高原环境下修正的道路阻力对轻型汽车排放及油耗影响研究

顾王文 王 猛 许卿云 王计广

（1-中汽研汽车检验中心（昆明）有限公司 云南 昆明 651700 2-云南交通职业技术学院 3-红河州质量技术监督综合检测中心）

引言

截止2020 年底，高原省区民用汽车保有量为3 477.84 万辆[1]。大量的汽车保有量必然伴随着大量的机动车排放污染。以往关于高原机动车整车排放及油耗测试研究的主要手段有海拔舱环境模拟、车载排放测试系统随车测试、发动机台架模拟以及纯粹的软件模拟研究[2-3]，其中海拔舱环境模拟费时费力且成本高，车载排放测试系统随车测试受整车排放及油耗测试的试验条件限制很难验证重复性。而GB18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》[4]中明确要求车载RDE（Real Driving Emission）测试需要扩展到海拔2 400 m，因此，对轻型汽车在高原条件下的排放及油耗研究对保护生态环境、逐步完善排放标准有重大意义。本文基于海拔1 900 m 的高原实际条件下的轻型汽车排放实验室，利用稳定的环境控制条件（使用高原地区的环境舱，在真实的海拔环境下，精确控制温度和湿度），对轻型汽车高原排放及油耗进行研究。

1 研究方法

采用同一辆轻型增压汽油乘用车，在高海拔实验室内的相同温度、湿度条件下，利用平原道路阻力和修正后的高原道路阻力分别在底盘测功机上进行WLTC 循环测试，然后对不同阻力下的排放及油耗测试结果进行对比。

高原道路阻力修正方法按照GB/T 19233-2020《轻型汽车燃料消耗量试验方法》[5]中C.3.2 规定，参照GB 18352.6-2016 标准中附件CC 确定的0 m 海拔和20 ℃条件下滑行数据拟合出的行驶阻力常数项系数a0和二次项系数b0，按照如下公式计算得到海拔1 900 m 和23 ℃条件下行驶阻力的常数项系数a1和二次项系数b1，作为设定用替代的道路行驶阻力系数[5]。

将利用a1和b1计算得到的道路阻力作为海拔1 900 m 的高原条件下的道路阻力（简称修正后的高原道路阻力），在底盘测功机上进行调整后，进行阻力加载，按照轻型汽车常温冷起动的测试流程进行试验。测试环境温度为（23±2）℃，相对湿度为（45±5）%。得到两种道路阻力下的排放及油耗测试结果，进行结果对比分析和瞬态排放数据分析。

2 试验

2.1 试验用车

试验用车为一辆轻型多功能汽油乘用车，主要参数/特性见表1。

表1 试验车辆主要参数/特性

2.2 试验循环

修正后的高原道路阻力与平原道路阻力均采用WLTC 循环进行试验，循环分为4 个阶段：低速、中速、高速和超高速阶段。WLTC 循环曲线图如图1 所示。

图1 WLTC 循环曲线图

2.3 试验设备

测试用主要设备有：德国AIP 公司的底盘测功机、德国WEISS 公司的气候环境舱、日本HORIBA公司的MEXA-ONE 分析采样系统和SPCS-2000 颗粒计数系统。

3 试验结果

3.1 道路阻力修正结果

在底盘测功机上，采用平原道路阻力和修正后的高原道路阻力对车辆进行调整，得到两组不同车速下的底盘测功机加载阻力曲线，如图2 所示。

图2 不同海拔下的车辆加载阻力曲线

从图2 可以发现，随着车速增加，特别是车速超过70 km/h 后，修正后的高原道路阻力明显小于平原道路阻力。车速越高，相比于平原道路阻力，修正后的高原道路阻力减小明显，减小幅度最多达18.5%。

3.2 排放和油耗测试结果

对同一辆试验车，在相同环境温度、湿度下进行常温冷起动排放测试试验。测试A 代表平原道路阻力，测试B 代表修正后的高原道路阻力。两种道路阻力下的排放和油耗测试结果见表2。

表2 两种道路阻力下的排放和油耗测试结果

4 试验结果分析

从表2 可知，在修正后的高原道路阻力下，除了NOx排放升高了8.5%以外，其他污染物排放和油耗均呈现不同程度的下降趋势，特别是CO 和THC 排放下降明显，分别下降了26.6%和20.1%；而PN 排放下降了14.3%；油耗则下降了10.7%。

1）两种道路阻力下CO 瞬态排放情况如图3所示。

图3 两种道路阻力下CO 瞬态排放情况

从图3 可以看出，平原道路阻力对CO 排放的影响主要在中高速及超高速阶段。车速超过60 km/h以后，较高的行驶阻力导致每一次加速过程均有CO 排放峰值出现。特别是行驶至1 200 s 左右的高速阶段加速过程，较大的平原道路阻力导致CO 排放急剧升高。超高速阶段的加速过程也出现类似情况。行驶阻力加大，必然要求发动机加浓混合气。提高动力的同时，导致燃烧不充分。急加速工况，短时间内还可能导致发动机控制变为开环控制，CO 排放急剧升高。

2）两种道路阻力下THC 瞬态排放情况如图4所示。

图4 两种道路阻力下THC 瞬态排放情况

从图4 可以看出，起步阶段，两种道路阻力下，因冷起动过程燃烧不充分，均出现TCH 排放峰值。在较大的平原道路阻力下，150 s 左右，车辆低速阶段加速过程中，出现第二次THC 排放峰值。主要原因是该阶段加速过程有较大的动力需求，而发动机缸内温度不够高，迫使混合气加浓，出现THC 氧化不完全，THC 排放出现第二次峰值。高速和超高速阶段加速过程中，在较大的行驶阻力下，需加浓混合气以提高动力输出，导致燃烧不充分，THC 排放升高。由于修正后的高原道路阻力较小，热车后的THC 排放峰值明显低于较大平原道路阻力下的THC 排放峰值。

3）两种道路阻力下NOx瞬态排放情况如图5所示。

图5 两种道路阻力下NOx 瞬态排放情况

从图5 可以看出，两种道路阻力下，起步冷车阶段，三元催化器还处于较凉的状态，工作效果不佳，使得NOx排放较高。发动机和三元催化器热车以后，两种道路阻力下，NOx排放趋势几乎保持一致。在较大的平原道路阻力下，THC 和CO 排放升高还有抑制NOx生成、降低NOx排放的功能。

4）两种道路阻力下颗粒物数量PN 瞬态排放情况如图6 所示。

图6 两种道路阻力下PN 瞬态排放情况

从图6 可以看出，PN 排放主要集中在起步冷车阶段。此时车速较低，两种道路阻力对PN 的排放影响不大。在超高速阶段，由于阻力增大，导致混合气加浓，在平原道路阻力下，伴随着加速过程出现较高的PN 排放峰值，导致平原道路阻力下的PN排放高于修正后的高原道路阻力下的PN 排放。

5）两种道路阻力下CO2瞬态排放情况如图7所示。

图7 两种道路阻力下CO2 瞬态排放情况

CO2排放直接决定了车辆的油耗水平。从图7可以看出，由于高速条件下，修正后的高原道路阻力明显小于平原道路阻力，整个高速过程，修正后的高原阻力下的CO2排放均比平原道路阻力下的CO2排放低，使得油耗下降10.7%。

5 结论

采用同一辆试验样车，在修正后的高原道路阻力和平原道路阻力下，进行了GB18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中I 型试验。高原条件对测试结果的影响主要有以下几点：

1）海拔从0 m 上升到1 900 m，车辆道路阻力随车速增加呈现减小趋势。车速从70 km/h 开始，行驶阻力产生较大的减小幅度，最多减小了18.5%。

2）在海拔1 900 m 的高原条件下，由于车辆行驶阻力减小，使得THC 排放下降了20.1%，CO 排放下降了26.6%，PN 排放下降了14.3%，NOx排放升高了8.5%。

3）在海拔1 900 m 的高原条件下，在WLTC 循环，车辆行驶阻力的减小使油耗降低了10.7%。

要强化研究型大学建设同国家战略目标、战略任务的对接，加强基础前沿探索和关键技术突破，努力构建中国特色、中国风格、中国气派的学科体系、学术体系、话语体系，为培养更多杰出人才作出贡献。

——习近平总书记在中国科学院第二十次院士大会、中国工程院第十五次院士大会、中国科协第十次全国代表大会上的讲话