三輪摩托車實際行駛工況與國四工況差異分析

吳廣順，王 昊，李真鐵

（天津大學?天津內燃機研究所，天津?300072）

摩托車工況法排放試驗中，行駛工況對排放結果具有重要影響。我國作為摩托車生產大國，產量和保有量均位居世界第一，但一直采用歐洲的行駛工況。GB14622—2016《摩托車污染物排放限值及測量方法（中國第四階段）》（以下簡稱國四排放標準）頒布和實施后，兩輪摩托車采用了全球摩托車排放測試工況（WMTC），三輪摩托車依然采用歐盟ECE R40的行駛工況（以下簡稱國四工況）。

三輪摩托車ECE R40的行駛工況循環(huán)由6個市區(qū)循環(huán)組成，共計1170s，每個循環(huán)195s。其中，第一個市區(qū)試驗循環(huán)定義為冷態(tài)試驗循環(huán)，第二個到第六個市區(qū)試驗循環(huán)定義為熱態(tài)試驗循環(huán)。該行駛工況是歐洲十多年前三輪摩托車行駛工況循環(huán)，與我國三輪摩托車實際道路行駛狀況并不相同，甚至差別很大。依據(jù)該行駛工況所得到的排放值不能準確地反映三輪摩托車在中國實際道路行駛時排放到大氣中有害氣體的水平。因此，有必要對中國三輪摩托車實際道路行駛的數(shù)據(jù)進行采集，研究我國三輪摩托車的實際道路行駛狀況。

本文通過在濟南、溫嶺、重慶三地開展三輪摩托車的路譜采集，在分析我國三輪摩托車的實際行駛特性的基礎上，合成了三輪摩托車實際行駛工況，并指出了其與國四工況的差異。

1??三輪摩托車路譜采集

三輪摩托車產品因市場需求呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展的趨勢，但主導品種仍集中在100～250mL中檔排量區(qū)域，在2015年和2016年排量在大于100mL小于等于250mL的正三輪摩托車的市場占有率為分別為93.7%和94.9%。而邊三輪摩托車產量很少，占三輪摩托車的比重不到0.1%，而且主要以軍用、警用為主，因此本次路譜采集將不涉及邊三輪摩托車。本次路譜采集采用4輛正三輪摩托車，分別為DY150ZH-10（發(fā)動機型號為SY162IMJ-2D）、FT250ZH-3A（發(fā)動機型號為LV167FMM-L）、QJ200ZH-A（發(fā)動機型號為QJ163ML）、LF150ZH-13（發(fā)動機型號為158MJ）。

考慮到各地禁限摩的情況，實際道路行駛路譜采集是在以濟南市、浙江溫嶺市、重慶市為代表的中國典型摩托車城市進行的。根據(jù)實際道路的交通特征，包括了市區(qū)道路和市郊道路。試驗時，根據(jù)實際交通狀況進行駕駛，三輪摩托車在道路上行駛時，緊隨車流，采集時應盡量模擬道路上的車流形態(tài)特征，從而能夠代表車輛在被測道路上的真實行駛狀況。

由于不同的交通狀況、不同的時段、路段所得到的路譜差異非常大。如在交通高峰期階段，加速、減速、怠速比例較高，幾乎沒有勻速行駛階段；而在交通非高峰階段，有長時間的勻速和怠速出現(xiàn)。因此，在進行路譜采集時包含了各城市的交通高峰、非高峰以及夜間行駛的路譜。

路譜采集所用的儀器為英國RACELOGIC生產的VBOX車載數(shù)據(jù)采集裝置，頻率100Hz，通過GPS衛(wèi)星定位技術來獲取車速。它是基于新一代的高性能衛(wèi)星接收器，結合RLVBIMU04慣量傳感器，能夠進行實時慣性整合，得到更好的位置信息，從而在GPS信號不好，如橋下、樹旁的情況下可以利用慣性數(shù)據(jù)得出準確的速度信號。該儀器是一種高效的車輛行駛性能試驗儀器，所獲得的路譜數(shù)據(jù)實時地記錄于SD存貯卡中，且體積小、重量輕，安裝非常方便。

2??三輪摩托車的行駛特征

三輪摩托車行駛模式非常復雜，其行駛模式大致可分為4類，即怠速、加速、勻速和減速，并定義如下：

（1）怠速：v＜5km/h 且 -a0＜a＜a0；

（2）加速：a≥a0；

（3）勻速：-a0＜a＜a0且v≥ 5km/h；

（4）減速：a＜-a0；

其中：v為速度；a為加（減）速度；a0為加（減）速度閥值，本文中取a0=0.5km/h/s（0.139m/s2）。

要描述三輪摩托車的行駛特征，需要定義一些特征參數(shù)來構建數(shù)學模型。為能精細地描述三輪摩托車實際道路行駛特征，本文采用了11個特征參數(shù)用于描述三輪摩托車的行駛特征：怠速比例Pi，加速比例Pa，勻速比例Pc，減速比例Pd，平均速度Vm（行駛段全部測試點的速度平均值），平均運行速度Vmr（去除怠速模式特征點后行駛段所有測試點的速度平均值），平均加速度aa，平均減速度ad，加速平均速度Vma（行駛段加速行駛模式的測試點的速度的平均值），勻速平均速度Vmc（行駛段勻速模式特征點的速度的平均值），減速平均速度Vmd（行駛段所有屬于減速行駛模式的測試點的速度的平均值）。

將采集的全部數(shù)據(jù)處理成時間間隔為1s的速度—時間歷程。車速是實時采集的，所以每個采樣點都要按行駛模式定義來判斷屬于哪一類運行模式，各個采樣點的速度直接從速度傳感器讀出即可；加速度則不能僅由點來確定，需要從一段時間的速度—時間歷程來計算。由于本試驗采樣時間間隔為1s，時間很短，因此將相鄰采樣點之間很短時間段內的平均加速度確定為前采樣點的加速度值。將處理好的整體路譜采集數(shù)據(jù)（速度—時間歷程）輸入程序進行計算，得到三輪摩托車實際道路行駛的整體特征參數(shù)。所得到的三輪摩托車的全部路譜數(shù)據(jù)的行駛特征計算結果如表1所示。

表1 三輪摩托車實際行駛特征計算結果

三輪摩托車實際道路行駛特征及其分布規(guī)律研究的一個重要目的，就是以實際摩托車路譜數(shù)據(jù)、分析統(tǒng)計結果為基礎，開發(fā)合成一個能夠在實驗室內再現(xiàn)的代表中國城市道路行駛特征的排放行駛循環(huán)。開發(fā)合成該循環(huán)的主要過程如下。

（1）對試驗所得到的大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行加工處理，得到各種道路類型上每一行駛段的特征參數(shù)。

（2）通過對各個采樣點的參數(shù)和各個行駛段的參數(shù)進行統(tǒng)計分析，得到基于全部采樣數(shù)據(jù)和全部測試段的特征參數(shù)的平均值。

（3）按照行駛段的平均行駛時間以及目標循環(huán)的時間要求來確定合成循環(huán)所需的行駛段的數(shù)目。

（4）從全部數(shù)據(jù)中隨機抽出所需段數(shù)的行駛段數(shù)據(jù)，統(tǒng)計其特征參數(shù)，并與全部測試數(shù)據(jù)的平均值進行比較，看其相對誤差是否在所給定的誤差范圍內。

（5）若不滿足要求，則放棄此次計算，重新抽取所需段數(shù)的行駛段數(shù)據(jù)，直到相對誤差滿足要求為止，則由這些行駛段所構成的速度—時間變換關系即為所合成的行駛循環(huán)。

實際計算中，以國四工況循環(huán)每部分的運行時間600s為合成循環(huán)的目標時間。選定怠速比例、加速比例、平均速度等11個特征參數(shù)作為判別合成是否成功的依據(jù)，各參數(shù)相對誤差值最小時即為理想合成工況循環(huán)，其中各工況比例和平均速度為重要限值參數(shù)，要求相對誤差最小。如果當11個特征參數(shù)數(shù)值與總體的數(shù)值誤差在5%以內，即認為該備選行駛工況能夠代表所采集的總體行駛實際工況，該備選行駛工況即為合成的三輪摩托車行駛工況。

圖1 為最終開發(fā)合成的三輪摩托車工況循環(huán)的速度—時間曲線，表2為三輪摩托車工況循環(huán)的行駛特征參數(shù)。

圖1 合成三輪摩托車工況行駛循環(huán)

表2 合成的三輪摩托車行駛工況的特征參數(shù)

3??結果分析

結合圖2、表3對三輪摩托車特征參數(shù)進行分析，可以看出，實際合成的三輪摩托車行駛工況與國四工況相差很大。國四正三輪摩托車排放行駛工況采用ECE R40循環(huán)，其與我國三輪摩托車的實際行駛狀況相差很大。采用國四工況來評估我國正三輪摩托車的實際排放并不合適。

實際合成的三輪摩托車行駛工況與國四工況（ECE R40工況）相差很大，行駛特征中除了“平均運行速度”、“勻速平均速度”、“減速平均速度”比較接近外，其他8個參數(shù)均相差很大。

從比例特征分析，合成循環(huán)的“怠速比例”遠遠低于國四工況，只有國四工況的54.7%。而“加速比例”、“減速比例”、“勻速比例”均分別高于國四工況22.26%、16.8%、25.03%?！暗∷俦壤钡汀ⅰ皠蛩俦壤备?，可能是由于我國許多大城市相繼限制摩托車在市區(qū)道路上行駛，因此中國摩托車城市道路行駛大部分是在中小城市進行，這些沒有“限摩”的中小城市，人口密度較小，交通流量相應就較小，再加上近些年城市道路的拓寬改造及立體交通建設，使得這些城市的三輪摩托車行駛在路口等待的時間不斷減少，行駛較為暢通，反映在特征參數(shù)上就是怠速比例低，勻速比例高。

從速度特征看，合成循環(huán)的“平均運行速度”和 “平均速度”均高于國四工況，也說明路況較好，可能是我國三輪摩托車主要在中小城市及大城市郊區(qū)行駛有關。

表3 三輪摩托車實際合成工況與國四工況特征參數(shù)對比

從加速特性來看，“平均加速度”、“平均減速度”均低于國四循環(huán)，只有國四循環(huán)的63%左右。這可能是由于我國的三輪摩托車主要以載貨為主、性能相對較差。

國2?國四正三輪摩托車工況與合成工況循環(huán)對比

由于實際合成的三輪摩托車排放行駛循環(huán)是基于三輪摩托車實際道路行駛中采集的數(shù)據(jù)，能夠真實反映三輪摩托車的實際道路行駛特征，更符合我國三輪摩托車的實際行駛狀況。實際合成工況循環(huán)與三輪摩托車國四行駛工況差別較大，采用該行駛工況不能準確評估我國三輪摩托車的實際排放值。由于該合成行駛工況是在大量三輪摩托車實際道路行駛特征數(shù)據(jù)基礎之上形成的一個極為接近真實行駛狀況的測試工況，更符合我國三輪摩托車的實際行駛狀況，采用該合成工況循環(huán)能夠準確評估三輪摩托車的尾氣污染物排放。

4??結束語

由于實際合成的三輪摩托車排放行駛循環(huán)是基于三輪摩托車實際道路行駛中采集的數(shù)據(jù)，能夠真實反映三輪摩托車的實際道路行駛特征，更符合我國三輪摩托車的實際行駛狀況。實際合成工況循環(huán)與三輪摩托車國四行駛工況差別較大，采用該行駛工況不能準確評估我國三輪摩托車的實際排放值。由于該合成行駛工況是在大量三輪摩托車實際道路行駛特征數(shù)據(jù)基礎之上形成的一個極為接近真實行駛狀況的測試工況，更符合我國三輪摩托車的實際行駛狀況，采用該合成工況循環(huán)能夠準確評估三輪摩托車的尾氣污染物排放。