.2 冷起動(dòng)特征

冷起動(dòng)過程的冷卻水溫度分布和SCR出入口溫度分布如圖5所示。圖中的溫度二維核密度（kerneldensity）分布通過將所有冷起動(dòng)過程中水溫隨時(shí)間的變化曲線放在同一張圖中計(jì)算獲得。從圖5a中可以看出，大部分行程在 1200s 內(nèi)完成了熱機(jī)過程，所有冷起動(dòng)過程的平均長(zhǎng)度為 912.4s 。

部分行程由于受較低的環(huán)境溫度、低車速和頻繁起停等工況的影響，冷起動(dòng)過程超過 3600s ，甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，水溫仍然低于 70°C 。圖中標(biāo)注了密度等于0.06的等高線，用以代表主要分布區(qū)域，用于后文中的分布區(qū)域?qū)Ρ取膱D5b和圖5c中可以看出，冷起動(dòng)過程中的SCR入口溫度要高于出口溫度。一方面，SCR載體需要從排氣中吸收熱量用于加熱自身，另一方面，SCR中的還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)。由圖可見，最快只需要約200s時(shí)間，SCR的入口溫度即可達(dá)到200℃的起燃溫度，并開始尿素噴射。

選取一段具有代表性的長(zhǎng)時(shí)間冷起動(dòng)過程（數(shù)據(jù)來源：客車，1月）進(jìn)行分析，如圖6所示。車輛在水溫為 15^°C 時(shí)開始運(yùn)行，經(jīng)過4000s的運(yùn)行，水溫仍未達(dá)到 70^°C 。這是由于天氣寒冷，且行駛速度較低，并且車輛在行駛過程中經(jīng)歷了多次較長(zhǎng)時(shí)間的怠速，導(dǎo)致水溫未能連續(xù)上升，SCR入口溫度也長(zhǎng)時(shí)間未能達(dá)到尿素起噴溫度。在長(zhǎng)怠速之后，車輛再次運(yùn)行后較低的排氣溫度使得SCR人口溫度進(jìn)一步降低，導(dǎo)致產(chǎn)生較高的 NO_x 排放。因此，如果未來排放法規(guī)中取消對(duì)車輛行駛工況的要求，可能存在車輛運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間仍無法完成熱機(jī)的情況。

圖6長(zhǎng)時(shí)間冷起動(dòng)過程（客車，1月）

不同車型（貨車、牽引車、自卸車和客車）在不同季節(jié)（1月、4月、7月和10月）下的冷起動(dòng)過程水溫分布對(duì)比如圖7所示，圖中每種車型或月份對(duì)應(yīng)區(qū)域的冷卻水溫度二維核密度大于0.06。從圖7a可以看出，由于自卸車型一般為中高載荷運(yùn)行，因此水溫升高最快，冷起動(dòng)平均時(shí)長(zhǎng)為 677.9s 。貨車和牽引車?yán)淦饎?dòng)時(shí)長(zhǎng)較為接近，而客車的冷起動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)，平均值為 1838.3s 。原因是目前客車空座率較高，車輛載荷較小且行駛速度受到限制。由圖7b可見，隨著環(huán)境溫度的升高，車輛冷起動(dòng)的初始水溫也隨之上升，平均冷起動(dòng)時(shí)長(zhǎng)則明顯下降，從1月的平均1389.5s降低為7月份的 508.4s 。

不同車型冷起動(dòng)時(shí)長(zhǎng)占行程時(shí)長(zhǎng)的比例統(tǒng)計(jì)如圖8所示。由于實(shí)際工況的冷起動(dòng)時(shí)長(zhǎng)（見圖5）和行程時(shí)長(zhǎng)（見圖2）變化范圍較廣，因此每種車型的冷起動(dòng)時(shí)間占比均在 10%～80% 的范圍較為分散地分布。其中貨車的冷起動(dòng)時(shí)間占比平均值隨著GVW的升高（即功率升高）而降低，牽引車和自卸車變化不明顯。所有車輛的冷起動(dòng)時(shí)間的平均占比為 38.58% 。

不同車型冷起動(dòng)過程做功的WHTC循環(huán)功倍數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖9所示，不同車型的平均值約為0.25。影響WHTC循環(huán)功倍數(shù)的因素較多，包括車輛載荷、冷起動(dòng)時(shí)長(zhǎng)和發(fā)動(dòng)機(jī)排量等，因此WHTC循環(huán)功倍數(shù)分布在 0.1～0.5 范圍內(nèi)。

圖10示出冷起動(dòng)過程中的排放水平。值得注意的是，這里的 NO_x 排放為 NO_x 傳感器在露點(diǎn)檢測(cè)之后的有效值。由于 NO_x 傳感器的露點(diǎn)檢測(cè)一般在冷起動(dòng)排放較高的初期（如圖6所示），因此計(jì)算結(jié)果較實(shí)際排放水平低，但不影響后續(xù)的分析。可以看出，大部分車型的平均冷起動(dòng) NO_x 排放量在小于 1.0g/（kW?h） 范圍內(nèi)，但大部分行程的冷起動(dòng)排放均超過了歐七限值8] （0.26g/（kW?h）） 。對(duì)于自卸車1和客車，冷起動(dòng)的排放水平較高。因此，如果國七排放標(biāo)準(zhǔn)也采用相同限值，對(duì)于重型車?yán)淦饎?dòng)排放優(yōu)化將是較大的挑戰(zhàn)。

3結(jié)論

a）對(duì)于相同用途的車輛，平均行程時(shí)長(zhǎng)和平均行程做功隨著最大總質(zhì)量的增長(zhǎng)而升高，所有樣車的平均行程時(shí)長(zhǎng)為 0.68h ，平均行程做功的WHTC循環(huán)功倍數(shù)為1.38；為了縮短PEMS試驗(yàn)周期，在未來國七標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)考慮降低實(shí)際道路測(cè)試的累計(jì)功要求；

b）所有樣車的平均冷起動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為 912.4s ，冷起動(dòng)占行程時(shí)長(zhǎng)的平均比例為 38.58% ，平均冷起動(dòng)做功WHTC循環(huán)功倍數(shù)為0.25；對(duì)于實(shí)際駕駛工況，由于受環(huán)境溫度、頻繁起停或長(zhǎng)怠速的影響，有可能存在車輛運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間 （gt;1h） 仍無法完成熱機(jī)的情況，隨著環(huán)境溫度的升高，冷起動(dòng)時(shí)長(zhǎng)明顯下降；

c）以目前國六車的冷起動(dòng)排放水平來看，大部分車型的平均冷起動(dòng)排放在小于 1.0g/（kW?h） 范圍內(nèi)，但大部分行程的冷起動(dòng)排放均超過了歐七限值 （0.26g/（kW?h）） ，因此排放標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)對(duì)于重型車的冷起動(dòng)排放優(yōu)化將是較大的挑戰(zhàn)。

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Abstract：In order to meet the requirements of the future assessment of the China I emission standard for heavy-duty vehiclesoncoldstartemisionsduringrealroadtests，thecoldstartcharacteristicsofheavydutyvehiclesunderrealroaddriving conditionswereinvestigated，and16629.4hremotelymonitoredemisiondatafrom36in-useeight-typedheav-dutyvehicles wereanalyzedand studied.Theresultsshow thatforvehicles withthesameusage vehicles，theaverage tripdurationandaveragework increase with the increaseof the maximumgross mass.The average cold start durationof allvehicles was 912.4s ，the average proportion of cold start duration was 38.58% ，and the World Harmonized Transient Cycle（WHTC） cycle power multiplierof theaveragecold startwork wasO.25.Forrealdrivingconditions，thevehicles mightrunforalongtime withoutbeing able tocompletethewarm-upduetotheefectoflowambienttemperature，frequentstart-stop，orlongidling speeds.Optimizingcoldstartemissions forheavy-dutyvehicles wouldbeoneof thechallenges in meeting futureemissonstandardupgrades.

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[編輯：姜曉博]