重型車(chē)輛低負(fù)荷工況開(kāi)發(fā)

胡 熙 李菁元 劉 昱 汪曉偉

(中汽研汽車(chē)檢測(cè)中心(天津)有限公司，天津 300300)

0 概述

重型車(chē)污染物防治是機(jī)動(dòng)車(chē)綠色發(fā)展的核心問(wèn)題，對(duì)排放測(cè)試體系進(jìn)行完善是重型車(chē)污染治理的重要途徑。重型車(chē)在市區(qū)行駛或執(zhí)行專(zhuān)門(mén)作業(yè)時(shí)，常出現(xiàn)持續(xù)低負(fù)荷運(yùn)行情景，此時(shí)后處理系統(tǒng)效率低，NOx排放顯著升高[1]，有必要在排放測(cè)試體系中加強(qiáng)對(duì)該情景的關(guān)注。

發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試工況是排放測(cè)試體系的重要組成部分，對(duì)測(cè)試結(jié)果、限值以及控制技術(shù)的發(fā)展有重要影響。將反映我國(guó)重型車(chē)低負(fù)荷運(yùn)行情景的測(cè)試工況引入對(duì)排放水平的評(píng)估認(rèn)證中，可以針對(duì)性地促進(jìn)控制該情景排放的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從而有效地降低重型車(chē)實(shí)際道路排放。

我國(guó)目前缺乏針對(duì)重型車(chē)低負(fù)荷運(yùn)行工況的系統(tǒng)性研究和相應(yīng)成果。現(xiàn)階段采用的重型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排放認(rèn)證工況World Harmonized Transient Cycle (WHTC)[2]主要反映常規(guī)運(yùn)行情景，且循環(huán)由短行程組合構(gòu)成，時(shí)長(zhǎng)受限。圖1為樣本發(fā)動(dòng)機(jī)在WHTC工況下的冷起動(dòng)測(cè)試結(jié)果。圖中淺橘色和淺藍(lán)色線(xiàn)代表了循環(huán)在排溫低于250 ℃時(shí)的低負(fù)荷運(yùn)行工況，該工況對(duì)應(yīng)的持續(xù)過(guò)程用黑框標(biāo)注?？梢钥闯?，WHTC工況中的低負(fù)荷過(guò)程均未超過(guò)100 s，不足以驗(yàn)證后處理系統(tǒng)的熱管理效果。

圖1 WHTC工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)情況

1 技術(shù)路線(xiàn)

本文參考國(guó)內(nèi)外工況開(kāi)發(fā)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，提出了一套重型車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試用低負(fù)荷工況構(gòu)建方法，主要包括以下步驟：

(1)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。

建立覆蓋多種車(chē)型、用途和運(yùn)行情景的重型車(chē)隊(duì)，同時(shí)對(duì)車(chē)隊(duì)車(chē)輛信息進(jìn)行記錄。讓車(chē)隊(duì)通過(guò)長(zhǎng)期穩(wěn)定的自主行駛采集大量實(shí)際道路運(yùn)行數(shù)據(jù)，制定規(guī)則剔除不合理的車(chē)速、加速度及噪聲數(shù)據(jù)。將逐秒車(chē)速數(shù)據(jù)切分成短行程，再拼接連續(xù)短行程建立移動(dòng)窗口庫(kù)。

(2)低負(fù)荷窗口定義及篩選。

計(jì)算庫(kù)中窗口樣本的平均負(fù)荷。應(yīng)用最小二乘法將該庫(kù)的負(fù)荷總體分布擬合為多個(gè)正態(tài)分布的組合；辨識(shí)并提取和重型車(chē)低負(fù)荷駕駛情景符合度較高，且對(duì)現(xiàn)有典型發(fā)動(dòng)機(jī)工況的補(bǔ)充性較好的樣本集合。根據(jù)集合分布情況定義低負(fù)荷上限，選擇合格樣本建立低負(fù)荷窗口庫(kù)。

(3)典型低負(fù)荷情景定義。

計(jì)算庫(kù)中窗口樣本的關(guān)鍵負(fù)荷特征參數(shù)，通過(guò)聚類(lèi)分析將其劃分成代表不同類(lèi)型低負(fù)荷駕駛情景的樣本集合。對(duì)每個(gè)集合按照離聚類(lèi)中心的距離依次評(píng)估樣本，為每一類(lèi)情景挑選出若干合格樣本，分別建立典型低負(fù)荷窗口庫(kù)。

(4)從整車(chē)到發(fā)動(dòng)機(jī)的工況轉(zhuǎn)換。

開(kāi)發(fā)從整車(chē)到發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型，將各典型窗口庫(kù)中樣本對(duì)應(yīng)的車(chē)速工況以及記錄下的車(chē)輛信息輸入模型，并調(diào)整輸入的質(zhì)量參數(shù)令模型輸出的窗口理論循環(huán)功和實(shí)際結(jié)果吻合。通過(guò)模型轉(zhuǎn)換輸出轉(zhuǎn)速(%)-負(fù)荷(%)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)工況，生成低負(fù)荷工況庫(kù)，用于后續(xù)工況構(gòu)建。

(5)工況循環(huán)構(gòu)建。

從工況庫(kù)中選擇若干能夠覆蓋多種低負(fù)荷行駛情景的窗口樣本，綜合對(duì)評(píng)估目標(biāo)和時(shí)長(zhǎng)壓縮的需求進(jìn)行調(diào)整后，組合生成低負(fù)荷工況循環(huán)。整體工況開(kāi)發(fā)流程如圖2所示。

圖2 低負(fù)荷工況開(kāi)發(fā)流程

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

建立能夠包含多種車(chē)型、用途，覆蓋多地域、道路類(lèi)型、交通狀況、運(yùn)行時(shí)段的重型商用車(chē)隊(duì)，利用自由行駛的方法采集車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)。車(chē)隊(duì)及采集的數(shù)據(jù)情況如表1所示。

表1 車(chē)隊(duì)采集數(shù)據(jù)情況

采集參數(shù)包括逐秒車(chē)速(km/h)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)、輸出轉(zhuǎn)矩(%)和負(fù)荷(CAN：Engine Percentage Load at Current Speed)。同時(shí)，對(duì)車(chē)隊(duì)中的車(chē)輛信息（表2）進(jìn)行記錄，用于后期將整車(chē)工況轉(zhuǎn)換成發(fā)動(dòng)機(jī)工況。

表2 車(chē)隊(duì)信息表

2.2 數(shù)據(jù)整理

2.2.1 數(shù)據(jù)清洗

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)GPS實(shí)時(shí)信號(hào)誤差，為保證后續(xù)工況構(gòu)建的可靠性，從1HZ的車(chē)速值入手，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗。

首先，辨識(shí)出傳輸錯(cuò)誤導(dǎo)致的車(chē)速值落在0～145 km/h區(qū)間外以及車(chē)速值缺失的異常時(shí)間點(diǎn)，對(duì)其相鄰2 s采集的各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，用插值后的結(jié)果代替該點(diǎn);其次，如果2個(gè)相鄰時(shí)間點(diǎn)的車(chē)速值間出現(xiàn)了不符合重型車(chē)常規(guī)性能和駕駛情景的過(guò)大加速度值，則采用3次樣條法在這2個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間插入若干秒，將各秒間的加速度控制在正常范圍內(nèi)，用插值結(jié)果代替原有的2個(gè)時(shí)間點(diǎn);最后，通過(guò)波動(dòng)分析辨識(shí)并剔除車(chē)輛在停車(chē)和駕駛時(shí)產(chǎn)生的車(chē)速噪聲信號(hào)，提高工況循環(huán)的平滑度，保證在該工況下進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)的可操作性和可重復(fù)性。

2.2.2 移動(dòng)窗口庫(kù)建立

將車(chē)輛從一次停車(chē)到下一次起步開(kāi)始的運(yùn)動(dòng)定義為怠速片段，一次起步到下一次停車(chē)的運(yùn)動(dòng)定義為運(yùn)動(dòng)片段。一個(gè)怠速片段和其后續(xù)的運(yùn)動(dòng)片段組成一個(gè)短行程[3]，如圖3所示。

圖3 短行程示意圖

拼接10個(gè)連續(xù)的短行程形成一個(gè)移動(dòng)窗口，如圖4所示。移動(dòng)窗口持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可以反映重型車(chē)持續(xù)運(yùn)行作業(yè)情景，以窗口庫(kù)作為工況構(gòu)建基礎(chǔ)，更為科學(xué)合理，窗口庫(kù)的情況如表1最后一行所示。

圖4 移動(dòng)窗口示例

計(jì)算窗口樣本的平均負(fù)荷，各類(lèi)型車(chē)的分布情況如圖5所示：環(huán)衛(wèi)車(chē)和物流車(chē)在15%以下的低負(fù)荷區(qū)間的分布頻率較高；物流車(chē)在10%附近出現(xiàn)較高峰值。在市內(nèi)運(yùn)行的物流車(chē)和環(huán)衛(wèi)車(chē)在25%～30%區(qū)間出現(xiàn)了較低峰值，和同樣在市內(nèi)運(yùn)行的公交車(chē)分布峰值接近。公交車(chē)負(fù)荷水平顯著偏高；專(zhuān)用作業(yè)的攪拌車(chē)負(fù)荷水平顯著偏低，集中在10%以下區(qū)間。

圖5 各類(lèi)重型車(chē)的窗口負(fù)荷分布情況

可以看出，我國(guó)重型車(chē)在實(shí)際運(yùn)行作業(yè)過(guò)程中常出現(xiàn)持續(xù)低負(fù)荷運(yùn)行情景，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于低排溫狀態(tài)，后處理系統(tǒng)對(duì)NOx的催化控制效率顯著降低，導(dǎo)致排放率遠(yuǎn)高于其他工況。

3 低負(fù)荷工況庫(kù)建立

車(chē)隊(duì)窗口庫(kù)平均負(fù)荷的總體分布情況如圖6所示：圖中每個(gè)方框?qū)?yīng)的縱坐標(biāo)值代表落在對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)區(qū)間的樣本數(shù)量。

圖6 窗口庫(kù)平均負(fù)荷分布情況分析

3.1 低負(fù)荷窗口定義和篩選

將窗口庫(kù)視為代表不同負(fù)荷水平的樣本集合的組合，則其分布可視為多個(gè)正態(tài)分布的組合，應(yīng)用最小二乘法擬合多峰正態(tài)分布，公式如下：

式中，yj為平均負(fù)荷落在(j-1,j](%)區(qū)間內(nèi)的窗口數(shù)量；xj為該區(qū)間的中心值，即0.5×j(%)；ai、bi和ci為第i個(gè)正態(tài)分布的權(quán)重、期望和標(biāo)準(zhǔn)差參數(shù)。

擬合結(jié)果為雙峰分布，擬合確定度(R-squar)達(dá)到98.1%，如圖6中實(shí)曲線(xiàn)所示。組成它的2個(gè)正態(tài)分布如其他2條曲線(xiàn)所示。

虛曲線(xiàn)代表的正態(tài)分布期望值為28.2%，和WHTC工況的負(fù)荷均值30.8%接近，進(jìn)一步說(shuō)明點(diǎn)線(xiàn)曲線(xiàn)代表的期望值約為9.8%的分布對(duì)常規(guī)工況補(bǔ)充性較好，它對(duì)應(yīng)的樣本集合可以代表低負(fù)荷運(yùn)行情景。將該分布的95%分位數(shù)22.8%定義為低負(fù)荷工況的判斷條件，提取負(fù)荷低于該值的樣本形成低負(fù)荷窗口庫(kù)，約占總體比例44.2%。

3.2 典型情景窗口庫(kù)建立

計(jì)算庫(kù)中樣本的最大負(fù)荷、平均負(fù)荷、負(fù)荷中位數(shù)、負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)差、負(fù)荷上升頻率和上升時(shí)間比例6個(gè)參數(shù)用于描述它們負(fù)荷特征的差異，其中：

負(fù)荷上升頻率=發(fā)生在窗口內(nèi)的負(fù)荷上升過(guò)程數(shù)量(次)/窗口總里程(km/h)；

上升時(shí)間比例=發(fā)生在窗口內(nèi)的負(fù)荷上升過(guò)程的時(shí)長(zhǎng)總和(s)/窗口總時(shí)長(zhǎng)(s)；

根據(jù)這些參數(shù)對(duì)低負(fù)荷窗口庫(kù)進(jìn)行分類(lèi)：首先通過(guò)歸一計(jì)算消除各參數(shù)取值范圍的影響，然后通過(guò)肘部分析法確定類(lèi)數(shù)為3，最后應(yīng)用K-means聚類(lèi)方法將庫(kù)中樣本劃分為3類(lèi)。各類(lèi)中樣本負(fù)荷特征相似，分別代表特定類(lèi)型的低負(fù)荷駕駛情景[4]。

樣本離聚類(lèi)中心點(diǎn)的距離越近，對(duì)該類(lèi)型情景的代表性越好。以此排序依次評(píng)估樣本，舍棄怠速或熄火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)及數(shù)據(jù)缺失過(guò)大的異常樣本，最終為每一類(lèi)挑選出若干具有駕駛和測(cè)試可行性的合理樣本，形成典型低負(fù)荷情景窗口庫(kù)。部分樣本信息如表3所示。

表3 典型情景窗口庫(kù)樣本信息

圖7展示了各類(lèi)典型樣例：(a)代表發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)低負(fù)荷運(yùn)行的典型情景；(b)代表負(fù)荷從高降低的典型情景；(c)代表了負(fù)荷從低升高的典型情景。

圖7 典型低負(fù)荷窗口樣例

3.3 工況轉(zhuǎn)換和低負(fù)荷工況庫(kù)建立

由于采樣設(shè)備的原因和其他不可抗因素影響，在低負(fù)荷情景下采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)原始負(fù)荷信息的精確度較低，不能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)試工況構(gòu)建的需求[5]。

為此，應(yīng)用包括參數(shù)轉(zhuǎn)化及輸入、擋位選擇、工況轉(zhuǎn)換和輸出多個(gè)模塊的傳動(dòng)系統(tǒng)模型[6]，結(jié)合記錄下的車(chē)輛信息，將窗口樣本對(duì)應(yīng)的更為準(zhǔn)確的車(chē)速工況轉(zhuǎn)換生成由標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)速(%)-負(fù)荷(%)定義的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)工況。模型轉(zhuǎn)換流程如圖8所示。

圖8 從整車(chē)到發(fā)動(dòng)機(jī)的窗口工況轉(zhuǎn)換流程

另外，輸入模型的車(chē)輛質(zhì)量參數(shù)由車(chē)輛本身的整備質(zhì)量和實(shí)時(shí)載重兩部分構(gòu)成，其中實(shí)時(shí)載重沒(méi)有包括在實(shí)測(cè)道路采集數(shù)據(jù)中。重型車(chē)在作業(yè)任務(wù)中載重變化的頻率高、范圍大，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況影響較大[7]，為了保證模型轉(zhuǎn)換后的工況仍然具有對(duì)真實(shí)情景的代表性，迭代調(diào)整輸入的質(zhì)量參數(shù)來(lái)確定并模擬實(shí)時(shí)載重：根據(jù)樣本的逐秒轉(zhuǎn)速、扭矩工況，積分計(jì)算實(shí)際窗口循環(huán)功；依次將車(chē)輛整備質(zhì)量+i×100(i=0，1，2，3……)(kg)輸入模型獲得理論窗口循環(huán)功(內(nèi)置功能)，理論和實(shí)際結(jié)果之間偏差小于5%時(shí)，說(shuō)明當(dāng)前設(shè)定反映窗口實(shí)時(shí)載重，將此時(shí)轉(zhuǎn)換生成的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)工況錄入低負(fù)荷工況庫(kù)，作為后續(xù)工況構(gòu)建的基礎(chǔ)。

窗口1調(diào)整后的循環(huán)功對(duì)比結(jié)果如圖9所示，通過(guò)模型轉(zhuǎn)換生成的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)工況如圖10所示。

圖9 低負(fù)荷窗口樣本的循環(huán)功

圖10 轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)低負(fù)荷工況樣本

4 低負(fù)荷工況構(gòu)建和驗(yàn)證

從各典型情景窗口庫(kù)轉(zhuǎn)換生成的工況庫(kù)中分別選擇樣本進(jìn)行組合，保證可以覆蓋多種類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行工況，這些工況分別反映了重型車(chē)在多種類(lèi)型的運(yùn)行狀態(tài)和作業(yè)任務(wù)中出現(xiàn)的低負(fù)荷行駛情景，這些情景分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)及后處理系統(tǒng)功能提出了針對(duì)性的評(píng)估目標(biāo)[8]。

對(duì)于選擇的窗口樣本，刪除其中對(duì)評(píng)估目標(biāo)貢獻(xiàn)不大的過(guò)程，再對(duì)調(diào)整后的樣本進(jìn)行組合，形成低負(fù)荷工況樣例，從而達(dá)到在不影響評(píng)估效果的前提下減少工況時(shí)長(zhǎng)，提高測(cè)試效率的目的。選擇窗口信息如表4所示。

表4 工況窗口信息

樣例工況由5個(gè)窗口構(gòu)成，為持續(xù)時(shí)長(zhǎng)5 000 s的轉(zhuǎn)速(%)-負(fù)荷(%)曲線(xiàn)，如圖11所示。

圖11 低負(fù)荷工況樣例

選擇康明斯ISX12G 350 12 L 發(fā)動(dòng)機(jī)作為測(cè)試樣本，進(jìn)行樣例工況下的臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)試方法參照GB 17691-2018 《重型柴油車(chē)污染物排放限值及測(cè)量方法》中的發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)試驗(yàn)規(guī)程，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。圖中上方橘線(xiàn)代表發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪排溫，藍(lán)線(xiàn)代表后處理系統(tǒng)排溫；下方藍(lán)線(xiàn)代表發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx的原始排放率，橘線(xiàn)代表經(jīng)過(guò)后處理系統(tǒng)后的NOx排放流量(g/hr)。

圖12 樣本發(fā)動(dòng)機(jī)在工況樣例下的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合圖12說(shuō)明樣例工況包含的低負(fù)荷情景以及對(duì)該情景下對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的評(píng)估目標(biāo)及效果：

(1)持續(xù)低負(fù)荷過(guò)程。

反映重型車(chē)輛在作業(yè)時(shí)常出現(xiàn)的怠速頻繁的行駛情景；為了應(yīng)對(duì)熱控制系統(tǒng)的熱慣性，該過(guò)程在曲線(xiàn)中的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。此情景下需要評(píng)估后處理系統(tǒng)是否能保持穩(wěn)定的排溫，如方框中藍(lán)線(xiàn)所示。

(2)負(fù)荷從高降低過(guò)程。

反映車(chē)輛開(kāi)到工作地點(diǎn)然后降速或怠速的行駛情景；主要用于考察在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)冷卻過(guò)程中，后處理系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)作以及保持熱控制效率的能力。如梯形所示：代表后處理系統(tǒng)排溫的藍(lán)線(xiàn)一開(kāi)始高于渦輪排溫的橘線(xiàn)，說(shuō)明系統(tǒng)熱控制功能仍在生效，兩者開(kāi)始重疊時(shí)表示功能失效。

(3)負(fù)荷從低升高過(guò)程。

反映車(chē)輛持續(xù)下坡后開(kāi)始上坡，或者持續(xù)怠速后開(kāi)始提速的行駛情景；該情景下普遍存在NOx排放增加快，排溫上升慢的情況，需要評(píng)估系統(tǒng)是否能有效處理排放量的突然增長(zhǎng)。如圓圈所示：代表處理前后排放率的兩條曲線(xiàn)在一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)重疊，說(shuō)明在NOx排量開(kāi)始增長(zhǎng)后，后處理系統(tǒng)未能立刻生效。

綜上，構(gòu)建的低負(fù)荷工況樣例可以覆蓋多種典型低負(fù)荷運(yùn)行情景，滿(mǎn)足各情景下對(duì)后處理系統(tǒng)性能和策略的評(píng)估需求，驗(yàn)證了本文提出的低負(fù)荷工況構(gòu)建方法的合理性和有效性。

5 結(jié)論

本文提出用于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試的低負(fù)荷工況開(kāi)發(fā)方法：采集、整理、切割和拼接重型車(chē)實(shí)際道路數(shù)據(jù)，建立移動(dòng)窗口庫(kù)；研究窗口庫(kù)負(fù)荷分布情況，定義低負(fù)荷工況，建立低負(fù)荷窗口庫(kù)；通過(guò)聚類(lèi)分析明確典型低負(fù)荷運(yùn)行情景，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換形成低負(fù)荷工況庫(kù)，從庫(kù)中選擇合理的窗口組合形成低負(fù)荷工況。

按照上述技術(shù)路線(xiàn)實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷工況樣例的開(kāi)發(fā)，對(duì)樣本發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。結(jié)果證明低負(fù)荷工況能夠比較全面真實(shí)地反映重型車(chē)典型低負(fù)荷運(yùn)行情景，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)后處理系統(tǒng)在多情景下排溫穩(wěn)定保持、排放增長(zhǎng)處理等特定性能的測(cè)試評(píng)估。

將低負(fù)荷工況引入對(duì)排放水平的評(píng)估認(rèn)證中，對(duì)現(xiàn)有的法規(guī)工況進(jìn)行補(bǔ)充，可以令測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確全面地代表車(chē)輛實(shí)際道路行駛狀況，從而將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和相關(guān)減排技術(shù)的評(píng)估、標(biāo)定和開(kāi)發(fā)拓展到對(duì)重型車(chē)排放影響較大的低負(fù)荷情景中，對(duì)降低重型車(chē)的實(shí)際道路排放具有現(xiàn)實(shí)意義。