實(shí)際行駛污染物排放試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)與路試等效性研究

毛 毳 李欲曉 孫 雄

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心,上海 200438)

中國(guó)環(huán)保部于2016年發(fā)布了GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》,其中Ⅱ型實(shí)際行駛污染物排放試驗(yàn)(RDE試驗(yàn))成為各專項(xiàng)研究的熱點(diǎn)[1-2]。大量的試驗(yàn)研究證明,環(huán)境因素的不確定性,例如實(shí)際道路交通復(fù)雜性、試驗(yàn)氣候不可控性、駕駛風(fēng)險(xiǎn)等,造成Ⅱ型試驗(yàn)路試結(jié)果一致性不佳[3-4]。如果能將路試過程中采集到的多維度工況轉(zhuǎn)化到實(shí)驗(yàn)室,在實(shí)驗(yàn)室里模擬復(fù)現(xiàn)Ⅱ型試驗(yàn),就能夠大幅提高Ⅱ型試驗(yàn)結(jié)果的一致性和試驗(yàn)效率。

目前,實(shí)驗(yàn)室在測(cè)功機(jī)動(dòng)態(tài)加載方面僅能利用速度-時(shí)間維度對(duì)路試工況進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬。為了更好地復(fù)現(xiàn)道路工況的負(fù)荷情況,坡度-時(shí)間以及轉(zhuǎn)向阻力-時(shí)間這兩個(gè)維度的變量則必須被考慮在內(nèi)。

本文研究了在3個(gè)維度的測(cè)功機(jī)動(dòng)態(tài)加載模型下,RDE實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)與路試結(jié)果的等效性情況,并對(duì)復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)與路試存在差異的原因進(jìn)行了分析。

1 RDE復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)動(dòng)態(tài)加載模型

RDE復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)的工況模型由車速-時(shí)間、坡度-時(shí)間、轉(zhuǎn)彎阻力-時(shí)間3個(gè)模型進(jìn)行耦合而成。原始數(shù)據(jù)通道來源于路試的全球定位系統(tǒng)(GPS)采集的經(jīng)度、緯度、海拔、車速及車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)(OBD)車速。

車速-時(shí)間模型通過GPS的車速-時(shí)間通道和OBD的車速-時(shí)間通道融合,用以屏蔽掉OBD信號(hào)的噪聲和補(bǔ)償GPS信號(hào)的丟幀,如圖1所示。

圖1 車速-時(shí)間模型

坡度-時(shí)間模型需要GPS車速-時(shí)間通道和海拔-時(shí)間通道通過計(jì)算得到,數(shù)學(xué)模型為

式中：i為坡度,單位為%;Δh為海拔落差,單位為m;ΔV為車速,單位為m/s;Δt為時(shí)間,單位為s。

轉(zhuǎn)彎阻力-時(shí)間模型中由于轉(zhuǎn)向時(shí)在汽車縱向方向的轉(zhuǎn)向輪同時(shí)作用于輪胎側(cè)偏力的分力,轉(zhuǎn)向角較大時(shí)側(cè)偏力的分力不可忽略[5],其表現(xiàn)為車輛前進(jìn)方向上的阻力,轉(zhuǎn)彎阻力的數(shù)學(xué)模型為

式中：Fx為轉(zhuǎn)彎阻力,單位為N;Fy為側(cè)偏力,單位為N;k為側(cè)偏剛度,單位N/rad;α為側(cè)偏角,單位為(°)。

側(cè)偏角則由GPS的經(jīng)度-時(shí)間、緯度-時(shí)間通道擬合得到的曲率-時(shí)間模型計(jì)算而來,曲率-時(shí)間關(guān)系如圖2所示。

圖2 坡度-時(shí)間和曲率-時(shí)間模型

2 主要試驗(yàn)設(shè)備及信息

主要用到的試驗(yàn)設(shè)備包括底盤測(cè)功機(jī)、排放分析儀系統(tǒng)、環(huán)境倉(cāng)系統(tǒng)、便攜式排放測(cè)試車載尾氣檢測(cè)設(shè)備(PEMS)。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的連接為底盤測(cè)功機(jī)、樣車、PEMS、排放分析儀,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 RDE試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝圖

首先,進(jìn)行了3次RDE路試,并分別編號(hào)為R1、R2、R3,隨后又在實(shí)驗(yàn)室以R2為靶試驗(yàn)進(jìn)行了3次RDE復(fù)現(xiàn)試驗(yàn),分別編號(hào)為L(zhǎng)1、L2、L3。試驗(yàn)主要參數(shù)如表1和表2所示。

表1 路試主要試驗(yàn)參數(shù)

表2 RDE復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)主要試驗(yàn)參數(shù)

圖4為3次復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)轉(zhuǎn)轂與PEMS測(cè)得的里程結(jié)果。目標(biāo)里程為72.93 km,PEMS測(cè)得的里程均小于轉(zhuǎn)轂里程。轉(zhuǎn)轂測(cè)得里程與目標(biāo)里程相比,數(shù)值上更接近。由于在室內(nèi)PEMS只能通過OBD測(cè)量車速,而GPS無法工作。OBD測(cè)得車速小于實(shí)際車速,導(dǎo)致PEMS里程相比轉(zhuǎn)轂里程明顯偏小。

圖4 轉(zhuǎn)轂與PEMS測(cè)得里程對(duì)比圖

法規(guī)[6]要求,在全球統(tǒng)一輕型車輛測(cè)試循環(huán)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)(WLTC)循環(huán)下對(duì)PEMS溯源性驗(yàn)證允許一定的誤差,其誤差范圍如表3所示。

表3 WLTC循環(huán)下溯源性驗(yàn)證的允許偏差

由L1、L2、L3 3次試驗(yàn)的溯源性比較結(jié)果見表4,各項(xiàng)污染物排放量的結(jié)果均能達(dá)到WLTC循環(huán)下的溯源性要求,但由于RDE工況里程至少為WLTC循環(huán)里程的2倍以上,因此在里程上很難達(dá)到WLTC循環(huán)的溯源性要求。

表4 溯源性比較結(jié)果

3 復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與分析-積分法

圖5為3次路試與3次復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)最終里程結(jié)果。復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)里程均小于路試?yán)锍?且均小于R2的72.93 km的目標(biāo)里程。原因是該試驗(yàn)樣車電子控制單元(ECU)車速小于轉(zhuǎn)轂實(shí)測(cè)車速。

圖5 實(shí)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室里程對(duì)比圖

圖6為3次路試與3次復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)CO2排放量積分結(jié)果。路試CO2排放量高于實(shí)驗(yàn)室,與復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果差別較大。雖然R1、R2、R3 3次試驗(yàn)線路完全一致,但路試工況隨機(jī)性較強(qiáng),其CO2結(jié)果相對(duì)偏差5.7%,一致性較差,而實(shí)驗(yàn)室L1、L2、L3 3次試驗(yàn)CO2結(jié)果相對(duì)偏差為0.4%,具有很高的一致性。

圖6 實(shí)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室CO2排放量(積分法)對(duì)比圖

圖7為3次路試與3次復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)CO排放量積分結(jié)果。3次路試CO結(jié)果相對(duì)偏差為4.1%,復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)CO結(jié)果相對(duì)偏差為2.4%。兩者一致性上的差距不像CO2那么明顯,但復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)一致性好于路試。

圖7 實(shí)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室CO排放量(積分法)對(duì)比圖

圖8為3次路試與3次復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)NOx排放量積分結(jié)果。3次路試NOx結(jié)果相對(duì)偏差36.9%,復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)NOx結(jié)果相對(duì)偏差26.4%。由于車輛NOx的排放量太低,在NOx的排放上體現(xiàn)出較大的相對(duì)偏差,但僅從數(shù)值上看,復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)一致性好于路試。

圖8 實(shí)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室NO x排放量(積分法)對(duì)比圖

圖9為3次路試與3次復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)PN排放量積分結(jié)果。3次路試PN結(jié)果相對(duì)偏差10.1%,復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)CO結(jié)果相對(duì)偏差18.0%。僅從數(shù)值上,路試一致性好于復(fù)現(xiàn)試驗(yàn),但由于PN排放受瞬態(tài)因素影響很大[7],因此總體上看,復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)也呈現(xiàn)很好的一致性。

圖9 實(shí)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室PN排放量(積分法)對(duì)比圖

4 復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與分析-CO2窗口法

圖10為L(zhǎng)1、L2、L3 3次復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)與R2行程主要判定參數(shù)的對(duì)比圖。由圖10可以看出,復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)與路試的判定參數(shù)差異主要存在于城市CO2窗口情況。

圖10 行程主要判定參數(shù)的對(duì)比圖

測(cè)試結(jié)果顯示,實(shí)驗(yàn)室行程與路試趨于一致。但實(shí)驗(yàn)室各速度段的行駛里程均小于路試?yán)锍?實(shí)驗(yàn)室里程總體平均小1.4%。

在行程動(dòng)力學(xué)校驗(yàn)方面,實(shí)驗(yàn)室完成情況與路試保持一致。但實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)集合數(shù)有所減少,高速階段平均減少14.0%。實(shí)驗(yàn)室RPA值偏小,城市階段平均減少15.0%。由于該樣車通過OBD得到的車速比實(shí)際車速偏低,而在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用PEMS設(shè)備僅能通過OBD車速來進(jìn)行結(jié)果計(jì)算。這就導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)集合數(shù)和RPA值均會(huì)隨著OBD車速降低而偏小。但復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)在行程要求和行程動(dòng)力學(xué)特性總體上不會(huì)影響試驗(yàn)的完成。

從CO2窗口數(shù)上來看,CO2窗口總數(shù)量實(shí)驗(yàn)室與路試趨于一致,相差3.5%。高速階段,CO2窗口較R2明顯減少,數(shù)量減少26.4%,占比減少19.2%。市郊階段,CO2窗口較R2又明顯增多,數(shù)量增加17.8%,占比增加17.2%。由于市郊階段試驗(yàn)的平均車速在80 km/h左右,該速度的窗口點(diǎn)會(huì)比較集中,OBD車速偏小,造成部分高速段的窗口落入到了市郊段的窗口區(qū)域,導(dǎo)致復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)市郊階段和高速階段與R2路試不一致,但復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)的完整性滿足要求。

從CO2窗口公差上,3次復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)基本窗口的數(shù)量較R2總體減少53.4%,城市階段,窗口數(shù)量平均減少73.7%,若不進(jìn)行擴(kuò)展復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)基本窗口的占比會(huì)影響正常性驗(yàn)證。CO2排放量對(duì)實(shí)際的加載很敏感[8],實(shí)驗(yàn)室與路試樣車負(fù)荷的差異會(huì)直接影響到CO2窗口的分布。但經(jīng)過一定程度的擴(kuò)展,復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)軌蛲瓿烧Ｐ则?yàn)證,對(duì)結(jié)果窗口的計(jì)算影響有限。

圖11為L(zhǎng)1、L2、L3 3次復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)與R2路試各污染物排放量CO2窗口法的結(jié)果對(duì)比?？傮w趨勢(shì)與積分法的結(jié)果對(duì)比一致,CO2排放量存在一定的差異,而CO、NOx、PN 3項(xiàng)排放量存在較強(qiáng)的復(fù)現(xiàn)性。復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)和路試的一致性方面,復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)CO2、CO、NOx、PN的相對(duì)偏差分別為2.0%、2.5%、26.2%、18.1%,而路試排放物的相對(duì)偏差分別為4.7%、12.3%、30.7%、14.8%。CO2、CO、NOx3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)的一致性高于路試,與積分法趨勢(shì)保持一致。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)RDE復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)的研究得出以下結(jié)論：

(1)在速度-時(shí)間、坡度-時(shí)間、轉(zhuǎn)彎阻力-時(shí)間的多維動(dòng)態(tài)工況模型下進(jìn)行的RDE復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與路試結(jié)果具有等效性。

(2)由于復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)中加載方式與路試的不同,在試驗(yàn)的完整性和正常性判定上與路試存在一定的差異,但不會(huì)影響完整性和正常性的驗(yàn)證,對(duì)窗口法結(jié)果計(jì)算的影響有限。

圖11 實(shí)測(cè)與實(shí)驗(yàn)室各污染物排放量(窗口法)對(duì)比

(3)從復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)中各污染物積分法排放結(jié)果和CO2窗口法排放結(jié)果上看,RDE復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)的一致性都好于路試,可大幅提高II型試驗(yàn)的結(jié)果一致性和試驗(yàn)效率。