輕型車RDE動力學(xué)參數(shù)特征與驗證合理性研究

馬志磊，何超，李加強(qiáng)，劉學(xué)淵

(1.西南林業(yè)大學(xué)機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224；2.云南省高校高原山區(qū)機(jī)動車環(huán)保與安全重點實驗室，云南 昆明 650224)

汽車實際道路行駛污染物排放與實驗室測試排放之間存在著較大區(qū)別， 而通過實際行駛污染物排放(RDE)試驗可以得到真實的汽車道路行駛排放特征。為了得到真實的汽車排放水平，輕型車國六排放標(biāo)準(zhǔn)中引入了RDE測試，并基于Ⅰ型試驗CO排放因子進(jìn)行窗口正常性驗證，基于RDE試驗車速計算動力學(xué)參數(shù)·_[95]、RPA進(jìn)行行程有效性驗證，以此來規(guī)范RDE試驗的邊界。

目前，已對動力學(xué)參數(shù)與污染物排放的關(guān)系進(jìn)行了部分研究。宋彬、禹文林等研究發(fā)現(xiàn)，·_[95]、RPA與污染物排放存在相關(guān)關(guān)系。也有對RDE試驗的驗證方法是否合理進(jìn)行的研究。李岳兵分析了不同駕駛行為下RDE試驗的動力學(xué)參數(shù)，建議采用窗口·_[95]對駕駛行為的激烈程度進(jìn)行評判。葛蘊(yùn)珊等通過分析RDE試驗與WLTC循環(huán)的加速度分布，認(rèn)為在進(jìn)行窗口數(shù)據(jù)的正常性驗證時，參考點P1，P2，P3使用的系數(shù)偏高，使窗口正常性驗證通過率下降。YaChao Wang等發(fā)現(xiàn)，受空氣阻力影響，高海拔地區(qū)RDE試驗的窗口正常性驗證通過率下降。

RDE試驗?zāi)壳叭匀惶幱诎l(fā)展階段，針對RDE試驗方法、邊界條件的研究可以促進(jìn)RDE測試標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善。本研究按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行12次RDE試驗，分析各試驗與WLTC循環(huán)動力學(xué)參數(shù)的分布規(guī)律，研究動力學(xué)參數(shù)的特征與·_[95]的取值方法是否能真實反映各速度組的情況，對動力學(xué)參數(shù)的邊界與計算方法合理性進(jìn)行探討。此外，分析不同海拔RDE試驗市區(qū)、市郊、高速窗口與WLTC循環(huán)低速、高速、超高速段的RPA、CO排放因子的關(guān)系，從動力學(xué)參數(shù)的視角對窗口正常性驗證中參考點P1、P2、P3的系數(shù)是否合理進(jìn)行了討論。

1 道路試驗與數(shù)據(jù)處理方法

1.1 道路試驗

按照輕型車國六排放標(biāo)準(zhǔn)中的RDE試驗要求，進(jìn)行了12次道路試驗。使用SEMTECH作為便攜式道路排放測試設(shè)備，在其燃油經(jīng)濟(jì)性模塊中采用不分光紅外分析法測量排氣中的CO排放，用于計算RDE試驗市區(qū)、市郊、高速窗口的CO排放因子，與WLTC循環(huán)各速度段CO排放因子對比，分析動力學(xué)參數(shù)對窗口法正常性驗證的影響。使用GPS采集汽車的車速信息，用于計算RDE試驗中各速度組、窗口內(nèi)的動力學(xué)參數(shù)·_[95]與RPA，以分析動力學(xué)參數(shù)的特征，采樣頻率均為1 Hz。各試驗的車輛基本參數(shù)如表1所示。

表1 試驗車輛基本參數(shù)

試驗車輛在不同海拔地區(qū)按照RDE試驗要求在市區(qū)、市郊、高速路段行駛。試驗基本情況如表2所示。

表2 道路試驗基本情況

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 動力學(xué)參數(shù)計算

RDE試驗后使用車速高于3 km/h的數(shù)據(jù)點劃分速度組，車速不大于60 km/h的數(shù)據(jù)劃分為市區(qū)速度組，車速在60～90 km/h之間的數(shù)據(jù)劃分為市郊速度組，車速大于90 km/h的數(shù)據(jù)劃分為高速速度組，計算各速度組的·_[95]與RPA，并對行程的有效性進(jìn)行驗證。

·_[95]是各速度組中不低于0.1 m/s的加速度與車速乘積·值升序排列的第95百分位的數(shù)值。行程有效性驗證時，為保證行駛不太過激烈，使用上邊界進(jìn)行限制。若各速度組的·_[95]超出上邊界，則說明駕駛過于激烈，行程無效。超出邊界的判斷公式如下：

(1)

(2)

RPA的計算公式如下：

(3)

式中：Δ取1 s；為車速；為不低于0.1 m/s的正加速度；為時間步長的行駛距離；為速度組中正加速度不低于0.1 m/s的樣本數(shù)；為速度組中的樣本總數(shù)。

行程有效性驗證時，為保證行駛不太過平緩，使用下邊界進(jìn)行限制，若各速度組的RPA超出下界，說明駕駛過于平緩，行程無效。超出邊界的判斷公式如下：

(4)

(5)

1.2.2 窗口數(shù)據(jù)計算

將各試驗車輛Ⅰ型試驗中WLTC循環(huán)CO排放量的一半作為閾值，使用移動平均窗口法對RDE試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行窗口劃分，計算各窗口中的CO排放因子、平均車速、·_[95]與RPA，其中動力學(xué)參數(shù)的計算方法與上述各速度組中的計算方法相同。

將平均車速小于45 km/h的窗口劃分為市區(qū)窗口，平均車速在45～80 km/h之間的窗口劃分為市郊窗口，平均車速高于80 km/h的窗口劃分為高速窗口。使用式(6)計算市區(qū)、市郊、高速窗口的平均CO排放因子。

(6)

式中：CO,為窗口內(nèi)的CO排放因子；為各路段窗口起點；為各路段窗口終點；u,r,m分別代表市區(qū)、市郊、高速路段。

2 動力學(xué)參數(shù)特征分析

2.1 v·apos_[95]與車速的關(guān)系

使用移動平均窗口法對各RDE試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行窗口劃分，計算各窗口中的·_[95]和窗口內(nèi)平均車速。由圖1可看出，·_[95]有隨著車速上升而升高的趨勢。有9次RDE試驗中的相關(guān)系數(shù)大于等于0.75，僅有Test4、Test5相關(guān)系數(shù)小于0.5，呈低度線性相關(guān)。各試驗相關(guān)系數(shù)的平均值為0.766，說明在大部分RDE試驗中，·_[95]與窗口內(nèi)平均車速之間呈顯著正相關(guān)的關(guān)系。

圖1 v·apos_[95]與車速的關(guān)系

2.2 各速度組中v·apos_[95]的特征

各RDE試驗中市區(qū)、市郊、高速速度組1～100百分位上的·值如圖2所示?？煽闯?，各百分位處的·值有隨著市區(qū)、市郊、高速路段的次序依次升高的趨勢，與窗口內(nèi)·_[95]隨窗口內(nèi)平均車速上升而升高的趨勢相同。

但僅有5次RDE試驗中(Test1、2、9、10、12)各速度組取出的·_[95] 表現(xiàn)出隨著市區(qū)、市郊、高速的次序依次升高的規(guī)律。在另外7次RDE試驗中，市郊與高速速度組的·值在第95個百分位處或第95個百分位之前發(fā)生了交匯，使后續(xù)百分位處市郊速度組的·值高于高速速度組。市郊、高速路段行駛時，路況擁堵、因跟馳行駛而頻繁加減速等工況比市區(qū)行駛時少，且主要使用最高擋駕駛，受驅(qū)動力隨傳動比下降的影響，值較市區(qū)行駛時降低，但因車速較高，市郊、高速速度組的·值整體高于市區(qū)速度組。高速行駛時，在與市郊行駛相似的公路路面、坡度條件下，汽車行駛的滾動阻力、坡度阻力區(qū)別不大，而高速行駛時所受的空氣阻力較市郊行駛上升較大，使供加速使用的驅(qū)動力比市郊行駛時有所減少，且隨著車速上升，空氣阻力進(jìn)一步增加，加速能力將進(jìn)一步下降，使高速速度組百分位較高處的·值上升較為平緩。雖然高速行駛時車速較高，高速速度組的·值呈現(xiàn)整體高于市郊速度組的趨勢。但市郊行駛時若部分工況駕駛行為激烈，使市郊速度組中部分值較高，雖然市郊行駛車速較高速時低，但將使百分位較高處的·值上升較快，與高速速度組相交。

3個速度組大部分百分位處的·值是依次升高的，因部分試驗中高速速度組在百分位較高處上升平緩，使市郊速度組中在第90～100百分位處的部分·值高于高速速度組，令市郊速度組取得的·_[95]高于高速速度組·_[95]，不能很好地反映高速速度組·值在絕大部分范圍內(nèi)高于市郊速度組·值的情況。若各速度組取值位置前移為第90個百分位，可使9次RDE試驗中各速度組的·表現(xiàn)出隨著市區(qū)、市郊、高速的次序依次升高的規(guī)律，可以更好地反映各速度組中·值依次升高的變化規(guī)律。在3次RDE試驗中(Test4、5、8)，市郊速度組·_[95]仍高于高速速度組·_[95]，主要原因是這3次試驗中高速路段行駛較為平緩，而市郊行駛較為激烈，市郊速度組大部分百分位處的·值高于高速速度組，市郊速度組·_[95]較高也真實反映了這3次試驗中各速度組·的分布情況。

因此，將對各速度組取值的百分位由第95百分位前移，可以使取出的·值更好地代表各速度組·值的變化情況。具體的前移位置仍需要通過進(jìn)一步研究來判斷。

圖2 各速度組中v·apos_[95]的特征

2.3 RPA與車速的關(guān)系

使用移動平均窗口法對各RDE試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行窗口劃分，計算各窗口中的RPA、窗口內(nèi)平均車速。由圖3可看出，RPA有隨著窗口內(nèi)平均車速上升而下降的趨勢。有11次RDE試驗的||值大于0.8，僅有Test11的||值低于0.8，為0.640。各試驗相關(guān)系數(shù)平均值為-0.866，說明在大部分RDE試驗中，RPA與窗口內(nèi)平均車速之間呈顯著負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

車速較低的窗口中主要包含的是市區(qū)行駛工況，雖然車速較低，但市區(qū)行駛主要使用中、低擋位行駛，能夠得到利于加速的驅(qū)動力條件，并且按照試驗要求，市區(qū)道路試驗中實際車速小于1 km/h的停車時段應(yīng)占市區(qū)行駛時間的6%～30%，因此市區(qū)行駛中包含較多的因紅綠燈、跟馳行駛形成的停車起步、頻繁加減速工況。同時，由低速窗口中的數(shù)據(jù)點計算得到的行駛距離較短。此外，動力學(xué)參數(shù)僅使用車速大于3 km/h的數(shù)據(jù)點進(jìn)行計算，而市區(qū)行駛包含較多車速低于3 km/h的數(shù)據(jù)點，在動力學(xué)參數(shù)計算中被刨除后，使低速窗口中計算出的行駛距離減少。以上3點原因使RPA計算公式(3)中的分母減小，而分子中的加速度有增大的趨勢，故車速較低的窗口中的RPA升高。

隨著車速上升，傳動比降低，驅(qū)動力下降，加速工況減少。同時窗口中的數(shù)據(jù)點計算得到的行駛距離增加，使式(3)中的分母增大，而分子中的加速度有降低的趨勢，故RPA隨窗口內(nèi)平均車速上升而出現(xiàn)下降的趨勢。

圖3 RPA與車速的關(guān)系

3 動力學(xué)參數(shù)、海拔與正常性驗證的關(guān)系

Ⅰ型試驗中的WLTC循環(huán)在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上進(jìn)行，而RDE試驗需要隨車搭載便攜式排放測試系統(tǒng)、乘坐測試人員，增加了汽車質(zhì)量，使汽車行駛時的滾動、加速、爬坡阻力增加。同時RDE試驗需要克服空氣阻力，并且在車身外部安裝流量計等設(shè)備會使汽車行駛時的空氣阻力增加。因此在使用窗口法計算RDE試驗的污染物排放時，將WLTC循環(huán)低速、高速、超高速段的CO排放因子乘以系數(shù)1.2，1.1，1.05作為參考點P1、P2、P3的橫坐標(biāo)來劃定基準(zhǔn)線。在基準(zhǔn)線的基礎(chǔ)上向上、向下浮動25%劃出基本公差范圍，通過判斷市區(qū)、市郊、高速窗口中的CO排放因子落在基本公差范圍內(nèi)的比例是否達(dá)到50%，以此對RDE試驗進(jìn)行正常性驗證。

3.1 動力學(xué)參數(shù)的分布特征

計算出國六排放標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ型試驗WLTC循環(huán)各速度組的動力學(xué)參數(shù)，與各RDE試驗的動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示?？煽闯?，12次RDE試驗均通過了動力學(xué)參數(shù)的有效性驗證。WLTC循環(huán)各速度組的動力學(xué)參數(shù)比大部分RDE試驗的高。此外，由于WLTC循環(huán)的最高車速為131.3 km/h，高于正常情況下RDE試驗的最高車速，使WLTC循環(huán)高速速度組的平均車速較RDE試驗高。

行程有效性驗證中，大部分RDE試驗的·_[95]參數(shù)距驗證邊界較遠(yuǎn)，而RPA參數(shù)靠近驗證邊界分布。因此，RDE試驗中需要更為關(guān)注RPA，以免因駕駛過于平緩使動力學(xué)參數(shù)校驗失敗。

圖4 RDE與WLTC的動力學(xué)參數(shù)分布

圖5示出2020年實施的中國乘用車行駛工況(CLTC-P)、NEDC循環(huán)工況與WLTC循環(huán)動力學(xué)參數(shù)的比較。CLTC-P工況在市區(qū)速度組中的動力學(xué)參數(shù)較WLTC循環(huán)低，與按國六標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行的RDE試驗的動力學(xué)參數(shù)相似；但市郊、高速速度組的動力學(xué)參數(shù)較WLTC循環(huán)、RDE試驗高；高速速度組的平均車速低于WLTC循環(huán)，各速度組的平均車速與RDE試驗相似。

圖5 各循環(huán)動力學(xué)參數(shù)比較

NEDC循環(huán)駕駛激烈程度明顯低于WLTC循環(huán)與RDE試驗。NEDC循環(huán)市區(qū)、市郊速度組的RPA基本落在了RPA驗證邊界上，駕駛過于平緩。

3.2 RPA對市區(qū)窗口驗證的影響

比較Test1～Test8試驗車輛WLTC循環(huán)低速段與RDE試驗市區(qū)窗口的CO排放因子、RPA，研究計算P1點所使用的系數(shù)1.2是否合適，結(jié)果如圖6所示?？煽闯?，WLTC低速段的CO排放因子普遍比RDE市區(qū)窗口的CO排放因子高，僅Test4、Test5的RDE市區(qū)窗口CO排放因子比WLTC高。通過RPA對比可看出，若WLTC循環(huán)低速段的RPA較RDE市區(qū)窗口的高，則WLTC循環(huán)低速段的CO排放因子也較RDE的高，CO排放因子、RPA的大小關(guān)系有較好的一致性。因Test4、Test5市區(qū)窗口的RPA高于WLTC低速段，使RDE市區(qū)窗口CO排放因子較高。

在市區(qū)窗口的驗證中，WLTC低速段與RDE市區(qū)窗口的CO排放因子主要受駕駛行為的激烈程度影響。WLTC循環(huán)比RDE試驗駕駛更為激烈，使WLTC低速段的CO排放因子比大部分RDE市區(qū)窗口高，因此在計算P1點時再乘以大于1的系數(shù)是不合理的。

若在已經(jīng)較高的WLTC低速段CO排放因子的基礎(chǔ)上再乘以系數(shù)1.2，將使驗證市區(qū)窗口正常性的基準(zhǔn)線過高，降低市區(qū)窗口正常性驗證的通過率。因此，把計算P1使用的系數(shù)1.2降低，對提高RDE試驗市區(qū)窗口通過率是有利的。

圖6 RDE市區(qū)窗口與WLTC低速段數(shù)據(jù)對比

3.3 RPA、海拔對市郊、高速窗口驗證的影響

將RDE試驗市郊窗口與WLTC循環(huán)高速段的CO排放因子、RPA進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7所示。在低海拔地區(qū)進(jìn)行的2次RDE試驗(Test2、3)的RPA比WLTC低，但CO排放因子卻比WLTC高。其余試驗中，RDE市郊窗口與WLTC高速段的CO排放因子、RPA大小關(guān)系有較好的一致性。

圖7 RDE市郊窗口與WLTC高速段數(shù)據(jù)對比

將RDE試驗高速窗口與WLTC循環(huán)超高速段的CO排放因子、RPA進(jìn)行對比，結(jié)果如圖8所示。在低海拔地區(qū)進(jìn)行的4次RDE試驗的RPA均比WLTC低，但3次RDE試驗中(Test2、3、4)的CO排放因子卻比WLTC高，1次RDE試驗中(Test1)的CO排放因子也上升至與WLTC相似。主要原因分析為，雖然從動力學(xué)參數(shù)上判斷WLTC行駛較為激烈，但在低海拔地區(qū)的高速路段行駛時，RDE需要克服的空氣阻力增加較大，發(fā)動機(jī)負(fù)荷升高，雖然RDE試驗的RPA較低，但CO排放因子有高于WLTC循環(huán)的趨勢。

圖8 RDE高速窗口與WLTC超高速段數(shù)據(jù)對比

在高海拔地區(qū)進(jìn)行的試驗中，僅出現(xiàn)了1次RDE試驗(Test5)的RPA比WLTC低，但CO排放因子卻比WLTC高的情況。主要原因分析為，高海拔地區(qū)高速路段行駛時，空氣阻力較低海拔地區(qū)小，雖然RDE需要克服的空氣阻力也會隨著車速增加而增大，使發(fā)動機(jī)負(fù)荷升高，但CO排放因子高于WLTC循環(huán)的趨勢不如低海拔地區(qū)明顯。

低海拔地區(qū)市郊、高速窗口的驗證中，隨著車速升高，RDE試驗受到的空氣阻力增加，使RED的CO排放因子有高于WLTC循環(huán)的趨勢。因此，在計算P2、P3點時乘以大于1的系數(shù)是合理的，可以修正WLTC循環(huán)與RDE試驗在空氣阻力上的區(qū)別造成的CO排放因子的差距。

高海拔地區(qū)市郊、高速窗口的驗證中，因高海拔條件下空氣密度減小，空氣阻力對RDE試驗的影響小于低海拔地區(qū)，受WLTC循環(huán)駕駛激烈的影響，WLTC的CO排放因子仍然有高于RDE的趨勢。若在較高的WLTC高速、超高速段CO排放因子的基礎(chǔ)上再乘以系數(shù)1.1，1.05，將使驗證市郊、高速窗口正常性的基準(zhǔn)線過高，降低窗口正常性驗證的通過率。因此，計算P2、P3點時使用的系數(shù)應(yīng)降低，具體系數(shù)仍需要進(jìn)一步研究來判斷。

4 結(jié)論

a) 動力學(xué)參數(shù)·_[95]有隨著車速上升而升高的趨勢，RPA有隨著車速上升而下降的趨勢；

b) 部分RDE試驗中的·_[95]不能很好地反映各速度組的·值依次升高的變化規(guī)律，將對各速度組取值的百分位由第95百分位前移，可以使取出的·值更好地代表各速度組·值的變化情況；

c) 大部分RDE試驗的·_[95]參數(shù)距驗證邊界較遠(yuǎn)，而RPA參數(shù)靠近驗證邊界分布；RDE試驗中需要更為關(guān)注RPA，以免因駕駛過于平緩而使行程有效性驗證失??；

d) 通過動力學(xué)參數(shù)判斷，WLTC循環(huán)比RDE試驗激烈；CLTC-P循環(huán)在市郊、高速速度組中的駕駛比WLTC激烈；NEDC循環(huán)較為平緩；

e) RDE市區(qū)窗口正常性驗證中，計算P1點時使用系數(shù)1.2，將使基準(zhǔn)線過高，降低市區(qū)窗口驗證的通過率；高海拔地區(qū)的RDE市郊、高速窗口驗證中，計算P2、P3點時使用的系數(shù)應(yīng)降低；具體系數(shù)仍需要進(jìn)一步研究來判斷。