鄭思凱,葛蘊珊,陳偉程,王 欣,宋 彬,禹文林

(1.北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院,北京 100081； 2.中國環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012)

前言

機動車尾氣排放是空氣污染的重要組成部分，它對城市空氣質(zhì)量和公眾健康有著非常不利的影響[1]。為對機動車排放加以控制，各國相繼制定了嚴(yán)格的排放法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外相關(guān)研究表明，單一的實驗室測試循環(huán)并不能實現(xiàn)對車輛實際道路行駛狀態(tài)下運行工況的完整覆蓋[2]，車輛的實驗室排放測試結(jié)果與實際道路行駛排放狀況可能存在較大差異[3-6]。故實際道路行駛排放測試對于機動車排放水平的衡量將變得至關(guān)重要[7]。針對這一問題，歐盟開發(fā)了“輕型車實際駕駛排放(RDE-LDV)”測試程序。日前，中國VI階段輕型車排放法規(guī)[8]正式發(fā)布，它參考?xì)W盟RDE法規(guī)，新增加了對于RDE測試的要求。歐盟RDE法規(guī)針對實際道路行駛排放分析規(guī)定可使用功率等級分組法或CO2移動平均窗口法兩種不同的數(shù)據(jù)處理方法?；谟嬃空J(rèn)證的要求，中國VI階段排放法規(guī)中僅采用CO2移動平均窗口法作為RDE測試唯一數(shù)據(jù)處理方法。為研究兩種不同數(shù)據(jù)處理方法結(jié)果之間的差異，本文中使用便攜式車載排放測量系統(tǒng)(portable emission measurement system，PEMS)，按照RDE測試規(guī)程進(jìn)行了多次實際道路行駛排放試驗，并分別按CO2移動平均窗口法和功率等級分組法對試驗結(jié)果進(jìn)行了深入的分析對比。

1 試驗方案

1.1 測試車輛與試驗設(shè)備

本次共按照國VI法規(guī)RDE測試規(guī)程進(jìn)行了6次實際道路行駛排放試驗，為方便后文敘述，按照A～F字母順序?qū)Ω鞔卧囼炦M(jìn)行編號。所選用試驗車輛均配備有三元催化器(TWC)且滿足國V排放法規(guī)要求。

試驗設(shè)備選用HORIBA公司的OBS-ONE輕型車車載排放分析儀，主要由氣體分析模塊、顆粒物數(shù)量分析模塊、排氣流量計、全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器和溫濕度儀組成。該設(shè)備可測量車輛進(jìn)行RDE試驗時排氣中的 CO2，CO，NO，NO2，NOx等成分和顆粒物數(shù)量(particle number，PN)，并實時監(jiān)測車輛的排氣體積流量、速度、海拔、大氣壓力和溫濕度等環(huán)境參數(shù)。

1.2 試驗路線

按照國VI法規(guī)RDE規(guī)程要求，為盡可能覆蓋各種行駛工況，測試車輛依次在市區(qū)、市郊和高速公路3種道路上連續(xù)行駛，每個速度區(qū)間至少行駛16km，試驗總時間在90～120min之間，試驗起點和終點的海拔高差不超過100m，并且試驗車輛的累計正海拔增加量應(yīng)每100km不大于1 200m。上述3種工況的速度范圍及里程份額如表1所示。

表2記錄了6次RDE試驗的環(huán)境條件，其中環(huán)境溫度在18.75～29.15℃范圍內(nèi)，符合規(guī)定要求的0～30℃的普通溫度條件。試驗A和B海拔在28.4～28.7m范圍內(nèi)，符合不高于700m的普通海拔條件。試驗C海拔為1 113.2m，符合700～1 300m的擴展的海拔條件。試驗D～F海拔在1 581.1～2 286.2m范圍內(nèi)，符合1 300～2 400m的進(jìn)一步擴展的海拔條件。

表1 市區(qū)、市郊和高速公路區(qū)間速度范圍和份額

表2 試驗環(huán)境條件

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 預(yù)處理

按照國VI法規(guī)要求，在計算輕型車實際道路行駛排放量之前，首先須對試驗過程中所記錄的污染物濃度、排氣流量、車速和其他瞬態(tài)數(shù)據(jù)等進(jìn)行時間校正。本試驗所選用的PEMS設(shè)備OBS-ONE沒有時間校正功能。因此在計算之前，首先應(yīng)按照法規(guī)要求對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行時間校正，消除車速、污染物濃度和排氣流量等主要參數(shù)的時間延遲。此外，OBSONE所測量的污染物濃度為濕基濃度，因此無需對污染物濃度進(jìn)行干 濕基修正。

2.2 CO2移動平均窗口法

2.2.1 數(shù)據(jù)剔除

國VI法規(guī)規(guī)定，車輛實際道路行駛排放量應(yīng)采用CO2移動平均窗口法進(jìn)行計算。計算前，應(yīng)將冷起動、車輛地面速度小于1km/h和發(fā)動機熄火時的數(shù)據(jù)剔除。其中，冷起動時段包括發(fā)動機起動后的最初5min，車輛地面速度由GPS或ECU讀取的車速數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，僅須滿足以下任意一條件，即可判定發(fā)動機熄火：(1)發(fā)動機轉(zhuǎn)速小于50r/min；(2)排氣質(zhì)量流量小于3kg/h；(3)排氣質(zhì)量流量率低于怠速穩(wěn)定排氣質(zhì)量流量率的15%。

2.2.2 排放因子計算

按照CO2移動平均窗口法進(jìn)行車輛實際道路行駛排放量計算，首先應(yīng)進(jìn)行窗口劃分，目的是將所有試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分割成一系列的數(shù)據(jù)子集計算排放量?，F(xiàn)以試驗A(見圖1)為例，簡述計算過程。在連續(xù)的CO2排放曲線(為清晰起見，僅顯示前2 500s數(shù)據(jù))上，從第1s開始按1Hz的頻率，以該車WLTC工況循環(huán) CO2排放總量(單位：g)的一半(MCO2，ref＝2506.97g)作為基準(zhǔn)從前向后對CO2排放量進(jìn)行逐秒累積，當(dāng)累積量達(dá)到參考基準(zhǔn)值時，即劃分為一個窗口，然后從第2s開始下一個窗口的劃分。圖1中兩條斜線分別代表第1個、第1 000個窗口的CO2隨時間累積的量，前后兩對虛線所包圍的范圍即為兩個CO2窗口。窗口劃分完成后，繼而可得到每個窗口各污染物和CO2的排放因子和平均車速。

圖1 試驗A窗口劃分示例

按照國VI法規(guī)要求，在計算各污染物總排放因子之前，應(yīng)首先采用“CO2特性曲線”對所劃分窗口進(jìn)行完整性和正常性驗證。如圖2所示，圖中不規(guī)則曲線由試驗A取得的4 074個CO2窗口在坐標(biāo)軸中所對應(yīng)的點組成，P1，P2和 P3點的參數(shù)由該車WLTC循環(huán)低速段、高速段、超高速段的平均車速和CO2排放因子確定，3點相連即組成該車的CO2特性曲線。窗口平均速度按照45km/h以下，45～80和80～145km/h的范圍劃分為市區(qū)窗口、市郊窗口和高速公路窗口，當(dāng)市區(qū)、市郊和高速公路窗口數(shù)量均至少占總窗口數(shù)量的15%以上時，則該試驗通過完整性驗證。當(dāng)以上3個速度區(qū)間分別至少有50%的窗口落在特性曲線定義的基本公差(±25%)范圍內(nèi)，則該試驗通過正常性驗證。若不滿足上述所規(guī)定的50%的最低要求，可按1%的步長增加基本公差帶范圍，直到滿足50%的最低窗口要求。但使用這種方法時，基本公差帶范圍最終不可以超過±50%。試驗A完整性和正常性均滿足國VI法規(guī)要求，認(rèn)為試驗有效。

圖2 A試驗CO2特性曲線

之后基于窗口數(shù)據(jù)，分別計算各速度區(qū)間的污染物排放因子的平均值，并按照0.34，0.33和0.33的系數(shù)分別對市區(qū)段、市郊段和高速公路段結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，最終得到各污染物總行程的排放因子。

2.3 功率等級分組法

2.3.1 實際輪邊功率計算

使用功率等級分組法[9]計算車輛實際道路行駛排放量時，首先應(yīng)獲取車輛實際輪邊功率數(shù)據(jù)。直接獲取測試車輛實際輪邊功率比較困難，可使用車輛特定CO2線(Veline線)間接計算。Veline線由被測試驗車輛WLTC循環(huán)排放實驗結(jié)果確定。以下仍以試驗A為例，簡述整個計算過程。以1Hz的頻率，獲取測試車輛進(jìn)行實驗室WLTC循環(huán)測試時的速度vi，并計算加速度ai。車輛WLTC循環(huán)測試時的輪邊功率 PW，i為

式中：f0，f1和f2為測試車輛進(jìn)行WLTC試驗時設(shè)定的道路載荷系數(shù)；TM為測試車輛進(jìn)行WLTC循環(huán)試驗時的實際測試質(zhì)量。需要注意的是，當(dāng)測試車輛輪邊功率 PW，i小于其拖動功率 Pdrag時，應(yīng)取 PW，i等于Pdrag的值。Pdrag由測試車輛額定功率 Prated確定，即

Pdrag＝-0.04×Prated

以WLTC循環(huán)不同速度段氣袋采樣獲得的CO2質(zhì)量流量為y軸，每個速度段的平均輪邊功率為x軸，線性回歸后可得到圖3所示的Veline線。

2.3.2 排放因子計算

圖3 試驗A的Veline線

按照歐盟RDE法規(guī)要求，為減少排氣質(zhì)量流量和輪邊功率由于響應(yīng)時間不一致導(dǎo)致的時序校準(zhǔn)不精確對排放量計算結(jié)果的影響，應(yīng)對所有相關(guān)瞬時測試數(shù)據(jù)進(jìn)行3s移動平均。具體為，由第1-3s數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計算，即完成第1s數(shù)據(jù)的3s移動平均，之后對第2-4s數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計算，即完成第2s數(shù)據(jù)的3s移動平均，以此類推。計算所得的每秒各參數(shù)移動平均值，應(yīng)根據(jù)其3s移動平均速度，以60和90km/h為界限，劃分為市區(qū)、市郊和高速公路3個速度區(qū)間。

表3為市區(qū)行程和加權(quán)平均總行程的歸一化標(biāo)準(zhǔn)功率分布表，表示正常駕駛情況下，功率等級分組和每組對應(yīng)的時間份額。基準(zhǔn)工況下實際輪邊功率Pdrive由下式計算：

式中：f0，f1和f2為測試車輛進(jìn)行WLTC循環(huán)試驗時設(shè)定的道路載荷系數(shù)；TM為測試車輛進(jìn)行WLTC循環(huán)試驗時的實際測試質(zhì)量；基準(zhǔn)速度vref和基準(zhǔn)加速度aref分別取值為70km/h和0.45m/s2。由歸一化標(biāo)準(zhǔn)功率 Pc，norm，j與 Pdrive相乘，得到每組輪邊功率等級的上限和下限，以此為標(biāo)準(zhǔn)，對總行程和市區(qū)速度區(qū)間內(nèi)的3s移動平均值分別進(jìn)行功率等級分組。每個功率等級的時間份額sj為

式中：countsj為功率等級j中3s移動平均值的數(shù)量；max為測試車輛計算所得的最大功率等級。需要注意，最高等級應(yīng)為包含0.9倍額定功率的功率等級，所有高于最高等級的時間份額應(yīng)當(dāng)歸入到最高等級中。試驗A市區(qū)、總行程功率等級組及時間份額情況如表4所示。

表3 市區(qū)行程和加權(quán)平均總行程的歸一化標(biāo)準(zhǔn)功率分布

表4 試驗A市區(qū)、總行程功率等級組和時間份額

與CO2移動平均窗口法類似，功率等級分組法也須對RDE試驗行程的有效性進(jìn)行判定。表5為有效試驗中各個功率等級最小和最大份額要求，當(dāng)分組數(shù)據(jù)滿足表中所有要求時，即可認(rèn)為試驗行程有效。除此之外應(yīng)注意，市區(qū)行程第5功率等級以下的各組(包括第5功率等級)至少應(yīng)有5個數(shù)據(jù)，如果第5功率等級以上某個功率等級的數(shù)量小于5個，該等級排放應(yīng)置為0。之后根據(jù)每一個功率等級各3s移動平均數(shù)據(jù)的平均值及其時間份額進(jìn)行加權(quán)平均，單位換算后得到各污染物市區(qū)段及總行程排放因子。

表5 有效試驗中各個功率等級最小和最大份額要求

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果分析

3.1 兩種數(shù)據(jù)處理方法所得排放因子對比

對6次RDE試驗所采集的數(shù)據(jù)分別使用兩種數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將其各污染物排放因子進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示。

可以看出，除C試驗NOx排放因子外，其余試驗通過功率等級分組法計算所得的CO2，NOx，CO和PN排放因子均大于CO2移動平均窗口法計算所得對應(yīng)的排放因子。通過對NOx，CO和PN符合性因子對比發(fā)現(xiàn)，其符合性因子均較小，滿足國VI法規(guī)限值要求，如表6所示。

表6 兩種分析方法符合性因子

3.2 數(shù)據(jù)剔除對功率等級分組法計算結(jié)果的影響

圖4 兩種分析方法所得排放因子對比

按國VI和歐盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，使用CO2移動平均窗口法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時，應(yīng)首先剔除原始測試數(shù)據(jù)中冷起動、車輛怠速(車速小于1km/h)和發(fā)動機熄火數(shù)據(jù)，而根據(jù)歐盟法規(guī)，使用功率等級分組法處理數(shù)據(jù)時并不存在數(shù)據(jù)剔除的要求。這就造成兩種分析方法實際參與計算的數(shù)據(jù)量不同，數(shù)據(jù)處理結(jié)果存在一定差異。為探究數(shù)據(jù)剔除對排放因子計算結(jié)果的影響，按照國VI法規(guī)CO2移動平均窗口法數(shù)據(jù)剔除的要求，剔除數(shù)據(jù)后，使用功率等級分組法計算其各污染物排放因子，并與原排放因子進(jìn)行對比，其結(jié)果如圖5所示。

可以看出，剔除數(shù)據(jù)后，各試驗通過功率等級分組法計算所得CO2，NOx，CO和PN排放因子均出現(xiàn)不同程度下降，部分排放因子已低于CO2移動平均窗口法計算結(jié)果，且除A試驗CO2排放因子和C試驗NOx排放因子外，其余排放因子均與CO2移動平均窗口法計算結(jié)果更為接近。數(shù)據(jù)剔除前后功率等級分組法相比CO2移動平均窗口法排放因子計算結(jié)果的差異幅度如表7所示。

圖5 剔除冷起動數(shù)據(jù)前后所得排放因子對比

表7 兩種分析方法排放因子差異幅度絕對值%

由表可知，A試驗CO2排放因子差異幅度雖有小幅增加，但也僅為6.6%。除C試驗NOx排放因子數(shù)據(jù)存在異常，暫不考慮外，其余排放因子差異幅度均大幅減小。數(shù)據(jù)剔除后CO2排放因子平均差異幅度僅為2.52%，除試驗C外的NOx排放因子平均差異幅度僅為3.35%，CO排放因子平均差異幅度僅為5.96%，PN排放因子平均差異幅度僅為4.37%?？梢哉J(rèn)為，數(shù)據(jù)剔除后，功率等級分組法與CO2移動平均窗口法對于輕型汽油車實際道路行駛排放因子的計算結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

(1)由于歐盟標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的兩種數(shù)據(jù)處理方法采用了不同的數(shù)據(jù)保留方式，實際參與分析的數(shù)據(jù)不同，功率等級分組法計算所得CO2，NOx，CO和 PN排放因子要大于CO2移動平均窗口法，且差異較為明顯。

(2)如果采用相同數(shù)據(jù)保留方式，CO2移動平均窗口法與功率等級分組法數(shù)據(jù)分析結(jié)果基本一致?？紤]到功率等級分組法計算過程中實際輪邊功率數(shù)值為推算所得，其可靠性有待進(jìn)一步研究，因此國VI法規(guī)使用CO2移動平均窗口法作為RDE試驗的唯一數(shù)據(jù)處理方法是合理的。