行駛動力學參數(shù)對RDE實驗結(jié)果的影響研究?

宋 彬，葛蘊珊，尹 航，楊正軍，王 欣，譚建偉

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081； 2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081；3.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012)

前言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，我國機動車保有量迅猛增長，截至2015年底，全國機動車保有量達2.79億輛，其中汽車1.72億輛__[1]，汽車保有量的快速增加給我國能源與環(huán)境帶來巨大壓力。面對汽車排放產(chǎn)生的嚴重環(huán)境污染，各國的排放法規(guī)不斷加嚴[2]，我國于2016年12月23日正式發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》排放法規(guī)，其中規(guī)定進行實際行駛污染物排放實驗RDE(Ⅱ型實驗)作為實驗室測試程序的補充，用來評估汽車在實際道路上的排放情況。

RDE測試規(guī)程最早由歐盟聯(lián)合研究中心(joint research center，JRC)提出，用便攜式車載排放測試系統(tǒng)(portable emissions measurement systems，PEMS)進行RDE測試能夠覆蓋更寬廣的駕駛條件和環(huán)境條件從而更能代表車輛在實際道路復雜交通環(huán)境下的真實排放水平[3-5]。但在使用PEMS進行測量時車輛的排放水平受道路交通情況、駕駛員的駕駛行為、環(huán)境天氣等條件影響較大[6-7]，為使RDE測試程序具有較強的規(guī)范性和可操作性，法規(guī)制定者提出了RDE測試的一系列測試要求和邊界條件。針對RDE測試中不斷發(fā)現(xiàn)的新問題，目前歐盟RDE測試法規(guī)仍然在不斷地發(fā)展和完善中。

駕駛員的駕駛行為和車輛的行程動力學特性對排放結(jié)果影響很大[8-9]，國六法規(guī)中規(guī)定RDE實驗需進行行程動力學校驗，以評價RDE實驗測試中是否存在過于溫和或者過于激進的駕駛行為。由于RDE實驗沒有固定的駕駛循環(huán)，實驗結(jié)果不具有重復性，滿足動力學校驗的不同RDE駕駛循環(huán)的實驗結(jié)果仍然可能存在較大的差異。為評價行程動力學參數(shù)對RDE實驗結(jié)果的影響，本文中選擇典型實驗車輛，按不同駕駛行為進行多次RDE實驗，研究了NOx，CO和PN 3種污染物隨v·apos-[95](車速與大于0.1m/s2正加速度乘積的95百分位)和RPA(相對正加速度)的變化關(guān)系。

1 實驗方案

1.1 實驗設(shè)備與測試車輛

1.1.1 實驗設(shè)備

實驗使用Horiba公司的OBS-ONE便攜式車載排放測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由有氣體(GAS)分析模塊、顆粒數(shù)量(PN)分析模塊和排氣流量計3大部分組成，另有全球定位系統(tǒng)(GPS)、氣象站(溫濕度)和OBD通信設(shè)備等附件。采用不分光紅外法(NDIR)測定CO和CO2濃度，采用化學發(fā)光探測法(CLD)測定NOx濃度，使用凝結(jié)粒子計數(shù)器(CPC)測定顆粒物數(shù)量。排氣流量計采用皮托管原理測量排氣流量，GPS和氣象站可提供測試車輛的行駛速度和海拔高度、空氣溫度和濕度等信息。PEMS設(shè)備在被測車輛上的安裝見圖1。

1.1.2 實驗車輛

選取車輛為滿足國五排放法規(guī)的汽油直噴車，后處理使用三效催化轉(zhuǎn)化器(TWC)。測試車輛的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 PEMS安裝示意圖

表1 測試車輛主要技術(shù)參數(shù)

1.2 實驗路線與行程信息

1.2.1 實驗路線

根據(jù)RDE測試規(guī)程，為盡可能覆蓋各種行駛工況，實驗車輛依次在市區(qū)、市郊和高速公路3種道路上連續(xù)行駛，每個速度區(qū)間至少行駛16km，實驗總時間在90～120min之間。實驗在北京市大興區(qū)和通州區(qū)進行，GPS記錄的實際行駛路線見圖2，包含了市區(qū)(亦莊經(jīng)濟開發(fā)區(qū))、市郊(六環(huán)路至京津高速)、高速公路(京津高速至六環(huán)路)3種工況，行駛方向用箭頭標識。行駛路線的選擇符合RDE實驗要求。

1.2.2 行程信息

將6次RDE實驗按照Test1～Test6進行編號，實驗的行程信息如表2所示。

2 RDE計算與行程評估

2.1 移動平均窗口法計算

2.1.1 數(shù)據(jù)預處理

根據(jù)RDE實驗法規(guī)要求，計算輕型車的排放量首先對實驗過程中記錄的污染物濃度、排氣質(zhì)量流量、車速和其他瞬態(tài)數(shù)據(jù)記錄進行時間校正。經(jīng)時間校正后進行冷起動判定和發(fā)動機熄火判定，在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理過程中，按照移動平均窗口法計算要求，冷起動和停車數(shù)據(jù)都被剔除。

圖2 RDE實驗線路圖

表2 6次RDE實驗行程信息

2.1.2 窗口劃分與計算

移動平均窗口法是一種分析實際行駛污染物排放(RDE)的方法，該方法將實驗結(jié)果分為若干個數(shù)據(jù)子集(不同窗口)并用統(tǒng)計數(shù)據(jù)處理方法識別有效的RDE窗口。按照車輛WLTC工況循環(huán)的CO2排放總量的一半作為參考基準進行窗口的劃分，按照窗口的平均速度將窗口分為市區(qū)窗口、郊區(qū)窗口和高速窗口3種類型。市區(qū)窗口的車輛平均地面速度小于45km/h，市郊窗口的車輛平均速度等于或大于45km/h且小于80km/h，高速窗口的車輛平均速度等于或大于80km/h。

基于各窗口的數(shù)據(jù)，可得到3個速度區(qū)間污染物排放量的均值，按照市區(qū)0.34、市郊0.33和高速公路0.33的系數(shù)進行加權(quán)計算，最終得到總行程的各污染物排放量。

2.1.3 窗口完整性與正常性判斷

RDE法規(guī)規(guī)定使用移動平均窗口法計算時應(yīng)對窗口的正常性和完整性進行驗證。完整性驗證要求市區(qū)、市郊、高速各路段的窗口數(shù)量應(yīng)大于總窗口數(shù)量的15%，6次RDE實驗的完整性均通過要求。移動平均窗口法的計算中，需要用“車輛CO2特性曲線”進行窗口正常性的評估，車輛CO2特性曲線如圖3所示，圖中不規(guī)則曲線由RDE測試取得CO2窗口在坐標軸中所對應(yīng)的點組成，P1，P2和P3點的參數(shù)由該車WLTC循環(huán)低速段、高速段、超高速段的平均車速和CO2排放因子確定，3點相連即組成該車的CO2特性曲線。窗口平均速度以45和80km/h為界限，分為市區(qū)、市郊和高速公路。車輛CO2特性曲線的基本公差和擴展公差分別定義為：tol1＝25%和tol2＝50%。

圖3 CO2特性曲線圖

RDE實驗規(guī)程要求當50%以上的市區(qū)、市郊和高速窗口落在特性曲線所定義的基本公差范圍內(nèi)時，則可判斷結(jié)果正常。如果不滿足上述50%的最低要求可以按照1%的步長增加上限tol1的范圍，直到滿足50%的窗口要求為止。但使用這種方法時，tol1最終不可以超過50%。窗口正常性驗證如表3所示，擴展后窗口正常性均通過驗證。

表3 CO 2窗口正常性

2.2 行程動力學參數(shù)校驗

國六輕型車法規(guī)規(guī)定RDE實驗需要進行行程動力學特性校驗，用來確定市區(qū)、市郊和高速路段行駛過程中的全部動力學特性是否過度或不足。行程動力學特性校驗的核心在于兩個參數(shù)：v·apos-[95]和RPA(相對正加速度，m/s2)，按照每秒瞬時速度劃分的3個速度集合(市區(qū)、市郊和高速公路)均需分別滿足兩個參數(shù)的驗證，RDE行程才有效。其中驗證v·apos-[95]的目的是限制駕駛不能過于激進，驗證RPA的目的是保證駕駛不能太過溫和。

RDE法規(guī)規(guī)定基于車速大于3km/h，精度達到0.1%，采樣頻率達到1Hz以上的速度信號計算加速度、apos(大于0.1m/s2的正加速度)和RPA等行程動力學參數(shù)。本實驗過程中PEMS采集信號滿足上述精度及采樣頻率要求。在行程動力學參數(shù)計算時選取時間步長為1s。在進行動力學參數(shù)校驗時要求每個速度組中加速度值ai≥0.1m/s2的數(shù)據(jù)集合數(shù)量不應(yīng)小于150個。RDE實驗中各路段ai≥0.1m/s2數(shù)據(jù)集合數(shù)量如表4所示。由表可見，RDE實驗中各路段ai≥0.1m/s2的個數(shù)均高于150個，通過驗證。市區(qū)工況加速度值ai≥0.1m/s2的數(shù)據(jù)集合數(shù)量一般在1 000以上，只有Test5中較少，為865個；市郊工況的加速度值ai≥0.1m/s2的數(shù)據(jù)集合數(shù)量有200～600個；高速工況加速度值ai≥0.1m/s2的數(shù)據(jù)集合數(shù)量有150～300個。

表4 RDE實驗各路段ai≥0.1m/s2數(shù)據(jù)集合數(shù)量

2.2.1v·apos-[95]驗證

v·apos-[95]是車速與大于0.1m/s2正加速度乘積的95百分位，用來表征行程駕駛的激烈程度。RDE實驗應(yīng)對每個速度組中的v·apos-[95]進行驗證。

如果并且行程無效。

如果并且行程無效。

RDE實驗各路段的v·apos-[95]驗證結(jié)果如表5所示，可以看出6次實驗各個工況v·apos-[95]的實際值均小于括號內(nèi)的參考值，6次RDE實驗的v·apos-[95]均通過驗證。

表5 RDE實驗各路段v·a pos-[95]驗證

2.2.2 RPA驗證

RPA(相對正加速度)用來表征行程駕駛的激烈程度，RDE實驗要求對每個速度組的RPA進行驗證以確定行程駕駛是否過于溫和。

如果并且行程無效。

如果并且RPAk＜0.025，行程無效。

RDE實驗各路段RPA驗證結(jié)果如表6所示。由表可見，6次RDE實驗各路段RPA的實際值均大于括號內(nèi)的參考值，6次RDE實驗的RPA均通過驗證。

表6 RDE實驗各路段RPA驗證

3 實驗結(jié)果

3.1 污染物排放結(jié)果

用移動平均窗口法對NOx，CO和PN排放進行計算，得到結(jié)果如圖4所示。實驗車輛的排放物水平低于I型實驗和II型實驗的限值。

由圖4(a)可見，WLTC循環(huán)測試的NOx排放為28.6mg/km，低于國六a階段60mg/km的限值。6次RDE實驗中，Test1與Test2中的NOx排放水平低于10.0mg/km，Test3，Test4，Test6 居中，Test5 的 NOx排放水平最高達到了45.8mg/km。

由圖4(b)可見，WLTC循環(huán)測試的CO排放為187.5mg/km，遠低于國六a階段700mg/km的限值。6次RDE實驗的CO排放值均低于WLTC循環(huán)的排放值。

由圖4(c)可見，WLTC循環(huán)測試的PN排放為4.04×1011個/km，低于 6.0×1011個/km 的限值。 6 次RDE實驗的PN排放值均低于WLTC循環(huán)的排放值。

圖4 實驗車輛各污染物排放結(jié)果

RDE排放實驗結(jié)果顯示實驗車輛的排放水平低于國六排放限值，6次RDE實驗排放結(jié)果各不相同，證明了 RDE實驗污染物排放結(jié)果不具有重復性。

3.2 動力學參數(shù)v·a pos-[95]對污染物排放的影響

在進行v·apos-[95]的計算時，市區(qū)工況與市郊和高速工況存在較大差別，市區(qū)工況加速度值ai≥0.1m/s2的數(shù)據(jù)點的個數(shù)在1 000左右，市郊和高速的加速度值ai≥0.1m/s2的數(shù)據(jù)點的個數(shù)在200～300左右。在進行95百分位的取值時，市區(qū)工況的v·apos-[95]值相對穩(wěn)定，市郊和高速工況的v·apos-[95]值存在一定的隨機性。污染物隨動力學參數(shù)v·apos-[95]的變化關(guān)系如圖5所示。在研究動力學參數(shù)v·apos-[95]對排放物的影響時，將市郊和高速工況合在一起進行觀察。

NOx排放與v·apos-[95]的相關(guān)性明顯。由圖5(a)可見，在市區(qū)時NOx的每公里排放量隨著v·apos-[95]的增大而增大，當v·apos-[95]的數(shù)值達到14.8m2/s3時，NOx的每公里排放量甚至超過了國六a階段規(guī)定的NOx限值60mg/km，說明市區(qū)的激烈駕駛行為容易造成較高的NOx排放。由圖5(b)可見，在市郊和高速工況時，按照NOx排放量的大小可大致分為3個等級：v·apos-[95]在11～16m2/s3時，NOx排放量在10mg/km左右；v·apos-[95]在16～23m2/s3時，NOx的排放量在25mg/km 左右；v·apos-[95]在 23～25m2/s3時，NOx的排放量在 40mg/km左右。

由圖5(c)可見，市區(qū)PN的每公里排放量隨著v·apos-[95]的增大大致分為3個等級：當v·apos-[95]在8m2/s3以下時，PN排放水平較低，大約在1.0×1011個/km 左右；當v·apos-[95]在 8～13m2/s3時，PN的排放在2.0×1011個/km左右；當v·apos-[95]在14～16m2/s3時，PN的排放在3.0×1011個/km左右。由圖5(d)可見，在市郊和高速工況時，PN的排放大致分為4個等級：當v·apos-[95]在12m2/s3左右時，PN排放水平很低，大約為3.0×1010個/km；當v·apos-[95]在13～19m2/s3時，PN 的排放在7.0×1010個/km 左右；當v·apos-[95]在22m2/s3左右時，PN的排放大約為2.0×1011個/km；當v·apos-[95]在25m2/s3左右時，PN的排放水平較高，大約為 3.0×1011個/km。

由圖5(e)和圖5(f)可見，CO的排放與動力學參數(shù)v·apos-[95]沒有明顯相關(guān)性。CO的市區(qū)排放平均值比市郊和高速的略高，3個工況的平均值分別為156.2，115.9和92.7mg/km。

對比圖5(a)與圖 5(b)，v·apos-[95]同樣在14m2/s3左右時，市區(qū)的NOx排放比市郊高速的NOx排放要高出幾倍。因而v·apos-[95]應(yīng)按照速度段進行工況分組，僅僅根據(jù)數(shù)值的大小不能很好地反映車輛的動力學狀態(tài)。

為了更準確地評價RDE實驗中各工況各污染物排放值與v·apos-[95]之間的相關(guān)性，使用相關(guān)系數(shù)進行評價。對污染物排放值和v·apos-[95]進行線性擬合，得出的相關(guān)系數(shù)如圖5所示。由圖5可見：在市區(qū)時NOx排放與v·apos-[95]的相關(guān)系數(shù)ra達到了0.933 6，兩參數(shù)間有強烈的相關(guān)性；在市郊高速時，PN排放與v·apos-[95]相關(guān)系數(shù)rd達到了0.859 7，兩參數(shù)間有強烈的相關(guān)性。

圖5 污染物隨動力學參數(shù)v·a pos-[95]的變化關(guān)系

3.3 動力學參數(shù)RPA對污染物排放的影響

污染物隨動力學參數(shù)的變化關(guān)系如圖6所示。由圖6可見，在市區(qū)工況時，NOx排放與RPA相關(guān)性不明顯，相關(guān)系數(shù)ra＝0.5211，隨著RPA的加大，NOx排放呈現(xiàn)先降后升的趨勢。由圖6(b)可見，在市郊和高速工況時，NOx排放與RPA正相關(guān)性較強，相關(guān)系數(shù)rb＝0.7491。隨著RPA的增大，NOx排放穩(wěn)步升高，由10mg/km逐步上升到45mg/km。RPA能夠較為準確地表征車輛的加速加載情況，說明在市郊和高速工況時進行加速加載時NOx排放較為惡劣。從發(fā)動機的工作狀態(tài)看，市郊和高速工況時車速較高，行駛阻力較大，在進行加速加載時發(fā)動機的負荷更大，導致NOx排放明顯增加。

由圖6(c)可見，在市區(qū)工況時，PN排放隨著RPA的增大穩(wěn)步升高，PN排放與RPA呈明顯的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)rc＝0.8769。由圖6(d)可見，在市郊和高速工況時，PN排放和RPA的正相關(guān)性也較為明顯，相關(guān)系數(shù)rd＝0.7749。

由圖6(e)和圖6(f)可見，CO的排放與動力學參數(shù)RPA沒有明顯的相關(guān)性。市區(qū)和市郊/高速工況的相關(guān)系數(shù)分別為0.308 8和0.275 7。

4 建議與討論

根據(jù)實驗結(jié)果可以看出行程動力學參數(shù)v·apos-[95]和RPA對RDE實驗中NOx和PN的排放結(jié)果影響明顯。下面提供一種根據(jù)v·apos-[95]對NOx排放進行修正的方法。根據(jù)針對北京市輕型車工況調(diào)研時采集的60多萬條速度數(shù)據(jù)進行處理，得出市區(qū)的v·apos-[95]頻率分布如圖7所示?？梢哉J為，當v·apos-[95]等于10～12m2/s3時，最具有普遍性和代表意義，代表車輛在大多數(shù)行駛狀況下的動力學特性，此時對NOx的修正系數(shù)為1，即不進行修正；在v·apos-[95]小于10m2/s3時，認為此時駕駛比較溫和，應(yīng)對此時的NOx排放進行修正，修正系數(shù)大于1；在v·apos-[95]大于12m2/s3時，認為此時駕駛比較激烈，應(yīng)乘以一個小于1的修正系數(shù)進行修正。具體修正系數(shù)的確定應(yīng)依賴不同車型的大量有效RDE測試的數(shù)據(jù)和統(tǒng)計學規(guī)律確定。同理，也可以依據(jù)動力學參數(shù)RPA與污染物的變化關(guān)系進行污染物結(jié)果的修正。對于不同工況不同動力學參數(shù)的具體修正方式需要大量的實驗進行驗證，本文在此提供一種可能的修正思路，具體修正方式仍有待進一步研究。

圖6 污染物隨動力學參數(shù)RPA的變化關(guān)系

圖7 根據(jù)分布頻率對NO x排放修正示意圖

利用行程動力學參數(shù)對RDE實驗結(jié)果進行修正，方便對不同車輛的實際道路行駛排放水平進行對比與評價，能進一步加強RDE實驗的規(guī)范性。建議在法規(guī)后續(xù)的修訂過程中能夠考慮動力學參數(shù)對RDE實驗結(jié)果的影響，并給出相應(yīng)的方法進行評估。

5 結(jié)論

嚴格按照國六法規(guī)中的RDE實驗規(guī)程使用PEMS對典型車輛進行了多次RDE實驗，NOx，CO，PN的排放量進行了測量，結(jié)果表明：

(1)RDE實驗結(jié)果不具備重復性，不同RDE實驗結(jié)果中3種污染物的排放結(jié)果可能有較大差別；

(2)RDE實驗中NOx和PN排放結(jié)果與車輛的動力學參數(shù)v·apos-[95]和RPA的相關(guān)性明顯，CO的排放與車輛動力學參數(shù)之間沒有明顯相關(guān)性；

(3)在市區(qū)工況下，NOx排放量隨動力學參數(shù)v·apos-[95]增大依次增大，且有強烈線性相關(guān)性，NOx排放量與RPA相關(guān)性較弱；PN排放量隨動力學參數(shù)RPA的增大依次增大，但與v·apos-[95]的相關(guān)性較弱；

(4)在市郊和高速工況下，NOx和PN兩種污染物的排放量隨動力學參數(shù)v·apos-[95]和RPA的增大而增加，NOx和PN兩種污染物的排放量與動力學參數(shù)有較強的線性相關(guān)性；

(5)本文中提出了一種根據(jù)動力學參數(shù)對RDE實驗結(jié)果進行修正的方法，建議在RDE法規(guī)后續(xù)修訂的過程中，考慮動力學參數(shù)對RDE實驗結(jié)果的影響，并給出相應(yīng)的方法進行評估。

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