国内外移动源实际工况排放测试研究现状

Current Research Status of Emission Testing of Mobile Sources at Home and Abroad

摘要: 本文分析了国内外实际工况排放测试研究现状，实验室的标准测试循环不能较好地反应移动源的真实排放情况，实际工况排放测试实验依据真实的驾驶情况进行试验，能够较好地反应移动源真实排放情况，并针对目前的测试法规提出进一步完善的建议。

Abstract: This paper analyzes the current research status of emission test under actual operating conditions at home and abroad. The standard test cycle of the laboratory cannot better reflect the real emis-sions of mobile sources. The emission test experiment under actual operating conditions is based on real driving conditions and can respond well. At the same time, some suggestions are put forward to improve the current testing regulations.

1. 引言

随着汽车和非道路移动源的普及，极大地方便了人们的生活，但同时，一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)的排放，氮氧化物(NO_x)和颗粒物(particulate matter, PM)等污染物对人类和环境的影响越来越大，逐渐引起人们的广泛关注 [1] [2] [3]。

实验室的标准试验循环只能反映车辆在特定条件下的排放水平，通过标准试验循环得到的污染物排放量与实际道路排放量相差很大 [4] [5] [6]。新发布的国六排放法规和非道路四阶段排放法规引入了实际道路排放测试，并采用车载便携式排放测试设备对车辆在实际道路行驶条件下的排放进行测试 [7]。本文通过对汽车和非道路移动源实际排放的研究，总结了国内外实际排放试验的研究现状，并对实际道路排放提出了意见和建议。

2. 轻型车实际道路排放研究现状

同类工况下，汽车实际道路排放一般较实验室认证排放高。目前实施的轻型汽车污染物排放限制及测量方法中国第五阶段标准暂未规定道路排放试验，但为了进一步限制轻型汽车的污染物排放，在已发布的中国第六阶段标准中已明确了实际行驶污染物试验，即II型试验的方法及要求，给定了实际道路行驶时CO、THC、NMHC、NO_x、N₂O、PM与PN的排放限值，并将在2020年后开始实施。

欧盟委员会在《2020年汽车行动计划》和《欧洲清洁空气计划》中提出，欧VI标准将增加轻型汽车的实际行驶排放量排放(RDE)实验对实验室的补充，并规定实际道路排放试验采用便携式排放设备(PEMS)进行，试验结果采用功率级分组法和CO₂窗口法进行处理 [8]。

May等对符合欧V标准的汽油车和符合欧VI标准的柴油车进行了I型试验和RDE试验的比较。结果表明，RDE试验结果与I型试验结果有一定差异，但并不意味着RDE污染物的排放量超过规定限值。两辆车的CO和HC排放均低于排放限值，但柴油车的NO_x排放远远超过排放限值，两辆车的RDE CO₂排放超过了实验室的CO₂排放量 [9]。位于波兹的南方理工大学的Merkisz等人使用SEMTECH-DS测试了150辆汽油和柴油车辆的实际道路排放量。结果表明，对于汽油车，满足欧Ⅴ标准的车辆道路排放低于限值。满足欧6标准的车辆PN排放超过实验室。对于柴油车，CO和HC排放均低于限值，但大多数车辆的NO_x排放均超标 [10]。萨卡里亚大学的Seref S等人在恒速和频繁加速条件下对混合动力电动客车进行了PN试验。在恒定转速下，PN和发动机功率之间有很好的相关性。由于加速过程中涡轮迟滞，进气流量非常小，PN产生与发动机功率之间没有一定的相关性 [11]。欧洲联合研究中心的Weiss等人使用最新的PEMS设备来测试汽油和柴油车辆的实际道路排放。发现汽油车的气态污染物低于标准限值，符合欧V标准的柴油车NO_x排放超过标准限值的2.3~4.2倍，CO排放超过标准限值的0.12~1.3倍 [12]。Gierczak等人对便携式排放测量系统(semtechg)、实验室常规模态分析系统进行了大量对比试验，发现PEMS设备与传统模态分析仪具有良好的一致性。PEMS装置的试验结果令人信服，可用于实际道路排放试验 [13]。

北京理工大学的付秉正等人利用Sensor的Semtech-LDV便携式汽车排放分析仪，对符合国V排放标准的汽油车实际道路排放进行了检测。结果表明，轻型汽油车实际道路排放较高，CO和NO_x的瞬时排放量随加速度的增大而增大。CO值高时，转速高，负载大。此时，排放量对污染物排放系数的计算贡献最大 [14]。

3. 重型车实际道路排放研究现状

任何一部传统的型式认证排放法规，其排放限值对车辆和发动机的控制都建立在相应的测试循环基础上。因此，排放法规的加严能否对车辆的实际排放起到有效的降低，在很大程度上取决于测试循环是否能代表实际道路工况。同时，排放测试循环也经历了很大的变化和发展，以欧洲法规为例，从稳态的ECE R49、ECS工况到瞬态的ETC工况，测试循环越来越接近发动机转速、负荷连续变化的实际情况；而WHTC循环则更加接近重型车车速、负荷低的实际运行条件，同时也变为冷启动测试。但是重型车的型式认证工况毕竟是一个固定的、在测功机上运行的工况，其对发动机的实际工况代表性有限，并且更新和发展该工况要很长的周期，不能及时表达实际道路工况的变化。

在欧Ⅲ阶段以后，重型发动机普遍为采用电子控制，因此制造商可以对发动机进行标定，以使其在型式认证工况的排放较低，以满足型式认证的要求。而在型式认证工况没有覆盖、或者覆盖较少的工况区域，则可以使其排放较高以得到较好的经济性。这就要求型式认证工况必须有效地代表发动机的实际运行工况，否则会失去加严法规的意义。

在欧IV和欧V阶段，型式认证工况与实际工况的差异，正是重型车在实际道路上排放很高的根本原因。

重型车辆在实际道路上行驶时，NO_x和PM的排放相对较高。自2007年起，美国环保局开始使用便携式排放设备(PEMS)设备对重型车实际道路排放进行测试，并使用NTE (Not-To-Exceed)方法对重型车辆的车载符合性进行检查 [15]。在欧洲，主要使用功基窗口法处理重型车辆的实际道路排放数据。窗口法根据发动机的台架循环功(WHTC或ETC)将车辆的实际道路排放数据划分为不同的窗口进行计算、处理和分析 [16]。国外西弗吉尼亚大学的Benjamin C. Shade等人使用便携式排放设备(PEMS)对重型车进行了实际道路排放测试，并采用NTE法和功基窗口法进行数据处理，结果发现功基窗口法NO_x计算结果更高。功基窗口法是针对发动机的所有工作区域，而NTE法是针对发动机的大负载区域 [17]。加州大学的Durbin等人将车辆FTP-75的测试结果与实际道路排放进行了对比，发现两者的测试结果存在一定的偏差 [18]。Velders指出，实际道路排放的氮氧化物被低估了，但法规加严并没有达到减排的目标 [19]。

对于重型车辆的实际道路排放情况，国内一些高校和科研院所进行了相关研究，如北京理工大学、清华大学、中国汽车技术研究中心等机构。北京理工大学葛蕴珊等提出，重型柴油车实际道路NO_x排放量远高于实验室认证条件下的排放量，实际道路排放试验对控制重型柴油车实际排放具有重要意义 [20]。北京理工大学郭佳栋等人利用ELPI和SEMTECH-DS对重型车辆的实际道路排放进行了测试，并采用CO₂窗法、比功率(VSP分析法)、NTE法等方法进行了分析。结果表明，CO₂窗法、功基窗口法结合比功率分析法对重型车辆实际道路排放的评价更为全面 [21]。中国环境科学院胡京南等研究了重型车辆在用合规性的车载测试方法，并采用NTE方法和功基窗口法处理测试数据。结果表明，NTE区间能较好地识别柴油机的高负荷工作区，而低负荷工作区的识别程度相对较低。功基窗口法可以充分利用所获得的排放数据，但与NTE区间有相似的缺陷，对柴油机小负荷排放的识别能力不强 [22]。中国汽车技术中心刘双喜对重型车辆的发动机台架试验与实际道路排放试验和底盘测功机试验进行了对比，发现底盘测功机试验具有良好的稳定性和准确性。建议今后应以底盘测功机试验为主，辅以实际道路排放试验 [23]。上海市机动车检测中心张宇灏等等人对两辆不同技术路线的国V重型车进行了实际道路排放试验。试验数据分析采用了NTE法和功基窗口法。结果表明，重型车辆在行驶过程中不易发生NTE事件，试验失败率高。功基窗口法能更好地反映实验车辆实际排放水平的真实情况 [24]。

4. 非道路移动源实际工况排放研究现状

拖拉机是现代农业机械化生产中重要的动力机械，可通过动力输出装置(power take-off, PTO)配备不同的作业机械完成耕、耙、播、收、排灌、施肥、喷药、农副产品加工以及开沟、挖掘、推土和运输等作业 [25]。拖拉机一般以柴油机为动力源，是NO_x和PM排放的重要来源，其排放测试一般归为非道路用柴油机类。非道路柴油机械排放研究的测试方法主要分为实验室测试和实际运行测试。前者在实验室发动机台架上利用测功机模拟机械在实际工况下的排放状况，世界各国大多数采用该方法进行非道路柴油机械法规测试。该方法的优点是可以获得任意工况下的测试，便于控制，可重复性强，测试的结果常常被作为排放因子模型的基础数据进行模型的校验，美国EPA及欧洲的非道路排放模型都是基于实验室测试数据发展起来的。该方法不足之处在于反映发动机的瞬时排放较弱，特别是颗粒物瞬时排放。研究表明台架测试无法全面反映发动机在实际状况下的工况以及排放水平 [25] [26] [27]。

实际运行测试主要包括车载排放测试，即将便携式排放测试系(PEMS)直接固定在实际运行的非道路机械上，逐秒采集行驶工况和污染物排放结果 [28]。近年来，随着测试技术的不断改进，PEMS仪器设备种类不断丰富 [26] [29]。PEMS技术不需要将发动机从被测机械上拆卸下来进行实验室检测，而是直接将测试仪器固定在被测机械上进行实际工作条件下的测试。这样做既省时省钱，可获得非道路机械实际运行的排放数据。随着PEMS技术的广泛应用，非道路机械排放将从单一的台架测试向台架与PEMS技术相结合的方向发展 [30]。加州大学河边分校利用挂式流动排放实验室对非道路机械进行了排放测试，得到其实际工作的排放因子并与道路机动车进行了对比 [31]。北京理工大学付明亮、葛蕴珊等人利用PEMS研究了农用拖拉机在怠速、行走和耕作三种作业模式下的实际排放特性 [32]。

目前国内非道路移动机械实测排放因子数据较少，在建立国内农机排放清单时仅能利用国外测试数据 [33] [34]，尚无法对农用拖拉机的排放因子进行系统化更新校正，因此急需加强农用拖拉机排放因子的实测研究，从而建立可反映我国非道路移动机械实际排放水平的本地化排放因子数据库 [35] [36] [37]。

5. 高原地区移动源实际工况排放研究现状

中国的高原非常广阔，海拔1000米以上的地区占58%，海拔2000米以上的地区占33%。国内高原按地域划分主要有四大高原，分别为青藏高原、云贵高原、黄土高原和内蒙古高原。除内蒙古高原地区起伏和缓外，多数高原地区为山峦起伏、地势变化较大的山地，以云南省尤为明显，其山地总面积约占全省总面积的84%，其中海拔在1000~3000米的山地数量最大 [38]。

由于高海拔地区对实验条件要求的特殊性，目前国内外有关柴油机在高海拔地区的排放特性的实验研究进行的并不多，有报道的研究主要集中在少数几个研究机构，多数报道以车用柴油机为研究对象。西南研究院在八十年代末建设完成了能够模拟海拔高度的CVS系统，并利用该实验系统研究了一台自然吸气Caterpillar 3208柴油机和一台涡轮增压Cummins NTCC-350柴油机的排放特性，研究结果发现在高海拔地区，NO_x排放减少10%左右，而CO、HC和PM的排放则分别是低海拔地区的2到4倍 [25]。美国加州空气资源局选择了170辆重型柴油车在5800 ft (约为1768 m)的海拔高度下进行了烟度实验，并选择其中的85辆进行了低海拔地区(125 ft，约为38 m)的烟度测试，通过实验数据统计他们发现在高海拔地区，柴油机的烟度平均增加23% [39]。美国西南研究院进行的另外一项高原排放实验，他们利用一台60系列增压中冷电控柴油机上分别进行了低海拔和模拟高海拔的稳态和瞬态排放实验。他们的研究结果表明，无论是在瞬态和稳态工况下，实验柴油机的HC、CO、CO₂、PM和烟度排放均随海拔高度的增加明显增加，而NO_x排放在瞬态工况下的变化不明显，但是在稳态工况下则随海拔高度的增加而减少 [40]。

Teresa等人研究了不同硫含量的柴油对柴油机在高海拔地区(海拔高度1609 m)的排放影响，结果他们发现在高海拔地区柴油机的PM排放明显增加 [41]。该研究小组还仔细研究了在高海拔地区，燃料特性对柴油机排放的影响，他们的研究基于在高海拔的Colorado实验室中进行，有关海平面高度的试验数据则是参考他人的实验结果 [42]。

国内学者早期的研究注重增压柴油机在高原的动力性能 [43] [44]，近年来开始进行了高原排放的模拟研究。昆明理工大学的申立中教授在利用昆明市高海拔(海拔高度1900 m左右)的特点，建立了微机控制的大气模拟综合控制系统，并在此基础上分别开展了非增压柴油机、增压柴油机在不同海拔高度的综合性能研究(包括燃烧过程和排放过程)，研究的最高海拔高度为当地海拔高度(80 kPa)，利用微机控制系统完成对低海拔的高度大气环境的模拟。申立中教授等人的研究结果表明增压中冷柴油机的CO、NO_x、HC、PM的排放随海拔高度的增加而增加 [45] [46] [47]。军事交通学院的刘瑞林教授在天津市建立了高海拔发动机性能模拟试验台，其模拟海拔高度可以达5000米以上，刘瑞林教授利用该模拟系统重点研究了柴油机在不同海拔高度条件下的增压柴油机动力性和燃油经济性 [44]。何超等人在模拟高原试验台架上，对一台重型柴油机利用进排气模拟装置，进行了3个模拟海拔高度的排放特性研究。他们的研究结果表明，随着模拟海拔高度的增加HC、CO和烟度均显著下降，但NO_x随着发动机工况的不同呈现不同的变化规律 [40]。Hang Yin等人研究了一辆轻型柴油车在不同海拔条件下怠速的排放状况，结果发现随着海拔的增加，CO排放、颗粒物排放逐渐增加，NO_x排放没有较明显的变化；当海拔低于2400 m时，NO_x随海拔增加，而海拔到3200 m时，NO_x有所下降 [48]。北京理工大学的丁焰在博士论文研究中选择典型的柴油车和汽油车各两辆基于车载排放测试设备(PEMS)开展了海拔高度对机动车的排放性能影响的实际道路排放特性研究，其实验的海拔高度覆盖了50~3400 m的范围，实际行车距离达到5000公里，获得有效实验数据12万条，通过对实验数据的处理解析，研究得到了不同海拔高度与车辆污染物排放之间的初步相关关系 [49]。北京理工大学的赵伟在硕士论文中研究了一台欧III标准的柴油机在模拟高原环境实验室进行了排放实验，结果表明：随海拔增加CO、THC、PM比排放量逐渐增加，NO_x随海拔增加平均排放量呈现先增加后减小的变化趋势 [50]。

可知，目前国内与国外关于高原地区机动车、发动机的排放特性的研究并不深入，有限的研究结果主要针对重型柴油机的台架试验，而对在不同海拔高度的研究采用的研究方法都是以环境模拟为主。同时，车载排放测量系统(PEMS)的技术进步使得对高海拔地区的机动车的排放特性的定量研究成为可能，相关实验设备的精度已经达到和试验室设备相媲美的程度。

6. 实际工况排放的思考与建议

6.1. 关于实际工况排放的思考

1) 混合动力汽车与传统燃油车有较大的区别，混合动力汽车的实际道路试验与传统燃油车尚无明显区别，法规没有建立一套针对混合动力的实际道路试验方案。

2) 实际工况测试试验规定了较多的边界条件，这些边界条件等于去除了一部分高排放工况不利于反应移动源的实际排放。

3) 非道路移动源具有保量小排放高的特征，国内针对其实际工况排放测试研究较少。

6.2. 关于实际工况排放的建议

1) 开展混合动力实际道路试验，收集分析试验数据，建立一套针对混合动力汽车的实际道路试验方案。

2) 建议进一步拓展实际工况排放测试试验的边界条件，使其能更好的反应移动源的实际排放情况。

3) 进一步加强非道路移动源的实际工况测试研究，收集分析数据，建立一套更加完善的针对非道路移动源的试验方案。

7. 结论

实验室的标准测试循环不能较好地反应移动源的真实排放情况，实际工况排放测试实验依据真实的驾驶情况进行试验，能够较好地反应移动源真实排放情况。国外针对移动源的实际工况排放测试的研究相对较早，中国稍有落后，国内应该进一步加强对移动源实际工况排放测试的研究，开展相关试验，收集分析试验数据，完善相应的法规和监管制度，使得实际工况排放试验能够更好地反应移动源的真实排放情况。

基金项目

基于中国工况的轻型车燃料消耗量的比对测试研究(MS-03-03)。

NOTES

^*通讯作者。