影響RDE的因素探究及驗(yàn)證

【摘" 要】環(huán)境溫度、海拔、行程動(dòng)力學(xué)等參數(shù)是影響實(shí)際行駛排放的重要因素，但是很多專(zhuān)家學(xué)者的研究結(jié)果卻大相徑庭。從影響原始排放的本質(zhì)出發(fā)，通過(guò)優(yōu)化ECU控制參數(shù)，降低其對(duì)環(huán)境溫度、海拔以及駕駛激烈程度的敏感性，從而達(dá)到優(yōu)化車(chē)輛原始排放的目的。在提升ECU控制參數(shù)的魯棒性的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入v*apos95占比的概念來(lái)研究行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)RDE結(jié)果的影響，通過(guò)控制試驗(yàn)條件，降低行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)RDE結(jié)果的干擾，并驗(yàn)證溫度和海拔對(duì)RDE試驗(yàn)結(jié)果的影響。結(jié)果表明：在動(dòng)力總成本身不作任何改變的情況下，ECU控制參數(shù)是影響RDE結(jié)果的關(guān)鍵因素；當(dāng)v*apos95占比小于75%時(shí)，RDE結(jié)果隨著v*apos95占比的增大而增大；當(dāng)v*apos95占比大于75%時(shí)，RDE結(jié)果不隨著v*apos95占比的變化而變化，保持相對(duì)穩(wěn)定；RDE結(jié)果在低溫情況下隨著溫度的降低有上升趨勢(shì)；隨著海拔的升高RDE結(jié)果呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】實(shí)際行駛排放；環(huán)境溫度；海拔；行程動(dòng)力學(xué)；v*apos95

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.1" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）11-0061-05

Study and Validation of Factors Affecting RDE

ZHANG Pengfei，XU Ming，WEI Shouqi，DU Lidong，LIU Jiayi，CUI Yingjie

（Besture Development Department，F(xiàn)AW Car Co.，Ltd.，Changchun 130012，China）

【Abstract】Parameters such as ambient temperature，altitude，and trip dynamics are important factors that affect actual driving emissions，but many expert scholars have had very different results. In this paper，we start from the essence of influencing raw emissions，and optimize the ECU control parameters to reduce its sensitivity to ambient temperature，altitude and driving intensity，so as to reach the purpose of optimizing raw vehicle emissions. Based on the enhanced robustness of ECU control parameters，the concept of v*apos95 load is introduced to study the effect of trip dynamics parameters on RDE results. By controlling the test conditions to reduce the disturbance of trip dynamics parameters on the RDE results，then verified the effect of temperature and altitude on the RDE test results. The results show that： without any change in the powertrain itself，the ECU control parameters are the key factors affecting the RDE results；when the v*apos95 load is less than 75%，the RDE results increase with the increase in v*apos95 load；when the v*apos95 load is greater than 75%，the RDE results slow down with the increase in v*apos95 load and remain relatively stable；The RDE results have an increasing tendency with the decrease in temperature at low temperatures；the RDE results decrease with altitude.

【Key words】real driving emission；ambient temperature；altitude；trip dynamic；v*apos95

1" 研究背景

隨著國(guó)VI排放的執(zhí)行，史上最嚴(yán)的實(shí)際行駛排放（Real Driving Emission，RDE）于2023年7月1日正式實(shí)施。RDE測(cè)試對(duì)車(chē)輛的有效載荷、環(huán)境溫度、海拔高度等提出了具體的要求，而且對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的完整性、正常性以及行程動(dòng)力學(xué)特性等校驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)要求[1]，這些約束條件對(duì)RDE測(cè)試結(jié)果的影響已經(jīng)成為近年來(lái)專(zhuān)家學(xué)者研究的焦點(diǎn)。

葛蘊(yùn)珊等[2-3]人利用便攜式排放測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了城市工況下的排放測(cè)試研究，證明了實(shí)際道路工況下的排放數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室認(rèn)證工況下的排放數(shù)據(jù)有較大差異。唐為義、鄭思凱等[4-8]在轉(zhuǎn)轂上利用環(huán)境倉(cāng)模擬了不同海拔高度、不同環(huán)境溫度對(duì)RDE排放的影響，得出PN排放隨著海拔高度的上升呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。宋彬、葛蘊(yùn)珊、Mateusz Satlawa等[9-13]人對(duì)影響RDE排放結(jié)果的行駛動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了研究，得出RDE排放與車(chē)輛的動(dòng)力學(xué)參數(shù)v*apos95和RPA具有明顯的相關(guān)性論斷。張遠(yuǎn)軍等[14]針對(duì)動(dòng)力學(xué)因子采取歸一化的處理方式，對(duì)駕駛行為進(jìn)行了修正，縮小了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的散差。雖然以上研究者在不同程度上都發(fā)現(xiàn)了一些影響RDE排放的現(xiàn)象或規(guī)律，但由于影響因素之間的雜糅和駕駛行為的不確定性，在研究方法和結(jié)論方面依然存在較大的分歧，這無(wú)疑給汽車(chē)制造廠商在RDE開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證過(guò)程中提出了更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

綜上，當(dāng)前的研究主要集中在環(huán)境溫度、海拔高度、駕駛員行為等影響RDE排放的外部條件上，且選取的車(chē)輛大多屬于國(guó)Ⅴ或國(guó)VI a階段，并未針對(duì)RDE進(jìn)行控制參數(shù)優(yōu)化，控制參數(shù)對(duì)RDE結(jié)果的影響無(wú)法考證。另外，從整車(chē)控制的角度出發(fā)，對(duì)于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，進(jìn)氣流量計(jì)算模型作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU的基礎(chǔ)計(jì)算模型，其主要的計(jì)算依據(jù)來(lái)自于溫度和壓力，與影響RDE結(jié)果因素相吻合。上述學(xué)者均沒(méi)有給出ECU控制精度的狀態(tài)，是否存在精度偏差導(dǎo)致結(jié)果偏差的可能性？帶著這樣的疑問(wèn)，本研究以多臺(tái)搭載汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)輛為研究對(duì)象，首先在滿足國(guó)VI b的車(chē)型且不增加GPF的基礎(chǔ)上，研究通過(guò)優(yōu)化車(chē)輛控制參數(shù)是否能滿足RDE法規(guī)要求，然后在保證車(chē)輛控制參數(shù)達(dá)標(biāo)的情況下，再驗(yàn)證環(huán)境溫度、海拔高度、行程動(dòng)力學(xué)等因素對(duì)RDE結(jié)果的影響規(guī)律并找出其主要原因。

2" 試驗(yàn)方法與設(shè)備

2.1" 試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，RDE法規(guī)在不同溫度和海拔采用不同的擴(kuò)展系數(shù)。為了保證本研究的科學(xué)性和覆蓋性，排除由于ECU控制參數(shù)偏差而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差。整個(gè)試驗(yàn)分為兩個(gè)階段：第1階段，選取特征環(huán)境溫度和典型駕駛循環(huán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬研究，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化ECU控制精度；第2階段，選擇合適的實(shí)際路面進(jìn)行環(huán)境溫度、海拔、行程動(dòng)力學(xué)等因素對(duì)RDE結(jié)果影響的驗(yàn)證并找出其原因。

2.2" 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選取AVL及Horiba兩家公司的便攜式車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)（Portable Emissions Measurement Systems，PEMS），排除設(shè)備差異導(dǎo)致的誤差。測(cè)試系統(tǒng)主要由氣體分析模塊、顆粒物數(shù)量（Particle Number，PN）分析模塊和排氣流量計(jì)3大部分組成，另有全球定位系統(tǒng)、氣象站（溫濕度）和OBD通信設(shè)備等附件。PEMS設(shè)備在被測(cè)車(chē)輛上的安裝示意見(jiàn)圖2。

2.3" 試驗(yàn)車(chē)輛

本研究針對(duì)兩個(gè)族系（X和Y）的10款車(chē)型20余臺(tái)車(chē)（每個(gè)車(chē)型至少2臺(tái)）開(kāi)展研究，以代表性車(chē)型為主要研究對(duì)象，每種試驗(yàn)工況至少完成2臺(tái)車(chē)各2次以上試驗(yàn)，其他車(chē)型完成2臺(tái)車(chē)至少各1次試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。兩個(gè)族系的車(chē)輛分別搭載1.5L和2.0L兩款直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，各車(chē)型的比功率分布如圖3所示。

由于v*apos95和RPA對(duì)RDE結(jié)果有較大的影響，且在RDE工況中已經(jīng)規(guī)定了每段車(chē)速的范圍，相同車(chē)速情況下加速度表現(xiàn)必然與RDE結(jié)果有關(guān)。由公式（1）不難看出，若忽略路面對(duì)加速度影響，相同車(chē)速下車(chē)輛的最大比功率就是該車(chē)輛能夠達(dá)到的最大加速的上限，也是v*apos95的能力上限。

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷對(duì)排放結(jié)果影響較大，故選擇族系中比功率較小、擋位較少且行駛阻力較大的車(chē)型作為代表性車(chē)型，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2.4" 模擬工況及試驗(yàn)路線

模擬工況采用重慶循環(huán)（C806）和西寧循環(huán)（C803），是聯(lián)合汽車(chē)電子的工程師通過(guò)采集重慶和西寧兩地RDE試驗(yàn)的實(shí)際行駛數(shù)據(jù)，通過(guò)加權(quán)擬合的方式制作的激進(jìn)駕駛循環(huán)的工況數(shù)據(jù)，是用來(lái)在實(shí)驗(yàn)室模擬重慶和西寧兩地的RDE試驗(yàn)，目的是為了縮短開(kāi)發(fā)周期和降低開(kāi)發(fā)不確定性，如圖4所示。

試驗(yàn)路線考慮到環(huán)境溫度、海拔、行程動(dòng)力學(xué)以及試驗(yàn)便利性等因素，選擇具有代表性工況的重慶、長(zhǎng)春、昆明3個(gè)城市的4條路線作為RDE驗(yàn)證路線，如圖5所示。

3" 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

本研究首先模擬工況，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)DOE（Design Of Experiment）將環(huán)境溫度、海拔、駕駛激烈程度等參數(shù)鎖定，優(yōu)化ECU控制參數(shù)，降低其對(duì)環(huán)境溫度、海拔以及駕駛激烈程度的敏感性，從而達(dá)到優(yōu)化車(chē)輛原始排放的目的。通過(guò)控制試驗(yàn)條件，降低行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)RDE結(jié)果的干擾，再對(duì)長(zhǎng)春、重慶、昆明3地驗(yàn)證溫度和海拔對(duì)RDE試驗(yàn)結(jié)果的影響。兩個(gè)族系10款車(chē)型共完成260多次RDE開(kāi)發(fā)試驗(yàn)。

3.1" 控制參數(shù)優(yōu)化及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)污染物產(chǎn)生的機(jī)理、催化劑轉(zhuǎn)化特性[15-17]，空燃比控制精度是影響排放的重要因素。提高空燃比控制精度主要包括閉環(huán)控制階段的空燃比精度和開(kāi)環(huán)控制階段的目標(biāo)空燃比精度。其具體措施包含：提高過(guò)渡工況空燃比控制精度，增加減速斷油后清氧工況的空燃比，減少不必要的減速斷油，增加大負(fù)荷工況的噴射次數(shù)以及調(diào)整換擋策略優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)間等[18]。對(duì)于具體的控制參數(shù)調(diào)整方法，本文中不作贅述，核心目的就是在兼顧催化劑轉(zhuǎn)化效率窗口的基礎(chǔ)上最大化地優(yōu)化PN排放。

3.1.1" 閉環(huán)空燃比精度對(duì)RDE排放的影響

在帶有環(huán)境倉(cāng)的整車(chē)轉(zhuǎn)轂實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，按照特定上述循環(huán)加載道路載荷和坡度參數(shù)，模擬不同空燃比精度變化對(duì)RDE的影響。0℃時(shí)不同空燃比精度與RDE結(jié)果的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示，其中X_1和X_2兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)為空燃比精度優(yōu)化前的排放結(jié)果，X_7、X_8和X_9為空燃比精度優(yōu)化后的排放結(jié)果。結(jié)果表明，空燃比優(yōu)化前后RDE結(jié)果差距較大，空燃比精度提升能夠降低PN和NOX排放。

3.1.2" 開(kāi)環(huán)空燃比精度對(duì)RDE排放的影響

30℃時(shí)不同開(kāi)環(huán)空燃比對(duì)應(yīng)的RDE排放結(jié)果如圖7所示，其中X_17和X_18為開(kāi)環(huán)空燃比偏小時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，X_19和X_20為開(kāi)環(huán)空燃比偏大時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果，X_21和X_22為最終選定的開(kāi)環(huán)空燃比對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整目標(biāo)空燃比，可以達(dá)成平衡PN和NOX兩者排放水平的目的。

通過(guò)多輪開(kāi)環(huán)空燃比精度優(yōu)化工作，最終鎖定目標(biāo)空燃比。在ECU控制參數(shù)中，常用量空氣系數(shù)表示空燃比，圖8為優(yōu)化前后實(shí)測(cè)的目標(biāo)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)比，優(yōu)化后的目標(biāo)過(guò)量空氣系數(shù)變化幅度較優(yōu)化前大幅收窄（RDE試驗(yàn)全程過(guò)量空氣系數(shù)目標(biāo)值嚴(yán)格控制在0.95～1.05，國(guó)VI b階段過(guò)量空氣系數(shù)目標(biāo)值控制在0.85～1.05）。圖9為使用圖8優(yōu)化后的目標(biāo)過(guò)量空氣系數(shù)的標(biāo)定數(shù)據(jù)采用正常駕駛模式下測(cè)得的排放試驗(yàn)結(jié)果。與圖6、圖7優(yōu)化之前的結(jié)果相比，PN和NOX的排放均有較大幅度的改善。

綜上，由于RDE和全球輕型車(chē)統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)（World Light Vehicle Test Cycle，WLTC）工況覆蓋性差異問(wèn)題，雖然車(chē)輛本身能夠滿足國(guó)VI b的要求，但RDE試驗(yàn)的表現(xiàn)并不好，這也說(shuō)明之前學(xué)者的研究也可能存在類(lèi)似的現(xiàn)象；通過(guò)優(yōu)化ECU控制參數(shù)，提高空燃比控制精度和提升系統(tǒng)的魯棒性，適當(dāng)調(diào)整空燃比，平衡PN排放。試驗(yàn)結(jié)果表明，該研究涉及的兩個(gè)族系車(chē)型在不增加GPF的情況下，也同樣能達(dá)到RDE法規(guī)要求的水平。

3.2" 實(shí)際道路驗(yàn)證結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.2.1" 駕駛行為對(duì)RDE排放的影響

v*apos95是行程有效性驗(yàn)證和駕駛激烈程度判定的重要參數(shù)。由于在行程有效性判定中規(guī)定了v*apos95的上限值，為了增加不同動(dòng)力總成和車(chē)型之間的可比性，本研究將v*apos95行程有效性判定的上限值作為基數(shù)，將v*apos95進(jìn)行歸一化處理，將歸一化處理后所得的百分比定義為v*apos95占比。

在第1階段完成的基礎(chǔ)上，在不同環(huán)境條件下，僅改變行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究，獲取測(cè)量數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析。在長(zhǎng)春（環(huán)境溫度0℃左右、海拔高度200m附近）進(jìn)行的RED測(cè)試結(jié)果如圖10所示。從數(shù)據(jù)上看，CF_PN和CF_NOX都隨著v*apos95占比變化而變化，而且存在正相關(guān)，即隨著駕駛激烈程度的增加，PN和NOX的排放都有所增加。

在重慶（環(huán)境溫度30℃左右、海拔高度400m附近）進(jìn)行X、Y兩個(gè)族系的RDE試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，控制v*apos95占比大于75%以后，從CF_PN和CF_NOX的趨勢(shì)線可以看到隨著v*apos95占比增加，PN和NOX的排放水平幾乎保持不變，即隨著駕駛激烈程度的增加，PN和NOX的排放并沒(méi)有隨著v*apos95占比的增加而增加，保持在相對(duì)穩(wěn)定的水平上。

在昆明（環(huán)境溫度30℃左右，海拔高度2000m附近）進(jìn)行X、Y兩個(gè)族系的RED試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。在控制v*apos95占比大于75%以后，從CF_PN和CF_NOX的趨勢(shì)線可以看出，隨著v*apos95占比增加，PN和NOX的排放水平幾乎保持不變，即隨著駕駛激烈程度的增加，PN和NOX的排放并沒(méi)有隨著v*apos95占比的增加而增加，而是保持在相對(duì)穩(wěn)定的水平上，與重慶地區(qū)保持相同的結(jié)論。

綜上，通過(guò)在不同溫度條件和海拔條件下驗(yàn)證v*apos95占比與RDE的關(guān)系為：當(dāng)v*apos95占比小于75%時(shí)，RDE試驗(yàn)結(jié)果隨著v*apos95占比的增大而增大；當(dāng)v*apos95占比大于75%時(shí)，RDE結(jié)果不隨著v*apos95占比的增大而增大，保持相對(duì)穩(wěn)定。

3.2.2" 環(huán)境溫度對(duì)RDE排放的影響

在第1階段和行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)驗(yàn)證完成的基礎(chǔ)上，控制v*apos95占比大于75%繼續(xù)研究環(huán)境溫度對(duì)RDE結(jié)果的影響。分別在0℃和30℃兩個(gè)特征溫度點(diǎn)附近進(jìn)行X、Y兩個(gè)族系的多次RDE試驗(yàn)。

在重慶和昆明兩地30℃附近時(shí)進(jìn)行的RDE試驗(yàn)結(jié)果如圖13、圖14所示。不難看出，兩地RDE試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)一致，隨著環(huán)境溫度的升高，PN排放總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，NOx排放總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

在其他條件保持不變的情況下，同一車(chē)型在0℃和30℃下的RDE水平對(duì)比如圖15所示。從全程排放來(lái)看，PN和NOX的排放在0℃環(huán)境下略高于30℃環(huán)境下；從市區(qū)來(lái)看，0℃環(huán)境下的排放明顯高于30℃環(huán)境下的排放，主要差異集中在市區(qū)工況。通過(guò)分析對(duì)比，排放秒采數(shù)據(jù)和ECU控制參數(shù)發(fā)現(xiàn)，主要差異來(lái)自于怠速起停進(jìn)入和退出時(shí)刻的排放差異，且多次試驗(yàn)的散差較大，可能與催化器溫度變化和不同停機(jī)時(shí)間下的清氧控制相關(guān)，后續(xù)需要繼續(xù)分析和優(yōu)化ECU標(biāo)定數(shù)據(jù)。

綜上，常溫情況下，隨著環(huán)境溫度的升高，PN總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，NOX總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。低溫情況下，RDE結(jié)果相對(duì)常溫略高，需要進(jìn)一步優(yōu)化ECU標(biāo)定數(shù)據(jù)。

3.2.3" 海拔高度對(duì)RDE排放的影響

如圖16所示，同一車(chē)型，在30℃附近，當(dāng)海拔高度由400m上升至2000m后，無(wú)論是市區(qū)還是全程，RDE結(jié)果都有明顯下降。其主要原因是由于高原環(huán)境下空氣中的含氧量下降，在相同扭矩需求下，動(dòng)力輸出相對(duì)于低海拔地區(qū)更加緩慢，雖然整個(gè)試驗(yàn)對(duì)v*apos95占比測(cè)量值與平原相同，但是從ECU的測(cè)量數(shù)據(jù)上不難看出，高原平均車(chē)速比平原地區(qū)相對(duì)高一些，實(shí)際上加速度相對(duì)偏小一些。

綜上，在相同溫度和行程動(dòng)力學(xué)水平的基礎(chǔ)上，受高原環(huán)境含氧量下降的影響，隨著海拔的升高或含氧量下降，RDE結(jié)果呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

4" 結(jié)論

本文通過(guò)研究?jī)蓚€(gè)族系10個(gè)車(chē)型260多次RDE試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比分析不同空燃比、環(huán)境溫度、海拔高度、行程動(dòng)力學(xué)參數(shù)等對(duì)RDE結(jié)果的影響，結(jié)果表明如下。

1）優(yōu)化ECU控制參數(shù)，提高控制數(shù)據(jù)的魯棒性，可以降低車(chē)輛對(duì)環(huán)境溫度、海拔以及駕駛激烈程度的敏感程度，起到改善RDE結(jié)果的作用。

2）當(dāng)v*apos95占比小于75%時(shí)，RDE結(jié)果隨著v*apos95占比的增大而增大；當(dāng)v*apos95占比大于75%時(shí)，RDE結(jié)果隨著v*apos95占比的增速放緩，保持相對(duì)穩(wěn)定。

3）常溫條件下，NOX隨著溫度的升高呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，PN隨著溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

4）低溫情況下，RDE結(jié)果相對(duì)常溫略高，可能與怠速起停前后的催化劑溫度和清氧控制有關(guān)，需要進(jìn)一步優(yōu)化ECU控制參數(shù)并研究。

5）受高原環(huán)境含氧量下降的影響，隨著海拔的升高，RDE結(jié)果呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

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（編輯" 凌" 波）

作者簡(jiǎn)介

張鵬飛（1983—），動(dòng)力總成集成標(biāo)定高級(jí)主任，高級(jí)工程師，主要從事新能源及動(dòng)力總成集成標(biāo)定研究的工作。