車輛實(shí)際道路行駛排放測試離線計(jì)算研究

凌建群，莊健

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

0 引言

隨著人們環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)，針對(duì)機(jī)動(dòng)車，尤其是重型柴油車，限制車輛污染物排放的法規(guī)越來越嚴(yán)格。2018年6月28日，中國生態(tài)環(huán)境部正式發(fā)布了 《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》 （簡稱國六法規(guī)），標(biāo)志著中國重型柴油車正式進(jìn)入國六時(shí)代。國六法規(guī)要求型式檢驗(yàn)時(shí)，應(yīng)在整車上采用便攜式排放測量系統(tǒng)（portable emission measurement system，PEMS） 進(jìn)行實(shí)際道路車載排放試驗(yàn) （簡稱PEMS測試），且滿足法規(guī)限值要求。這不僅要求發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架上要滿足法規(guī)限值要求，整車在道路上實(shí)際行駛時(shí)也要滿足法規(guī)要求；而且中國法規(guī)要求PEMS試驗(yàn)時(shí)，車輛負(fù)載最低允許值為最大負(fù)載的10%。車輛負(fù)載越低，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的負(fù)荷就越小，排氣溫度也越低，后處理的轉(zhuǎn)化效率越難維持在較高水平，排放更容易超標(biāo)。綜合比較，中國的第六階段排放法規(guī)已經(jīng)是目前全世界最嚴(yán)格的法規(guī)。

東風(fēng)汽車有限公司針對(duì)駕駛行為，其對(duì)車輛實(shí)際道路排放的影響進(jìn)行了研究［1］。研究表明，實(shí)際駕駛過程中的駕駛行為和交通狀況對(duì)PEMS測試結(jié)果有很大影響。通過比較2名資歷不同的駕駛員在相同路線上進(jìn)行的實(shí)際道路排放試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平穩(wěn)的駕駛和換擋能減少一氧化碳 （CO）和顆粒數(shù)（PN）峰值的出現(xiàn)，有利于降低CO和PN排放。其他一些研究表明，整車實(shí)際道路試驗(yàn)中CO和氮氧化物 （NOx）排放水平均比整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)結(jié)果高，且環(huán)境溫度從25℃降低到5℃時(shí)，NOx排放升高了 30%［2-3］。

整車在實(shí)際道路上行駛時(shí)狀態(tài)復(fù)雜多變，不僅會(huì)受到駕駛行為、路況、天氣等因素影響，而且PEMS測試設(shè)備實(shí)際使用時(shí)，其測量精度和可靠性容易受到外部復(fù)雜多變的條件影響。此外，由于PEMS測試設(shè)備價(jià)格昂貴，在整車開發(fā)階段因資源有限，很難保證每臺(tái)標(biāo)定樣車都配備PEMS測試設(shè)備，故開發(fā)標(biāo)定工作受到PEMS測試設(shè)備制約，靈活性差。

本研究基于離線計(jì)算與數(shù)據(jù)分析思想，利用傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用Matlab軟件建立離線計(jì)算模型；通過離線計(jì)算模型對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算，得到整車實(shí)際行駛過程中排放測試結(jié)果。此研究針對(duì)整車標(biāo)定開發(fā)前期及國六標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的型式檢驗(yàn) （PEMS測試）摸底和優(yōu)化階段，提供一種靈活、可信的車輛實(shí)際道路行駛排放的評(píng)價(jià)方法。

1 國六標(biāo)準(zhǔn)主要要求

國六法規(guī)中整車實(shí)際道路行駛排放試驗(yàn)主要項(xiàng)目和要求見表1。此外，國六法規(guī)還規(guī)定了試驗(yàn)路線的行駛工況分配要求。試驗(yàn)應(yīng)按照市區(qū)-市郊-高速行駛順序連續(xù)進(jìn)行，第1次出現(xiàn)車速超過55 km／h的行程記為市郊路開始，第1次出現(xiàn)車速超過75 km／h的行程記為高速路開始。其中，市區(qū)路平均車速為15～30 km／h，市郊路平均車速45～70 km／h，高速路平均車速＞70 km／h。各類車輛所對(duì)應(yīng)的路況占比見表2所示。根據(jù)國六法規(guī)，在評(píng)價(jià)試驗(yàn)路線工況占比時(shí)，允許實(shí)際構(gòu)成比例有±5%的偏差。

表1 國六法規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目和要求

表2 國六法規(guī)各類車輛試驗(yàn)路況占比

2 便攜式排放測量系統(tǒng)

便攜式排放測量系統(tǒng) （PEMS）的設(shè)備可以直接安裝在被測車輛上，實(shí)時(shí)測量車輛污染物排放濃度。PEMS主要包括測量單元 （部分光紅外測量模塊、化學(xué)發(fā)光模塊、加熱型氫離子火焰模塊）、采樣管、采樣標(biāo)準(zhǔn)氣、全球定位系統(tǒng)、環(huán)境溫度和壓力測量模塊等。其特點(diǎn)是可以真實(shí)反映車輛實(shí)際行駛過程中的排放特性，測試系統(tǒng)具有可拆卸性、體積緊湊等優(yōu)點(diǎn)。PEMS設(shè)備是評(píng)價(jià)車輛在用符合性的重要手段。不過在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，測量環(huán)境復(fù)雜多變，測量結(jié)果容易受到外部因素影響；而且PEMS設(shè)備需要得到有效的保養(yǎng)和維護(hù)，否則會(huì)影響測量結(jié)果。

3 車輛實(shí)際道路行駛排放測試離線計(jì)算法

由于考慮到本文前面章節(jié)提到的PEMS設(shè)備的一些缺點(diǎn)，為此，提出一種車輛實(shí)際道路行駛排放測試離線計(jì)算法 （簡稱離線計(jì)算法）。該方法采用傳感器采集數(shù)據(jù)、ECU監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、行車記錄儀記錄數(shù)據(jù)，用Matlab軟件建立數(shù)據(jù)分析模型處理數(shù)據(jù)，采用離線計(jì)算法計(jì)算測試結(jié)果。其優(yōu)勢是測試設(shè)備簡單、測試成本低、操作靈活。

3.1 測試設(shè)備

離線計(jì)算法涉及的主要設(shè)備見表3。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、排放數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度和濕度等均通過ECU監(jiān)測，由行車記錄儀記錄。目前CO測量主要依靠氣體分析儀，傳感器無法直接測量。因此，本研究中主要針對(duì)NOx及法規(guī)規(guī)定的其他約束項(xiàng)目。

表3 離線計(jì)算法測試主要設(shè)備

3.2 測試方案

由于影響車輛實(shí)際道路行駛排放測試 （簡稱車輛排放測試）的因素較多，自然環(huán)境和道路路況均具有不確定性，試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況覆蓋面廣，試驗(yàn)的一致性和重復(fù)性不容易保證［4］。因此，車輛排放測試規(guī)范和流程的制定至關(guān)重要。本研究提出的車輛排放測試基本流程如圖1所示。通過試驗(yàn)流程來規(guī)范車輛排放測試開發(fā)體系，包括方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)前檢查、試驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理、離線計(jì)算等。為保證離線計(jì)算法的有效性，試驗(yàn)中考慮不同海拔、不同氣溫、不同載荷，按照法規(guī)要求盡量滿足不同路譜比例和最短試驗(yàn)時(shí)間要求。用Matlab軟件編寫車輛排放測試離線計(jì)算程序，建立Matlab離線計(jì)算模型 （簡稱計(jì)算模型）。按照?qǐng)D1定義的車輛排放測試流程完成試驗(yàn)，通過行車記錄儀記錄試驗(yàn)時(shí)間、行駛里程、排氣流量、環(huán)境溫度、冷卻液溫度、NOx傳感器測量結(jié)果、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩、燃油消耗、GPS車速信號(hào)和GPS海拔信號(hào)。經(jīng)過異常點(diǎn)剔除 （剔除異常點(diǎn)并用差值替換）、信號(hào)對(duì)齊 （對(duì)齊NOx傳感器數(shù)據(jù)、EFM信號(hào)數(shù)據(jù)、發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)數(shù)據(jù)和GPS信號(hào)數(shù)據(jù)，即將這些數(shù)據(jù)中的無效數(shù)據(jù)或異常數(shù)據(jù)剔除，并保持所有數(shù)據(jù)的時(shí)間序列始點(diǎn)相同）、有效數(shù)據(jù)選擇（滿足法規(guī)規(guī)定的冷卻液溫度、海拔、大氣溫度等條件）等數(shù)據(jù)處理，再利用計(jì)算模型計(jì)算整個(gè)車輛排放測試總工況時(shí)間、各路譜百分比、窗口數(shù)、有效窗口數(shù)及排放結(jié)果。

圖1 車輛實(shí)際道路行駛排放測試離線計(jì)算法基本流程

3.3 計(jì)算模型

計(jì)算模型主要由數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析組成，大致可分為原始數(shù)據(jù)加載模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)輸入模塊、車輛類型選擇模塊、計(jì)算模塊和結(jié)果輸出模塊，如圖2所示。其中，原始數(shù)據(jù)加載模塊用于導(dǎo)入實(shí)測的整車數(shù)據(jù)，包括整車行駛數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)工況數(shù)據(jù)，排放等傳感器測量數(shù)據(jù)；發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)輸入模塊輸入WHTC循環(huán)功，發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率和排氣密度等指標(biāo)；車輛類型選擇模塊可以選擇不同的車輛類型，用于計(jì)算所選車輛的各項(xiàng)規(guī)定指標(biāo)；計(jì)算模塊對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算并保存計(jì)算結(jié)果；結(jié)果輸出模塊輸出排放計(jì)算結(jié)果、車輛道路占比結(jié)果、有效窗口數(shù)量及比例等評(píng)價(jià)指標(biāo)。以上模塊的實(shí)現(xiàn)均基于Matlab代碼。

圖2 計(jì)算模型界面

4 PEMS測試

4.1 測試車輛和測試條件

本試驗(yàn)基于搭載上柴發(fā)動(dòng)機(jī)的徐重汽車吊（N3類車輛），車輛詳細(xì)參數(shù)見表4；試驗(yàn)條件為車輛負(fù)載100%。為了后續(xù)對(duì)比離線計(jì)算法的結(jié)果精度，測試設(shè)備采用HORIBA公司生產(chǎn)的PEMS測試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 （簡稱HORIBA設(shè)備）。

表4 車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

考慮到PEMS測試的有效性，測試前先設(shè)計(jì)好測試路線，盡量滿足法規(guī)的基本要求。因此，根據(jù)法規(guī)對(duì)N3類車型的具體要求，本次PEMS測試設(shè)計(jì)了如圖3所示的行車路線?？紤]到測試的連續(xù)性，依次設(shè)計(jì)了城市道路、城郊道路和高速道路。同時(shí)，還考慮了法規(guī)規(guī)定的測試的最短持續(xù)時(shí)間和不同道路占比。

4.2 測試結(jié)果

按照國六法規(guī)規(guī)定，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度在70℃以上或PEMS試驗(yàn)開始后5 min之內(nèi)冷卻液溫度變化小于2℃ 時(shí)，所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)所有的數(shù)據(jù)都作為有效數(shù)據(jù)。圖4是經(jīng)過篩選后的車輛行駛有效車速數(shù)據(jù)。從圖4可見，在進(jìn)行PEMS測試時(shí)，測試過程中的車速很容易受到外界因素影響，車輛可能會(huì)存在臨時(shí)停車或無法保持期望的行駛狀態(tài)。因此，試驗(yàn)結(jié)束后評(píng)估測試數(shù)據(jù)的有效性變得十分重要。為了驗(yàn)證測試的有效性，需要計(jì)算出整個(gè)測試的最短測試持續(xù)時(shí)間和不同道路的時(shí)間占比。

圖3 PEMS試驗(yàn)行車路線

圖4 車輛行駛過程中數(shù)據(jù) （去除冷起動(dòng)數(shù)據(jù)后）

本次測試結(jié)果見表5。由表5可知，本次測試滿足法規(guī)要求，PEMS測試數(shù)據(jù)有效。

表5 HORIBA設(shè)備測量結(jié)果與法規(guī)要求

5 采用離線計(jì)算法

5.1 計(jì)算模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證離線計(jì)算模型結(jié)果的可靠性，模型計(jì)算所用的數(shù)據(jù)選用HORIBA設(shè)備記錄的原始測量數(shù)據(jù)。計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果及其與HORIBA設(shè)備測試量結(jié)果比較見表6，計(jì)算模型計(jì)算的有效窗口NOx和CO比排放見圖5和表7。

表6 計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果與HORIBA設(shè)備測量結(jié)果比較

圖5 計(jì)算模型計(jì)算的有效窗口NO x和CO比排放

表7 計(jì)算模型計(jì)算的有效窗口NO x和CO比排放

由表6可知，通過計(jì)算模型計(jì)算得到的總行駛里程、發(fā)動(dòng)機(jī)總輸出功與HORIBA設(shè)備測量結(jié)果一致。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)功22 kW·h，可計(jì)算得到試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間是WHTC循環(huán)功的7.5倍，滿足法規(guī)要求。在對(duì)比各道路路譜占比發(fā)現(xiàn)，計(jì)算模型計(jì)算的結(jié)果與HORIBA設(shè)備測量結(jié)果一致。由于法規(guī)規(guī)定，測試中道路的路譜占比可以有±5%的偏差，因此也滿足法規(guī)要求。

計(jì)算模型計(jì)算的CO和NOx比排放結(jié)果（見圖5），其CO和NOx排放數(shù)據(jù)均來自HORIBA設(shè)備原始數(shù)據(jù)。圖5將計(jì)算結(jié)果從小到大依次排列，從中可以看出，整個(gè)PEMS測試有效數(shù)據(jù)中CO比排放最大值不超過600 mg／kW·h，NOx比排放最大值不超過300 mg／kW·h。由表7可見 NOx和CO比排放數(shù)值均低于國六法規(guī)限值，滿足法規(guī)要求。

5.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用表3中的設(shè)備，采用與基于HORIBA設(shè)備試驗(yàn)一致的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)路況，運(yùn)用離線計(jì)算法，得到徐重汽車吊實(shí)際道路排放測試結(jié)果。離線計(jì)算法得到各項(xiàng)參數(shù)結(jié)果及其與HORIBA設(shè)備測量結(jié)果比較見表8，離線計(jì)算法測試過程中NOx排放實(shí)時(shí)結(jié)果見圖6。

表8 離線計(jì)算法測試結(jié)果與HORIBA設(shè)備測量結(jié)果比較

圖6 離線計(jì)算法測試過程中NO x排放實(shí)時(shí)結(jié)果

由表8可知，整個(gè)測試過程中，車輛一共行駛了約128 km，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的總功約165 kW·h，發(fā)動(dòng)機(jī)總功與WHTC循環(huán)功比值是7.5，CO排放總量約38.6 g，NOx排放總量約 22 g，NOx排放實(shí)時(shí)濃度中低于5×10-4%的比例占到99.975%，NOx的所有比排放均低于國六法規(guī)限值。此外，離線計(jì)算法測試結(jié)果與HORIBA設(shè)備測量結(jié)果一致，說明此方法結(jié)果可信。

根據(jù)國六法規(guī)要求，有效數(shù)據(jù)中95%以上的NOx排放結(jié)果必須小于5×10-4%。從圖6顯示的整個(gè)離線計(jì)算法測試過程中有效數(shù)據(jù)的NOx排放結(jié)果可見，部分NOx排放已經(jīng)超過5×10-4%，存在不滿足國六法規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)。

5.3 離線計(jì)算法結(jié)果分析

表9是離線計(jì)算法測試結(jié)果的最終評(píng)價(jià)。如，試驗(yàn)道路工況占比要求、測試最短時(shí)間要求、有效窗口要求、NOx排放要求，均是國六法規(guī)規(guī)定的項(xiàng)目。從計(jì)算結(jié)果來看，離線計(jì)算法測試規(guī)范滿足法規(guī)要求，排放水平滿足法規(guī)要求。

表9 離線計(jì)算法計(jì)算的測試結(jié)果

6 結(jié)論

重型車國六排放法規(guī)要求整車必須通過PEMS測試，本文針對(duì)PEMS測試設(shè)備價(jià)格昂貴、測試結(jié)果易受各種因素影響、測試靈活性差等問題，提出一種車輛實(shí)際道路行駛排放測試離線計(jì)算方法。經(jīng)計(jì)算分析和實(shí)際測試對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的可靠性，為企業(yè)在國六及后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)階段提供了一種有效的、成本低且靈活性好的車輛實(shí)際道路行駛排放評(píng)價(jià)方法，豐富了車輛實(shí)際道路行駛排放測試手段及評(píng)價(jià)方法。