基于動力學因子對RDE試驗結果進行駕駛行為修正*

張遠軍，董紅磊，李岳兵，任 毅，史育海

（1.襄陽達安汽車檢測中心有限公司，襄陽 441004； 2.中國標準化研究院，北京 100191）

前言

為使車輛認證試驗結果能夠真實反映車輛實際排放水平，歐盟在WLTC（world light-duty test cycle）試驗的基礎上，提出將實際行駛排放（real driving emission，RDE）測試作為補充測試程序［1］。我國也在歐6排放法規(guī)的基礎上，于2016年12月頒布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》。雖然國6排放法規(guī)已經對RDE測試過程中的主要邊界條件做出了一系列的規(guī)定，但這些規(guī)定主要在于保證測試過程的規(guī)范性和可操作性。而在實際RDE測試過程中，駕駛行為對測試結果的影響最為嚴重［2-3］。目前國6排放法規(guī)通過行程動力學驗證和窗口加權系數等方法來消除駕駛行為激烈程度對測試結果的影響，但實際測試結果表明上述方法取得的效果有限［4］。中國汽車技術研究中心的楊正軍等［5］通過對2輛輕型汽油車進行RDE試驗，發(fā)現(xiàn)CO的排放受到車輛加速度的影響較大。北京理工大學的宋彬等［6］通過對多組RDE試驗數據進行分析后發(fā)現(xiàn)，不同駕駛行為下RDE試驗結果相差較大，認為須在原有法規(guī)的基礎上對RDE測試結果進行駕駛行為激烈程度修正，但并未提出具體有效的方法。重慶大學的耿楊濤［7］雖然提出一種對RDE試驗結果進行駕駛行為修正的方法，但該方法取得的修正效果并不明顯。

由于國6排放法規(guī)無法有效消除駕駛行為激烈程度對RDE測試結果的影響，故本文中提出通過窗口v·apos［95］來對窗口駕駛行為激烈程度進行評判，通過窗口動力學因子對RDE測試結果進行駕駛行為激烈程度的修正，提高RDE測試結果的客觀性和可重復性。為驗證該修正方法的有效性，本文中對2輛滿足國6排放標準的輕型汽油車開展RDE駕駛行為對比試驗，并對修正前后的試驗結果進行對比分析研究。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗設備

本文中共選用2輛滿足國6排放標準的輕型自動擋輕型汽油車（A車、B車），均配備三元催化轉換器和顆粒物捕捉器，其主要參數如表1所示。

表1 車輛參數

試驗所用排放測試系統(tǒng)為日本HORIBA公司生產的OBS-ONE便攜式排放測試系統(tǒng)（portable emission measurement system，PEMS），分為3大模塊：氣體模塊、顆粒物模塊和中心控制模塊。它通過氣態(tài)污染物分析儀（HORIBA-GS）測量機動車尾氣中的氣態(tài)污染物濃度，采用顆粒物實時測量系統(tǒng)（HORIBA-PN）測量顆粒物濃度。設備安裝示意圖如圖1所示。

圖1 PEMS設備安裝示意圖

1.2 試驗方法

根據RDE試驗規(guī)程要求，試驗車輛按照市區(qū)、市郊和高速路段的順序在同一測試路線上進行測試。測試過程中駕駛員分別以兩種不同的駕駛行為（正常駕駛、激烈駕駛）進行RDE測試（共進行4次RDE試驗）。駕駛行為定義如下：“正常駕駛”指駕駛員的駕駛行為與平常駕駛行為相符；“激烈駕駛”指駕駛員以一種運動、激進的方式進行駕駛，駕駛過程中伴隨著大量的急加速和急減速行為。

試驗路段選擇在襄陽市渝北區(qū)，測試路線如下：襄陽東風試驗場-奔馳大道-富康路-東風大道-襄陽大道-南京路-無錫路-深圳大道-內環(huán)路-襄陽繞城高速-漢十高速-襄陽北高速。路線圖如圖2中帶圓圈的實線所示，線旁標注的“××公里”表示累計行程。測試路線總行程76.1 km，依次按市區(qū)、市郊和高速工況行駛。其中市區(qū)行程24.83 km（占總行程32.63%），市郊行程24.63 km（32.36%），高速行程26.64 km（35.01%）。此外，RDE測試路線累積正海拔高度增加量為343.41 m/100 km，低于RDE法規(guī)限值1 200 m/100 km；整條測試路線的其他環(huán)境條件也均滿足RDE法規(guī)要求。此外，道路坡度在-0.05～0.05范圍內變動，因此可以忽略其對RDE試驗結果的影響。

圖2 測試路線圖

2 試驗驗證與結果分析

2.1 行程動力學驗證

根據RDE法規(guī)要求，試驗首先須進行動力學檢驗，以評估RDE試驗中各路段是否存在動力學不足或過度。其中，以RPA（相對正增加速度，m/s2）來評價試驗過程中是否存在動力學不足，以v·apos［95］（m2/s3）來評價試驗過程是否存在動力學過度。

RPA用來衡量測試過程的平順程度。根據法規(guī)要求，其評判標準如下：如果≤94.05 km/h，RPAk＜（-0.0016·+0.1775），行程無效；如果＞94.05 km/h，RPAk＜0.025，行程無效。

v·apos［95］是各路段中加速度大于0.1 m/s2數據點與其對應速度的乘積所組成數組中的第95百分位數，用以衡量試驗過程中的駕駛激烈程度。其評判標準如下：如果≤74.6 km/h，并且v·apos［95］＞（0.136·+14.44），行程無效；如果＞74.6 km/h，并且（v·apos）［95］＞（0.0742·+18.966），行程無效。

RDE各路段的v·apos［95］和RPA驗證結果如圖3所示，圖中虛線表示法規(guī)限值。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，4次試驗中各路段的動力學參數均滿足RDE法規(guī)要求。

圖3 動力學驗證圖

2.2 窗口劃分與驗證

根據RDE法規(guī)要求，對試驗數據中的冷起動、怠速等數據進行剔除后，按照CO2移動平均窗口法對試驗數據進行窗口劃分，最終得到CO2排放特性曲線圖，如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著駕駛行為激烈程度的上升，實際道路CO2排放特性曲線有向上提升的趨勢，但提升幅度不大。同時也發(fā)現(xiàn)，無論是正常駕駛還是激烈駕駛，實際道路CO2排放特性曲線均分布在CO2特性曲線兩側。因此直接通過CO2實際排放特性曲線，無法對駕駛行為激烈程度進行有效區(qū)分。

圖4 CO2實際排放特性曲線圖

根據法規(guī)要求，試驗通過行程動力學驗證后還須進行窗口驗證，圖5為窗口正常性驗證和完整性驗證圖。從圖5（a）可以發(fā)現(xiàn)，無論正常駕駛還是激烈駕駛，市區(qū)、市郊和高速區(qū)間下，落在基本公差帶內的窗口占總窗口數量均超過15%；從圖5（b）中可以發(fā)現(xiàn)，在市區(qū)、市郊和高速區(qū)間內，分布在基本公差帶范圍內的窗口比例超過50%。因此4次RDE試驗都通過窗口正常性和完整性的驗證。

圖5 窗口驗證圖

綜上，在滿足法規(guī)對窗口完整性和正常性的要求下，不同駕駛行為下絕大部分窗口均分布在基本公差帶之間，因此無法直接通過CO2實際排放特性曲線對RDE試驗過程中駕駛行為激烈程度進行區(qū)分。

圖6 RDE試驗結果對比圖

2.3 測試結果分析

RDE試驗滿足法規(guī)要求后，首先計算出各路段下CO、PN和NOx的加權排放量，再以市區(qū)0.34、市郊0.33和高速路段0.33進行加權計算，得到各污染物排放因子，4次RDE試驗結果對比如圖6所示（淺色、深色分別表示正常駕駛、激烈駕駛）。由圖可知，激烈駕駛行為下的各污染物排放因子均遠高于正常駕駛。其中，激烈駕駛行為下，CO排放因子相對于正常駕駛升高64.01%～220.97%；PN排放因子相對于正常駕駛行為升高69.46%～262.32%；NOx排放因子相對于正常駕駛升高18.46%～46.21%。結果表明：各污染物排放因子受到駕駛行為激烈程度的影響較大，造成不同駕駛行為下各污染物排放結果具有很大差異。此外，從圖中也可以發(fā)現(xiàn)：正常駕駛行為下各污染物排放因子均在法規(guī)限值內；而在激烈駕駛行為下，A車的PN排放量（1.27×1012/km）超過RDE法規(guī)限值（1.26×1012/km），造成A車兩次試驗結果的試驗結論不一致。而從2.2節(jié)可知，4次RDE試驗均能通過行程動力學、窗口完整性和正常性的驗證，即4次RDE試驗結果均認為有效。結果表明，國6排放法規(guī)目前無法有效排除駕駛行為對RDE試驗結果的影響，導致RDE試驗結果目前不具備客觀性和可重復性。

綜上，由于當前法規(guī)無法有效消除駕駛行為對RDE試驗結果的影響，造成不同駕駛行為下的RDE試驗結果具有很大差異。因此有必要對目前RDE試驗結果計算方法進行駕駛行為激烈程度的修正，降低駕駛行為激烈程度對RDE試驗結果的影響，提高測試結果的客觀性和合理性。

3 修正方法

3.1 駕駛行為激烈程度的量化與區(qū)分

為對每個窗口的駕駛行為激烈程度進行量化，參照國6排放法規(guī)中路段v·apos［95］計算方法來計算窗口的v·apos［95］，以此來量化窗口駕駛行為激烈程度。

由于WLTC是基于大量實際道路排放數據建立循環(huán)工況，因此WLTC測試數據能代表實際的駕駛行為。因此在WLTC標準測試數據的基礎上，提取出動力學參數特征，建立正常駕駛行為評判基準（WLTC基準線）。以國6排放法規(guī)行程動力學驗證要求中的v·apos［95］驗證線，并將其作為激烈駕駛行為限值線（v·apos［95］限值線）。其中，WLTC基準線定義如下：如果≤74.6 km/h，v·apos［95］=（0.136·+8.05）；如果＞74.6 km/h，v·apos［95］=（0.0742·+12.66）。若窗口v·apos［95］位于WTLC基準線以下，則該窗口為正常窗口；若窗口v·apos［95］位于WTLC基準線與行程動力學v·apos［95］限值線之間，則該窗口為激烈窗口；若窗口v·apos［95］位于行程動力學v·apos［95］限值線之上，則該窗口為異常窗口。

圖7為不同駕駛行為下窗口v·apos［95］分布圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，激烈駕駛行為下各窗口的v·apos［95］顯著高于正常駕駛行為下各窗口的v·apos［95］，表明窗口v·apos［95］可以很好地對窗口駕駛行為激烈程度進行量化。此外，還可發(fā)現(xiàn)，對于正常駕駛行為，其窗口v·apos［95］絕大部分分布在WLTC基準線附近；而激烈駕駛行為下各窗口v·apos［95］則明顯靠近v·apos［95］限值線。表明本文中定義的駕駛行為評判基準可有效對RDE試驗中正常窗口和激烈窗口進行區(qū)分。

綜上，本文中定義的窗口v·apos［95］可很好地對各窗口駕駛行為激烈程度進行量化。通過WLTC基準線和v·apos［95］限值線，可以對窗口進行駕駛行為激烈程度的有效區(qū)分。

圖7 窗口v·a pos［95］分布圖

3.2 窗口v·a pos［95］與污染物相關性分析

為分析窗口v·apos［95］對污染物排放特性的影響，本節(jié)中計算出了各路段下窗口的v·apos［95］和污染物排放因子，然后以2 m2/s3為間隔對不同路段的窗口v·apos［95］進行分組，最后計算出各組中各窗口的平均v·apos［95］、平均污染物排放因子和兩者的相關系數。

圖8為不同路段下窗口v·apos［95］和CO排放因子的分布圖。由圖可知，在市區(qū)路段，A車、B車的CO排放和窗口v·apos［95］的相關性系數差異幅度較大，差異范圍為0.953 9～0.005 9。但是通過以10 m2/s3為閾值，對v·apos［95］與CO排放的相關性進行分段分析，則可以發(fā)現(xiàn)：當v·apos［95］＜10 m2/s3時，無論是A車還是B車，CO排放水平均隨著v·apos［95］的升高而降低，兩者呈負相關性；當v·apos［95］＞10 m2/s3時，CO排放隨著v·apos［95］增大而升高。這是因為，當v·apos［95］＜10 m2/s3時（結合圖7），此時處于正常駕駛區(qū)間，可燃混合氣燃燒充分，因而駕駛行為對CO排放沒有影響；當v·apos［95］＞10 m2/s3時，此時處于激烈駕駛區(qū)間，可燃混合氣進行不完全燃燒，CO排放隨著駕駛行為激烈程度的上升而增加，兩者呈明顯的正相關性。

因此在市郊和高速路段下，此時絕大多數窗口均處于激烈駕駛區(qū)間，因而窗口CO排放因子和v·apos［95］的差異明顯得到改善，相關系數差異范圍分別為：0.935 3～0.953 1和0.766～0.957，并均處于強正相關性區(qū)間。在市郊和高速路段下，隨著交通狀況的改善，CO排放水平隨著駕駛行為激烈程度的增加而急劇上升。

圖9為各路段下PN排放和窗口v·apos［95］的分布圖。由圖可知，在市區(qū)路段PN排放與窗口v·apos［95］的相關性仍然具有較大差異，差異范圍為0.407 1～0.954 9，仍不能保持一個穩(wěn)定的強正相關性。但是同樣以10 m2/s3為閾值，對v·apos［95］與PN排放的相關性進行分段分析，可以發(fā)現(xiàn)：當v·apos［95］＜10 m2/s3時，此時窗口處于正常駕駛區(qū)間，PN排放不受到駕駛行為的影響，兩者相關性系數??；而當v·apos［95］大于10 m2/s3時，此時窗口處于激烈駕駛區(qū)間，PN排放隨著駕駛行為激烈程度的上升而顯著升高，兩者呈明顯的正相關性。

圖8 CO相關性分析

圖9 PN相關性分析

而在市郊和高速路段下，PN排放與窗口v·apos［95］的正相關性得到明顯的改善，差異范圍分別為0.714 5～0.835 5和0.876 2～0.926 7，均處于強正相關性區(qū)間，均能夠保持穩(wěn)定的強正相關性。因此，PN排放水平隨著駕駛行為激烈程度升高而急劇上升。

圖10為不同路段下NOx排放和窗口v·apos［95］的分布圖。由圖可知，無論是在市區(qū)、市郊還是高速路段，NOx排放與窗口v·apos［95］的相關性與CO和PN的規(guī)律不同。B車無論是在市區(qū)、市郊還是高速路段，NOx均隨v·apos［95］的增大呈先升后降的趨勢。至于A車，在市區(qū)路段，兩者基本不存在相關性；在市郊路段，NOx排放隨v·apos［95］的增大呈先降后升的趨勢；而在高速路段，v·apos［95］小于20時，NOx排放基本與v·apos［95］無關，而當v·apos［95］大于20時，NOx排放基本隨v·apos［95］的增大呈線性上升。

圖10 NO x相關性分析

3.3 窗口動力學因子

由上可知，在激烈駕駛區(qū)間，窗口v·apos［95］既能體現(xiàn)該窗口駕駛行為的激烈程度，還能反映窗口各污染物的排放水平。因此本文中提出對每個窗口v·apos［95］進行歸一化，得到每個窗口的動力學因子，據此對RDE試驗結果進行駕駛行為激烈程度的修正。

窗口v·apos［95］的歸一化，即其動力學因子（C）的計算公式如式（1）所示，計算示意圖如圖11所示。

圖11 窗口動力學因子計算示意圖

式中：v·apos［95］tol，i，k為窗口i的v·apos［95］法規(guī)限值；v·apos［95］i，k為窗口i的v·apos［95］；v·apos［95］wltc，i，k為窗口i的v·apos［95］WTLC基準值；u、r、m分別表示市區(qū)、市郊、高速。

如果Ci，k≤0，Ci，k＝0；如果Ci，k≥1，Ci，k＝1。

各路段污染物排放修正公式為

式中：wj為窗口j的加權系數；Mgas，d，j為排氣成分gas在窗口j的排放因子；Cj為窗口j的貢獻因子。

氣態(tài)污染物排放計算公式為

其中：fu＝0.34；fr＝0.33；fm＝0.33

3.4 修正結果分析

圖12為正常駕駛行為下RDE試驗結果修正后的結果對比圖（淺色、深色分別為修正前后RDE試驗結果）。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，窗口動力學因子修正后，雖然RDE試驗結果出現(xiàn)一定程度的下降，但是下降幅度較小，基本能夠與修正前的試驗結果保持一致。其中，A車下降幅度為10.46%～30.06%；B車的下降幅度較小，為1.96%～9.28%。通過結合圖7的v·apos［95］分布圖進行分析可以發(fā)現(xiàn)：A車在80 km/h左右這一區(qū)間窗口駕駛行為的激烈程度顯著升高，因而在這一速度區(qū)間對各污染排放值的修正程度較大；而B車在高速區(qū)間，也有部分窗口超過WLTC基準線，屬于輕微激烈窗口，因此也會對窗口各污染排放值進行修正。上述現(xiàn)象也表明，正常駕駛行為下的部分速度區(qū)間駕駛行為仍略微激烈，并不屬于法規(guī)嚴格意義上的正常駕駛行為，因而窗口動力學因子會對各污染物排放因子進行一定修正。綜上，由于實際的正常駕駛行為并不是法規(guī)嚴格意義上的正常駕駛，因此會對RDE試驗結果進行輕微修正，使修正后的RDE試驗結果出現(xiàn)輕微下降。但總體而言基本能滿足對正常駕駛行為下RDE試驗結果不修正這一要求。

圖12 正常駕駛修正對比圖

圖13 修正結果圖

圖13為4次RDE試驗經過窗口動力學因子修正后結果對比圖。對圖13中修正前后排放結果進行對比分析（以正常駕駛試驗結果為基準），結果表明，經過修正后，激烈駕駛行為下的各污染物相對正常駕駛行為的排放增加量得到明顯降低，不同駕駛行為下A車、B車各污染物排放限值滿足RDE法規(guī)要求，保證了測試結果的一致性。此外，正常駕駛和激烈駕駛行為下CO和PN排放因子的差異顯著減小，最終的測試結果基本能很好地保持一致。其中，CO排放相對差異從64.01%～220.97%降至17.26%～19.90%；PN排放相對差異從69.46%～262.32%降至1.88%～10.43%。對NOx進行分析可以發(fā)現(xiàn)，經過修正后，雖然不同駕駛行為下的RDE試驗排放量的差異情況也明顯減小，但對NOx出現(xiàn)了過修正現(xiàn)象。其中，NOx排放相對差異從18.46%～46.21%降至-11.29%～-43.43%。這是因為NOx與v·apos［95］的相關性相對于CO、PN與v·apos［95］的相關性有所降低［6］，因此通過窗口動力學因子對NOx進行修正的效果有所降低，導致NOx出現(xiàn)了過修正。

綜上，通過窗口動力學因子對RDE測試結果進行駕駛行為激烈程度修正后，不同駕駛行為下各污染物排放因子可很好地保持一致，但對NOx會造成過修正。

3.5 NO x修正

由3.2節(jié)可知，在激烈駕駛區(qū)間，CO排放和PN排放隨著v·apos［95］的增加，NOx排放隨著v·apos［95］增加而呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。即，PN和CO幾乎在整個加速階段均受到駕駛行為的影響，并且受影響程度與駕駛行為激烈程度成正比；而NOx僅在部分加速區(qū)間才受到駕駛行為的影響，因而通過窗口動力學因子對RDE測試結果進行修正后，造成NOx過修正現(xiàn)象。因此有必要設立修正閾值，避免在高v·apos［95］區(qū)間對NOx進行修正，提高對NOx的修正效果。本文中通過多次試驗將閾值設立為0.2。即，當窗口動力學因子小于0.2，認為NOx排放不受駕駛行為的影響，窗口動力學因子設為1，窗口不進行駕駛行為激烈程度修正；當窗口動力學因子大于0.2，仍通過窗口動力學因子進行駕駛行為激烈程度修正。最終NOx修正圖如圖14所示。由圖可知，此時NOx排放相對差異從18.46%～46.21%降至10.82%～19.68%，有效避免了過修正現(xiàn)象的發(fā)生。圖15為RDE試驗結果最終修正結果圖。

圖14 NO x修正結果圖

圖15 最終修正圖

4 結論

（1）對2輛滿足國6排放標準的輕型汽車開展RDE駕駛行為對比試驗，結果表明：不同駕駛行為下各污染物排放因子差異程度顯著。激烈駕駛行為下，CO排放因子相對于正常駕駛升高64.01%～220.97%；PN排放因子相對于正常駕駛行為升高69.46%～262.32%；NOx排放因子相對于正常駕駛升高18.46%～46.21%。

（2）以WLTC基準線作為正常駕駛行為評判基準、v·apos［95］限值線作為激烈駕駛極限值，再基于窗口v·apos［95］可很好地對窗口進行駕駛行為激烈程度區(qū)分。其中，正常駕駛行為下，各窗口基本分布在WLTC基準線以下，激烈駕駛行為下各窗口分布在WLTC基準線和v·apos［95］限值線之間。

（3）當窗口v·apos［95］＞10 m2/s3時，CO排放和PN排放均能與v·apos［95］保持穩(wěn)定的正相關性，即隨著v·apos［95］的增加而上升；至于NOx排放，則呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律。

（4）以WLTC基準線和v·apos［95］限值線對各窗口的v·apos［95］進行歸一化操作，得到各窗口動力學因子，以對各窗口的污染物排放因子進行駕駛行為修正。

（5）通過窗口動力學因子修正后，可大幅降低不同駕駛行為下RDE測試結果的差異。其中，CO排放相對差異從69.01%～220.97%降至17.26%～19.90%；PN排放相對差異從69.48%～262.32%降至1.88%～10.43%；NOx排放相對差異從18.46%～46.21%降至10.82%～19.68%。