窗口划分方法对轻型车道路排放计算结果的影响＊

马志磊 何超 李加强

（西南林业大学，昆明 650224）

1 前言

实验室排放测试（Ⅰ型试验）不能完全真实地反映汽车道路排放水平，故欧盟开发了实际行驶排放（Real Driving Emission，RDE）测试程序[1-3]，参考欧盟法规，国六排放法规也首次加入实际行驶污染物排放试验（Ⅱ型试验）[4]，以期减少道路交通排放，改善空气污染状况[5]，并规定使用移动平均窗口法计算Ⅱ型试验的排放结果。

目前，针对轻型车RDE试验已开展了以下研究：进行不同动力装置与燃料汽车的RDE 试验，使用移动平均窗口法处理数据，并研究各类汽车的排放特性[6]；进行不同海拔下的轻型车RDE试验并使用移动平均窗口法处理数据，研究排放随海拔的变化关系[7]；对轻型车热起动、冷起动时的排放数据纳入窗口计算后的排放结果变化进行研究[8]；使用功率等级分组法、移动平均窗口法处理轻型车RDE 试验数据，分析不同数据处理方法对排放计算结果的影响[9]。也有部分研究探讨了重型车使用的功基窗口法，研究了窗口数值的大小对排放计算结果的影响[10]。法规允许使用2种窗口划分方法，即从前向后划分窗口和从后向前划分窗口，本文按照RDE 试验要求，在3辆轻型车上完成道路试验并分别使用2种窗口划分方法处理数据，研究其对排放计算结果的影响。

2 道路试验与划分窗口

2.1 道路试验

按照GB 18352.6—2016《轻型车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中的实际行驶污染物排放试验（Ⅱ型试验）要求，分别在3辆轻型车上进行道路排放测试，使用SEMTECH公司的ECOSTAR汽车尾气测试仪测量道路行驶中的CO2、CO、NOx与颗粒物排放，使用GPS采集汽车行驶的地理数据及车速，连接车载诊断接口采集发动机与汽车运行数据，各数据的采样频率为1 Hz。3辆试验车均使用涡轮增压发动机，燃用92号汽油，排放标准为国六，基本参数如表1所示。

表1 试验车参数

根据国家标准的要求，分别驾驶试验车在市区、市郊、高速道路上行驶，各路段行驶里程比例分别为34%、33%与33%，各路段比例误差控制在10%以内，同时确保市区里程比例不低于29%，各路段行程不少于16 km。市区道路车速控制在60 km/h以内，平均车速15～40 km/h；市郊道路车速范围为60～90 km/h；高速路段车速大于90 km/h，并覆盖90～110 km/h 的车速范围，车速高于100 km/h的时间应达到5 min。按照市区、市郊、高速道路的顺序完成测试。

2.2 划分窗口

移动平均窗口法先将所有测试结果根据一定要求分割成诸多数据子集（窗口），再计算各窗口中的平均排放，最后通过判断各窗口的正常性，加权计算得到各路段的排放因子、总行程的排放因子。使用移动平均窗口法处理数据，可以减少排放计算结果的波动，减少某些不正常数据点对计算结果的影响。

国家标准中允许使用2种窗口划分方法，一种是从试验数据的第1点向后计算并划分窗口，另一种是从最后1点向前计算并划分窗口。

向后计算划分出第i个窗口的方法如图1 所示，该窗口由式（1）确定：

式中，M(t1,i)、M(t2,i)分别为从试验开始时刻至t1,i、t2,i时刻内测得的CO2累计排放质量；t1,i、t2,i为第i个窗口的起、止时间；Mref为参考CO2质量，取值为Ⅰ型试验车辆实际排放CO2质量的一半。

图1 向后计算划分方法

设Δt为数据采样周期，t2,i可根据式（2）确定：

从最后1 点向前计算并划分第i个窗口的方法如图2所示，该窗口由式（3）确定：

图2 向前计算划分方法

使用2种窗口划分方法得到的窗口数量信息如表2所示，可以看出向后计算划分得到的窗口数更多。

表2 2种窗口划分方法得到的窗口数量 个

各窗口内包含的数据点数量如图3 所示。向后计算并划分窗口时，随着窗口序号增加，窗口内包含的数据点数量呈减少趋势。由于道路排放试验按照市区、市郊、高速道路的顺序进行，发动机负荷、转速逐步上升，CO2排放量依次升高，靠后的窗口只需较少的数据点即可使累加的CO2排放量达到参考CO2质量，划分为一个窗口，故可划分出更多的窗口。

图3 各窗口内包含的数据数量

同理，向前计算时，随着窗口序号增加，窗口内包含的数据点数量呈增加趋势。

3 排放计算与结果分析

3.1 排放计算

计算划分出的各窗口内的平均车速、CO2排放因子，可得到车辆CO2特性曲线，如图4所示。将窗口平均车速小于45 km/h 的窗口定义为市区窗口，平均车速在[45,80)km/h 范围内的窗口定义为市郊窗口，平均车速不小于80 km/h的窗口定义为高速窗口。在图上作出基准线、基本公差、扩展公差，并判断窗口正常性，计算各路段、总行程的加权排放。

设置3个参考点P1～P3，得到基准线：P1点横坐标为19 km/h（WLTC工况低速段平均速度），纵坐标为试验车辆WLTC 低速段CO2排放因子的1.2 倍；P2点横坐标为56.6 km/h（WLTC工况高速段平均速度），纵坐标为试验车辆WLTC高速段CO2排放因子的1.1倍；P3点横坐标为92.3 km/h（WLTC工况超高速段平均速度），纵坐标为试验车辆WLTC超高速段CO2排放因子的1.05倍。

基本公差为基准线分别向上、下浮动25%，扩展公差为基准线分别向上、下浮动50%。从图4 可以看出，3 辆试验车的CO2特性曲线基本落在基本公差带内。基本公差带内窗口的各污染物排放因子权重w=1，扩展公差带以外窗口的各污染物排放因子的权重w=0。基本公差与扩展公差之间窗口的各污染物排放因子的权重为：

式中，Mi为基本公差与扩展公差之间的窗口i内的CO2排放因子；为窗口i内的平均车速Vˉi所对应的基准线上的CO2排放因子。

图4 车辆CO2特性曲线

各路段的加权排放因子为：

式中，Mgas,k、MPN,k分别为市区、市郊、高速路段加权的气态污染物排放因子和颗粒物排放因子；Mgas,i、MPN,i分别为各窗口内的气态污染物排放因子、颗粒物排放因子；u、r、m分别代表市区、市郊、高速路段。

总行程排放因子为：

式中，Mgas,t为总行程的气态污染物排放因子；fu=0.34、fr=0.33、fm=0.33 分别为市区、市郊、高速路段权重；MPN,t为总行程的颗粒物排放因子。

3.2 排放结果分析

使用移动平均窗口法计算得到3辆试验车市区、市郊、高速路段与总行程的CO排放因子，如图5所示。除车辆1 市郊工况外，向前计算并划分窗口得到的CO 排放因子均较向后计算时低。

图5 CO排放因子对比

市区、市郊、高速路段与总行程的NOx排放因子如图6 所示。除车辆3 高速工况外，向前计算得到的NOx排放因子均较向后计算时低。

市区、市郊、高速路段与总行程的颗粒物排放因子如图7 所示。除车辆1 市郊工况、车辆3 高速工况外，向前计算得到的颗粒物排放因子均较向后计算时低。

使用2 种数据处理方法得到的总行程CO、NOx、颗粒物排放因子如表3所示，使用向前计算并划分窗口的方法时，所得到的CO、NOx、颗粒物排放因子分别平均较向后计算时低7.79%、1.41%、4.71%。

图6 NOx排放因子对比

图7 颗粒物排放因子对比

道路试验中采集的各数据点进入窗口被使用的次数如图8所示。向后计算时，首先使用最前端的数据点作为第1 个窗口的起始点，窗口起始点逐步后移，因此第1个数据点仅使用1次、第2个数据点仅使用2次，以此类推，前端数据点进入窗口次数线性上升，直至第1个窗口的终点。

向后计算时，市郊、高速路段的部分数据点使用次数较向前计算时多。且由于前端（市区）数据点的CO2排放量较小，在中、后端的窗口中，虽然窗口的起始点不断向后推移，但窗口终点会滞留在某CO2排放量较大的数据点上，且能够一直使窗口内累加的CO2排放量达到参考CO2质量。在窗口起点向后推移多次后，窗口内累加的CO2排放量不再满足参考CO2质量要求时，窗口终点才会向后推移。在窗口终点滞留过程中，该CO2排放量较大的市郊、高速数据点中的污染物排放量在窗口中所占的比重逐渐变大。汽车在市郊、高速路段行驶时发动机转速、负荷较市区路段行驶时高，道路排放有上升的趋势，使向后计算时的排放结果偏高。

表3 总行程排放因子计算结果对比

图8 各数据点在窗口法计算中被使用次数

同理，向前计算时，市区路段数据点的使用次数较多，而市郊、高速路段数据点的使用次数偏少。

4 结论

a.按照市区、市郊、高速道路的顺序完成轻型车道路试验，使用向后划分窗口的方法时，靠后的窗口内只需要较少的数据点即可使累加的CO2排放量达到参考CO2质量，可使窗口起始点更为靠后，得到的窗口数量较向前划分窗口时多。

b.使用向前划分窗口的方法时，所得到的CO、NOx、颗粒物排放因子分别平均较向后划分窗口计算时低7.79%、1.41%、4.71%。

c.使用向后划分窗口的方法时，市郊、高速工况数据点进入窗口的次数较向前划分窗口时多，且窗口起始点后移过程中，窗口终点会滞留在某CO2排放量较大的市郊、高速数据点上，使市郊、高速数据点中的污染物排放量在窗口排放计算中占有更高比重。

d.向前划分窗口对满足实际行驶污染物排放试验（Ⅱ型试验）的要求比较有利。但也可以通过统一窗口划分方法，消除计算结果的差别对认证的影响。