扩展及超扩展高温条件对实际行驶排放试验的影响.pdf

AUTO TIME 7 FRONTIER DISCUSSION|前沿探讨 时代汽车1引言鉴于实验室条件下的标准测试循环缺乏车辆实际道路行驶的完整代表性，难以全面、准确地反映现代交通系统中车辆的实际使用情况1-4。为了缩小实验室排放与实际道路行驶排放之间的差距，欧盟制定了使用便携式排放测量系统（PEMS）的实际行驶排放（RDE）测试程序5-6；国内在轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第 6 阶段）（GB18352.5-2016）中也参照引入该测试程序7。作为一个受多种因素（环境条件、驾驶员行为、道路地形、交通状况、有效载荷等）可变性影响的道路测试，不确定性的试验边界对 RDE 试验结果的影响很大 8-9。故 RDE 法规试验程序对相关试验边界进行了具体的规定。其中，普通温度条件为环境温度 030；基本扩展温度条件为环境温度-70，或 3035（未设置进一步扩展温度条件）。按法规试验程序的规定，扩展温度条件下的排放应除以扩展系数（基本扩展条件的扩展系数为 1.6）后再进行评估7。可见，扩展低温条件（-70）和扩展高温条件（3035）对 RDE 试验的影响在试验程序是按同等的方式进行处理的。低温环境条件对车辆行驶排放（特别是冷起动排放）的具有重要影响10-12，但高温环境条件对 RDE 试验的影响却未见有相关研究报道。目前，因内外尚没有直接的试验数据可以支撑和解释 RDE 法规试验程序中有关扩展高温条件规定及其相应处理方法的合理性。另一方面，国内夏季气温超过 40的城市和地区较多，且 30以上的高温天气持续时间也较长。在此情况下，扩展高温条件以及进一步扩展的 40以上的高温条件究竟会对RDE 试验产生何种程度的影响的确存在进一步探讨的必要性。有鉴于此，采用相同的试验车辆并在相同的行驶路线条件下选择不同的季节时间段完成 10 次 RDE 法规试验，以此分析和评估高温环境条件对 RDE 试验的影响。彭竟德1王锐3张力2杜宝程3薛浩洋11.重庆大学机械与运载工程学院重庆市4000442.重庆大学机械传动国家重点实验室重庆市4000443.中国汽车工程研究院股份有限公司重庆市401122摘 要：国内外尚没有直接的试验数据可以支撑和解释 RDE 法规试验程序中有关扩展高温条件规定及其相应处理方法的合理性。为研究高温环境对 RDE 试验的影响，以一辆轻型汽油车在不同环境温度下（约1040）的 10 次实际行驶试验数据为基础，从标准排放因子和路段排放因子两个维度评估了高温条件对 RDE 试验的影响。结果表明在常温环境下，环境温度（空调）对排放物的影响很弱，高温环境条件（3540）及空调的使用并不会导致严重异常的污染物排放。在保证测试设备正常工作的条件下，RDE 试验可以考虑不设置 30-35基本扩展温度条件，并将普通温度条件扩展至 40。关键词：实际行驶排放温度高温条件行程动力学Infiuence of Extended and Ultra-extended High Temperature Conditions on Actual Driving Emission TestsPeng Jingde，Wang Rui，Zhang Li，Du Baocheng，Xue HaoyangAbstract：There is no direct test data at home and abroad that can support and explain the rationality of the extended high temperature conditions and corresponding treatment methods in the test procedures of RDE regulations.In order to study the infiuence of high temperature environment on the RDE test,based on the data of 10 actual driving tests of a light gasoline vehicle at different ambient temperatures(about 1040C),the infiuence of high temperature conditions on the RDE test was evaluated from two dimensions:standard emission factors and road section emission factors.The results show that the infiuence of ambient temperature(air conditioning)on emissions is weak in normal temperature environment,and high temperature environmental conditions(3540C)and the use of air conditioning do not lead to serious abnormal pollutant emissions.Under the condition of ensuring the normal operation of the test equipment,the RDE test can consider not setting the basic extended temperature conditions of 30-35 C,and extend the ordinary temperature conditions to 40 C.Key words：actual driving emissions,temperature,high temperature conditions,stroke dynamics扩展及超扩展高温条件对实际行驶排放试验的影响8 AUTO TIMEFRONTIER DISCUSSION|前沿探讨2道路试验试验车辆选取一辆产自中国境内的轻型汽油乘用车，整车测试质量为 1765kg，为重庆地区城市道路最为常见的车型之一。试验车辆发动机排量为 1.998L，最大扭矩320Nm，最大功率 180kW，采用缸内直喷的燃油供给方式，燃油标号为 95 号汽油，进气方式为废气涡轮增压；排放后处理配备三元催化器（TWC）和汽油微粒过滤器（GPF），排放满足国六标准；动力传动系配置 9 速手自一体自动变速器。排放测试系统采用奥地利 AVL 公司生产的 M.O.V.E 便携式车载排放检测设备，该套 PEMS 设备系统包括尾气气态污染物分析系统（GAS PEMs）、尾气颗粒物数量分析系统（PN PEMs）、尾气流量计、全球定位系统（GPS）、温湿度仪、车载自动诊断系统（OBD）等设备。试验开始前，所用设备按法规要求进行预热和标定；试验结束后需要对设备进行漂移检查（即对设备通标气和零气以对比试验前和试验后设备的稳定性）。参照中国第 6 阶段排放法规 RDE 试验程序的要求，在重庆市渝北区设计试验路线。试验总行驶距离 83km，其中市区 27km、市郊 28km、高速 28km；全行程累计正海拔增量 1178m/100km，全行程平均海拔高度384m，起止点海拔差 27m。在上述相同行驶路线条件下选择不同的季节时间段完成 10 次RDE 法规试验，10 次 RDE 试验的环境温度范围为 1040。用 AJ 分别标识不同轮次RDE 试验，试验 A-J 的环境温度分别为 9.54、10.76、20.61、22.08、28.90、26.44、30.72、32.39、39.05、39.77，其中试验 A-E 空调关闭，试验 F-J 空调关闭。其中，有 6 次 RDE 试验满足普通温度条件，有 2 次试验（编号 G、H）符合扩展高温条件，有 2 次试验（编号 I、J）为超扩展高温条件。在对测得的数据进行时序校准后，根据测得的各污染物的瞬时浓度（%vol、ppm 或#/m3）计算污染物的瞬时质量排放（g/s 或#/s）。在此基础上，根据中国第 6 阶段排放法规的要求，排除冷起动排放数据、车辆地面速度小于 1km/h 和发动机熄火期间的排放数据，并采用移动平均窗口法计算排放数据。对试验有效性进行校验，结果表明各轮次试验均能够通过实际行驶排放试验法规窗口正常性和完整性的验证。3结果分析3.1标准排放因子采用 MAW 方法分别确定市区、市郊、高速路段的窗口加权系数；将窗口排放进行加权平均得到市区、市郊和高速路段的污染物排放因子；再次加权计算总行程污染物排放因子（市区、市郊、高速路段的加权系数分别为0.34、0.33 和 0.33）。对于满足扩展温度条件的排放数据未除以扩展系数进行修正。图 1 给出了各轮次试验的总行程和路段（市区、市郊、高速）污染物排放因子。图中，横坐标为各轮次试验（编号A、B、C、D、E、F、G、H、I、J 从左至右顺序排列）的平均温度，纵坐标为污染物排放因子；在 AE 次试验中（白色底板）乘员舱空调处于关闭状态，在FJ 次试验中（粉色底板）则开启空调。图中可见，各轮次试验的 CO2排放差异性不大，扩展高温条件 RDE 试验的 CO2排放不会大幅度高于普通温度条件 RDE 试验的CO2排放。超扩展高温条件 RDE 试验 CO2排放也没有表现出奇异性。类似地，扩展高温条件 RDE 试验的 CO、NOx和 PN 排放也没有表现出相对于普通温度条件RDE试验的奇异性。超扩展高温条件并不一定会导致异常排放。例如，NOx排放严重的 RDE 试验出现在空调关闭状态下的普通温度条件（20.61）；在环境温度最高的超扩展高温条件下（39.77），试验 J 的污染物排放并不严重。相较于 CO2排放，各轮次试验的其它污染物排放差异性明显。但这种差异性与环境温度和空调运行状态的关联性不大。在环境温度接近的试验边界条件下，污染物排放也会表现出明显不同。如超扩展高温条件下的两次试验平均环境温度相近，分别39.05（试验 I）、39.77（试验 J）。但是两次试验的PN 排放因子差异明显，试验 I 的 PN 排放因子几乎是试验 J 的两倍。在普通温度条件下，试验 C 和 D 平均环境温度分别为 20.6和22.1，但试验 C 的 NOx排放因子却接近试验 D 的两倍。3.2路段排放因子对于在相同行驶路线上完成的十次 RDE试验，采用直接积分（CA）方法分别计算市区、市郊和高速路段的污染物排放因子。在此基础上，结合 RDE 试验的三个重要试验边界条件：路段环境温度、路段行程动力学特性参数、路段行驶路线地形特征，观察污染物排放与这些路段试验边界条件的相关性，如图 25。图中横坐标为各轮次试验的平均环境温度，纵坐标为路段的污染物排放因子，气泡直径代表路段的累计正海拔增量或行程动力学特性参数（RPA）的大小。图中标出了 RPA 为0.1m/s2和累计正海拔增量为 2000m/100km 时气泡直径大小，其它数据点的 RPA、累计正海拔增量可参照读取。如图 2 所示，除了试验 B（10.76），市区路段 CO2排放随环境温度的增加有增加的趋势，空调开启状态下的 CO2排放要高于空调关闭状态下 CO2排放；在普通温度条件下（未开启空调）的试验 B（10.76）表现出较大的市区路段 CO2排放；究其原因，其市区路段有最大的 RPA 和累计正海拔增量。在超扩展高温条件下的试验 J（39.8）有最大的市区路段 CO2排放。但这种现象在市郊和高速路段的表现却不明显，在高速行驶状态车辆行驶阻力增加，空调运行负荷对整车行驶负荷的影响相对较小。因此，CO2排放受环境温度的影响相较其受行程动力学特性图1不同环境温度下RDE试验行程及路段污染物排放AUTO TIME 9 FRONTIER DISCUSSION|前沿探讨 时代汽车和行驶路线地形特征的影响更不明显。CO 排放呈现的情况与 CO2排放较为相似（如图 3所见），市区和高速路段的 CO 有随着温度升高而增加的趋势。如图 4 所示，试验 C（20.61）在市区、郊区和高速路段均呈现最大的 NOx 排放；与之相应，可以观察到试验 C 的市区、市郊、高速路段的 RPA、累计正海拔高度增量均较高。同时，难以观察到 NOx 排放随环境温度的明确线性变化趋势，环境温度对 NOx 排放的影响不如其它两个试验边界条件。对于 PN排放，在超扩展高温条件下的试验I（39.1）（39.05）和试验 J（39.77）所表现的现象不同。试验 J 市区路段 CO2 和 CO 排放因子为最高值，而市区路段 NOx 和 PN 排放并不突出；试验 I 市区路段 CO2 和 CO 排放因子与其它普通温度条件下的试验相差不大，但市区路段NOx和PN排放则相当突出。可见，超扩展高温条件对 RDE 试验的影响是与其它试验边界相耦合的。4总结从两个维度对不同环境温度下的 10 次RDE 试验结果进行分析讨论，发现温度对市区路段的 CO2、CO 和高速路段 CO 排放有一定的影响，当温度升高时 CO 和 CO2 排放值有升高的趋势；而对于市郊和高速路段的CO2 以及市郊路段的 CO，温度对其影响远低于累计海拔增量和 RPA。NOx 和 PN 排放物在 10 次试验中未表现出与温度有明显相关的趋势。即相对于驾驶行为、地形因素等边界条件，温度对污染物排放的影响较弱。RDE 试验程序中设置了普通温度条件（环境温度高于或等于 0，低于或等于 30）和扩展温度条件（环境温度高于或等于-7，或高于 30且低于 35）。但对于高温扩展温度条件（3035），其设置不具合理性，明显夸大了高温环境对污染物排放的影响。在保证测试设备正常工作的条件下，RDE 试验可将普通温度条件扩展至 40左右。参考文献：1Hooftman N，Messagie M，Van Mierlo J，et al.A review of the European passenger car regulations-Real driving emissions vs local air qualityJ.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2018，86：121.2Pavlovic J，Ciuffo B，Fontaras G，et al.How much difference in type-approval CO2 emissions from passenger cars in Europe can be expected from changing to the new test procedure（NEDC vs.WLTP）?J.Transportation Research Part A-Policy and Practice，2018，111：136147.3Kousoulidou M，Fontaras G，Ntziachristos L，et al.Use of portable emissions measurement system（PEMS）for the development and 图2不同环境温度下CO2排放与试验边界条件的相关性图3不同环境温度下CO排放与试验边界条件的相关性的市区、市郊路段出现异常数据点；但除这个异常点之处，市区和市郊路段的 PN 排放随环境温度的升高略呈下降的趋势；在高速路段，普通温度条件下的试验 C 仍有较大的 PN排放；行程动力学特性和行驶路线地形对 PN排放的影响相对于环境温度仍明确可见（如图 5 所见）。由于受到行程动力学特性、路段行驶路线地形特征等试验边界条件的耦合影响，很难将环境温度（空调）因素的影响从 RDE 试验的其它试验边界的影响中区分和割裂出来。但值得注意的是，超扩展高温条件下的试验 I10 AUTO TIMEFRONTIER DISCUSSION|前沿探讨图5不同环境温度下PN排放与试验边界条件的相关性图4不同环境温度下NOx排放与试验边界条件的相关性real-driving emissions（RDE）regulation in EuropeJ.Jove-Journal of Visualized Experiments，2016，118：e54753.6Giechaskiel B，Clairotte M，Valverde-Morales V，et al.Framework for the assessment of PEMS（portable emissions measurement systems）uncertaintyJ.Environment Research.2018，166：251260.7 中华人民共和国环境保护部.轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第 6 阶段）（GB 18352.6-2016）S.北京：中国标准出版社，2016.8Suarez-Bertoa R，Valverde V，Clairotte M，et al.On-road emissions of passenger cars beyond the boundary conditions of the real-driving emissions testJ.Environment Research，2019，176：108572.9Varella R A，Faria M V，Mendoza-Villafuerte P，et al.Assessing the infiuence of boundary conditions，driving behavior and data analysis methods on real driving CO2 and NOx emissionsJ.Science of the Total Environment，2019，658：879894.10Varella R A，Duarte G O，Baptista P，et al.Analysis of the influence of outdoor temperature in vehicle cold-start operation following EU real driving emission test procedureJ.SAE International Journal of Commercial Vehicles，2017，10（2）：596607.11Du B C，Zhang L，Geng Y T，et al.Testing and evaluation of 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