基于穩(wěn)態(tài)工況的重型車排放遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)偏差研究

仝 暢 任爍今 劉 棟 張 朋 李騰騰 景曉軍

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司 天津 300300）

引言

柴油機(jī)由于具備熱效率高、轉(zhuǎn)矩大、燃油消耗率低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車交通領(lǐng)域。目前，在載重貨車和大型客車的動力源中，柴油機(jī)占有絕對優(yōu)勢[1]。由于油氣混合、燃燒室結(jié)構(gòu)和燃燒方式等特點(diǎn)，氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）是柴油機(jī)排放中主要的污染物。據(jù)生態(tài)環(huán)境部發(fā)布的《中國移動源排放管理年報(bào)2022》中提供的數(shù)據(jù)顯示：2021 年，全國汽車一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）排放量分別為693.5 萬t、182.0 萬t、568.5萬t、6.4 萬t。其中，柴油車排放的NOx占汽車排放總量的80%以上，PM 占汽車排放總量的90%以上[2]。為改善空氣質(zhì)量，我國采取了大氣污染防治行動計(jì)劃[3]、打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計(jì)劃[4]等重大行動和措施，國務(wù)院印發(fā)的《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》提出加快區(qū)域內(nèi)機(jī)動車排污監(jiān)控平臺建設(shè)，重點(diǎn)治理重型柴油車和高排放車輛[5]。為了加強(qiáng)對重型車和非道路移動機(jī)械的監(jiān)管，北京市生態(tài)環(huán)境局要求2020 年底前完成本市在用重型柴油車、重型燃?xì)廛囓囕d終端的加裝工作[6]。

隨著我國政府部門逐步加強(qiáng)對重型車遠(yuǎn)程監(jiān)管的重視，重型車的遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺隨之得到快速發(fā)展，其算法和監(jiān)控功能不斷完善以滿足對重型車排放精確監(jiān)測的需求，從而對問題車輛及時作出判斷和處理。孫一龍等[7]對某國六重型車遠(yuǎn)程排放管理車載終端在線數(shù)據(jù)一致性進(jìn)行了研究，在C-WTVC 循環(huán)測試中，分別采集樣車排放管理車載終端獲取和試驗(yàn)設(shè)備實(shí)際測量的車速、燃料消耗量和NOx瞬時排放數(shù)據(jù)，通過線性擬合，采用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算，得出的數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，能夠滿足重型車國六排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。劉寶利等[8]對某國六重型柴油車NOx排放遠(yuǎn)程監(jiān)控的準(zhǔn)確性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)尿素濃度下，由于NH3逃逸后會導(dǎo)致SCR 下游NOx傳感器識別NOx排放的精度下降，進(jìn)而影響車載終端上傳到遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺的NOx排放準(zhǔn)確性。以上學(xué)者的研究側(cè)重于遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性，而對于遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的偏差研究較少。

本文選用3 臺國六重型車，在發(fā)動機(jī)外特性曲線上，選取5 個均布的最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，在重型底盤測功機(jī)上進(jìn)行與之對應(yīng)車速的穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)。通過對遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的采集并計(jì)算偏差，為遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺的監(jiān)管準(zhǔn)確性提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)對象及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)樣車為3 臺國六重型柴油車，樣車搭載排放遠(yuǎn)程管理車載終端，用于采集整車排放相關(guān)數(shù)據(jù)?；赥CP/IP 網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議，將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺，車載終端數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為0.1 Hz。樣車技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 樣車技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在重型底盤測功機(jī)上進(jìn)行，利用重型底盤測功機(jī)模擬車輛道路行駛阻力，通過便攜式車載排放測試系統(tǒng)（PEMS）測量摩擦轉(zhuǎn)矩百分比、發(fā)動機(jī)凈輸出轉(zhuǎn)矩百分比、燃料流量以及排氣流量。試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)使用德國MAHA 公司生產(chǎn)的重型4 驅(qū)轉(zhuǎn)轂，可以實(shí)現(xiàn)道路阻力模擬、恒速阻力模擬、恒阻力模擬、坡度阻力模擬等試驗(yàn)?zāi)M要求，可模擬的最大整車質(zhì)量為49 t；使用HORIBA 公司生產(chǎn)的OBSONE 便攜式車載排放測試系統(tǒng)（PEMS），主要由主控單元、排氣分析單元、流量測量單元、GPS、溫度和濕度傳感器等部件構(gòu)成，可實(shí)時測量排氣中CO2、CO和NOx的濃度，并根據(jù)排氣流量、排氣壓力、排氣溫度、排氣組分密度和排氣密度比等參數(shù)自動計(jì)算排氣中各氣體污染物的質(zhì)量流量。通過OBD 診斷接口讀取車輛發(fā)動機(jī)及后處理系統(tǒng)的實(shí)時運(yùn)行參數(shù)，數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz。

1.3 試驗(yàn)方案

1）根據(jù)發(fā)動機(jī)外特性曲線，選取5 個均布的最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速，分別記為ni，i=1，2，3，4，5。

2）對于第i 個測試點(diǎn)，變速器接入直接擋，通過加速踏板控制車速，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定指向ni時，測取當(dāng)前驅(qū)動輪線速度，記為第i 個測試點(diǎn)車速vi。

3）車輛固定在底盤測功機(jī)上，將車載終端連接遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺，確認(rèn)車載終端與遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺通訊正常。

4）底盤測功機(jī)在恒速阻力模式下，最大車速設(shè)置為vi，起動車輛并對車輛進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱完成后逐漸加速，直至變速器接入直接擋，將加速踏板踩到底，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速表的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定指向ni時，記錄數(shù)據(jù)至少30 s，數(shù)據(jù)采樣頻率為1 Hz。

5）試驗(yàn)過程中，測試車速由高到低保證試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)束后，對于第i 個測試點(diǎn)，對遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的數(shù)據(jù)和設(shè)備采集的數(shù)據(jù)分別取平均值，計(jì)算相對誤差。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 車速

對車速，按下面的公式計(jì)算相對誤差：

式中：δi為第i 個測試點(diǎn)車速的相對誤差，%；vi為第i 個測試點(diǎn)測功機(jī)限定的實(shí)際車速，km/h；vi′為第i 個測試點(diǎn)遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的車速示值平均值，km/h。

對于各樣車，遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的車速與底盤測功機(jī)限定的實(shí)際車速對比如圖2 所示。

圖2 車速對比

從圖2 可以看出，各樣車的2 條車速曲線趨勢一致，車速相差不大；樣車2，遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的車速出現(xiàn)輕微波動。原因是樣車2 在試驗(yàn)過程中存在較大的轉(zhuǎn)速波動，轉(zhuǎn)速波動引起車速波動，同時降低了測試點(diǎn)限定實(shí)際車速的準(zhǔn)確度。

車速的相對誤差直方圖如圖3 所示。

圖3 車速相對誤差直方圖

從圖3 可以看出，各樣車的車速相對誤差均在2%以內(nèi)；樣車3，隨著測試點(diǎn)車速逐漸降低，相對誤差有逐漸增大的趨勢。根據(jù)公式（1）可知，當(dāng)遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的車速示值平均值與測功機(jī)限定的實(shí)際車速平均值的差值相同時，實(shí)際車速降低，相對誤差增大。因此，對于低速測試點(diǎn)，車速降低是相對誤差增大的主要原因。

2.2 轉(zhuǎn)矩

根據(jù)發(fā)動機(jī)基本參數(shù)和外特性曲線，讀取參考轉(zhuǎn)矩和各測試點(diǎn)所對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩，并對試驗(yàn)過程所記錄的各測試點(diǎn)發(fā)動機(jī)凈輸出轉(zhuǎn)矩、摩擦轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)取平均值，計(jì)算發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的絕對誤差。計(jì)算公式為：

式中：Δi為第i 測試點(diǎn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的絕對誤差，%；tei為第i 測試點(diǎn)遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的凈輸出轉(zhuǎn)矩示值平均值，%；tfi為第i 測試點(diǎn)遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的摩擦轉(zhuǎn)矩示值平均值，%；Ti為測試車輛發(fā)動機(jī)在ni轉(zhuǎn)速對應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩，N·m；Tr為測試車輛發(fā)動機(jī)參考轉(zhuǎn)矩，N·m，為固定值。

對于各轉(zhuǎn)速，各樣車試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 樣車試驗(yàn)數(shù)據(jù)

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩的絕對誤差直方圖如圖4 所示。

圖4 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩絕對誤差直方圖

從圖4 可以看出，同一輛車在不同測試點(diǎn)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩絕對誤差存在較大波動。這是因?yàn)?，對于不同測試點(diǎn)，發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩不盡相同；并且在不同工況下，發(fā)動機(jī)凈輸出轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩也存在一定變化，2 者共同影響計(jì)算結(jié)果。但對于不同的樣車，各測試點(diǎn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩絕對誤差波動范圍均在±3%以內(nèi)，遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)偏差較小，可以比較真實(shí)地反映實(shí)測數(shù)據(jù)。

2.3 燃料流量

利用PEMS 采集排氣污染物和排氣流量等數(shù)據(jù)，采用碳平衡法計(jì)算出發(fā)動機(jī)燃料流量瞬時值，并與遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的發(fā)動機(jī)燃料流量進(jìn)行對比。對于發(fā)動機(jī)燃料流量，按下式計(jì)算相對誤差：

式中：δ1i為第i 測試點(diǎn)的發(fā)動機(jī)燃料流量相對誤差，%；Qi′為第i 測試點(diǎn)遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的發(fā)動機(jī)燃料流量示值平均值，L/h；Qi為第i 測試點(diǎn)通過碳平衡方法計(jì)算得到的發(fā)動機(jī)燃料流量平均值，L/h，計(jì)算方法參考GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[9]或GB/T 27840-2021《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》[10]。

對于各樣車，遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的燃料流量數(shù)據(jù)與PEMS 實(shí)測的燃料流量數(shù)據(jù)對比如圖5 所示。

圖5 燃料流量對比

從圖5 可以看出，各樣車的2 條曲線趨勢基本一致，實(shí)測數(shù)據(jù)圍繞遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的數(shù)據(jù)上下波動。由于PEMS 實(shí)測的燃料流量數(shù)據(jù)是根據(jù)碳平衡法反算獲得的，而遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的燃料流量數(shù)據(jù)是ECU 根據(jù)MAP 圖估算獲得的，2 者的原理不同且各自存在誤差，因此，在各穩(wěn)態(tài)工況的計(jì)算結(jié)果存在一定偏差。

燃料流量的相對誤差直方圖如圖6 所示。

圖6 燃料流量相對誤差直方圖

從圖6 可以看出，樣車1 的偏差相對較大，樣車2、樣車3 的偏差相對較小。原因是：在試驗(yàn)設(shè)備相同的前提下，各樣車及發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)廠家不同，ECU 計(jì)算程序和控制策略存在差異。但樣車在各工況的燃料流量相對誤差均在±3%以內(nèi)，結(jié)果較為合理。

2.4 進(jìn)氣量

進(jìn)氣量為PEMS 測量的排氣質(zhì)量流量瞬時值減去燃料質(zhì)量流量瞬時值。對于進(jìn)氣量，按下式計(jì)算相對誤差：

式中：δ2i為第i 測試點(diǎn)的進(jìn)氣量相對誤差，%；qai′為第i 測試點(diǎn)遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的進(jìn)氣量示值平均值，kg/h；qai為第i 測試點(diǎn)按下式計(jì)算得到的進(jìn)氣量平均值，kg/h。

式中：qa為進(jìn)氣量，kg/h；qe為排氣量，kg/h；Q 為燃料流量，L/h；ρd為燃料密度，kg/L。

對于各樣車，遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的進(jìn)氣量數(shù)據(jù)與PEMS 系統(tǒng)實(shí)測的進(jìn)氣量數(shù)據(jù)對比如圖7 所示。

圖7 進(jìn)氣量對比

從圖7 可以看出，各樣車的2 條曲線趨勢基本一致，實(shí)測數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的數(shù)據(jù)大小接近。由于遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的進(jìn)氣量數(shù)據(jù)是通過發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量傳感器直接測量或通過安裝在進(jìn)氣歧管的進(jìn)氣壓力傳感器間接測量得到的，本身具有誤差；實(shí)測的進(jìn)氣量數(shù)據(jù)是通過排氣流量計(jì)測得的排氣流量減去燃料流量獲得的，測量存在一定的累積誤差。因此，從理論上講，2 組數(shù)據(jù)的瞬時值會出現(xiàn)一定偏差。

進(jìn)氣量的相對誤差直方圖如圖8 所示。

圖8 進(jìn)氣量相對誤差直方圖

從圖8 中可以看出，各樣車各工況的進(jìn)氣量相對誤差均在±3%以內(nèi)，且絕大多數(shù)相對誤差在±2%以內(nèi)，該結(jié)果處于合理范圍。

3 結(jié)論

1）對3 輛國六重型柴油車穩(wěn)態(tài)工況下車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、燃料流量和進(jìn)氣量等參數(shù)進(jìn)行了實(shí)際測量，并與遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)偏差較小，可以比較準(zhǔn)確地反映實(shí)車運(yùn)行狀況。

2）從宏觀層面看，車速、燃料流量和進(jìn)氣量的相對誤差均在±3%以內(nèi)，且絕大多數(shù)相對誤差在±2%以內(nèi)；對于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩，遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺接收的數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的絕對誤差也在±3%以內(nèi)。

3）從微觀層面看，各運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集方法有本質(zhì)區(qū)別，而且各樣車的電控策略也不同，因此，不同工況的結(jié)果變化趨勢呈現(xiàn)多樣性，但整體上相對誤差小于±3%。

4）車載終端發(fā)送到遠(yuǎn)程排放監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)與重型底盤測功機(jī)和PEMS 的實(shí)測數(shù)據(jù)滿足一致性要求，數(shù)據(jù)偏差均在±3%以內(nèi)，可以滿足監(jiān)控實(shí)車運(yùn)行狀態(tài)的要求。