基于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的重型柴油車實(shí)際道路碳排放測(cè)算準(zhǔn)確度

張瀟文,李菁元,楊志文,謝振凱,李騰騰 (中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)

重型車輛(HDV)在交通運(yùn)輸中,CO2排放比例占有重要份額[1].歐盟要求 2021年起新注冊(cè)車輛需定期監(jiān)測(cè)CO2排放[2],并為HDV引入了新的標(biāo)準(zhǔn)要求,設(shè)定了 CO2的排放標(biāo)準(zhǔn),要求監(jiān)測(cè)在用車輛的燃料消耗情況[3],從而計(jì)算 CO2排放.目前歐盟法規(guī)要求,對(duì)于輕型柴油車,要求車輛配備車輛燃油消耗量實(shí)時(shí)監(jiān)示裝置(OBFCM),并在車輛型式認(rèn)證試驗(yàn)期間測(cè)試其準(zhǔn)確性[4],但對(duì)于 HDV,暫未對(duì) OBFCM 設(shè)備的型號(hào)認(rèn)證及準(zhǔn)確性提出要求.

我國目前對(duì)車輛CO2排放或油耗僅僅在新車型式認(rèn)證有測(cè)試要求[5],而對(duì)實(shí)際道路的排放或油耗暫未提出要求,無法對(duì)車輛實(shí)際道路及瞬態(tài)影響特征進(jìn)行精細(xì)化分析.但目前我國正在實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)[6]中要求新生產(chǎn)的重型柴油車必須安裝遠(yuǎn)程排放管理車載終端,用以采集、存儲(chǔ)和傳輸車輛車載診斷系統(tǒng)(OBD)信息和發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù),其中包括燃油消耗量數(shù)據(jù),可以利用此數(shù)據(jù)進(jìn)行車輛運(yùn)行的碳排放計(jì)算.DeFries等[7]使用輕型車輛(LDV)OBD數(shù)據(jù)流收集在用燃油消耗數(shù)據(jù),比較了由OBD輸入計(jì)算的油耗率與底盤測(cè)功機(jī)測(cè)試下的碳平衡測(cè)量確定的油耗率,兩者偏差在3%以內(nèi).K?ck[8]通過在測(cè)功機(jī)臺(tái)架上對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行型式認(rèn)證試驗(yàn),比較了碳平衡法、ECU燃油消耗量測(cè)定和直接燃油流量測(cè)量3種方法.Zheng等[9]對(duì)3輛輕型乘用車使用底盤測(cè)功機(jī)測(cè)試,研究表明OBD油耗與碳平衡法計(jì)算油耗結(jié)果一致.研究表明,平均車速、道路坡度、行駛距離、環(huán)境溫度等因素均對(duì)油耗有較為明顯影響[10-15].但目前很少有研究對(duì)重型柴油車OBD數(shù)據(jù)計(jì)算CO2排放的影響因素準(zhǔn)確度進(jìn)行分析.

本研究選取3輛新生產(chǎn)的重型柴油車進(jìn)行實(shí)際道路試驗(yàn),對(duì) OBD記錄的 ECU油耗計(jì)算 CO2排放量,并與 PEMS直接測(cè)量的 CO2排放量比對(duì),分析ECU油耗計(jì)算CO2排放量的關(guān)鍵影響因素,旨在為重型車實(shí)際道路行駛狀態(tài)下的碳排放管控提供參考.

1 試驗(yàn)方法材料與方法

1.1 測(cè)試方法

本文測(cè)試車輛均安裝了符合GB17691-2018標(biāo)準(zhǔn)要求[6]的型號(hào)為T-BOX的市售OBD遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備,直接插入車輛OBD接口,經(jīng)過設(shè)備搭載的編碼器,利用特定軟件讀取ECU數(shù)據(jù),記錄ECU的油耗、車速等信號(hào),并將數(shù)據(jù)傳輸至重型車遠(yuǎn)程排放管控平臺(tái)上.加裝GPS全球定位系統(tǒng),獲取車輛位置信息及瞬時(shí)車速.PEMS設(shè)備使用日本 Horiba公司的OBS-ONE便攜式氣體分析儀.具體如表1所示.

表1 測(cè)試設(shè)備及參數(shù)Table 1 Test equipment and parameters

目前油耗測(cè)量的3種常見方法包括碳平衡法、ECU油耗法和直接測(cè)量法等.碳平衡法廣泛應(yīng)用于計(jì)算車輛的燃油消耗量,并被引用入標(biāo)準(zhǔn)使用[5],基于CO2、CO和總碳?xì)浠衔?THC)的排放測(cè)量結(jié)果計(jì)算油耗量.

式中:FC為燃料消耗量,L/100km;THC為碳?xì)浠衔锱欧帕?g/km;CO為CO排放量,g/km;CO2為CO2排放量,g/km;ρfuel為15℃下的燃料密度,kg/L.

通過公式(1),反向推算CO2排放量(重型柴油車的CO和HC可忽略不計(jì)).

ECU油耗法應(yīng)用于歐盟車輛燃料消耗量的確定及車輛儀表盤油耗顯示,缺點(diǎn)在于需考慮噴射器校準(zhǔn)和計(jì)算的未知測(cè)量不確定性.ECU油耗可以通過CAN線或OBD端口訪問讀取.車輛制造商決定油耗測(cè)量或計(jì)算的原則.在大多數(shù)情況下,ECU油耗并不是直接測(cè)量所得,而是采用發(fā)動(dòng)機(jī)ECU燃油模型,通過復(fù)雜的計(jì)算進(jìn)行估計(jì),其中涉及噴油器的操作、傳感器的反饋校正以及發(fā)動(dòng)機(jī)校準(zhǔn)的預(yù)測(cè)[16].

油耗直接測(cè)量法應(yīng)用于新車型式認(rèn)證試驗(yàn)及碳平衡的合理性檢查等場(chǎng)景,測(cè)試精度高,但在實(shí)際道路上應(yīng)用較少,需要安裝車載燃油流量計(jì)實(shí)現(xiàn).流量計(jì)作為測(cè)量系統(tǒng)的核心,在實(shí)際道路中需要更多的瞬時(shí)測(cè)量,以及與現(xiàn)代噴油系統(tǒng)的兼容性,安裝復(fù)雜,故本研究中暫未涉及此方法.

1.2 測(cè)試車輛

選取 3輛國五重型柴油車開展實(shí)際道路測(cè)試,試驗(yàn)車輛參數(shù)詳見表2.

表2 試驗(yàn)車輛參數(shù)Table 2 Test vehicles parameters

選取同樣的測(cè)試路線并加載同樣載荷進(jìn)行實(shí)際道路測(cè)試.試驗(yàn)路線選取無坡度道路,按照《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國第六階段)》[6]規(guī)定,包括 20%市區(qū)路、25%市郊路和 55%高速路.

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

參照機(jī)動(dòng)車排放模型(MOVES)[17],對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行機(jī)動(dòng)車比功率(VSP)區(qū)間劃分.VSP綜合考慮了車輛重力、摩擦阻力和空氣阻力的影響,表征機(jī)動(dòng)車單位質(zhì)量的瞬時(shí)輸出功率[18-19],被廣泛應(yīng)用于排放模型中[20-22],因此,本研究選用VSP作為行駛工況的代用參數(shù),表征運(yùn)行工況特征.對(duì)于重型車,VSP的計(jì)算方法如公式(2)所示[17].

式中:VSP是車輛特定功率,kW/t;a是加速度,m/s2;g是重力加速度,9.8m/s2;sinθ是道路坡度,選取道路為無坡度道路,取 0;A、B、C為阻力系數(shù),M為車輛質(zhì)量.根據(jù)典型車輛信息[23],A/M 取0.0875kW·s/(m·t), B/M取 0,C/M 取 0.000331kW·s3/(m3·t).

基于中國典型城市實(shí)際道路運(yùn)行工況測(cè)試所開發(fā)的微觀模態(tài)劃分方法[18]并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn) GB17691-2018[6]道路區(qū)間劃分要求,得到由車速和 VSP聯(lián)合分布的32個(gè)Bin區(qū)間,其中包括剎車區(qū)間、怠速區(qū)間、低速區(qū)間(小于45km/h)、中速區(qū)間(45～70km/h),以及高速區(qū)間(大于70km/h),詳見表3.

表3 基于VSP和車速的Bin區(qū)間劃分Table 3 Bin distribution based on VSP and speed in MOVES model

每個(gè)Bin區(qū)間的平均油耗和排放速率通過公式(3)計(jì)算.

結(jié)合運(yùn)行工況的微觀運(yùn)行模態(tài)時(shí)間分布信息,由公式(4)計(jì)算各測(cè)試車輛的總油耗因子和總排放因子.

式中:EK為總排放因子,g/km;Pk為模擬工況在微觀運(yùn)行模態(tài) k的時(shí)間分布比例;ν為該工況的平均速度,km/h.

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)際道路下ECU油耗計(jì)算和PEMS實(shí)測(cè)CO2對(duì)比

如圖1所示,ECU油耗計(jì)算與PEMS測(cè)量的CO2結(jié)果有很強(qiáng)的線性關(guān)系(R2為0.936～0.978).證明使用ECU油耗計(jì)算CO2可行.計(jì)算結(jié)果顯示,車輛基于ECU油耗數(shù)據(jù)計(jì)算的CO2排放因子比實(shí)際測(cè)量CO2的結(jié)果高.基于碳平衡法對(duì) ECU油耗數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,HDV-1、HDV-2和HDV-3的CO2排放因子分別為1297.23,1423.44,1207.73g/km,而實(shí)際測(cè)量的CO2排放量分別為1282.90,1395.25,1172.25g/km.與實(shí)際測(cè)量值相比,使用ECU油耗計(jì)算CO2結(jié)果分別高1.12%、2.02%、3.03%.本研究中ECU油耗計(jì)算CO2結(jié)果和 CO2實(shí)測(cè)值之間的差距,主要在于 ECU油耗計(jì)算 CO2是按照完全燃燒進(jìn)行,而實(shí)際燃燒生成了大量碳煙顆粒,故計(jì)算結(jié)果偏高.

圖1 CO2計(jì)算值與實(shí)測(cè)值回歸分析Fig.1 Regression analysis between calculated and measured CO2 values

為進(jìn)一步對(duì)比不同速度區(qū)間CO2計(jì)算值的準(zhǔn)確度,以HDV-1為例,如果將實(shí)際道路測(cè)試中的剎車、怠速低速、中速和高速區(qū)間分離出來,ECU油耗計(jì)算的CO2結(jié)果與PEMS測(cè)量的CO2結(jié)果的平均偏差絕對(duì)值為0.57%～44.77%,如圖2所示.隨著車速的上升,ECU油耗計(jì)算的CO2結(jié)果與PEMS測(cè)量的CO2結(jié)果之間的差別逐漸減小.但由于剎車和怠速區(qū)間排放量占據(jù)總行程排放量的 1%以下,故對(duì)整體行程的影響不大,而低速和中速區(qū)間,偏差結(jié)果均大于總體偏差,故產(chǎn)生計(jì)算偏差的行程主要集中在低速和中速區(qū)間.HDV-2和HDV-3表現(xiàn)與HDV-1基本一致.

圖2 CO2計(jì)算值與實(shí)測(cè)值在不同速度區(qū)間的偏差Fig.2 Deviation between calculated and measured CO2 values in different vehicle speed segments

2.2 實(shí)際道路下ECU油耗計(jì)算CO2的關(guān)鍵影響因素

ECU油耗計(jì)算的CO2結(jié)果與PEMS測(cè)量的CO2結(jié)果有很強(qiáng)的線性關(guān)系,以L/km表示的車輛油耗的準(zhǔn)確性將取決于ECU油耗(L)和距離(km)的準(zhǔn)確性.2.2.1 ECU油耗準(zhǔn)確度 ECU油耗是通過發(fā)動(dòng)機(jī)ECU燃油模型估算的.圖3顯示,對(duì)于完整的行程,以碳平衡法換算油耗為基準(zhǔn),所有測(cè)試車輛的ECU總油耗量偏差為2.17%,HDV-1為1.16%,HDV-2為2.35%, HDV-3為3.00%,如圖4所示.對(duì)于完整行程來說,3輛車ECU油耗相對(duì)于PEMS換算油耗的平均偏差在4%以內(nèi).與之前報(bào)道的3輛HDV相對(duì)于PEMS的平均ECU油耗偏差9.1%[24]相比,結(jié)果準(zhǔn)確度更高,說明隨著ECU燃油模型的升級(jí)優(yōu)化,帶來了油耗的精確控制.

圖3 ECU總油耗量與實(shí)測(cè)CO2計(jì)算總油耗量對(duì)比Fig.3 Comparison between ECU total fuel consumption and total fuel consumption calculated by measured CO2

以HDV-1車輛為例,對(duì)比不同速度區(qū)間ECU油耗的準(zhǔn)確度,從圖4可見,在低、中、高速各區(qū)間,當(dāng)VSP＜0時(shí),ECU的油耗模擬值與OBD讀取的ECU油耗差距相對(duì)較大,VSP＜-4尤為明顯.這說明當(dāng)VSP＜0時(shí),車輛加速度為負(fù)值,車輛處于減速狀態(tài),此狀態(tài)下,ECU迅速判斷應(yīng)減少供油量,發(fā)動(dòng)機(jī)處于非理論空燃比燃燒狀態(tài),用理論空燃比計(jì)算燃料消耗量將會(huì)帶來誤差.在剎車區(qū)間,車輛速度在短時(shí)間內(nèi)從高車速降至低車速,為了節(jié)省燃料,ECU可能會(huì)停止燃料供應(yīng),故 ECU根據(jù)理論燃燒計(jì)算的油耗與實(shí)際油耗差距較大.在怠速區(qū)間的二者差距也比較大,怠速期間較高的燃料率主要?dú)w因于冷啟動(dòng)富集,通過噴油延時(shí)和快速怠速控制減少冷啟動(dòng)后的排放.在怠速期間,燃料消耗率沒有達(dá)到預(yù)期的隨機(jī)操作值,導(dǎo)致怠速區(qū)間的ECU油耗與實(shí)際油耗有較大差距.

圖4 各VSP Bin區(qū)間ECU油耗與實(shí)測(cè)CO2計(jì)算油耗的相對(duì)偏差Fig.4 Deviation between ECU fuel consumption and fuel consumption calculated by measured CO2 in each VSP Bin

由于怠速和剎車區(qū)間的油耗量占據(jù)的整個(gè)行程總油耗的比例較小(0.5%以下),所以上述2個(gè)區(qū)間對(duì)整個(gè)行程的影響不大.如果將實(shí)際道路測(cè)試中的低速、中速、高速區(qū)間分離出來,ECU油耗在高速區(qū)間的總體平均偏差為2.43%(表4).低速(車速1.6～45km/h)和中速(車速45～70km/h)區(qū)間ECU油耗的不確定性相對(duì)較大,低速區(qū)間的ECU油耗最大平均偏差達(dá)到 7.83%(所有車輛的偏差平均絕對(duì)值為5.20%),中速區(qū)間最大平均偏差為-5.27%(所有車輛的偏差絕對(duì)平均值為4.33%).總的來說,在低速和中速區(qū)間,所有車輛的OBD油耗準(zhǔn)確度都低于完整行程的準(zhǔn)確度,當(dāng)車輛低速行駛,其準(zhǔn)確度最低.這意味著路況的復(fù)雜性對(duì)ECU油耗準(zhǔn)確度有重要影響.

表4 各速度區(qū)間ECU油耗量的偏差(%)Table 4 Deviation of ECU fuel consumption in each speed segment(%)

2.2.2 ECU距離準(zhǔn)確度 對(duì)比ECU即時(shí)速度信號(hào)和GPS距離的準(zhǔn)確度,ECU的行駛距離,最常見的是基于車輪旋轉(zhuǎn)的計(jì)數(shù)和假定的輪胎周長(固定的靜態(tài)車輪直徑)計(jì)算所得.實(shí)際情況下的輪胎直徑會(huì)受到許多因素的影響,如輪胎氣壓、輪胎維護(hù)、環(huán)境條件、胎面、實(shí)際車輛負(fù)荷以及車輛上實(shí)際安裝的輪胎尺寸差異[16].因此,精確的 ECU 距離很重要,它將被用于計(jì)算車輛的油耗(L/km),較高的 ECU距離意味著較低的特定油耗距離,反之亦然.

如圖5所示,在實(shí)際道路上測(cè)試的重型柴油車,全部測(cè)試的平均 ECU距離偏差絕對(duì)值為0.52%～3.55%,平均偏差-2.41%,其中1輛測(cè)試車輛的精確度在±1%以內(nèi),且3輛重型柴油車的ECU記錄車速計(jì)算的總里程比 GPS測(cè)量車速計(jì)算的總里程要高,如圖5所示.由于實(shí)際行駛下車輛輪胎周長比參與ECU行駛距離計(jì)算的假定輪胎周長要短,這將影響車輪的旋轉(zhuǎn)次數(shù),使得車輪旋轉(zhuǎn)次數(shù)增加,進(jìn)而使得ECU計(jì)算的行駛距離比實(shí)際行駛距離高.

從速度各區(qū)間平均偏差可以看出(表5),怠速區(qū)間準(zhǔn)確度最低,但此部分對(duì)總行程造成的影響不大,而路況復(fù)雜,瞬時(shí)變化多的區(qū)間(剎車區(qū)間、低速和中速區(qū)間)準(zhǔn)確度也較低,對(duì)總行程相對(duì)影響較大.總體來說,在運(yùn)動(dòng)期間,重型柴油車的GPS和ECU距離之間的差異均不大.在怠速區(qū)間測(cè)得的精確度最低,其原因可能因?yàn)閭鞲衅魑茨鼙O(jiān)測(cè)細(xì)微的輪胎轉(zhuǎn)動(dòng).其次是剎車區(qū)間(平均偏差-4.51%),再次是低速區(qū)間(平均偏差-3.17%),中速區(qū)間(平均偏差-3.05%).這 3個(gè)區(qū)間的誤差較大可能是由于頻繁加速和動(dòng)態(tài)條件下的輪胎打滑造成相對(duì)較大誤差率,高速區(qū)間的準(zhǔn)確性最高(平均偏差-2.15%).其中怠速區(qū)間和剎車區(qū)間的距離僅占總行程距離的 0.2%以下,其對(duì)總行程距離偏差造成的影響微乎其微.故對(duì)整個(gè)行程影響較大的是低速和中速區(qū)間,其中當(dāng)車輛低速行駛時(shí),其準(zhǔn)確度最低.

表5 各速度區(qū)間ECU距離的偏差(%)Table 5 Deviation of ECU distance in each speed segment(%)

3 結(jié)論

3.1 本研究中使用OBD讀取ECU油耗,進(jìn)而轉(zhuǎn)換為CO2排放的結(jié)果與CO2實(shí)際測(cè)量值相比,3輛車平均準(zhǔn)確度為2.06%,最大偏差3.03%,產(chǎn)生計(jì)算偏差的行程主要在低速和中速區(qū)間.ECU油耗計(jì)算的 CO2結(jié)果與CO2測(cè)量結(jié)果具有較高的吻合度.

3.2 對(duì)于重型柴油車實(shí)際道路測(cè)試來說,ECU油耗的偏差(相對(duì)于碳平衡法換算油耗)在 3%以內(nèi),平均偏差2.17%,ECU距離的偏差絕對(duì)值(相對(duì)于GPS)在4%以內(nèi)(最大為3.55%),二者均在低速和中速區(qū)間對(duì)整個(gè)行程影響較大,車輛在低速區(qū)間,其準(zhǔn)確度最低.

3.3 ECU油耗和行駛距離的準(zhǔn)確性會(huì)受到車速、加速度的影響,車輛低速行駛區(qū)間,其準(zhǔn)確度最低.總體來說,車輛在較長時(shí)間的 OBD 監(jiān)測(cè)中(完整測(cè)試與階段性測(cè)試相比),ECU油耗和行駛距離的準(zhǔn)確度有所提高.故在長時(shí)間運(yùn)行下,使用OBD遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中的油耗數(shù)據(jù)計(jì)算碳排放準(zhǔn)確性較高,對(duì)安裝OBD遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的在用重型車的碳排放計(jì)算具有指導(dǎo)意義.