窗口劃分方法對輕型車道路排放計算結(jié)果的影響＊

馬志磊 何超 李加強

（西南林業(yè)大學(xué)，昆明 650224）

1 前言

實驗室排放測試（Ⅰ型試驗）不能完全真實地反映汽車道路排放水平，故歐盟開發(fā)了實際行駛排放（Real Driving Emission，RDE）測試程序[1-3]，參考?xì)W盟法規(guī)，國六排放法規(guī)也首次加入實際行駛污染物排放試驗（Ⅱ型試驗）[4]，以期減少道路交通排放，改善空氣污染狀況[5]，并規(guī)定使用移動平均窗口法計算Ⅱ型試驗的排放結(jié)果。

目前，針對輕型車RDE試驗已開展了以下研究：進(jìn)行不同動力裝置與燃料汽車的RDE 試驗，使用移動平均窗口法處理數(shù)據(jù)，并研究各類汽車的排放特性[6]；進(jìn)行不同海拔下的輕型車RDE試驗并使用移動平均窗口法處理數(shù)據(jù)，研究排放隨海拔的變化關(guān)系[7]；對輕型車熱起動、冷起動時的排放數(shù)據(jù)納入窗口計算后的排放結(jié)果變化進(jìn)行研究[8]；使用功率等級分組法、移動平均窗口法處理輕型車RDE 試驗數(shù)據(jù)，分析不同數(shù)據(jù)處理方法對排放計算結(jié)果的影響[9]。也有部分研究探討了重型車使用的功基窗口法，研究了窗口數(shù)值的大小對排放計算結(jié)果的影響[10]。法規(guī)允許使用2種窗口劃分方法，即從前向后劃分窗口和從后向前劃分窗口，本文按照RDE 試驗要求，在3輛輕型車上完成道路試驗并分別使用2種窗口劃分方法處理數(shù)據(jù)，研究其對排放計算結(jié)果的影響。

2 道路試驗與劃分窗口

2.1 道路試驗

按照GB 18352.6—2016《輕型車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中的實際行駛污染物排放試驗（Ⅱ型試驗）要求，分別在3輛輕型車上進(jìn)行道路排放測試，使用SEMTECH公司的ECOSTAR汽車尾氣測試儀測量道路行駛中的CO2、CO、NOx與顆粒物排放，使用GPS采集汽車行駛的地理數(shù)據(jù)及車速，連接車載診斷接口采集發(fā)動機與汽車運行數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)的采樣頻率為1 Hz。3輛試驗車均使用渦輪增壓發(fā)動機，燃用92號汽油，排放標(biāo)準(zhǔn)為國六，基本參數(shù)如表1所示。

表1 試驗車參數(shù)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，分別駕駛試驗車在市區(qū)、市郊、高速道路上行駛，各路段行駛里程比例分別為34%、33%與33%，各路段比例誤差控制在10%以內(nèi)，同時確保市區(qū)里程比例不低于29%，各路段行程不少于16 km。市區(qū)道路車速控制在60 km/h以內(nèi)，平均車速15～40 km/h；市郊道路車速范圍為60～90 km/h；高速路段車速大于90 km/h，并覆蓋90～110 km/h 的車速范圍，車速高于100 km/h的時間應(yīng)達(dá)到5 min。按照市區(qū)、市郊、高速道路的順序完成測試。

2.2 劃分窗口

移動平均窗口法先將所有測試結(jié)果根據(jù)一定要求分割成諸多數(shù)據(jù)子集（窗口），再計算各窗口中的平均排放，最后通過判斷各窗口的正常性，加權(quán)計算得到各路段的排放因子、總行程的排放因子。使用移動平均窗口法處理數(shù)據(jù)，可以減少排放計算結(jié)果的波動，減少某些不正常數(shù)據(jù)點對計算結(jié)果的影響。

國家標(biāo)準(zhǔn)中允許使用2種窗口劃分方法，一種是從試驗數(shù)據(jù)的第1點向后計算并劃分窗口，另一種是從最后1點向前計算并劃分窗口。

向后計算劃分出第i個窗口的方法如圖1 所示，該窗口由式（1）確定：

式中，M(t1,i)、M(t2,i)分別為從試驗開始時刻至t1,i、t2,i時刻內(nèi)測得的CO2累計排放質(zhì)量；t1,i、t2,i為第i個窗口的起、止時間；Mref為參考CO2質(zhì)量，取值為Ⅰ型試驗車輛實際排放CO2質(zhì)量的一半。

圖1 向后計算劃分方法

設(shè)Δt為數(shù)據(jù)采樣周期，t2,i可根據(jù)式（2）確定：

從最后1 點向前計算并劃分第i個窗口的方法如圖2所示，該窗口由式（3）確定：

圖2 向前計算劃分方法

使用2種窗口劃分方法得到的窗口數(shù)量信息如表2所示，可以看出向后計算劃分得到的窗口數(shù)更多。

表2 2種窗口劃分方法得到的窗口數(shù)量 個

各窗口內(nèi)包含的數(shù)據(jù)點數(shù)量如圖3 所示。向后計算并劃分窗口時，隨著窗口序號增加，窗口內(nèi)包含的數(shù)據(jù)點數(shù)量呈減少趨勢。由于道路排放試驗按照市區(qū)、市郊、高速道路的順序進(jìn)行，發(fā)動機負(fù)荷、轉(zhuǎn)速逐步上升，CO2排放量依次升高，靠后的窗口只需較少的數(shù)據(jù)點即可使累加的CO2排放量達(dá)到參考CO2質(zhì)量，劃分為一個窗口，故可劃分出更多的窗口。

圖3 各窗口內(nèi)包含的數(shù)據(jù)數(shù)量

同理，向前計算時，隨著窗口序號增加，窗口內(nèi)包含的數(shù)據(jù)點數(shù)量呈增加趨勢。

3 排放計算與結(jié)果分析

3.1 排放計算

計算劃分出的各窗口內(nèi)的平均車速、CO2排放因子，可得到車輛CO2特性曲線，如圖4所示。將窗口平均車速小于45 km/h 的窗口定義為市區(qū)窗口，平均車速在[45,80)km/h 范圍內(nèi)的窗口定義為市郊窗口，平均車速不小于80 km/h的窗口定義為高速窗口。在圖上作出基準(zhǔn)線、基本公差、擴展公差，并判斷窗口正常性，計算各路段、總行程的加權(quán)排放。

設(shè)置3個參考點P1～P3，得到基準(zhǔn)線：P1點橫坐標(biāo)為19 km/h（WLTC工況低速段平均速度），縱坐標(biāo)為試驗車輛WLTC 低速段CO2排放因子的1.2 倍；P2點橫坐標(biāo)為56.6 km/h（WLTC工況高速段平均速度），縱坐標(biāo)為試驗車輛WLTC高速段CO2排放因子的1.1倍；P3點橫坐標(biāo)為92.3 km/h（WLTC工況超高速段平均速度），縱坐標(biāo)為試驗車輛WLTC超高速段CO2排放因子的1.05倍。

基本公差為基準(zhǔn)線分別向上、下浮動25%，擴展公差為基準(zhǔn)線分別向上、下浮動50%。從圖4 可以看出，3 輛試驗車的CO2特性曲線基本落在基本公差帶內(nèi)。基本公差帶內(nèi)窗口的各污染物排放因子權(quán)重w=1，擴展公差帶以外窗口的各污染物排放因子的權(quán)重w=0?；竟钆c擴展公差之間窗口的各污染物排放因子的權(quán)重為：

式中，Mi為基本公差與擴展公差之間的窗口i內(nèi)的CO2排放因子；為窗口i內(nèi)的平均車速Vˉi所對應(yīng)的基準(zhǔn)線上的CO2排放因子。

圖4 車輛CO2特性曲線

各路段的加權(quán)排放因子為：

式中，Mgas,k、MPN,k分別為市區(qū)、市郊、高速路段加權(quán)的氣態(tài)污染物排放因子和顆粒物排放因子；Mgas,i、MPN,i分別為各窗口內(nèi)的氣態(tài)污染物排放因子、顆粒物排放因子；u、r、m分別代表市區(qū)、市郊、高速路段。

總行程排放因子為：

式中，Mgas,t為總行程的氣態(tài)污染物排放因子；fu=0.34、fr=0.33、fm=0.33 分別為市區(qū)、市郊、高速路段權(quán)重；MPN,t為總行程的顆粒物排放因子。

3.2 排放結(jié)果分析

使用移動平均窗口法計算得到3輛試驗車市區(qū)、市郊、高速路段與總行程的CO排放因子，如圖5所示。除車輛1 市郊工況外，向前計算并劃分窗口得到的CO 排放因子均較向后計算時低。

圖5 CO排放因子對比

市區(qū)、市郊、高速路段與總行程的NOx排放因子如圖6 所示。除車輛3 高速工況外，向前計算得到的NOx排放因子均較向后計算時低。

市區(qū)、市郊、高速路段與總行程的顆粒物排放因子如圖7 所示。除車輛1 市郊工況、車輛3 高速工況外，向前計算得到的顆粒物排放因子均較向后計算時低。

使用2 種數(shù)據(jù)處理方法得到的總行程CO、NOx、顆粒物排放因子如表3所示，使用向前計算并劃分窗口的方法時，所得到的CO、NOx、顆粒物排放因子分別平均較向后計算時低7.79%、1.41%、4.71%。

圖6 NOx排放因子對比

圖7 顆粒物排放因子對比

道路試驗中采集的各數(shù)據(jù)點進(jìn)入窗口被使用的次數(shù)如圖8所示。向后計算時，首先使用最前端的數(shù)據(jù)點作為第1 個窗口的起始點，窗口起始點逐步后移，因此第1個數(shù)據(jù)點僅使用1次、第2個數(shù)據(jù)點僅使用2次，以此類推，前端數(shù)據(jù)點進(jìn)入窗口次數(shù)線性上升，直至第1個窗口的終點。

向后計算時，市郊、高速路段的部分?jǐn)?shù)據(jù)點使用次數(shù)較向前計算時多。且由于前端（市區(qū)）數(shù)據(jù)點的CO2排放量較小，在中、后端的窗口中，雖然窗口的起始點不斷向后推移，但窗口終點會滯留在某CO2排放量較大的數(shù)據(jù)點上，且能夠一直使窗口內(nèi)累加的CO2排放量達(dá)到參考CO2質(zhì)量。在窗口起點向后推移多次后，窗口內(nèi)累加的CO2排放量不再滿足參考CO2質(zhì)量要求時，窗口終點才會向后推移。在窗口終點滯留過程中，該CO2排放量較大的市郊、高速數(shù)據(jù)點中的污染物排放量在窗口中所占的比重逐漸變大。汽車在市郊、高速路段行駛時發(fā)動機轉(zhuǎn)速、負(fù)荷較市區(qū)路段行駛時高，道路排放有上升的趨勢，使向后計算時的排放結(jié)果偏高。

表3 總行程排放因子計算結(jié)果對比

圖8 各數(shù)據(jù)點在窗口法計算中被使用次數(shù)

同理，向前計算時，市區(qū)路段數(shù)據(jù)點的使用次數(shù)較多，而市郊、高速路段數(shù)據(jù)點的使用次數(shù)偏少。

4 結(jié)論

a.按照市區(qū)、市郊、高速道路的順序完成輕型車道路試驗，使用向后劃分窗口的方法時，靠后的窗口內(nèi)只需要較少的數(shù)據(jù)點即可使累加的CO2排放量達(dá)到參考CO2質(zhì)量，可使窗口起始點更為靠后，得到的窗口數(shù)量較向前劃分窗口時多。

b.使用向前劃分窗口的方法時，所得到的CO、NOx、顆粒物排放因子分別平均較向后劃分窗口計算時低7.79%、1.41%、4.71%。

c.使用向后劃分窗口的方法時，市郊、高速工況數(shù)據(jù)點進(jìn)入窗口的次數(shù)較向前劃分窗口時多，且窗口起始點后移過程中，窗口終點會滯留在某CO2排放量較大的市郊、高速數(shù)據(jù)點上，使市郊、高速數(shù)據(jù)點中的污染物排放量在窗口排放計算中占有更高比重。

d.向前劃分窗口對滿足實際行駛污染物排放試驗（Ⅱ型試驗）的要求比較有利。但也可以通過統(tǒng)一窗口劃分方法，消除計算結(jié)果的差別對認(rèn)證的影響。