鄒 杰,杜寶程,,岳大俊,陳凌建,徐劃龍,張 力

(1.重慶大學(xué) 汽車工程學(xué)院，重慶 400044；2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122)

機(jī)動車道路排放是大氣污染的主要原因之一，特別是在大、中城市的主要干道污染尤為嚴(yán)重。中國汽車的保有量在2018年達(dá)到了2.4億輛，并且連續(xù)多年產(chǎn)銷量位居世界第一[1]。為了控制車輛排放以減少大氣污染物的生成，國內(nèi)于2017年引入了實際行駛排放測試程序，作為WLTC(world light duty test cycle)測試循環(huán)的補(bǔ)充試驗。RDE(real driving emission)作為國六排放法規(guī)的Ⅱ型試驗,用于檢測和限制車輛在實際駕駛條件下的污染物排放量，已逐步在全國范圍內(nèi)實施。

近年來，國內(nèi)外大量學(xué)者都開展了車輛實際行駛排放的測試研究?，F(xiàn)有結(jié)論表明，RDE試驗的污染物排放量與實驗室使用WLTC循環(huán)的結(jié)果之間有顯著差異，大多數(shù)的實際行駛試驗結(jié)果遠(yuǎn)高于實驗室標(biāo)準(zhǔn)測試程序[2-6]。此外，車輛實際行駛排放的測量結(jié)果可重復(fù)性較差。這是由于RDE試驗的海拔條件[7]、環(huán)境溫度[8]、交通狀況[9]、駕駛行為[10]、道路坡度[11]及車輛起動狀態(tài)[12]等測試因素不確定性較高，這些試驗邊界因素影響著RDE的測試結(jié)果。雖然國六排放法規(guī)中對一些試驗邊界做了較為詳細(xì)的規(guī)定，但這些限制條件難以有效消除試驗邊界因素對車輛實際行駛排放測試的影響。特別是在中國西南地區(qū)，由于路面起伏較大導(dǎo)致測試路線的坡度變化較為明顯，有必要深入探究坡度對在這些區(qū)域開展的RDE試驗結(jié)果的影響。

現(xiàn)有研究中，Gallus等[13]使用便攜式排放測試系統(tǒng)(portable emission measurement system, PEMS)在符合RDE測試要求的路線上檢測了2輛柴油車排放特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CO2和NOx的排放量與道路坡度呈良好的線性關(guān)系，坡度從0%～5%變化時，CO2與NOx排放物分別增加了65%～81%和85%～115%。里斯本大學(xué)Varella等[14]在葡萄牙里斯本的大都市區(qū)進(jìn)行了RDE測試，發(fā)現(xiàn)車輛CO2排放峰值主要出現(xiàn)在速度為120～140 km/h且坡度在5%～10%之間的路段，NOx排放峰值主要出現(xiàn)在中速高坡度和高速中等坡度路段。長安大學(xué)孫文圃等[15]仿真模擬了高速公路縱坡段下柴油車的碳排放量，發(fā)現(xiàn)柴油車在上坡段的碳排放最為嚴(yán)重。在相關(guān)研究中，國內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注坡度對柴油車實際行駛排放的影響，而對輕型汽油車的研究較少，并且未同國六法規(guī)聯(lián)系起來，沒有從累計正海拔增量這方面考慮其對車輛實際行駛排放的影響。

鑒于以上因素，筆者使用PEMS設(shè)備對1輛輕型汽油車在不同路線上進(jìn)行多次RDE試驗。分析過程中選取了累計正海拔增量作為坡度的特征指標(biāo)，從路段和窗口2個方面研究了其對RDE試驗結(jié)果的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗車輛

試驗所選的測試車輛為1輛滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)的輕型自動擋汽油車，配有三元催化器排氣后處理裝置和汽油機(jī)顆粒捕集器，使用92號汽油，整備質(zhì)量為2 060 kg，供油方式為缸內(nèi)直噴，發(fā)動機(jī)排量2 L，最大功率180 kW，已行駛里程18 450 km。

1.2 試驗設(shè)備

試驗采用日本HORIBA公司生產(chǎn)的OBS-ONE便攜式排放測試系統(tǒng)，對輕型汽油車在實際道路上行駛時產(chǎn)生的排放進(jìn)行測試。該設(shè)備主要由氣體分析模塊、顆粒物計數(shù)模塊、排氣流量計、全球定位系統(tǒng)、氣象站、電控單元和電源組成。試驗設(shè)備安裝見圖1，實物圖見圖2。

1.GPS;2.氣象站;3.OBS-ONE主要單元;4.氣罐;5.附加排氣管; 6.電源;7.控制電腦;8.緊急開關(guān);9.OBD接口 圖1 PEMS設(shè)備安裝示意圖Fig. 1 The installation instruction of PEMS

1.3 試驗過程及路線

在重慶渝北區(qū)、江津區(qū)等地選取了4條路線，每條路線上進(jìn)行了2次RDE試驗。試驗過程嚴(yán)格按照國六法規(guī)進(jìn)行，所有路線的特征符合法規(guī)要求(累計正海拔高度增加量除外)。4條實際行駛路線如圖3所示。

圖3 試驗路線Fig. 3 Experimental routes

2 數(shù)據(jù)處理

對采集到的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行各種參數(shù)的時間校正，按照法規(guī)要求剔除冷起動數(shù)據(jù)、試驗過程中發(fā)動機(jī)熄火數(shù)據(jù)以及車速小于1 km/h數(shù)據(jù)，用移動平均窗口法對污染物排放因子進(jìn)行計算。根據(jù)每個窗口的平均速度對窗口進(jìn)行分組，市區(qū)窗口平均車速小于45 km/h，市郊窗口平均速度在45～80 km/h，高速窗口平均速度大于80 km/h。所有試驗市區(qū)、市郊和高速窗口數(shù)量均占總窗口數(shù)的15%以上，試驗完整性通過。每次試驗50%以上的市區(qū)、市郊和高速窗口落在特性曲線的基本公差范圍內(nèi)，試驗正常性通過。按照法規(guī)對RDE試驗市區(qū)(速度小于60 km/h)、市郊(速度在60～90 km/h之間)和高速(速度大于90 km/h)路段的車輛動力學(xué)特性進(jìn)行校驗，也都符合要求。

累計正海拔高度增量是正道路坡度的積分，單位為m/100 km，反映了一條路線的總體上坡量的大小。累計正海拔高度增量通過以下步驟進(jìn)行計算：首先檢查車輛速度數(shù)據(jù)的完整性和海拔高度數(shù)據(jù)的完整性，對有錯誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；接著計算海拔高度數(shù)據(jù)產(chǎn)生離散路徑點及其相應(yīng)插值海拔高度值，得到統(tǒng)一的空間分辨率(1 m)，并對每個離散路徑點的高度數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑處理；最后對正道路坡度進(jìn)行積分，并除以總里程得到累計海拔高度增量。

3 累計正海拔增量的影響

3.1 路線累計海拔增量信息

每條路線的市區(qū)、市郊、高速和總行程的累計海拔增量信息見表1。路線1的總行程累計正海拔增量比其他3條路線小，符合法規(guī)要求，路線2和路線3的總行程累計正海拔增量超過了法規(guī)限值。相比于路線1，路線2～4的總行程累計正海拔增量分別增加了37%，41%和34%。觀察每條路線各路段的累計正海拔增量，發(fā)現(xiàn)4條路線的市郊和高速路段累計正海拔增量都符合法規(guī)要求，而路線2～4的市區(qū)累計正海拔增量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過法規(guī)限值，這也是導(dǎo)致路線2和3總行程累計海拔增量超過限值的原因。由圖3可知，路線1的市區(qū)段選在了重慶江津區(qū)，路線2～4的市區(qū)段選在了重慶渝北區(qū)。而重慶渝北區(qū)屬于主城區(qū)，相對于江津區(qū)其地勢起伏較大，上下坡路面多，說明了累計正海拔增量可以較為準(zhǔn)確地描述實際行駛路線的特征。

表1 路線的累計正海拔增量

3.2 路段累計正海拔增量對排放影響

圖4 CO排放因子隨vapos[95]和累計正海拔增量變化氣泡圖Fig. 4 Bubble chart of CO emission factor change with vapos[95] and cumulative positive elevation gain

圖5 CO2排放因子隨vapos[95]和累計正海拔增量變化氣泡圖Fig. 5 Bubble chart of CO2emission factor change with vapos[95] and cumulative positive elevation gain

圖6 NOx排放因子隨vapos[95]和累計正海拔增量變化氣泡圖Fig. 6 Bubble chart of NOxemission factor change with vapos[95] and cumulative positive elevation gain

圖7 PN排放因子隨vapos[95]和累計正海拔增量變化氣泡圖Fig. 7 Bubble chart of PN emission factor change with vapos[95] and cumulative positive elevation gain

3.3 窗口累計正海拔增量對排放影響

圖8 CO排放因子隨窗口vapos[95]和窗口累計正海拔增量變化氣泡圖Fig. 8 Bubble chart of CO emission factor change with window vapos[95] and window cumulative positive elevation gain

圖9 CO2排放因子隨窗口vapos[95]和窗口累計正海拔增量變化氣泡圖Fig. 9 Bubble chart of CO2emission factor change with window vapos[95] and window cumulative positive elevation gain

圖10 NOx隨窗口vapos[95]和窗口累計正海拔增量變化氣泡圖Fig. 10 Bubble chart of NOxemission factorchange with window vapos[95] and window cumulative positive elevation gain

圖11 PN排放因子隨窗口vapos[95]和窗口累計正海拔增量變化氣泡圖Fig. 11 Bubble chart of PN emission factor change with window vapos[95] and window cumulative positive elevation gain

由上面的分析可知，平坦路線的RDE試驗可難以正確反映車輛在丘陵地區(qū)實際行駛排放的真實情況。另一方面，即使是全行程的累計正海拔增量在法規(guī)的限值之內(nèi)，部分路段的累計正海拔增量也可能會存在大幅超過法規(guī)限值的情況，如果采用移動平均窗口法對RDE數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，則會出現(xiàn)窗口累計正海拔增量大幅超過1 200 m/100 km的情況，從而對RDE測試結(jié)果產(chǎn)生影響。由于污染物排放因子存在與行程動力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性，因此可以對市區(qū)、市郊和高速路段的累計正海拔增量分段設(shè)限，同時可將路線的中低速路段的累計正海拔增量的設(shè)限更高一點，以便于在丘陵地區(qū)開展RDE試驗。

4 結(jié) 論

3)平坦路線的RDE試驗可能難以正確反映車輛在丘陵地區(qū)實際行駛排放的真實情況，并且即使全行程的累計正海拔增量在法規(guī)的限值之內(nèi)，一些窗口累計正海拔增量也可能會大幅超過1 200 m/100 km，從而對RDE測試結(jié)果產(chǎn)生影響。建議對市區(qū)、市郊和高速路段的累計正海拔增量分段設(shè)限，同時可將路線的中低速路段的累計正海拔增量的設(shè)限更高一點，以便在丘陵地區(qū)開展RDE試驗。