楊長(zhǎng)志,杜寶程,,李岳兵,向 橄，冉林堯，張 力

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

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量至2019年已達(dá)2.07億輛[1]，機(jī)動(dòng)車尾氣排放對(duì)城市空氣質(zhì)量帶來(lái)了巨大壓力[2-4]。為此，中國(guó)將在2020年全面實(shí)施《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》排放法規(guī)。由于車輛單一的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試循環(huán)排放結(jié)果不能真實(shí)反映實(shí)際行駛污染物排放狀況，因此國(guó)六排放法規(guī)將實(shí)際行駛污染物排放試驗(yàn)作為WLTC(world light duty test cycle)測(cè)試循環(huán)作為補(bǔ)充測(cè)試程序[5]。

在實(shí)際行駛排放試驗(yàn)中，通過使用車載尾氣檢測(cè)裝置(PEMS，portable emission measurement system)設(shè)備來(lái)測(cè)量車輛在實(shí)際道路的真實(shí)排放水平。但實(shí)際行駛排放結(jié)果受道路坡度[6]、環(huán)境溫度[7]和駕駛員的駕駛行為[8]等條件影響較大，其中駕駛員的駕駛行為和車輛的行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)排放結(jié)果的影響最明顯[9]。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)駕駛行為和行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)排放結(jié)果的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，王勃等[10]研究了駕駛行為對(duì)法規(guī)要求窗口的適應(yīng)性并提出了實(shí)際駕駛需要滿足的窗口條件的試驗(yàn)方案；程亮等[11]研究了高海拔條件下不同駕駛行為的RPA(robotic process automation)對(duì)實(shí)際行駛污染物排放的影響，結(jié)果表明，CO和PN排放隨RPA值的變化無(wú)明顯變化規(guī)律，NOx和CO2排放量與RPA值呈正相關(guān)；宋彬等[12]研究在不同駕駛行為下NOx、CO和PN污染物隨v·apos[95](車速大于0.1 m/s2的正加速度的乘積的第95個(gè)百分位)和RPA的變化關(guān)系，結(jié)果表明，NOx和PN排放量與車輛行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA具有明顯的相關(guān)性，而CO排放量與行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)之間相關(guān)性不明顯；耿楊濤等[13]利用動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)量化不同駕駛行為，并對(duì)各動(dòng)力學(xué)參數(shù)與車輛實(shí)際排放污染物的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)性分析。國(guó)外學(xué)者Varella等[14]對(duì)2位駕駛員和5輛輕型車來(lái)分析不同駕駛行為對(duì)實(shí)際行駛污染排放物的影響；Gallus等[15]利用動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)區(qū)分不同駕駛行為并利用WLTC工況和FOT(field operational test)工況作為正常駕駛的參考值從而分析不同駕駛行為對(duì)污染排放的影響。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)駕駛行為和行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)的研究中，主要關(guān)注各個(gè)路段的動(dòng)力學(xué)特性對(duì)污染物排放的影響，而不同路段下的動(dòng)力學(xué)參數(shù)與污染物排放水平的相關(guān)性波動(dòng)較大，無(wú)法真實(shí)反映污染物的排放水平的問題,為此，提出了從窗口層面分析動(dòng)力學(xué)特性對(duì)各污染物排放的影響。

筆者在符合法規(guī)要求的測(cè)試路線上，采用日本HORIBA公司的PEMS測(cè)試系統(tǒng)對(duì)3輛國(guó)Ⅵ輕型汽油車在不同駕駛行為下進(jìn)行9次實(shí)際行駛排放試驗(yàn)，并分別對(duì)各路段的窗口行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)和法規(guī)規(guī)定的行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)與污染物排放特性的相關(guān)性進(jìn)行了深入的對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)車輛

本次試驗(yàn)按照國(guó)Ⅵ法規(guī)RDE(real driving emission)測(cè)試要求，使用3輛滿足國(guó)Ⅵ排放法規(guī)的輕型汽油車，其排氣后處理均配備三元催化器，車輛主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 測(cè)試車輛主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的設(shè)備為HORIBA公司的OBS-ONE便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)，主要由氣體分析模塊、顆粒物計(jì)數(shù)模塊、排氣流量計(jì)、全球定位系統(tǒng)(GPS, global positioning system)、氣象站、與電控單元連接模塊和電源組成。氣體分析模塊采用不分光紅外線吸收型分析儀測(cè)量CO和CO2濃度，化學(xué)發(fā)光型分析儀測(cè)量NOx濃度，顆粒物計(jì)數(shù)模塊采用凝聚粒子計(jì)數(shù)法測(cè)量顆粒物的數(shù)量。排氣流量計(jì)安裝在排氣管上測(cè)量排氣體積流量，GPS安裝在車頂上用于測(cè)量汽車行駛速度和海拔高度，氣象站同樣安裝在車頂上以測(cè)量環(huán)境溫度、大氣濕度和大氣壓力。測(cè)試系統(tǒng)在車輛上的布置示意圖如圖1所示。為了不影響車輛正常工作狀態(tài)，保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用獨(dú)立電源為主分析單元、排氣流量計(jì)等設(shè)備供電。圖2所示為裝有PEMS的測(cè)試車輛和RDE測(cè)試車輛。

圖1 PEMS在車輛上的布置示意圖

圖2 裝有PEMS的RDE測(cè)試車輛

1.3 試驗(yàn)路線

根據(jù)法規(guī)測(cè)試規(guī)程，在重慶市選擇了符合RDE實(shí)驗(yàn)要求的測(cè)試路線，按照市區(qū)—市郊—高速路段的順序連續(xù)進(jìn)行。其中市區(qū)路段占總試驗(yàn)路程的31.1%、市郊路段和高速路段都占總試驗(yàn)路程31.3%和37.6%。試驗(yàn)車輛在上述3個(gè)路段最小行駛距離均為16 km，整個(gè)試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間保持在90～120 min，試驗(yàn)開始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)之間的海拔高度差不超過100 m，且累計(jì)正海拔高度增量為613.1 m/100 km；海拔高度在205.8～380.3 m，滿足RDE法規(guī)要求(<700 m)。每個(gè)工況規(guī)定的行駛速度為：市區(qū)行駛車速在60 km/h以下；市郊行駛車速在60 km/h和90 km/h之間；高速路段行駛車速大于90 km/h。

測(cè)試路線選擇在重慶市雙福新區(qū)和繞城高速進(jìn)行，其中市區(qū)工況：雙福大酒店—?jiǎng)?chuàng)業(yè)大道—祥福大道—雙福北互通。市郊工況：雙福北互通—重慶繞城高速。高速工況：重慶繞城高速—支坪—返回在適當(dāng)位置停車，試驗(yàn)測(cè)試路線如圖3所示。

圖3 RDE試驗(yàn)路線圖

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 CO2移動(dòng)平均窗口法

2.1.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于試驗(yàn)用的PEMS設(shè)備OBS-ONE所附帶軟件具有時(shí)間校對(duì)功能，在數(shù)據(jù)輸出時(shí)可以消除排氣流量、污染物濃度、車速和其他瞬態(tài)數(shù)據(jù)等主要參數(shù)的時(shí)間延遲。同時(shí)，按法規(guī)要求，在使用移動(dòng)平均窗口法對(duì)污染物的數(shù)據(jù)處理時(shí)需要對(duì)試驗(yàn)過程中的冷啟動(dòng)、車輛地面速度小于1 km/h和發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)的排放數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

2.1.2 窗口的劃分

根據(jù)國(guó)Ⅵ法規(guī)規(guī)定，在用CO2移動(dòng)平均窗口法對(duì)設(shè)備所得的瞬時(shí)排放數(shù)據(jù)進(jìn)行RDE計(jì)算時(shí)，要對(duì)窗口進(jìn)行劃分，將所測(cè)得的瞬時(shí)排放數(shù)據(jù)分割成若干個(gè)數(shù)據(jù)窗口來(lái)計(jì)算各污染物的總排放量。其劃分方法為：以車輛WLTC測(cè)試循環(huán)工況的CO2排放總質(zhì)量的1/2為參照值，從前往后的數(shù)據(jù)點(diǎn)逐秒對(duì)CO2排放量依次進(jìn)行累加，直至CO2排放量的累加值大于或等于參照值，此時(shí)記為第一個(gè)窗口，依次往后劃分若干個(gè)窗口。

2.1.3 窗口完整性與正常性驗(yàn)證

在對(duì)窗口劃分結(jié)束后，要對(duì)窗口進(jìn)行完整性和正常性驗(yàn)證。完整性驗(yàn)證：市區(qū)、市郊和高速路段的窗口數(shù)量要占總窗口的15%以上，9次RDE試驗(yàn)均滿足完整性驗(yàn)證。正常性驗(yàn)證：以“CO2特性曲線”的基本公差帶作為對(duì)各窗口評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)來(lái)驗(yàn)證其正常性，如圖4所示，P1、P2和P3的參數(shù)相連即組成該車的CO2特性曲線，其不規(guī)則曲線為該車RDE試驗(yàn)在公差帶內(nèi)的CO2窗口。窗口平均速度小于45 km/h為市區(qū)窗口，介于45 km/h和80 km/h為市郊窗口，高于80 km/h為高速窗口。若市區(qū)、市郊和高速路段的窗口，其50%以上都在CO2特性曲線所定義的基本公差帶(±25%)范圍內(nèi)時(shí),則窗口滿足正常性驗(yàn)證，9次RDE試驗(yàn)均滿足正常性驗(yàn)證。窗口完成驗(yàn)證后，通過各窗口的加權(quán)系數(shù)得到各路段各污染物的加權(quán)排放量，最后按照市區(qū)0.34、市郊0.33以及高速0.33對(duì)每個(gè)路段的各污染物加權(quán)排放量進(jìn)行加權(quán)計(jì)算后得到總行程的最終排放結(jié)果。

圖4 CO2特性曲線圖

2.2 行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)校驗(yàn)及計(jì)算

2.2.1 行程動(dòng)力學(xué)校驗(yàn)

根據(jù)法規(guī)要求，進(jìn)行RDE試驗(yàn)時(shí)首先需要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)校驗(yàn)，以評(píng)估市區(qū)、市郊和高速路段是否存在動(dòng)力學(xué)不足或過度。其中，RPA用來(lái)評(píng)價(jià)試驗(yàn)過程中是否存在動(dòng)力學(xué)不足，v·apos[95](m2/s3)用來(lái)評(píng)價(jià)試驗(yàn)過程是否存在動(dòng)力學(xué)特性過度。

圖5 動(dòng)力學(xué)參數(shù)校驗(yàn)圖

2.2.2 窗口行程動(dòng)力學(xué)計(jì)算

由于法規(guī)規(guī)定的行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)在各路段的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)量不足，且與污染物排放相關(guān)性波動(dòng)較大，不能較好地反映污染物的排放水平[16]。因此，對(duì)各路段動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行窗口細(xì)化，從窗口層面來(lái)分析行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)各污染物排放的影響。參照法規(guī)中行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)的計(jì)算方法計(jì)算出各窗口的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。利用python工具作為數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，按照法規(guī)計(jì)算v·apos[95]的方法計(jì)算出各窗口的v·apos[95]值，然后對(duì)不同路段的上千個(gè)窗口數(shù)據(jù)均以2 m2/s3為間隔進(jìn)行分組，并計(jì)算出各組數(shù)據(jù)中各污染物的平均排放因子及平均v·apos[95]值。同時(shí)，按照相同方法計(jì)算出窗口的RPA，然后對(duì)不同路段下的上千個(gè)窗口數(shù)據(jù)均以0.01 m/s2為間隔進(jìn)行分組，計(jì)算出各組數(shù)據(jù)的污染物平均排放因子及平均RPA值。

3 RDE試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同駕駛行為對(duì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

為了分析不同駕駛行為對(duì)行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA的影響，利用3輛滿足國(guó)Ⅵ排放法規(guī)要求的輕型汽油車分別進(jìn)行平順、正常和激烈駕駛行為，同時(shí)分別計(jì)算出不同駕駛行為下的v·apos[95]和RPA值。由圖6可見，行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA在不同的駕駛行為下有很明顯的差異，即隨著駕駛激烈程度的增加，行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)的數(shù)值逐漸增大。相比平順駕駛，正常駕駛的v·apos[95]和RPA平均增長(zhǎng)幅度達(dá)51%和57%；激烈駕駛的v·apos[95]和RPA平均增長(zhǎng)幅度達(dá)120%和100%。

圖6 不同駕駛行為下的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3.2 不同駕駛行為下的污染物排放結(jié)果

根據(jù)RDE法規(guī)排放要求，用CO2移動(dòng)平均窗口法對(duì)不同駕駛行為的3輛車的PN、NOx和CO排放進(jìn)行計(jì)算，得到結(jié)果如圖7所示。由國(guó)Ⅵ法規(guī)規(guī)定RDE試驗(yàn)結(jié)果的市區(qū)行程和總行程污染物排放均不得超過Ⅰ型試驗(yàn)排放限值與符合性因子(conformity factor, CF)的乘積，其中CF(NOx)=CF(PN)=2.1，CF(CO)暫為待定項(xiàng)。由此可知，9次RDE試驗(yàn)污染物排放水平均低于法規(guī)規(guī)定的排放限值。由圖7可見，CO、NOx(除了B車外)和PN排放量隨駕駛的激烈程度越大，排放量越高。相比正常駕駛，激烈駕駛導(dǎo)致了PN排放量增加了59%～382%，NOx的排放量增加了10%～82%，CO的排放量增加了71%～504%。

圖7 不同駕駛行為下各污染物排放結(jié)果

3.3 2種v·apos[95]與污染物排放相關(guān)性對(duì)比

3.3.1 2種v·apos[95]與CO排放相關(guān)性對(duì)比

為了分析窗口和路段的行程動(dòng)力學(xué)與污染物排放的相關(guān)性，對(duì)3輛輕型汽油車進(jìn)行不同駕駛行為的RDE試驗(yàn)，對(duì)比不同路段窗口行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)和法規(guī)的行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)與污染物排放因子的相關(guān)性。

圖8為市區(qū)、市郊和高速路段下窗口和法規(guī)的v·apos[95]與CO排放因子相關(guān)性對(duì)比分布圖。

由圖8可見，在市區(qū)路段下，C車的CO排放因子與2種v·apos[95]呈負(fù)相關(guān)性，都無(wú)法反應(yīng)市區(qū)的CO排放水平。在市郊路段下，3輛車的CO排放因子與窗口v·apos[95]有較明顯的相關(guān)性，平均相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.76；但與法規(guī)的v·apos[95]相關(guān)性較差，其相關(guān)系數(shù)的波動(dòng)幅度較大，不能較好地反映其相關(guān)性。在高速路段下，3輛車的CO排放因子與窗口v·apos[95]保持很好的正相關(guān)性；但路段的v·apos[95]與B車的CO排放因子呈負(fù)相關(guān)，無(wú)法反應(yīng)高速路段的排放水平。綜上，對(duì)比法規(guī)的v·apos[95]，窗口的v·apos[95]能更好地反映CO的排放水平。

圖8 不同的 v·apos[95]與CO排放的相關(guān)性對(duì)比

3.3.2 2種v·apos[95]與PN排放相關(guān)性對(duì)比

圖9為市區(qū)、市郊和高速路段下窗口和法規(guī)的v·apos[95]與NOx排放因子相關(guān)性對(duì)比分布圖。由圖可知，在市區(qū)路段下，3輛車的PN排放因子與窗口的v·apos[95]正相關(guān)性較差，法規(guī)的v·apos[95]與3輛車的PN排放相關(guān)性更明顯?？赡苁怯捎谠谟?jì)算法規(guī)的v·apos[95]時(shí)A車的數(shù)據(jù)量少，使其相關(guān)性表現(xiàn)更好。在市郊路段下，3輛車的PN排放因子與窗口v·apos[95]正相關(guān)性穩(wěn)定性有較明顯提升，平均正相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.84；高速路段下，3輛車的PN排放因子與窗口v·apos[95]正相關(guān)性穩(wěn)定性有進(jìn)一步提升，平均正相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.89，明顯優(yōu)于法規(guī)的v·apos[95]與PN排放因子相關(guān)性。綜上，對(duì)比法規(guī)的v·apos[95]，窗口的v·apos[95]能更好地反映PN的排放水平。

圖9 不同的v·apos[95]與PN排放相關(guān)性對(duì)比

3.3.3 2種v·apos[95]與NOx排放相關(guān)性對(duì)比

圖10為市區(qū)、市郊和高速路段下窗口和法規(guī)的v·apos[95]與NOx排放因子相關(guān)性對(duì)比分布圖。由圖可知，窗口和路段的v·apos[95]與NOx排放因子相關(guān)性都不明顯，原因可能是其他因素對(duì)NOx的排放影響比駕駛激烈程度更大，如不同海拔[17]、車輛后處理系統(tǒng)[18]和設(shè)備操作規(guī)范[19]等。

圖10 不同的v·apos[95]與NOx排放相關(guān)性對(duì)比

3.4 2種RPA與污染物排放的相關(guān)性對(duì)比

3.4.1 2種RPA與CO排放相關(guān)性對(duì)比

圖11為市區(qū)、市郊和高速路段下窗口和法規(guī)的RPA與CO排放因子相關(guān)性對(duì)比分布圖。由圖11可見，在市區(qū)路段下，窗口和法規(guī)的RPA與CO排放因子相關(guān)性都不穩(wěn)定，3輛車的相關(guān)系數(shù)的波動(dòng)幅度都較大，不能反映市區(qū)的CO排放水平；在市郊路段下，窗口RPA與CO排放因子相關(guān)性更加明顯，其中3輛車的平均正相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.88；在高速路段下，窗口RPA與CO排放因子保持很好的正相關(guān)性，路段RPA與CO排放因子相關(guān)性波動(dòng)幅度較大，無(wú)法維持穩(wěn)定的相關(guān)性，無(wú)法評(píng)估高速的CO排放水平。綜合考慮，窗口RPA比路段RPA能更好地反映CO排放水平。

圖11 不同的RPA與CO排放相關(guān)性對(duì)比

3.4.2 2種RPA與PN排放相關(guān)性對(duì)比

圖12為市區(qū)、市郊和高速路段下窗口和法規(guī)的RPA與PN排放因子相關(guān)性對(duì)比分布圖。由圖12可見，在市區(qū)路段下，窗口和路段的RPA與PN排放因子都呈強(qiáng)相關(guān)性，但窗口RPA有更多的數(shù)據(jù)量，能更好地反映PN的排放水平；在市郊路段下，3輛車PN排放與窗口RPA有強(qiáng)相關(guān)性較弱，相關(guān)系數(shù)波動(dòng)幅度較大，不能反映市郊的PN排放水平；路段的RPA與3輛車PN的排放相關(guān)性較明顯，能較好地反映市郊PN的排放水平；在高速路段下，窗口RPA與PN排放因子有強(qiáng)相關(guān)性，3輛車的平均相關(guān)系數(shù)為0.87；明顯優(yōu)于路段RPA與PN排放因子相關(guān)性。因此，窗口RPA能更好地反映PN排放水平。

圖12 不同的RPA與PN排放相關(guān)性對(duì)比

3.4.3 2種 RPA與NOx排放相關(guān)性對(duì)比

圖13為市區(qū)、市郊和高速路段下窗口和法規(guī)的RPA與NOx排放因子相關(guān)性對(duì)比分布圖。由圖13可見，在市區(qū)路段下，窗口RPA與NOx排放因子有較明顯的正相關(guān)性；路段RPA與A車NOx排放因子呈負(fù)相關(guān)；在市郊路段下，窗口和路段的RPA與NOx排放因子相關(guān)性都不明顯；在高速路段下，窗口RPA與NOx排放因子有強(qiáng)烈的正相關(guān)性，3輛車平均相關(guān)系數(shù)達(dá)0.86。因此，相比較法規(guī)的RPA，窗口RPA能較好地反映NOx的排放水平。

圖13 不同的RPA與NOx排放相關(guān)系數(shù)

4 結(jié) 論

1)計(jì)算各路段的窗口行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)和法規(guī)規(guī)定的行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)并與各污染物排放因子的相關(guān)性進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：窗口的行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA與CO、PN排放因子的相關(guān)性更明顯；NOx排放因子只與窗口動(dòng)力學(xué)參數(shù)RPA有較強(qiáng)的相關(guān)性。

2)在市區(qū)路段下，相比法規(guī)規(guī)定的行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)，窗口行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA與CO、PN排放因子的相關(guān)性更加明顯，3輛車的相關(guān)系數(shù)波動(dòng)幅度分別下降25%～44%。

3)在市郊路段下，CO和PN污染物的排放因子隨動(dòng)力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA增大依次增大，但窗口行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)與CO、PN排放因子有更強(qiáng)的相關(guān)性，3輛車的相關(guān)性系數(shù)波動(dòng)幅度分別下降38%～64%。

4)在高速路段下，相比法規(guī)規(guī)定的行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)與污染物排放存在負(fù)相關(guān)性，而窗口行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)v·apos[95]和RPA與3輛車CO、PN排放因子有強(qiáng)烈的正相關(guān)性，平均正相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85。