潘仲浦 陸雅婷 韓飛 余煒

摘要：為了研究不同海拔國Ⅵ輕型汽油車的實際道路排放特性，分別在開遠和建水開發(fā)RDE測試路線，利用便攜式排放測試系統(tǒng)（PEMS）在兩個城市開展國Ⅵ輕型汽油車實際道路排放測試。結果表明：隨著海拔的升高，CO2、NOX、PN排放呈現增加趨勢，建水的CO2綜合排放因子是開遠的116倍，NOX綜合排放因子是開遠的103倍，PN綜合排放因子是開遠的146倍；當速度為定值時，隨著加速度增大，CO2排放速率增大，當加速度為定值時，隨著速度增大，CO2排放速率增大；發(fā)動機轉速、速度、加速度與CO2排放表現出較強的正相關關系。

關鍵詞：高海拔；國Ⅵ輕型汽油車；排放特性

中圖分類號：U4613? 收稿日期：2024-04-08

DOI：1019999/jcnki1004-0226202405032

1 前言

目前，機動車排放是空氣污染的主要來源。汽車在給人們的生活帶來便利的同時，也造成了環(huán)境污染。汽車尾氣排放的CO、HC、NOx和顆粒物等有毒物質不僅污染環(huán)境，而且危害人體健康[1]。為了平衡汽車產業(yè)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調發(fā)展，各國紛紛出臺更加嚴格的排放法規(guī)和生態(tài)環(huán)境保護政策。據公安部統(tǒng)計，2023年全國機動車保有量達435億輛，其中汽車336億輛。因此，降低機動車污染物排放對大氣污染具有重要意義。

與低海拔地區(qū)相比，高海拔地區(qū)的機動車排放呈現出明顯的特點。高海拔獨特的環(huán)境條件，空氣壓力和氧氣含量降低，顯著影響發(fā)動機的內部負荷和燃燒狀態(tài)[2]。此外，高海拔路段會影響駕駛員的駕駛行為，進而影響汽車排放。Huang等[3]研究發(fā)現高海拔對燃油車的實際駕駛排放有著顯著影響；Jiang等[2]發(fā)現隨著海拔升高，燃燒效率下降，駕駛條件對排放率的整體影響減少，海拔和氣象對CO2的排放有顯著影響；Wang等[4]研究發(fā)現，CO排放量隨著海拔的升高而增加，PN和NOX排放也隨之海拔增加而增加，但是在海拔2 990 m處，NOX排放呈下降趨勢；Serrano等[5]研究發(fā)現隨著環(huán)境濕度的增加，發(fā)動機外NOx排放有了持續(xù)和顯著的降低；王欣等[6]發(fā)現在所有海拔高度，隨著車速的增加，CO和HC排放量下降。在海拔高度的影響方面，CO、HC和PM隨海拔高度的升高而增加。氮氧化物的排放表現不同，氮氧化物的排放量隨著海拔變化呈現先增加再減小的趨勢。

本文對國Ⅵ輕型汽油車實際道路污染物排放進行了測試，分析不同海拔下污染物排放特性，對比不同海拔下污染物排放因子，分析污染物排放的影響因素。

2 試驗方案

21 試驗車輛

本研究選取國Ⅵ標準下的一款輕型汽油車作為測試車輛，研究不同海拔下對實際道路排放的影響。試驗車輛的具體信息如表1所示。此外，本研究所有測試數據均由同一臺PEMS測試。

22 試驗路線

為分析海拔高度對國Ⅵ輕型汽油車的實際行駛過程中污染物排放的影響，分別在開遠和建水開發(fā)RDE測試路線?？紤]市區(qū)、市郊、高速的行車比例和測試總時長以及海拔增量等，確保兩條試驗路線均能通過RDE法規(guī)要求。測試路線具體信息如圖1、圖2所示。

23 試驗設備

測試設備采用PEMS設備（AVL MOVE GAS PEMS 493），用于測量柴油、汽油車輛和發(fā)動機尾氣中的THC、NO/NO2、CO/CO2和O2濃度。PEMS設備使用加熱式FID分析儀測量THC的濃度，除燃燒器氣體（He/H2混合氣）外，無需攜帶其他工作氣體。NO/NO2測量由紫外分析儀進行，該儀器可以同時直接測量NO和NO2，可使用內部校準比色皿進行校準。CO/CO2的測量，使用的是NDIR分析儀，該分析儀經過特別優(yōu)化，在測量范圍低于01vol%時，CO通道具有高精度和高分辨率。為保證實驗結果的準確性，每次測試前對測試儀器進行了60 min的預熱。此外，使用高純度的氮氣和各種標準氣體污染物來進行標定。取樣管和稀釋系統(tǒng)經過仔細的清潔和干燥過程，沒有殘留的污染物或水。

24 數據處理

下面計算瞬時質量排放。根據污染物瞬時濃度（10-6）、瞬時排氣質量流量（kg/s）（傳遞時間校正和校準后）與響應污染物的密度，確定瞬時質量排放（g/s）。公示如下：

[mgas，i=ρgas，iρgas，e]×[cgas，i]×[qmew，i]×10-3? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[mgas，i]為污染物組分質量，g/s；[ρgas，i]為氣體污染物組分密度，kg/m3;[ρgas，e]為排期密度，kg/m3;[cgas，i]為排氣中測得的氣體污染物組分的濃度，10-6;[qmew，i]為測得的排氣質量流量，kg/s;gas為相應污染物的標號；i為測量值編號。

計算加速度：

ai=（vi+1-vi-1）/（2×36），i=1-Nt? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

計算每個速度組的相對正加速度和v·apos-[95]

[j（?t?（v?apos）j，k]，j=1-Mk，i=1-Nk，k=u，r，m

RPAk=[idi，k]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，RPAk為市區(qū)、市郊、高速路段的相對正加速度，m/s2;[?t]為1 s；Mk為具有相對正加速度的市區(qū)、市郊、高速路段的樣本數；Nk為市區(qū)、市郊、高速路段的樣本總數。

[v?apos=v?apos3.6]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

3 試驗數據分析

31 不同道路類型下污染物排放因子

比較國Ⅵ輕型汽油車在兩個海拔下市區(qū)、市郊、高速還有總試驗的CO2排放因子，如圖3所示。隨著海拔升高，CO2排放因子呈增大的趨勢。在兩種海拔下，三種道路類型的CO2排放因子從高到低依次為市區(qū)＞市郊＞高速。建水的CO2綜合排放因子是開遠的116倍。出現這樣的現象是由于隨著海拔的升高，氧氣稀薄，發(fā)動機燃燒效率下降，油耗升高，CO2排放增加[7]。

由于NO的生成反應比燃料燃燒反應慢，所以雖然火焰前鋒的溫度很高，但也只有很小一部分產生于此，大部分是在焰后高溫區(qū)生成[8]。由圖4可以看出，建水的RDE試驗NOX排放高于開遠，NOX綜合排放因子是開遠的103倍。這是由于隨著海拔的升高，發(fā)動機的滯燃期和燃燒后期延長，缸內溫度升高，從而促使了NOX的生成[9]。

圖5顯示了測試車輛在不同海拔高度的PN排放因子的變化。試驗車輛的總出行PN排放因子隨海拔高度的增加而增加。這一方面是由于海拔升高引起的缸內局部缺氧促進了PN排放的產生；另一方面，CH自由基促進了PM的產生。由于海拔高度的增加，缸內溫度升高，更多的CH自由基被分解，進一步促進PN排放的產生。因此，車輛的PN排放隨著海拔的增加而增加[10]。

32 行程動力學參數驗證

篩選車速大于3 km/h的試驗數據，計算加速度、apos、RPA值。將速度小于60 km/h的數據劃分為市區(qū)組，速度大于60 km/h且小于或等于90 km/h的數據劃分為市郊組，速度大于90 km/h的數據劃分為高速組。計算每個速度組的平均速度[vk]，保證每個速度組中加速度值ai＞01 m/s2的數據集合數量不小于150個[11]。分別驗證三個速度組的（v·apos）k? [95]和RPA，驗證行程有效性的標準如下：如果vk＞746 km/h，并且（v·apos）k? [95]>（00742vk+18966），行程無效。對RPA進行驗證的標準為：如果vk≤9405 km/h，并且RPAk<（-00016·vk+01755），行程無效；如果vk＞9405 km/h，并且RPAk＜0025，行程無效。通過計算，實際道路能耗試驗各路段的v·apos? [95]和RPA驗證結果如表2和表3所示，建水和開遠各路段v·apos? [95]的實際值均小于括號內的參考值，RPA的實際值均大于括號內的參考值，兩種海拔下的v·apos? [95]與RPA均通過驗證。

33 速度和加速度對CO2排放的雙重影響

圖6展示了在不同海拔下，車輛行駛速度和加速度對CO2排放速率的耦合影響。結果表明，在速度不變的情況下，加速度的變化對CO2排放速率有直接影響，加速度越大，CO2排放速率越大。這是由于在加速過程中，車輛需要增加燃料來產生更強的動力去提高速度，從而增大了CO2排放速率。當加速度為定值時，隨著速度的增大，CO2排放速率增大。隨著速度的增加，發(fā)動機負荷增加，使其排放更多的污染物氣體[12]?？傊囕v行駛速度和加速度是影響CO2排放速率的關鍵因素。

34 相關性分析

采用Spearman法來確定所有特征參數與污染物排放速率之間的相關性。圖7顯示了相關性分析的結果。發(fā)動機轉速、速度、加速度與CO2排放速率有明顯的正相關，其Spearman系數均大于或等于05。環(huán)境條件與CO2排放速率相關性不強。然而環(huán)境條件、發(fā)動機特性、駕駛特性似乎與NOX排放速率和PN排放速率無明顯相關性。

4 結語

a.隨著海拔的增加，國Ⅵ輕型汽油車CO2排放增加。

b.車輛行駛速度和加速度是影響CO2排放速率的關鍵因素。

c.發(fā)動機轉速、速度、加速度與CO2排放速率有明顯的正相關；環(huán)境條件、發(fā)動機特性、駕駛特性與NOX排放速率和PN排放速率無明顯關系。

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作者簡介：

潘仲浦，男，1994年生，助理工程師，研究方向為整車測試技術。