陳婷，何瀟，陳文倩，顏敏，徐光儀，鄭軒*

1.深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院

2.深圳市環(huán)境科學(xué)研究院

3.河北省環(huán)境科學(xué)研究院

中國機動車高速增長、高頻使用和高度聚集的綜合特征給城市空氣質(zhì)量管理帶來極大挑戰(zhàn)[1-2]。機動車排放的氮氧化物（nitrogen oxides，NOx）和總碳氫化合物（total hydrocarbons，THC）是二次污染物的重要前體物[3]；高濃度一氧化碳（carbon monoxide，CO）會損害人類的神經(jīng)系統(tǒng)和氧氣運輸。因此，機動車氣態(tài)污染物（CO、THC和NOx）的排放特征一直是研究熱點。輕型汽車是中國機動車保有量的主體，截止到2018年，我國輕型汽車保有量已經(jīng)超過2.3億輛，約占機動車總量的72%[4]。目前，對于輕型汽車常規(guī)氣態(tài)污染物的排放，國內(nèi)已進行了大量研究[5-7]。但目前缸內(nèi)直噴（gasoline direct injection，GDI）技術(shù)已在中國市場廣泛應(yīng)用，對于發(fā)動機技術(shù)差異〔如GDI和進氣道噴射(port fuel injection，PFI)〕引起的污染物排放和油耗差異的研究相對較少。

國外研究表明，由于噴油方式和混合方式的不同，GDI和PFI車輛的氣態(tài)污染物排放存在顯著差異。如Graham[8]基于臺架測試發(fā)現(xiàn)GDI車輛平均CO排放因子比PFI車低40%；Singh[9]基于車載測試（portable emission measurement system，PEMS）發(fā)現(xiàn)，GDI車輛的CO和THC排放量分別比PFI車低33%和44%；王軍方等[10]的研究表明，GDI汽油車的CO和HC排放比PFI車低4.3%～39.5%。此外，因為GDI能更精準地控制燃料噴射時間和進入氣缸的實際燃油量[11]，通常其燃油經(jīng)濟性比PFI要高，然而在Singh[9]的研究中真實狀況下油耗對GDI和PFI的差別并不敏感。因此，需要針對不同發(fā)動機技術(shù)的污染物排放和油耗開展深入的研究。

運行工況也是影響車輛污染物排放和油耗的重要因素。以冷啟動為例，由于啟動期間發(fā)動機和后處理催化劑在低溫條件下運行，導(dǎo)致車輛的氣態(tài)污染物排放量急劇增加[12-13]。如Weilenmann等[12-13]研究發(fā)現(xiàn)，冷啟動階段汽油車的CO和HC排放量相較熱啟動增加11倍以上。此外，Yao等[14]發(fā)現(xiàn)，CO、NOx和THC排放速率隨發(fā)動機比功率（vehicle specific power，VSP）的增大而增加。Zhang等[15]的研究結(jié)果表明，輕型汽油車在較高車速下（35 km/h）的油耗比低速（15 km/h）時要高81%±16%，且實際道路的油耗比在整車轉(zhuǎn)轂下的油耗要高約10%。

以往對輕型汽車的排放研究主要采用實驗室臺架測試。但有研究[16-17]表明，臺架測試法難以反映車輛在實際道路時的污染物排放和油耗，因此，GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》已明確將實際道路PEMS列為法規(guī)測試方法[18]。雖然目前國內(nèi)已有研究者利用PEMS方法測量了輕型汽車CO、NOx和THC等污染物的排放情況[5,19]，但針對實際道路上不同發(fā)動機技術(shù)（GDI和PFI）氣態(tài)污染物排放差異的研究較少。綜上，筆者選取不同噴油技術(shù)的輕型汽車為研究對象，利用PEMS分析不同發(fā)動機技術(shù)、道路工況和發(fā)動機工況對氣態(tài)污染物的排放以及油耗的影響，以期為精細化排放清單以及新政策措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 測試車輛

測試對象為11輛輕型汽油車（4輛噴油方式為GDI，7輛噴油方式為PFI），每輛測試車輛均裝備三元催化轉(zhuǎn)化器（three-way catalyst converter，TWC）。測試車輛的詳細信息見表1。

表1 測試車輛基本信息Table 1 Details of tested vehicles

1.2 測試設(shè)備和路線

車載測試系統(tǒng)主要包括Semtech-EFM尾氣流量計、Semtech-Ecostar氣態(tài)污染物分析儀和全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）。尾氣流量計采用皮托管原理測量排氣流量；氣態(tài)污染物分析儀采用不分光紅外法測量CO2和CO排放量，采用不分光紫外法測量NOx排放量，采用氫離子火焰法測量THC排放量；GPS記錄測試車輛的逐秒行駛速率和瞬時排放速率。在實際道路上開展測試時車輛PEMS設(shè)備的安裝情況如圖1所示。

圖1 車輛排放測試系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of vehicle emission test system

車輛測試分別在北京市和深圳市進行，其中有3輛車（9#～11#）在北京市，測試時平均環(huán)境溫度為1 ℃；其余8輛車在深圳市，測試時平均環(huán)境溫度為20 ℃。測試路線包括城市道路（速度小于60 km/h）、市郊道路（速度為60～90 km/h）和高速路（速度大于90 km/h），具體信息如表2所示。測試前車輛經(jīng)過6 h以上浸車，機油溫度和環(huán)境溫度的差值在2 ℃之內(nèi)，以測量車輛在冷啟動時的排放情況。車輛所用燃油均為從加油站統(tǒng)一采購的國6汽油。

表2 測試車輛在不同道路上的行駛里程和平均速度Table 2 Mileage and average speed of tested vehicles on different roads

1.3 數(shù)據(jù)處理

測試車輛的排放因子（emission factor，EF）和車輛油耗速率（fuel consumption rate，F(xiàn)R）計算公式如下：

利用污染物的瞬時排放速率來模擬車輛瞬態(tài)工況下的油耗，采用VSP劃分瞬態(tài)行駛工況，表征單位車輛質(zhì)量的瞬時輸出功率[21]，輕型汽車VSP計算公式如下：

表3 輕型汽車Bin劃分方法Table 3 Bin distributions of light vehicles in this study

Zhang等[15]研究表明，油耗與車速之間存在定量響應(yīng)關(guān)系。為了更好地理解車速與油耗的關(guān)系，使用短工況法對數(shù)據(jù)進行處理以消除車輛自身因素（車質(zhì)量、駕駛習(xí)慣等）帶來的影響。將車輛的油耗速率代入到特定工況下，得到該車輛的基準油耗。然后將車輛在一個短時間段內(nèi)（取300 s為1個短工況）的油耗總量與上述基準油耗進行比較，即可得到該車輛該短工況內(nèi)的相對油耗因子，計算公式如下：

2 結(jié)果與討論

2.1 氣態(tài)污染物排放特征

表4展示了本研究基于車載測試和其他研究基于臺架測試的氣態(tài)污染物排放因子的對比。從表4可以看出，CO、NOx和THC排放因子分別為（910.4±822.6）、（58.0±48.3）和（21.6±16.1）mg/km。其中CO和NOx排放因子與其他研究相差不大，而THC的排放因子低于其他研究結(jié)果（40.6～72.3 mg/km）。不同研究中結(jié)果差異較大可能是由于采用了不同的測試工況和儀器，此外不同車輛的發(fā)動機負荷、空燃比和溫度等因素也會造成結(jié)果的差異。1#車符合國2排放標準，其CO、NOx和THC的排放因子分別為1 020.5、83.5和62.7 mg/km，是相同條件下符合國4排放標準車輛的7.7倍；與此同時，由于機械磨損和催化劑老化等因素，生產(chǎn)年份較早以及高行駛里程車輛的后處理裝置的效率降低，導(dǎo)致排放劣化[24-25]。

表4 本研究與其他研究氣態(tài)污染物的排放因子Table 4 Emission factors of gaseous pollutants from this study and other studies mg/km

2.1.1 行駛工況和環(huán)境溫度對氣態(tài)污染物排放的影響

車輛CO、NOx和THC在熱穩(wěn)運行階段基于發(fā)動機比功率-車速（VSP-velocity，VSP-v）在不同環(huán)境溫度（1和20 ℃）時的排放速率如圖2所示。從圖2可以看出，在環(huán)境溫度為20 ℃時，3個速度區(qū)間的CO、NOx和THC排放速率都隨VSP-v增加而增加。如低速（ Bin0～Bin18）和中速區(qū)（Bin21～Bin2Y）CO的排放速率分別增加了6.8和4.9倍，在高速區(qū)（Bin35～Bin3Y）CO的排放速率從Bin35的（15.8±30.5）mg/s增加為 Bin3Y的（94.5±19.3）mg/s，提高了5.0倍。NOx和THC的排放速率從Bin35到Bin3Y分別增加了6.2和2.3倍。環(huán)境溫度為1 ℃時各氣態(tài)污染物排放速率同樣隨著VSP-v的增加而增加。如在低速區(qū)CO排放速率從Bin1的（1.8±1.6）mg/s增加為 Bin18 的（11.4±14.6）mg/s，增加了 2 倍，而THC的排放速率從Bin1的（0.01±0.01）mg/s增加為 Bin18 的（0.2±0.3）mg/s，增加了 15 倍。

圖2 微觀運行模態(tài)下CO、NOx和THC的排放速率Fig.2 Emission rates of CO, NOx, and THC under micro-operating mode

高速區(qū)20 ℃時CO和NOx的排放速率分別比1 ℃時高139%±189%和90%±66%；在低速、中速和高速區(qū)內(nèi)，20 ℃時THC的排放速率分別比1 ℃時高217%±137%、129%±65%和 710%±402%；而低速和中速區(qū)內(nèi)，20 ℃和1 ℃時CO和NOx排放速率無顯著差異。此外，以往的研究[28]表明，低溫環(huán)境下（-7 ℃）CO和 THC排放速率比 22 ℃時高423%±104%和225%±165%，與本研究結(jié)果不同，可能是由于本研究中測試環(huán)境低溫（1 ℃）未達到規(guī)定試驗條件〔環(huán)境平均溫度應(yīng)為（-7±3）℃〕[18]，另外低溫條件對冷啟動階段的排放有顯著影響，而本研究的低溫測試中浸車位置處于實驗室內(nèi)，導(dǎo)致沒有獲得低溫冷啟動階段的排放。因此，今后的研究應(yīng)在增加測試車輛數(shù)、更低的環(huán)境溫度以及低溫室外浸車等方面加強，以獲得更真實的污染物排放特征。

2.1.2 冷啟動對氣態(tài)污染物排放的影響

為研究冷啟動對車輛氣態(tài)污染物排放的貢獻，本研究將車輛在啟動后污染物排放的瞬時濃度降至熱穩(wěn)定運行階段（啟動300 s后）的平均濃度作為冷啟動階段的結(jié)束。圖3分別展示了GDI和PFI車輛氣態(tài)污染物冷啟動階段在整個運行工況的排放貢獻。從圖3可以看出，雖然GDI車輛冷啟動階段只占整個行駛里程的1.5%±1.1%，然而該階段CO、NOx和THC排放的貢獻分別占總排放的9.3%±8.6%、1.3%±0.7%和 48.9%±49.9%；同樣，PFI車輛冷啟動階段只占整個行駛里程的2.0%±3.6%，然而該階段CO、NOx和THC排放的貢獻分別占總排放的12.3%±7.8%、8.9%±6.1%和 55.4%±32.2%。其中THC排放因子冷啟動階段的貢獻率最高，表明冷啟動對THC排放的影響更為顯著[26]。由于車輛在啟動階段排氣溫度低，TWC無法及時達到工作溫度（250～300 ℃）[29]，導(dǎo)致冷啟動階段污染物排放急劇增加。因此，開發(fā)新型催化劑是進一步減少車輛在冷啟動階段污染物排放量的方法之一[30]。GDI車輛冷啟動階段CO、NOx和THC的排放量分別為（3.9±3.1）、（0.1±0.1）和（0.6±0.4）g，分別是 PFI車輛排放量的0.5、0.3和0.6倍。這是由于PFI發(fā)動機噴射點在進氣門的上游，進氣口壁和進氣門上會形成液體燃料膜，液膜在壁上的積聚改變空燃比，使PFI發(fā)動機更容易形成富燃區(qū)[11,31]，導(dǎo)致不完全燃燒；GDI發(fā)動機中分層進氣實現(xiàn)的分級燃燒和燃料汽化的冷卻作用有助于減少NOx的形成[11,32]。

圖3 GDI和PFI車冷啟動階段CO、NOx和THC排放貢獻Fig.3 Emission contributions of CO, NOx, and THC for GDI and PFI vehicles in cold start phase

2.2 行駛工況和環(huán)境溫度對油耗的影響

圖4 為GDI和PFI車輛基于瞬態(tài)工況的平均油耗速率。從圖4可以看出，在3個速度區(qū)間內(nèi)，平均油耗速率都隨VSP-v的增加而增加。GDI車輛在低速區(qū)（Bin0～Bin18）的平均油耗從 Bin0的 0.3 mL/s增加到 Bin18的 1.9 mL/s，中速區(qū)（Bin21～Bin2Y）的平均油耗增加了4.5倍。PFI車輛平均油耗在中速和高速區(qū)分別增加了2.9和1.0倍。此外，在中高速區(qū)內(nèi)，GDI車輛平均油耗速率隨VSP-v增加的幅度要高于PFI車，表明GDI車輛在高加速狀態(tài)下的燃油經(jīng)濟性遠低于預(yù)想結(jié)果（GDI車油耗比PFI車低 13%～15%）[26,33]。

圖4 GDI和PFI車輛在微觀運行模態(tài)下的平均油耗速率Fig.4 Average fuel consumption rates in micro-operating modes for GDI and PFI vehicles

以中國輕型汽車測試循環(huán)（China light-duty vehicle test cycle，CLTC）作為測試車輛的基準工況，分析該基準工況下的相對油耗。以短工況（本研究為300 s）內(nèi)的平均速度作為自變量，該工況對應(yīng)的相對油耗因子為因變量作測試車輛油耗散點圖并進行擬合，得到相對油耗因子的速度修正曲線，結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，短工況下相對油耗因子和平均車速存在強相關(guān)性（R2=0.853）。在交通堵塞區(qū)間內(nèi)車輛的相對油耗因子隨速度減小而顯著增加，尤其是在車速小于15 km/h時，這通常發(fā)生在大城市的早晚高峰時期；車速在40 km/h以上時車輛油耗受車速變化影響并不顯著。這與Zheng等[34]研究得到的出租車CO2排放趨勢相似。而輕型乘用車行駛速度多以怠速為主，加減速比例較高[35]。因此，緩解交通擁堵狀況對于降低機動車油耗非常重要。短工況下GDI和PFI車輛的相對油耗因子僅相差0.4%，GDI車輛的燃油經(jīng)濟性在實際駕駛條件下優(yōu)勢并不明顯。Saliba等[26,33]基于臺架測試的研究結(jié)果表明，GDI車輛的燃油經(jīng)濟性比PFI車輛高出13%～15%；另有研究[36]表明，GDI車輛的油耗僅減少1.5%；Confer等[37]研究發(fā)現(xiàn)，GDI車輛油耗優(yōu)勢為2%～4%。這可能是由于汽車生產(chǎn)商會針對特定工況進行優(yōu)化，導(dǎo)致GDI車輛的油耗測試結(jié)果理想化。此外行駛工況[15]、整車質(zhì)量[38]和車輛排量[39]也可能會造成結(jié)果的差異。

圖5 車輛平均速度和相對油耗因子的相關(guān)性Fig.5 Correlations between averaged vehicle speeds and relative fuel consumption

如圖6所示，整體而言，環(huán)境溫度為1 ℃時車輛的平均油耗速率均高于環(huán)境溫度為20 ℃時。這可能是由于在低溫條件下，曲軸箱機油黏度高，發(fā)動機內(nèi)機械摩擦大，需消耗更多燃料以克服其工作時的摩擦；此外，可能還由于低溫時發(fā)動機燃燒效率低，需消耗更多燃料以避免熄火[33]，同樣導(dǎo)致油耗增加。未來需要針對排放因子的不同影響因素開展進一步研究。在不同的速度區(qū)間內(nèi)，環(huán)境溫度從20 ℃降到1 ℃時，車輛油耗速率隨VSP-v增加的增幅不同。如在低速和中速區(qū)，環(huán)境溫度為1 ℃時車輛油耗速率分別比20 ℃時高14.5%±14.0%和19.6%±9.9%；高速區(qū)內(nèi)，1 ℃時的車輛油耗速率比20 ℃時高27.1%±24.5%（從Bin35的50.3%到Bin3Y的-3.4%）。顯然，高速區(qū)內(nèi)因環(huán)境溫度降低而導(dǎo)致油耗速率增幅更高。因此，應(yīng)更多地關(guān)注高速區(qū)的油耗特征。

圖6 微觀運行模態(tài)下不同環(huán)境溫度的平均油耗速率Fig.6 Average fuel consumption rates in micro-operating modes under different ambient temperatures

3 結(jié)論

（1）微觀運行工況下的3個速度區(qū)間內(nèi)，車輛的CO、NOx和THC排放速率都隨VSP-v增加而增加，且低速區(qū)THC排放速率的增幅更大；20 ℃時CO、NOx和THC排放速率高于1 ℃時的排放速率，尤其在高速區(qū)間差異更加顯著。

（2）冷啟動階段對機動車氣態(tài)污染物排放存在顯著影響，GDI車輛冷啟動階段只占整個行駛里程的1.5%±1.1%，然而該階段CO、NOx和THC排放的貢獻分別占總排放的9.3%±8.6%、1.3%±0.7%和48.9%±49.9%；同樣，PFI車輛冷啟動階段只占整個行駛里程的2.0%±3.6%，然而該階段CO、NOx和THC排放的貢獻分別占總排放的12.3%±7.8%、8.9%±6.1%和55.4%±32.2%。

（3）微觀運行工況下的3個速度區(qū)間內(nèi)，車輛平均油耗速率都隨VSP-v增加而增加，且GDI車輛在中高速區(qū)內(nèi)的增幅高于PFI車輛。短工況下車輛的相對油耗因子和平均車速存在強相關(guān)性（R2=0.853），在平均車速小于15 km/h的擁堵工況下，油耗隨車速降低迅速增加；平均車速大于40 km/h時，油耗受車速變化影響并不明顯。

（4）環(huán)境溫度為1 ℃時車輛的平均油耗速率高于20 ℃。高速區(qū)內(nèi)，1 ℃時的車輛油耗速率比20 ℃時高27.1%±24.5%，該區(qū)間溫度對油耗的影響比低中速區(qū)更加顯著。