轻型车RDE动力学参数特征与验证合理性研究

2022-03-05马志磊何超李加强刘学渊

车用发动机 2022年1期

马志磊，何超，李加强，刘学渊

(1.西南林业大学机械与交通学院，云南昆明 650224；2.云南省高校高原山区机动车环保与安全重点实验室，云南昆明 650224)

汽车实际道路行驶污染物排放与实验室测试排放之间存在着较大区别，而通过实际行驶污染物排放(RDE)试验可以得到真实的汽车道路行驶排放特征。为了得到真实的汽车排放水平，轻型车国六排放标准中引入了RDE测试，并基于Ⅰ型试验CO排放因子进行窗口正常性验证，基于RDE试验车速计算动力学参数·_[95]、RPA进行行程有效性验证，以此来规范RDE试验的边界。

目前，已对动力学参数与污染物排放的关系进行了部分研究。宋彬、禹文林等研究发现，·_[95]、RPA与污染物排放存在相关关系。也有对RDE试验的验证方法是否合理进行的研究。李岳兵分析了不同驾驶行为下RDE试验的动力学参数，建议采用窗口·_[95]对驾驶行为的激烈程度进行评判。葛蕴珊等通过分析RDE试验与WLTC循环的加速度分布，认为在进行窗口数据的正常性验证时，参考点P1，P2，P3使用的系数偏高，使窗口正常性验证通过率下降。YaChao Wang等发现，受空气阻力影响，高海拔地区RDE试验的窗口正常性验证通过率下降。

RDE试验目前仍然处于发展阶段，针对RDE试验方法、边界条件的研究可以促进RDE测试标准的不断完善。本研究按照标准要求进行12次RDE试验，分析各试验与WLTC循环动力学参数的分布规律，研究动力学参数的特征与·_[95]的取值方法是否能真实反映各速度组的情况，对动力学参数的边界与计算方法合理性进行探讨。此外，分析不同海拔RDE试验市区、市郊、高速窗口与WLTC循环低速、高速、超高速段的RPA、CO排放因子的关系，从动力学参数的视角对窗口正常性验证中参考点P1、P2、P3的系数是否合理进行了讨论。

1 道路试验与数据处理方法

1.1 道路试验

按照轻型车国六排放标准中的RDE试验要求，进行了12次道路试验。使用SEMTECH作为便携式道路排放测试设备，在其燃油经济性模块中采用不分光红外分析法测量排气中的CO排放，用于计算RDE试验市区、市郊、高速窗口的CO排放因子，与WLTC循环各速度段CO排放因子对比，分析动力学参数对窗口法正常性验证的影响。使用GPS采集汽车的车速信息，用于计算RDE试验中各速度组、窗口内的动力学参数·_[95]与RPA，以分析动力学参数的特征，采样频率均为1 Hz。各试验的车辆基本参数如表1所示。

表1 试验车辆基本参数

试验车辆在不同海拔地区按照RDE试验要求在市区、市郊、高速路段行驶。试验基本情况如表2所示。

表2 道路试验基本情况

1.2 数据处理

1.2.1 动力学参数计算

RDE试验后使用车速高于3 km/h的数据点划分速度组，车速不大于60 km/h的数据划分为市区速度组，车速在60～90 km/h之间的数据划分为市郊速度组，车速大于90 km/h的数据划分为高速速度组，计算各速度组的·_[95]与RPA，并对行程的有效性进行验证。

·_[95]是各速度组中不低于0.1 m/s的加速度与车速乘积·值升序排列的第95百分位的数值。行程有效性验证时，为保证行驶不太过激烈，使用上边界进行限制。若各速度组的·_[95]超出上边界，则说明驾驶过于激烈，行程无效。超出边界的判断公式如下：

(1)

(2)

RPA的计算公式如下：

(3)

式中：Δ取1 s；为车速；为不低于0.1 m/s的正加速度；为时间步长的行驶距离；为速度组中正加速度不低于0.1 m/s的样本数；为速度组中的样本总数。

行程有效性验证时，为保证行驶不太过平缓，使用下边界进行限制，若各速度组的RPA超出下界，说明驾驶过于平缓，行程无效。超出边界的判断公式如下：

(4)

(5)

1.2.2 窗口数据计算

将各试验车辆Ⅰ型试验中WLTC循环CO排放量的一半作为阈值，使用移动平均窗口法对RDE试验数据进行窗口划分，计算各窗口中的CO排放因子、平均车速、·_[95]与RPA，其中动力学参数的计算方法与上述各速度组中的计算方法相同。

将平均车速小于45 km/h的窗口划分为市区窗口，平均车速在45～80 km/h之间的窗口划分为市郊窗口，平均车速高于80 km/h的窗口划分为高速窗口。使用式(6)计算市区、市郊、高速窗口的平均CO排放因子。

(6)

式中：CO,为窗口内的CO排放因子；为各路段窗口起点；为各路段窗口终点；u,r,m分别代表市区、市郊、高速路段。

2 动力学参数特征分析

2.1 v·apos_[95]与车速的关系

使用移动平均窗口法对各RDE试验数据进行窗口划分，计算各窗口中的·_[95]和窗口内平均车速。由图1可看出，·_[95]有随着车速上升而升高的趋势。有9次RDE试验中的相关系数大于等于0.75，仅有Test4、Test5相关系数小于0.5，呈低度线性相关。各试验相关系数的平均值为0.766，说明在大部分RDE试验中，·_[95]与窗口内平均车速之间呈显著正相关的关系。

图1 v·apos_[95]与车速的关系

2.2 各速度组中v·apos_[95]的特征

各RDE试验中市区、市郊、高速速度组1～100百分位上的·值如图2所示。可看出，各百分位处的·值有随着市区、市郊、高速路段的次序依次升高的趋势，与窗口内·_[95]随窗口内平均车速上升而升高的趋势相同。

但仅有5次RDE试验中(Test1、2、9、10、12)各速度组取出的·_[95] 表现出随着市区、市郊、高速的次序依次升高的规律。在另外7次RDE试验中，市郊与高速速度组的·值在第95个百分位处或第95个百分位之前发生了交汇，使后续百分位处市郊速度组的·值高于高速速度组。市郊、高速路段行驶时，路况拥堵、因跟驰行驶而频繁加减速等工况比市区行驶时少，且主要使用最高挡驾驶，受驱动力随传动比下降的影响，值较市区行驶时降低，但因车速较高，市郊、高速速度组的·值整体高于市区速度组。高速行驶时，在与市郊行驶相似的公路路面、坡度条件下，汽车行驶的滚动阻力、坡度阻力区别不大，而高速行驶时所受的空气阻力较市郊行驶上升较大，使供加速使用的驱动力比市郊行驶时有所减少，且随着车速上升，空气阻力进一步增加，加速能力将进一步下降，使高速速度组百分位较高处的·值上升较为平缓。虽然高速行驶时车速较高，高速速度组的·值呈现整体高于市郊速度组的趋势。但市郊行驶时若部分工况驾驶行为激烈，使市郊速度组中部分值较高，虽然市郊行驶车速较高速时低，但将使百分位较高处的·值上升较快，与高速速度组相交。

3个速度组大部分百分位处的·值是依次升高的，因部分试验中高速速度组在百分位较高处上升平缓，使市郊速度组中在第90～100百分位处的部分·值高于高速速度组，令市郊速度组取得的·_[95]高于高速速度组·_[95]，不能很好地反映高速速度组·值在绝大部分范围内高于市郊速度组·值的情况。若各速度组取值位置前移为第90个百分位，可使9次RDE试验中各速度组的·表现出随着市区、市郊、高速的次序依次升高的规律，可以更好地反映各速度组中·值依次升高的变化规律。在3次RDE试验中(Test4、5、8)，市郊速度组·_[95]仍高于高速速度组·_[95]，主要原因是这3次试验中高速路段行驶较为平缓，而市郊行驶较为激烈，市郊速度组大部分百分位处的·值高于高速速度组，市郊速度组·_[95]较高也真实反映了这3次试验中各速度组·的分布情况。

因此，将对各速度组取值的百分位由第95百分位前移，可以使取出的·值更好地代表各速度组·值的变化情况。具体的前移位置仍需要通过进一步研究来判断。

图2 各速度组中v·apos_[95]的特征

2.3 RPA与车速的关系

使用移动平均窗口法对各RDE试验数据进行窗口划分，计算各窗口中的RPA、窗口内平均车速。由图3可看出，RPA有随着窗口内平均车速上升而下降的趋势。有11次RDE试验的||值大于0.8，仅有Test11的||值低于0.8，为0.640。各试验相关系数平均值为-0.866，说明在大部分RDE试验中，RPA与窗口内平均车速之间呈显著负相关的关系。

车速较低的窗口中主要包含的是市区行驶工况，虽然车速较低，但市区行驶主要使用中、低挡位行驶，能够得到利于加速的驱动力条件，并且按照试验要求，市区道路试验中实际车速小于1 km/h的停车时段应占市区行驶时间的6%～30%，因此市区行驶中包含较多的因红绿灯、跟驰行驶形成的停车起步、频繁加减速工况。同时，由低速窗口中的数据点计算得到的行驶距离较短。此外，动力学参数仅使用车速大于3 km/h的数据点进行计算，而市区行驶包含较多车速低于3 km/h的数据点，在动力学参数计算中被刨除后，使低速窗口中计算出的行驶距离减少。以上3点原因使RPA计算公式(3)中的分母减小，而分子中的加速度有增大的趋势，故车速较低的窗口中的RPA升高。

随着车速上升，传动比降低，驱动力下降，加速工况减少。同时窗口中的数据点计算得到的行驶距离增加，使式(3)中的分母增大，而分子中的加速度有降低的趋势，故RPA随窗口内平均车速上升而出现下降的趋势。

图3 RPA与车速的关系

3 动力学参数、海拔与正常性验证的关系

Ⅰ型试验中的WLTC循环在转鼓试验台上进行，而RDE试验需要随车搭载便携式排放测试系统、乘坐测试人员，增加了汽车质量，使汽车行驶时的滚动、加速、爬坡阻力增加。同时RDE试验需要克服空气阻力，并且在车身外部安装流量计等设备会使汽车行驶时的空气阻力增加。因此在使用窗口法计算RDE试验的污染物排放时，将WLTC循环低速、高速、超高速段的CO排放因子乘以系数1.2，1.1，1.05作为参考点P1、P2、P3的横坐标来划定基准线。在基准线的基础上向上、向下浮动25%划出基本公差范围，通过判断市区、市郊、高速窗口中的CO排放因子落在基本公差范围内的比例是否达到50%，以此对RDE试验进行正常性验证。

3.1 动力学参数的分布特征

计算出国六排放标准中的Ⅰ型试验WLTC循环各速度组的动力学参数，与各RDE试验的动力学参数进行对比，结果如图4所示。可看出，12次RDE试验均通过了动力学参数的有效性验证。WLTC循环各速度组的动力学参数比大部分RDE试验的高。此外，由于WLTC循环的最高车速为131.3 km/h，高于正常情况下RDE试验的最高车速，使WLTC循环高速速度组的平均车速较RDE试验高。

行程有效性验证中，大部分RDE试验的·_[95]参数距验证边界较远，而RPA参数靠近验证边界分布。因此，RDE试验中需要更为关注RPA，以免因驾驶过于平缓使动力学参数校验失败。

图4 RDE与WLTC的动力学参数分布

图5示出2020年实施的中国乘用车行驶工况(CLTC-P)、NEDC循环工况与WLTC循环动力学参数的比较。CLTC-P工况在市区速度组中的动力学参数较WLTC循环低，与按国六标准要求进行的RDE试验的动力学参数相似；但市郊、高速速度组的动力学参数较WLTC循环、RDE试验高；高速速度组的平均车速低于WLTC循环，各速度组的平均车速与RDE试验相似。

图5 各循环动力学参数比较

NEDC循环驾驶激烈程度明显低于WLTC循环与RDE试验。NEDC循环市区、市郊速度组的RPA基本落在了RPA验证边界上，驾驶过于平缓。

3.2 RPA对市区窗口验证的影响

比较Test1～Test8试验车辆WLTC循环低速段与RDE试验市区窗口的CO排放因子、RPA，研究计算P1点所使用的系数1.2是否合适，结果如图6所示。可看出，WLTC低速段的CO排放因子普遍比RDE市区窗口的CO排放因子高，仅Test4、Test5的RDE市区窗口CO排放因子比WLTC高。通过RPA对比可看出，若WLTC循环低速段的RPA较RDE市区窗口的高，则WLTC循环低速段的CO排放因子也较RDE的高，CO排放因子、RPA的大小关系有较好的一致性。因Test4、Test5市区窗口的RPA高于WLTC低速段，使RDE市区窗口CO排放因子较高。

在市区窗口的验证中，WLTC低速段与RDE市区窗口的CO排放因子主要受驾驶行为的激烈程度影响。WLTC循环比RDE试验驾驶更为激烈，使WLTC低速段的CO排放因子比大部分RDE市区窗口高，因此在计算P1点时再乘以大于1的系数是不合理的。

若在已经较高的WLTC低速段CO排放因子的基础上再乘以系数1.2，将使验证市区窗口正常性的基准线过高，降低市区窗口正常性验证的通过率。因此，把计算P1使用的系数1.2降低，对提高RDE试验市区窗口通过率是有利的。

图6 RDE市区窗口与WLTC低速段数据对比

3.3 RPA、海拔对市郊、高速窗口验证的影响

将RDE试验市郊窗口与WLTC循环高速段的CO排放因子、RPA进行对比，结果如图7所示。在低海拔地区进行的2次RDE试验(Test2、3)的RPA比WLTC低，但CO排放因子却比WLTC高。其余试验中，RDE市郊窗口与WLTC高速段的CO排放因子、RPA大小关系有较好的一致性。

图7 RDE市郊窗口与WLTC高速段数据对比

将RDE试验高速窗口与WLTC循环超高速段的CO排放因子、RPA进行对比，结果如图8所示。在低海拔地区进行的4次RDE试验的RPA均比WLTC低，但3次RDE试验中(Test2、3、4)的CO排放因子却比WLTC高，1次RDE试验中(Test1)的CO排放因子也上升至与WLTC相似。主要原因分析为，虽然从动力学参数上判断WLTC行驶较为激烈，但在低海拔地区的高速路段行驶时，RDE需要克服的空气阻力增加较大，发动机负荷升高，虽然RDE试验的RPA较低，但CO排放因子有高于WLTC循环的趋势。

图8 RDE高速窗口与WLTC超高速段数据对比

在高海拔地区进行的试验中，仅出现了1次RDE试验(Test5)的RPA比WLTC低，但CO排放因子却比WLTC高的情况。主要原因分析为，高海拔地区高速路段行驶时，空气阻力较低海拔地区小，虽然RDE需要克服的空气阻力也会随着车速增加而增大，使发动机负荷升高，但CO排放因子高于WLTC循环的趋势不如低海拔地区明显。

低海拔地区市郊、高速窗口的验证中，随着车速升高，RDE试验受到的空气阻力增加，使RED的CO排放因子有高于WLTC循环的趋势。因此，在计算P2、P3点时乘以大于1的系数是合理的，可以修正WLTC循环与RDE试验在空气阻力上的区别造成的CO排放因子的差距。

高海拔地区市郊、高速窗口的验证中，因高海拔条件下空气密度减小，空气阻力对RDE试验的影响小于低海拔地区，受WLTC循环驾驶激烈的影响，WLTC的CO排放因子仍然有高于RDE的趋势。若在较高的WLTC高速、超高速段CO排放因子的基础上再乘以系数1.1，1.05，将使验证市郊、高速窗口正常性的基准线过高，降低窗口正常性验证的通过率。因此，计算P2、P3点时使用的系数应降低，具体系数仍需要进一步研究来判断。