张帅，宋铁兵，谷家鑫，李向飞，缪曙霞，白宝国，谭建松

(北京汽车股份研究院动力中心，北京 101300)

随着汽车数量的增加，汽车尾气对环境带来的危害也日益引起人们的关注。我国在2016年发布了《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》国家标准(后文标准即为该标准)，该标准首次引入了RDE(Real Driving Emission)试验，旨在规范车辆实际道路驾驶的排放。

近年来，诸多学者针对动力学参数对RDE试验排放结果的影响展开了研究[1-4]，研究结果表明，驾驶行为是影响车辆RDE排放的重要因素。李岳兵等[5]指出，当前标准未对驾驶激烈程度进行严格限制，不同驾驶行为下排放结果差异较大，甚至会超过标准限值。杨长志等[6]研究了市区、市郊和高速路段排放物和动力学参数的相关系数，研究结果表明：CO和PN排放与动力学参数正相关，且高速段上述相关性大于市郊和市区段。彭美春等[7]研究了驾驶行为对PN排放的影响，结果表明：速度越高，激烈驾驶对PN的影响越大，尤其是车速大于75 km/h时，上述趋势更加明显。耿杨涛[8]指出排放物的排放符合因子随 RPA 的增加而增加，当动力学参数足够大时，CO和PN排放与动力学参数呈非线性关系，低速时频繁加速或减速会导致 NOx排放升高。程亮等[9]指出：在高原地区，提高激烈驾驶程度能够提高窗口内的CO2排放量；随着海拔的增加，市区工况下的CO和NOx排放随海拔的升高有增加趋势；在高速工况，PN排放随海拔的升高有增加趋势。孙文芳等[10]指出，与平原相比，高原地区发动机冷起动阶段的排放物明显较多。邹杰等[11]指出，不同驾驶激烈程度下累计正海拔增量对排放结果有很大影响。上述研究多是关于驾驶行为对整车排放的影响，对于驾驶行为对发动机运行状态影响的分析却相对较少。

本研究分别在北京、重庆和昆明地区开展RDE试验，分析研究驾驶行为对轻型汽油车发动机状态的影响，进而分析发动机运行状态对排放的影响。

1 试验车辆和设备

1.1 试验车辆

本研究中涉及的试验车辆为国六轻型汽油车，车辆后处理装置是三元催化器和GPF，试验车辆主要技术参数见表1。

表1 试验车辆技术参数

续表

1.2 试验设备

本研究采用的PMES设备为HORIBA OBS-ONE 便携式排放测试系统，该设备主要包括气象站、GPS定位系统、气体分析模块、颗粒物计数模块、流量计和电源等附件，各模块设备反馈信号见图1。本研究中发动机运行参数通过INCA数据软件采集[13]。

a—OBD整车信号；b—温度和湿度信号；c—GPS信号；d—尾气流量信号；e—CO浓度信号；f—NOx浓度信号；g—PN个数信号。 图1 PMES设备采集信号图

1.3 试验路线

本研究分别在北京、重庆和昆明展开RDE试验，试验路线见表2。

表2 北京、重庆和昆明地区的路线

北京、重庆和昆明地区的海拔分别为15～45 m，250～460 m和1 900～2 200 m。北京和重庆地区属于普通海拔条件，昆明为进一步扩展的海拔条件。北京、重庆和昆明地区道路坡度最大幅度分别为±0.01，±0.05和±0.04。重庆地区的坡度变化幅度和坡度变化频率均明显高于北京和昆明地区。上述路线均满足RDE试验的时间、里程和占比要求。开始和结束点海拔不超100 m，累计正海拔不超过1 200 m。

2 试验结果分析

2.1 试验动力学参数分析

RDE试验的动力学参数主要是RPA和V·apos[95]，这两个参数反映RDE试验过程中驾驶激烈程度，其中RPA仅与车辆正向加速度有关，而V·apos[95]与车辆加速度和速度均相关。依据国六b标准可以看出，RPA是用于界定RDE试验过程中激烈程度下限的最主要参数，当RDE试验过程驾驶过于平稳时，试验有失败的可能。而V·apos[95]是用于界定试验过程的激烈程度上限，当真实驾驶中V·apos[95]大于所规定的上限值时，试验因驾驶过于激烈而失败。本研究中针对驾驶激烈程度下限提出下式：

λR=Ra/Rt。

(1)

式中：Ra为RDE试验中RPA实测值；Rt为标准计算的RPA门槛值；λR为RPA实测值和门槛值之比，当λR>1时，试验通过最低激烈驾驶程度要求，λR越大驾驶越激烈。

此外，对于激烈程度上限，本研究提出下式：

λP=Pa/Pt。

(2)

式中：Pa为RDE试验中V·apos[95]实测值；Pt为标准计算的V·apos[95]门槛值；λP为V·apos[95]实测值和门槛值之比，λP越接近1，试验越激烈，当λP>1时，驾驶激烈程度过大，试验失败。

北京地区RDE试验中，λR和λP的变化趋势如图2所示。由图2可知，在RDE试验中，虽然两个动力学参数的作用不同，但是随着试验进行，两者的变化趋势基本相同。与λR相比，λP不仅反映加速

图2 北京地区RDE试验的动力学参数

度的大小，也反映速度的大小，λP更能反映车辆的真实驾驶激烈程度，因此本研究采用λP作为评价驾驶风格的参数，λR仅作试验通过验证参数。本研究中，当λP>0.8时为激烈驾驶，λP≤0.8时为平稳驾驶。

2.2 高原地区动力学参数分析

高原地区RDE试验中的CO2特性曲线根据平原WLTC循环的低速、高速和超高速段车辆的CO2排放结果获得。特性曲线的基本公差和扩展公差分别为tol1=25%和tol2=50%。高原地区空气稀薄，发动机工作时排出的CO2较少，这种情况下市区、市郊和高速窗口容易落在特性曲线所定义的下偏差附近，尤其是在高速段窗口(见图3)。

图3 高原地区窗口特性

高原对高速正常性窗口占比的影响如图4所示。由图4可以看出，与北京地区相比，昆明地区高速段的正常性窗口占比较低，标准要求高速段正常性占比应超过50%，此时必须通过提高驾驶激烈程度λP来提高上述窗口占比。当λP大于0.7时，上述窗口才大于50%。但是当λP大于1时，试验由于驾驶过于激烈而失败。由此可见，高原地区在高速路段对驾驶要求高于平原地区。

图4 高原对高速正常性窗口占比的影响

2.3 WLTC和RDE发动机载荷对比分析

试验车辆分别在转毂上进行WLTC排放试验和在北京道路进行RDE试验，RDE试验市区、市郊和高速段的λP分别为0.8，0.57和0.58。获得的RDE试验和WLTC循环的发动机载荷如图5所示。

图5 WLTC循环和北京地区RDE试验的发动机载荷

由图5可以看出，在1 000 r/min附近，RDE试验的载荷大于WLTC循环。转速变化范围在1 000～2 500 r/min时，WLTC在此区域的载荷较集中，一般小于200 N·m。当转速大于2 500 r/min时，WLTC循环的载荷大于200 N·m，但是工况点较少；当转速大于3 000 r/min时，WLTC循环的工况点更少，而RDE的工况点较多。因此可以得出结论，与WLTC循环相比，RDE试验中发动机工作载荷范围更宽。

2.4 激烈驾驶对发动机工作载荷的影响

动力学参数λP是评价驾驶激烈程度的重要参数，不同的驾驶激烈程度下，发动机所工作的区域也不同，驾驶激烈程度对发动机工作载荷的影响如图6所示。

图6 驾驶激烈程度对发动机工作载荷的影响

由图6可以看出，在北京地区，当高速段λP为0.68时，发动机主要的工作转速为1 000～3 500 r/min，在转速大于2 200 r/min时，发动机载荷范围较宽，为0～275 N·m。当发动机转速大于3 000 r/min时，发动机只工作在高载荷区。当高速段λP为0.86时，这意味着动力学参数较大，驾驶激烈，这种情况下发动机工作的转速较高，且转速范围较宽，为2 000～5 500 r/min。载荷范围也较宽，为0～260 N·m。驾驶激烈程度对发动机的工作范围有很大的影响，且激烈驾驶不能覆盖平稳驾驶时的主要工作范围。

2.5 驾驶工况切换对发动机载荷的影响

北京地区RDE试验结果表明，驾驶较激烈时，λP较高，高速段的CO排放会明显高于平稳驾驶模式，高速段CO的CF符合因子随λP的变化如图7所示。

图7 北京地区λP对CO的CF符合因子的影响

由图7可以看出，随着λP增大，CO排放不断增加，在λP从0.5变化到0.85时，CO的CF符合因子随着λP增加而缓慢增加，当λP大于0.85时，CO的CF符合因子随λP的增加非线性增加。λP越大，驾驶情况越激烈，这种情况下发动机转速和载荷均较大，发动机释放的能量多，缸内温度高，排气温度随之升高。而催化器、涡轮和排气歧管均需要工作在合适的温度下，过高的温度会对零部件造成热损伤，降低零部件的使用寿命。发动机EMS策略对排气温度进行预估，且该预估温度在台架标定过程中予以校验。为了降低热损伤，以保证预估模型的准确性，通过燃油加浓降低发动机燃烧室和尾气处理系统的温度(见图8)。

图8 重庆地区发动机进入加浓保护

由图8可以看出，发动机催化器实际温度约为845 ℃，发动机预估模型温度为900 ℃，预估模型能够真实反映实际催化器温度。当排气温度较高时，保护加浓标志位从0变至1，加浓保护打开，目标过量空气系数从1降低至0.85，燃油加浓，氧传感器信号会检测到空燃比不间断减小。

RDE试验中主要包含市郊、市区和高速段三部分，市郊段速度为60～90 km/h，高速段速度为90～145 km/h。且高速路段行驶至少应覆盖90～110 km/h车速范围，高于100 km/h的时间应达到5 min以上。RDE试验中由市郊切换到高速时，或由市区直接切换至高速工况，上述切换过程长时间大扭矩需求会造成发动机长时间工作在高载荷区，易进入加浓保护。这种主动的加浓会导致CO排放急剧上升，而《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》标准参考欧洲标准制定，对CO排放仅作记录，无CF符合因子要求，排温过高引起的加浓保护是导致本标准对CO排放目前仅作记录项的原因之一。

2.6 冷起动对RDE排放的影响

RDE试验中冷起动0～300 s和300～600 s两个阶段排放量的倍数关系如图9所示。由图9可以看出，本次试验冷起动前300 s的CO、NOx和PN排放分别是起动后300 s的16倍、7倍和25倍，冷起动对CO、NOx和PN排放均有较大的影响，但是影响机理并不相同。冷起动阶段CO和NOx排放较高的原因主要有两方面：一方面是起动时发动机工作未进入扭矩模型，此时混合气较浓，以保证发动机能够稳定起动。另外一方面是只有达到起燃温度后[13]，催化器对排放污染物才有较高的催化效率。当温度低于起燃温度时，催化器的效率较低，排出的气体污染物未经催化，NOx和CO排放较高。此外，冷起动阶段PN值远大于冷起动后的PN值，这是因为发动机燃烧室壁面温度较低，不利于汽油的气化，导致混合气不均匀，燃烧不完全，会形成较多的颗粒物。冷起动结束后，水温大于70 ℃时，发动机燃烧室壁面温度较高，燃油充分雾化，混合气均匀，燃烧完全，PN值也会迅速降低。因此，将冷起动的排放纳入检测范围很有必要。

图9 RDE试验中冷起动阶段和冷起动后排放物倍数关系

3 结论

a) RDE试验中的动力参数λP是衡量汽车激烈驾驶程度的重要动力学参数，正常驾驶情况下λP取值距离激烈边界较远，在正常驾驶和激烈失效驾驶之间有较大的跨度；激烈驾驶会引起发动机主动进入加浓保护，这种情况下CO排放会随着λP的增大非线性增加；

b) 基于平原地区CO2特性曲线进行高原地区的RDE试验时，其窗口的正常性在正常驾驶模式难以完成，需要提高激烈驾驶程度，以提高窗口的正常性，高原地区的RDE试验应对CO2特性曲线予以修正；

c) 与冷起动后排放相比，冷起动阶段的CO、NOx和PN排放均较大，故将冷起动阶段的排放纳入检测范围很有必要。