輕便摩托車(chē)道路行駛特征及排放測(cè)試循環(huán)研究*

吳廣順 王 青 路 林 武政杰

（天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072）

引言

我國(guó)作為摩托車(chē)生產(chǎn)大國(guó)，摩托車(chē)產(chǎn)量和保有量均位居世界前列，但一直采用歐盟的排放測(cè)試循環(huán)。GB14622-2016 摩托車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第四階段）頒布和實(shí)施后，兩輪摩托車(chē)采用了全球摩托車(chē)排放測(cè)試循環(huán)（WMTC）。而GB18176-2016 輕便摩托車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第四階段）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)）中，輕便摩托車(chē)依然采用歐盟ECE R47 的排放測(cè)試循環(huán)。輕便摩托車(chē)的排放測(cè)試循環(huán)由8 個(gè)連續(xù)運(yùn)行的子循環(huán)組成，共計(jì)896 s[1]。其中，前4 個(gè)子循環(huán)定義為冷態(tài)測(cè)試循環(huán)，后4 個(gè)子循環(huán)定義為熱態(tài)測(cè)試循環(huán)。每個(gè)子循環(huán)由7 個(gè)階段組成（包括：怠速、加速：0～最高車(chē)速、勻速：最高車(chē)速、減速：最高車(chē)速～20 km/h、勻速：20 km/h、減速：20 km/h～0、怠速等），共計(jì)112 s。該排放測(cè)試循環(huán)是歐洲20 多年前的輕便摩托車(chē)測(cè)試循環(huán)，與我國(guó)輕便摩托車(chē)實(shí)際道路行駛特征有明顯的差別。依據(jù)該排放測(cè)試循環(huán)所得到的排放結(jié)果不能精確地反映我國(guó)輕便摩托車(chē)實(shí)際行駛過(guò)程中排放到大氣中的有害氣體的水平。

我國(guó)摩托車(chē)和輕便摩托車(chē)國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的研究工作已經(jīng)啟動(dòng)，歐盟關(guān)于歐Ⅴ排放法規(guī)的相關(guān)研究已經(jīng)取得成果，并對(duì)輕便摩托車(chē)的排放測(cè)試循環(huán)進(jìn)行了修訂。聯(lián)合國(guó)世界車(chē)輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇（World Forum for Harmonization of Vehicle Regulation（UN/WP29））污染與能源工作組（The Working Party on Pollution and Energy（GRPE））正在對(duì)GTR2 法規(guī)（摩托車(chē)和輕便摩托車(chē)排放法規(guī)）進(jìn)行修訂[2]。GTR2 摩托車(chē)和輕便摩托車(chē)排放法規(guī)是以歐盟的法規(guī)為基礎(chǔ)的，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)歐盟法規(guī)的跟蹤、研究，為我國(guó)制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)提供參考。本文主要研究我國(guó)輕便摩托車(chē)的實(shí)際道路行駛狀況，得到實(shí)際道路行駛特征及合成排放測(cè)試循環(huán)，并向污染與能源工作組（GRPE）提供相關(guān)數(shù)據(jù)，以使GTR2 的WMTC 測(cè)試循環(huán)工況能夠反映我國(guó)輕便摩托車(chē)的行駛特性。

1 輕便摩托車(chē)路譜采集簡(jiǎn)介

輕便摩托車(chē)包括兩輪輕便摩托車(chē)和正三輪輕便摩托車(chē)。正三輪輕便摩托車(chē)在2014～2016 年的3 年間產(chǎn)量為零，保有量也非常少，因此，本次路譜采集不予考慮。本試驗(yàn)所用的2 輛輕便摩托車(chē)型號(hào)分別為QP50T-5（發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為139QMB-J）、QJ50T-10（發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為QJ137QMB-3A）。

考慮到各地禁限摩的情況，實(shí)際道路行駛路譜采集在以濟(jì)南市、溫嶺市為代表的中國(guó)典型摩托車(chē)城市進(jìn)行。路譜采集試驗(yàn)根據(jù)實(shí)際道路的交通特征進(jìn)行，包括市區(qū)道路和市郊道路試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)實(shí)際交通狀況進(jìn)行駕駛，輕便摩托車(chē)在道路上行駛時(shí)，緊隨車(chē)流，采集時(shí)盡量按照道路上的車(chē)流形態(tài)行駛，從而能夠代表輕便摩托車(chē)在道路上的真實(shí)行駛狀況。采集的路譜包括各城市的交通高峰、非交通高峰以及夜間行駛的路譜。

路譜采集所用的儀器為英國(guó)RACELOGIC 公司生產(chǎn)的VBOX3i 車(chē)載數(shù)據(jù)采集裝置，頻率為100 Hz，通過(guò)GPS 衛(wèi)星定位技術(shù)獲取車(chē)速。該車(chē)載數(shù)據(jù)采集裝置主要用于測(cè)量移動(dòng)車(chē)輛的速度和距離，并且提供橫向和縱向加速度、減速度、平均減速度（mean fully developed deceleration，MFDD）、時(shí)間和制動(dòng)、滑行、加速等參數(shù)。該裝置體積小，重量輕，安裝方便，非常適合輕便摩托車(chē)綜合測(cè)試時(shí)使用。試驗(yàn)時(shí)，每0.1s 記錄一次車(chē)速、時(shí)間等數(shù)據(jù)。

2 輕便摩托車(chē)行駛特征

輕便摩托車(chē)行駛模式大致可分為4 類(lèi)，即怠速、加速、勻速和減速，分別定義如下[3]：

1）怠速：v ＜5 且-a0＜a ＜a0；

2）加速：a ≥a0；

3）勻速：-a0＜a ＜a0且v ≥5；

4）減速：a ＜-a0。

其中：v 為速度，km/h；a 為加（減）速度，m/s2；a0為加（減）速度閾值，m/s2，本文取a0=0.5（km·h-1）/s=0.139 m/s2。

要描述輕便摩托車(chē)的行駛特征，需要定義一些特征參數(shù)來(lái)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。本文采用11 個(gè)特征參數(shù)描述輕便摩托車(chē)的行駛特征[4-5]，包括：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(cè)試點(diǎn)的速度平均值）、平均運(yùn)行速度Vmr（去除怠速模式特征點(diǎn)后行駛段所有測(cè)試點(diǎn)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測(cè)試點(diǎn)的速度平均值）、勻速平均速度Vmc（行駛段勻速模式特征點(diǎn)的速度平均值）、減速平均速度Vmd（行駛段所有屬于減速行駛模式的測(cè)試點(diǎn)的速度平均值）。

將采集的全部數(shù)據(jù)處理成時(shí)間間隔為1 s 的速度-時(shí)間歷程，將處理好的整體路譜采集數(shù)據(jù)（速度-時(shí)間歷程）輸入程序進(jìn)行計(jì)算，得到輕便摩托車(chē)實(shí)際道路行駛的整體特征參數(shù)。采取隨機(jī)抽樣的方法，設(shè)定行駛特征參數(shù)誤差小于5%，并設(shè)定測(cè)試循環(huán)工況時(shí)間為600 s，通過(guò)計(jì)算得到合成排放測(cè)試循環(huán)（簡(jiǎn)稱(chēng)合成測(cè)試循環(huán)）的特征參數(shù)。將實(shí)際道路行駛的整體特征參數(shù)與合成測(cè)試循環(huán)的特征參數(shù)進(jìn)行比較，如表1 所示。

表1 輕便摩托車(chē)實(shí)際道路行駛與合成測(cè)試循環(huán)的特征參數(shù)比較

3 結(jié)果及分析

為了便于分析比較，將輕便摩托車(chē)合成測(cè)試循環(huán)的特征參數(shù)、歐Ⅴ測(cè)試循環(huán)的特征參數(shù)、國(guó)Ⅳ測(cè)試循環(huán)的特征參數(shù)列入表2 中。

國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)中的工況法排放Ⅰ型試驗(yàn)測(cè)試循環(huán)對(duì)于每一個(gè)小循環(huán)（112 s）只規(guī)定了先怠速8 s，然后控制油門(mén)全開(kāi)加速，達(dá)到最高車(chē)速后勻速運(yùn)行，從加速開(kāi)始到勻速結(jié)束的時(shí)間總計(jì)42 s（并未規(guī)定加速段時(shí)間和勻速段時(shí)間）。本文根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取第28 s 時(shí)達(dá)到最高車(chē)速，然后勻速運(yùn)行到第50 s，得到輕便摩托車(chē)測(cè)試循環(huán)的特征參數(shù)。

表2 輕便摩托車(chē)合成測(cè)試循環(huán)、歐Ⅴ測(cè)試循環(huán)、國(guó)Ⅳ測(cè)試循環(huán)的特征參數(shù)比較

3.1 國(guó)Ⅳ測(cè)試循環(huán)與合成測(cè)試循環(huán)對(duì)比分析

輕便摩托車(chē)國(guó)Ⅳ測(cè)試循環(huán)（ECE R47 測(cè)試循環(huán)）與合成測(cè)試循環(huán)比對(duì)如圖1 所示。

圖1 國(guó)Ⅳ測(cè)試循環(huán)與合成測(cè)試循環(huán)工況對(duì)比

結(jié)合圖1 及表2 中的特征參數(shù)可以看出，國(guó)Ⅳ測(cè)試循環(huán)的勻速比例約為合成測(cè)試循環(huán)的190.61%，而國(guó)Ⅳ測(cè)試循環(huán)的加速比例僅約為合成測(cè)試循環(huán)的57.93%，怠速比例、減速比例也相差較大。國(guó)Ⅳ測(cè)試循環(huán)與我國(guó)輕便摩托車(chē)的實(shí)際行駛狀況相差很大，將直接導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)根據(jù)國(guó)Ⅳ測(cè)試循環(huán)得到的排放數(shù)值與車(chē)輛實(shí)際道路行駛的排放數(shù)值不同，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估我國(guó)輕便摩托車(chē)的實(shí)際排放水平，不利于輕便摩托車(chē)的開(kāi)發(fā)和技術(shù)升級(jí)。

3.2 歐Ⅴ測(cè)試循環(huán)與合成測(cè)試循環(huán)對(duì)比分析

由于GTR2 法規(guī)由歐盟提出，以歐盟法規(guī)為基礎(chǔ)，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)歐盟法規(guī)的研究。而歐盟摩托車(chē)和輕便摩托車(chē)歐Ⅴ排放法規(guī)是其最新成果[6]。歐盟輕便摩托車(chē)歐Ⅴ測(cè)試循環(huán)與合成測(cè)試循環(huán)的工況對(duì)比如圖2 所示。

1）比例特性和加減速特性分析

結(jié)合圖2 及表2 可以看出，合成測(cè)試循環(huán)的怠速比例和減速比例與歐Ⅴ測(cè)試循環(huán)基本一致，合成測(cè)試循環(huán)的加速比例高于歐Ⅴ測(cè)試循環(huán)，勻速比例低于歐Ⅴ測(cè)試循環(huán)。從數(shù)據(jù)上看，似乎我國(guó)的交通狀況與歐盟相差不大。出現(xiàn)這種情況的原因可能是：我國(guó)許多大城市相繼限制輕便摩托車(chē)在市區(qū)道路上行駛，因此我國(guó)輕便摩托車(chē)城市道路行駛大部分在大城市近郊和沒(méi)有限摩的中小城市進(jìn)行，這些區(qū)域人口密度相對(duì)較小，交通流量相應(yīng)較少，紅綠燈較少，加上近些年城市道路的拓寬改造及立體交通建設(shè)，使得輕便摩托車(chē)行駛在路口等待的時(shí)間不斷減少。概括起來(lái)，原因主要是由于人口眾多、交通繁忙的各大型城市限制輕便摩托車(chē)行駛造成的。

圖2 歐Ⅴ測(cè)試循環(huán)與合成測(cè)試循環(huán)工況對(duì)比

對(duì)于加速、減速特性，結(jié)合圖2 及表2 可以看出，我國(guó)輕便摩托車(chē)加速比例高于歐盟，減速比例與歐盟基本相同，勻速比例低于歐盟。我國(guó)有一些城市市區(qū)內(nèi)不允許輕便摩托車(chē)在機(jī)動(dòng)車(chē)道行駛，只能在自行車(chē)道行駛，還有一些路面較窄的道路是機(jī)動(dòng)車(chē)與非機(jī)動(dòng)車(chē)混行，沒(méi)有自行車(chē)道，因此輕便摩托車(chē)在自行車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)和汽車(chē)之間穿行，加速的頻率比較高，加速的時(shí)間比較多，勻速比例相對(duì)較低。平均加速度和平均減速度分別為0.458 5 m/s2和0.633 4 m/s2，分別低于歐盟的0.657 4 m/s2和0.718 3 m/s2，這顯示出我國(guó)中小城市及城市近郊的路況比歐盟略差一些。同時(shí)也表明我國(guó)輕便摩托車(chē)的性能略差，與平均加速性能低于歐盟輕便摩托車(chē)的實(shí)際情況相符。

2）速度特性分析

結(jié)合圖2 及表2 可以看出，我國(guó)輕便摩托車(chē)的勻速平均速度、加速平均速度、減速平均速度、平均速度、平均運(yùn)行速度均高于歐盟。從圖2 可以看出，歐盟輕便摩托車(chē)測(cè)試循環(huán)的最高車(chē)速為45km/h，我國(guó)合成測(cè)試循環(huán)的最高車(chē)速為49.3 km/h。這可能是如前所述的由于我國(guó)的輕便摩托車(chē)主要在大城市近郊和沒(méi)有限摩的中小城市行駛，這些地方人口密度相對(duì)較小，交通流量相應(yīng)較少，紅綠燈較少。GTR2 中的輕便摩托車(chē)WMTC 測(cè)試循環(huán)是基于歐盟法規(guī)的，其測(cè)試循環(huán)45 km/h 的最高車(chē)速與我國(guó)輕便摩托車(chē)的實(shí)際行駛狀況不同。

4 結(jié)論

本文合成的輕便摩托車(chē)排放測(cè)試循環(huán)是基于輕便摩托車(chē)實(shí)際道路行駛中采集的數(shù)據(jù)，能夠真實(shí)地反映輕便摩托車(chē)的實(shí)際道路行駛特征，更符合我國(guó)輕便摩托車(chē)的實(shí)際行駛狀況。輕便摩托車(chē)合成測(cè)試循環(huán)與歐Ⅴ測(cè)試循環(huán)的實(shí)際行駛特征有一定的差距，如果WMTC 測(cè)試循環(huán)采用歐Ⅴ測(cè)試循環(huán)，該循環(huán)與我國(guó)輕便摩托車(chē)實(shí)際行駛狀況不一致，不能真實(shí)反映我國(guó)輕便摩托車(chē)的排放水平。本文的研究具有重要意義，相關(guān)數(shù)據(jù)已提交給聯(lián)合國(guó)世界車(chē)輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇污染與能源工作組，為修改WMTC 測(cè)試循環(huán)提供依據(jù)，以使試驗(yàn)工況能夠涵蓋我國(guó)輕便摩托車(chē)的行駛特征。