基于国Ⅵ标准的汽车道路滑行试验研究

牛飞飞 杜伟涛 金晓清 邓波 姚实聪

摘要：为提高轻型燃油车节能减排标准，国家发布了国Ⅵ污染物排放标准。国内汽车企业和检测机构在使用这一新标准进行滑行试验时，仍存在一些技术问题。该文概括汽车道路滑行试验流程;对轻型燃油车进行基于国Ⅵ污染物排放标准下的滑行试验设计，并重点阐释较国Ⅴ污染物排放标准改进的方面;对国Ⅵ标准下的滑行试验数据进行处理，并与现行国Ⅴ标准试验数据进行对比，数据处理结果表明国Ⅵ标准由于考虑的因素较为周全因而得出的试验结果更加合理。

关键词：轻型汽车;滑行试验;数据处理;国Ⅵ污染物排放标准

中图分类号：U467.1 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）07-0011-08

0 引言

随着私家车在中国的普及，汽车的尾气排放问题日益严重，节能减排与汽车行业发展之间的矛盾在我国日渐凸显。GB 18352.6-2016《轻型汽车污

收稿日期：2018-06-02;收到修改稿日期：2018-07-28

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51475057）;中央高校基本科研业务费专项（106112017CDJQJ328839）

作者简介：牛飞飞（1988-），男，河北邯郸市人，工程师，硕士，主要从事汽车整车性能测试与新能源汽车性能研究。染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》（以下简称“国Ⅵ”）正是在这样的背景下应运而生，相较于目前的排放标准GB 18352.5-2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）》（以下簡称“国Ⅴ”），国Ⅵ标准已作了一定的调整。

汽车滑行试验作为国Ⅴ和国Ⅵ标准中的基础测试项目[1-4]，其测试结果不仅是衡量汽车行驶过程中所受阻力的指标，也是反映汽车行驶中底盘阻力和车辆外形结构对汽车动力性、燃油经济性影响的重要参考。滑行试验可以监测包括轮胎滚动阻力[5]、空气阻力[6]、坡度阻力、变速箱传动阻力等影响车辆燃油经济性的主要因素。国内外学者对其早有研究，Dunn等[7]在车辆滑行研究中指出道路试验时受风速风向、道路坡度、轮胎温度、车流变化等多种因素影响;Preda等[8]使用模态分析和数学回归方法估计车辆滑行阻力;周荣宽等[9]利用最小二乘法对电动汽车的加速度和速度进行了二次曲线拟合，并利用二次曲线方程计算出了电动汽车的滚动阻力系数和空气阻力系数;韩宗奇[10]和赵相君等[11]从运动微分方程人手经过积分推导并与试验数据相结合求解出汽车阻力方程;曾海鹏等[12-13]依据标准GB18352.3-2005[14]研究了滑行试验方法和使用数据处理程序计算滑行阻力曲线的步骤;张更娥等[15]使用虚拟设备测试使得滑行测试更加简便易行;张富兴等[16]也对重型车做了滑行研究。这些研究对推动汽车滑行和排放试验的进行起到了重要的作用，但对国Ⅴ和国Ⅵ滑行试验方法的研究却寥寥无几。

许多企业和检测机构目前都在尝试国Ⅵ滑行试验，由于对标准理解不够深入，导致无法测试出精确的滑行阻力结果，由此造成了研发资源和时间的浪费。因此，在新标准发布之时，如何快速利用既有的国Ⅴ检测设备实现新标准国Ⅵ的规范性检测，是一个值得引起关注的问题。

1 轻型汽车滑行试验

轻型汽车滑行试验是依照相关国家标准（如国Ⅴ、国Ⅵ标准）进行的，有利于提高道路载荷测试精确性，从而为车辆排放试验提供准确的信息数据，进而得到准确的排放值，对提高车辆排放标准，降低能耗意义重大。国Ⅵ标准对汽车污染物的排放要求更为严格，测试环境也有所变化，但标准中的基础试验——车辆滑行试验[9-13]，其测试流程并未发生显著变化。

车辆滑行试验的测试流程如图1所示，可知滑行试验的设计主要对测试环境、车辆准备、测试仪器选择和试验数据分析4方面进行详细的规范。下面以固定式风速仪滑行法为例进行试验设计规范。

2 国Ⅵ标准下的滑行试验设计

国Ⅵ排放标准作为国Ⅴ排放标准的升级版，滑行试验的测试流程和评判标准都体现一定程度的改变与调整。其试验方法在GB18352.6-2016[3]有相关描述，在对轻型燃油车进行滑行试验时，着重对图1所述的4方面进行规范。

2.1 试验条件

试验道路表面应平坦、清洁、干燥。最好选择具有国家测试认证资质的试验场性能测试路，直线道路和环形道路均可。

滑行试验要在大气温度标准要求范围内进行，最好接近标准条件温度。使用固定式风速仪检测时，风速的测试分为纵向风速和横向风速两部分测量。

2.2 车辆准备

生产企业有特定要求时，试验车辆的选取、磨合里程、车轮定位状态均按照要求确定。生产企业无特定要求时，试验样车选择循环能量最高的车辆;样车里程数和车轮定位状态也相应的达到标准要求;另外，样车轮胎有特殊的规定。

在进行道路滑行试验前后，试验车辆、司机和设备都需要进行称重，以确定平均质量m_av。需要指出的是，道路载荷试验开始时车辆的质量要大于等于其测试质量。试验车辆的测试质量为基准质量、选装装备质量和代表性负载质量之和。其中，代表性负载质量指一定百分比的车辆最大负载，客车为15%，货车为28%。在车辆称重后，按照生产企业的技术要求，将前后轮胎充气到压力范围的下限。

2.3 仪器

车辆的质量和胎压测试仪器需要满足精度要求;试验中使用的大气条件测试仪器和车辆行驶数据测试记录仪器，尤其是安装在车外的设备，除满足精度要求外还应尽量减少对车辆空气动力学特性的影响。

2.4 滑行试验

试验开始前记录试验车辆的配置和状态参数，关闭盖板，确保所有舱盖和车窗处于关闭状态。

试验正式开始前，需对试验车辆进行预热，直到达到稳定状态。车辆预热方法为：离合器断开或自动挡在空挡时，通过刹车使车速在5-10s的时间内稳定地从80km/h降低到20km/h，然后保持试验车速为WLTC测试循环最大速度的90%（118km/h）行驶至少20min。

本文只讨论固定式风速仪滑行试验方法。首先确定基准速度：从20km/h起，步长10km/h增加，最高为130km/h;如果最高基准速度加上14km/h（即144km/h）大于等于最高车速则应选择次高基准速度（即120km/h）为最高基准速度，以此类推。

在每次试验前，车辆加速到比最高基准速度高10～15km/h的车速，稳定维持至少1min后开始滑行。滑行过程中，变速箱置空挡，方向盘不转动，不进行制动，试验仪器以≥5Hz的频率记录试验车辆的时间和车速。试验应多次重复进行，可以分段进行滑行（注意车况保持不变），直到试验数据满足统计学精度要求。对应基准速度v_j，读取仪器测量的车速从（v_j+△v）滑行到（v_j-△v）的时间，其中△v≤5km/h。

滑行试验往返双向进行，测量至少3对往返的时间结果，其数值需要满足以下统计精度[3]：式中：p_j——基准速度v_j下测试的统计精度;

n——测试的组数;

σ_j——标准偏差;

h——系数，其值与测试组数n相对应;

△t_j——基准速度v_j的算数平均滑行时间，s。

式（1）中的系数h，GB 18352.6-2016[3]中以表格的形式给出了一系列的数值（见表1）。

△t_j按下式进行计算：式中：△t_ji为基准速度v_j的第i对测试滑行时间的调和平均值，即：其中△t_jai、△t_jbi分别是基准速度v_j下第i对测试滑行在各自方向上的滑行时间。

标准偏差由数学统计公式使用此试验结果可表述为

如果滑行试验的结果满足统计精度的要求，即可用来计算道路载荷的算数平均值，使用以下公式采用双向滑行时间的调和平均值进行计算：其中m_av为滑行试验开始和结束时试验车辆的平均质量;m_r表示转动零部件的等效有效质量，可以用试验或者计算的方法确定，或者经环保主管部门同意根据车辆的基准质量的3%进行估算。△t_j'是在基准速度v_j下测量得到的往返滑行时间的调和平均值，即：其中△t_ja'、△t_jb'分别为对应基准速度在两个方向a和b的滑行时间的算数平均值，s，即：

根据各个基准速度点计算得到的F_j按照最小二乘法可以拟合成与速度相关的二次函数，其常数项f₀、一次项f₁和二次项f₂分别为滑行阻力曲线的常数项系数、一次项系数和二次项系数。即：

F=f₀+f₁v+f₂v²（8）

2.5 道路载荷的修正

上文得到的道路载荷是在一定环境条件下试验车辆的测试结果，需要修正到基准状态以比较各个不同车型的载荷大小。这里的基准状态指的是标准大气条件，即：大气压力P0

v——车速;

w₁、K₀、K₁和K₂——上文求得的修正系数。

2.6 国Ⅴ和国Ⅵ滑行试验对比

为了更好的进行滑行试验，本文对国Ⅴ和国VI关于滑行的要求从试验条件、车辆准备、测试仪器、滑行试验和数据处理及修正进行了全面的分析对比，从而为国Ⅵ试验能够更好地进行提供参考。

2.6.1 试验条件

国Ⅴ标准规定的试验道路只是规定了道路的一般特性和坡度要求，国Ⅵ则分别列出了双向道路和单向环道的坡度要求。国Ⅴ和国Ⅵ均对试验的环境风速、大气压力和风速进行了规定，其中前者对于大气压力和温度以空气密度与基准状态的偏差表示，后者以温度和试验温差表示。其具体情况见表2。

2.6.2 车辆准备

国Ⅴ对测试车辆的选择分别从车身、轮胎、发动机、变速器等方面考虑，选择风阻最大的进行试验;国Ⅵ选用循环能量最高的进行试验。对于车辆的前期准备工作、轮胎的要求和车辆试验质量等要素，国Ⅵ相对于国Ⅴ均作出了相关调整，要求均有所提高。具体情况见表3。

2.6.3 测试仪器

对于测试设备的要求，国Ⅴ只是对时间和车速测试仪器提出了精度要求，国Ⅵ不仅对时间和车速测试仪器的设备精度提出了更高的要求，而且还对汽车外置设备的形状提出了要求，以及风速风向测试设备、环境温度气压测试设备、质量测量仪器和胎压检测仪器的精度提出了要求。具体要求见表4a

2.6.4 滑行试验

对于滑行试验的车辆状态和操作步骤，国Ⅴ和国Ⅵ没有变化。对于试验开始前的车辆预热，国VI相较于国Ⅴ做出了较为详细的操作说明。滑行的最高基准速度从国Ⅴ的120km/b提高到130km/h，相应的基准速度步长也从20km/h精确为10km/h。结束条件从至少4对连续测量结果变为至少3对连续测量结果，数据的衡量标准和满足的统计条件公式有所变化。具体要求见表5。

2.6.5 试验数据分析

滑行试验数据的处理方法和修正方法在国Ⅴ和国Ⅵ中存在着较大的差别。在国Ⅴ中，需选择符合精度要求的4对以上的数据进行数据处理;而在国Ⅵ中，只需选取3对满足精度要求的即可。另外，在国Ⅴ中若要实现道路载荷的计算需要使用“能量变换法”[2，8]，在国Ⅵ中，可通过公式直接计算道路载荷，进而得到滑行阻力曲线。需要指出的是，国Ⅴ的数据处理使用的是滑行时间的算术平均值，而国Ⅵ的数据处理则更多地使用了滑行时间的调和平均值，因此总的试验次数和数据处理工作相较国Ⅴ有所增加。对于道路载荷的修正，国Ⅴ使用“能量变化法”，对大气温度、空气密度、空气阻力、车辆滚动阻力等进行修正。国Ⅵ则对空气阻力、滚动阻力、风速和测试质量进行修正。较国Ⅴ而言，国Ⅵ增加了风速的修正，而且由于加载状况发生了变化，对测试质量的修正也提出了新要求。具体要求如表6所示。在国Ⅴ滑行试验中，统计精度为式中：h——与式（1）相同的系数;

T——滑行时间的算数平均值;

n——往返试验次数。

滑行功率为式中：V——试验车速;

△V——V的速度偏差，△V≤5km/h;

M——基准质量;

T——滑行时间。

功率修正公式[2]为

PR

首先按照国Ⅵ要求进行加载，根据样车整备质量和总质量，可以计算得到样车测试质量为2301kg。因此试验质量只需大于测试质量即可，根据驾驶员质量和加载的方便性，此次试验加载至2315kg。按照标准规定进行预热，预热前关闭盖板、车窗、空调等，预热20min后正式进行滑行试验。对于基准速度v_j，仪器需测量记录车速从（v_j+△v）滑行到（v_j-△V）的時间，其中△v≤5km/h，因此可选取△v=5km/b进行试验与记录。将样车加速至大于最大基准速度15km/b（即145km/b）进行滑行试验，记录相关数据。由于道路长度问题，本试验分为3段进行往返试验，分别进行记录，相邻两段的记录应包含相同的速度和时间数据。试验过程中记录温度、气压和风速值，此次试验过程中天气晴朗，气温平均值为24.6℃，气压平均值为97.85kPa，风速平均值为0.89m/s，横向风速为1.44m/s。试验数值经过处理计算和修正，结果如表7所示。

将数据处理结果用曲线图表示，阻力曲线如图3所示。

然后按照国Ⅴ进行加载，根据样车的整备质量，计算得到样车测试质量为2220kg（即基准质量）。按照上述相同方法进行车辆预热和滑行试验，记录相应的大气数据结果。此次同样需要分为3段进行往返试验，试验过程中天气晴朗，气温平均值为26.8℃，气压平均值为97.73kPa，风速符合标准要求。为了更好地和国Ⅵ方法得到的结果进行比较，试验数据同样采用10km/h的步长进行处理，标准中未给出速度的参数按照相邻速度参数的线性插值进行处理，速度范围设定为20120km/h，经过计算和修正，结果如表8所示。

将数据处理结果用曲线图表示，阻力曲线如图4所示。

由上面两组试验，可以得出，同一台样车的国Ⅵ和国Ⅴ的滑行阻力方程分别为

F₁*=0.0557v²+1.6987v+235.25（16）

F₂*=0.0574v²+1.0976v+243.67（17）

相对应的每个基准速度点（20～120km/b）的道路载荷数值对比如表9所示。

由试验结果对比可以看出，国Ⅵ滑行阻力和国Ⅴ相比变化很小，尤其是在低速的时候。本次试验国Ⅵ的道路载荷均比国Ⅴ偏大，可见增加风速修正系数和不同的数据处理方法对试验结果产生了一定的影响，而国Ⅵ中风速修正和使用滑行时间的调和平均值也可以使滑行数据更加精确合理。

4 结束语

1）本文通过研究轻型汽车污染物排放测试试验和相关国家排放标准，梳理分析了国Ⅵ滑行的试验流程和数据处理修正方法;

2）对比分析了国Ⅴ和国Ⅵ滑行试验的实验条件、车辆准备、测试仪器和滑行试验等方面的异同，为在国Ⅴ试验基础上推广进行国Ⅵ试验提供了参考;

3）通过实车试验对比国Ⅴ和国Ⅵ试验过程和试验结果，新国标因为采用不同的试验加载方法、数据处理方式以及增加了风速的修正使得计算结果更加可信。

4）在数据处理和修正方面，国Ⅵ标准可以直接求得滑行阻力并直接进行修正，不必像国Ⅴ标准使用能量法进行转换，因而提高了数据处理效率。

参考文献

[1]余志生.汽车理论[M].北京：清华大学出版社，2000：325-331.

[2]轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶段）：GB18352.5-2013[S].北京：中国环境科学出版社出版，2013.

[3]轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）：GB18352.6-2016[S].北京：中国环境科学出版社出版，2016.

[4]傅立敏.汽车设计与空气动力学[M].北京：机械工业出版社，2013：115-117.

[5]KWARCIAK A M，YAROSSI M，RAMANUJAM A，et al.Evaluation of Wheelchair Tire Rolling Resistance UsingDynamometer-based Coast-down Tests[J].Journal ofRehabilitation Research&Development，2009，46（7）：931-938.

[6]PASCOA J C，BROJO F P，SANTOS F C，et al.AnInnovative Experimental on-road Testing Method and ItsDemonstration on A Prototype Vehicle[J].Journal ofMechanical Science&Technology，2012，26（6）：1663-1670.

[7]DUNN AL，UHLENHAKE G D，GUENTHER D A，et al.Vehicle Coast Analysis：Typical SUV Characteristics[J].SaeInternational Journal of Passenger Cars Mechanical Systems，2008，1（1）：526-535.

[8]PREDA I，COVACIU D，CIOLAN G.Coast Down Test-Theoretical and Experimental Approach[C]//CONAT 2010-International Automotive Congress，2010：155-161.

[9]周荣宽，韩晓东，韩宗奇，等.基于道路试验的电动汽车滑行阻力系数分析[J].汽车技术，2015（4）：52-55，61.

[10]韩宗奇，李亮.测定滑行阻力系数的方法[J].汽车工程，2002，24（4）：364-366.

[11]赵相君，张培培，雷良育，等.汽车滑行试验及阻力系数测定[J].汽车实用技术，2013（3）：24-27.

[12]曾海鹏，胡振涛，张亚军，等.车辆道路滑行法及其数据处理[J].汽车技术，2015（3）：36-41.

[13]张富兴，刘桂彬，高海洋，等.我国汽车滑行试验标准分析与改进建议[J].北京汽车，2012（2）：1-4.

[14]轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第Ⅲ、Ⅳ阶段）：GB18352.3—2005[S].北京：中国环境科学出版社出版，2005.

[15]张更娥，蒋正忠，陆海.虚拟仪器在汽车滑行试验的应用研究[J].汽车实用技术，2015（1）：53-55.

[16]张富兴，吴瑞，高海洋，等.重型汽车滑行试验方法的研究[J].北京汽车，2010（3）：1-4.

（编辑：莫婕）