張鵬宇，張新宇，賀朝陽，林志琪

(北京現(xiàn)代汽車有限公司技術(shù)中心，北京 101300)

輕型汽車燃料消耗量和污染物排放的比對分析

張鵬宇，張新宇，賀朝陽，林志琪

(北京現(xiàn)代汽車有限公司技術(shù)中心，北京 101300)

目前國內(nèi)和國際上多基于工況法進(jìn)行燃料消耗量和污染物排放的測量，測試質(zhì)量主要通過試驗室比對進(jìn)行控制，但對于比對結(jié)果評價與分析尚未形成統(tǒng)一模式。本文中結(jié)合實際工程需要，建立了一套實用性較高的評價體系；并在進(jìn)行大量比對試驗的基礎(chǔ)上對評價體系進(jìn)行有效性檢驗；針對試驗結(jié)果中的異?，F(xiàn)象，分別從人員操作和設(shè)備狀態(tài)方面進(jìn)行了分析。本研究為汽車行業(yè)的試驗室比對制定一套標(biāo)準(zhǔn)的評價分析模式，提供參考。

燃料消耗量；污染物排放；比對試驗；評價體系

前言

當(dāng)前，隨著燃料消耗量和排放法規(guī)的日益嚴(yán)苛，國內(nèi)已建立大批試驗室對汽車燃油消耗量和排放污染物進(jìn)行檢測和控制。雖然各試驗室在試驗中遵循統(tǒng)一的試驗流程與規(guī)范，但由于在人員操作和設(shè)備狀態(tài)方面的差異，試驗結(jié)果不可避免地存在偏差[1]。因此，通過對各試驗室試驗結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確評價和分析，保障各試驗室的試驗水平，控制整個行業(yè)的測試質(zhì)量甚為重要。

為實現(xiàn)對行業(yè)測試質(zhì)量的嚴(yán)格控制，需通過比對試驗獲取各試驗室的試驗數(shù)據(jù)，對結(jié)果進(jìn)行客觀的評價分析。目前，行業(yè)內(nèi)尚未形成完善而統(tǒng)一的評價體系，比較常見的評價方法主要有穩(wěn)健統(tǒng)計法和經(jīng)典統(tǒng)計法。穩(wěn)健統(tǒng)計法是以試驗數(shù)據(jù)的中位值作為公議值，根據(jù)Z比分?jǐn)?shù)的范圍確定試驗結(jié)果的優(yōu)劣；經(jīng)典統(tǒng)計法則是根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差對試驗結(jié)果進(jìn)行評價。由此可見，上述方法均是基于統(tǒng)計學(xué)原理，具有較強(qiáng)的普適性，但由于評價過程中并未考慮試驗數(shù)據(jù)本身的特點和與汽車行業(yè)的關(guān)聯(lián)度，因此其專業(yè)性有所欠缺。本文中旨在為汽車行業(yè)的排放比對試驗建立一套完善且符合行業(yè)特點的評價體系，力求科學(xué)客觀地分析比對試驗結(jié)果，保證各試驗室的測試質(zhì)量。

所建立的比對試驗評價體系包括重復(fù)性評價、準(zhǔn)確性評價和差異性評價，分別從單個試驗室測試能力的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和多個試驗室之間的差異性3個方面對比對結(jié)果進(jìn)行全面考量，直觀反映試驗結(jié)果中的異?，F(xiàn)象。此外，針對比對結(jié)果中的異常數(shù)據(jù)，從人員操作和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行分析，合理解釋數(shù)據(jù)異常的原因，這對于后續(xù)開展行業(yè)內(nèi)試驗室比對工作具有指導(dǎo)意義。

1 比對試驗評價體系

根據(jù)實際工程需要，建立一套符合行業(yè)特點的比對試驗評價體系，該體系由重復(fù)性評價、準(zhǔn)確性評價和差異性評價3部分組成。

1.1 重復(fù)性評價

重復(fù)性評價用于評價單個試驗室試驗結(jié)果的自身穩(wěn)定性。

1.1.1 評價原理

采用統(tǒng)計學(xué)中的格拉布斯(Grubbs)方法對試驗結(jié)果進(jìn)行重復(fù)性評價：將燃料消耗量或某一被測污染物的3次試驗結(jié)果按序排列(x1＜x2＜x3)，計算格拉布斯統(tǒng)計量G3，則

其中

式中：G3為3次試驗結(jié)果的格拉布斯統(tǒng)計量；x1，x2，x3為3次試驗中被測項的試驗值；n為試驗次數(shù)。

1.1.2 判定準(zhǔn)則

在本次比對試驗中，各試驗室重復(fù)進(jìn)行3次試驗，檢出水平α定為0.05(其置信水平為1-α＝0.95)，對應(yīng)的格拉布斯臨界值為1.153，各被測項均需滿足G3≤1.153。

在比對試驗進(jìn)行過程中，任何被測項的G3值大于1.153時視為異常，此時應(yīng)追加試驗以確保各試驗室的3次試驗結(jié)果相對穩(wěn)定。格拉布斯統(tǒng)計量G3越小，表明各試驗室試驗結(jié)果的自身穩(wěn)定性越好。

1.2 準(zhǔn)確性評價

準(zhǔn)確性評價以行業(yè)平均試驗值為基準(zhǔn)，用于評價各試驗室試驗值與行業(yè)平均試驗值的接近程度[2]。

1.2.1 評價原理

采用試驗偏差占限值比例的方法對比對試驗結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確性評價。

燃料消耗量準(zhǔn)確性偏差：

式中：FEi為各試驗室的燃料消耗量試驗值；為各試驗室的燃料消耗量平均值；FEM為試驗車輛的燃料消耗量申報值；EMi為各試驗室某種污染物的試驗值；

在以上燃料消耗量和污染物準(zhǔn)確性偏差的計算中，分別引入了燃料消耗量申報值與污染物限值[3]，目的在于加強(qiáng)評價方法與排放試驗的關(guān)聯(lián)度，使評價結(jié)果更有效地反映試驗車輛的燃料消耗量和排放水平。

1.2.2 判定準(zhǔn)則

對于燃料消耗量結(jié)果，ηFE應(yīng)控制在±2%以內(nèi)；對于污染物結(jié)果，ηEM應(yīng)控制在±10%以內(nèi)。準(zhǔn)確性偏差越接近于0，比對試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性越高。

1.3 差異性評價

差異性評價用于評價各試驗室試驗結(jié)果之間的差異程度。

1.3.1 評價原理

以試驗室A為基準(zhǔn)，分別計算各試驗室的偏差程度，對比對結(jié)果進(jìn)行差異性評價。

燃料消耗量差異性偏差：

污染物排放差異性偏差：

式中：FEA和EMA分別為試驗室A的燃料消耗量試驗值與污染物試驗值。

1.3.2 判定準(zhǔn)則

對于燃料消耗量結(jié)果，δFE應(yīng)控制在±2%以內(nèi)；對于污染物結(jié)果，δEM應(yīng)控制在±10%以內(nèi)。差異性偏差越接近于0，比對試驗結(jié)果的差異性越小。

2 評價體系的有效性檢驗

為檢驗評價體系的有效性，本文中在行業(yè)內(nèi)選取了8個試驗室進(jìn)行比對試驗，通過比對試驗所獲得的大量試驗數(shù)據(jù)對所建立的評價體系進(jìn)行有效性檢驗。

為獲取充足的數(shù)據(jù)樣本，本次比對試驗選用了甲、乙、丙3臺車(表1)，試驗項目包括燃料消耗量試驗和污染物(CO，THC，NOx，NMHC和PM)排放試驗；試驗流程按照排放法規(guī)執(zhí)行，同時對車輛狀態(tài)、試驗燃油等進(jìn)行統(tǒng)一化處理，此外為保證試驗結(jié)果的可靠性，對各試驗室各臺車分別進(jìn)行3次試驗[4]。

表1 車型參數(shù)和試驗條件

2.1 重復(fù)性評價檢驗

圖1為本次比對試驗的燃料消耗量重復(fù)性評價結(jié)果。由圖可知，甲、乙、丙3臺車在各試驗室燃料消耗量的G3值均在限值之內(nèi)，滿足比對試驗對于試驗結(jié)果穩(wěn)定性的要求，但在試驗室G的試驗結(jié)果中，甲車的燃料消耗量G3值已接近限值，表明甲車在試驗室G進(jìn)行的3次試驗其穩(wěn)定性相對較差。

圖1 燃料消耗量重復(fù)性評價結(jié)果

針對上述情況，表2列出了甲車在各個試驗室的燃料消耗量比對結(jié)果。由表2可見，甲車在試驗室G的第3次燃料消耗量為7.05L/(100km)，明顯高于前兩次，導(dǎo)致3次燃料消耗量試驗結(jié)果不穩(wěn)定。

表2 甲車燃料消耗量比對試驗結(jié)果

圖2為本次比對試驗中污染物(以THC為例)的重復(fù)性評價結(jié)果。由圖可知，甲、乙、丙3臺車在各試驗室THC的G3值均在限值以內(nèi)，滿足比對試驗對于試驗結(jié)果穩(wěn)定性的要求，但在試驗室G的試驗結(jié)果中，甲車THC的G3值同樣接近限值，這與燃料消耗量的重復(fù)性表現(xiàn)一致，同樣表明試驗室G在進(jìn)行甲車的3次試驗過程中自身穩(wěn)定性較差。

圖2 THC重復(fù)性評價結(jié)果

表3列出了甲車在各個試驗室的THC比對結(jié)果，從表中可以看出，甲車在試驗室G的第3次THC試驗結(jié)果為0.037g/km，明顯高于前兩次。

表3 甲車THC比對試驗結(jié)果

2.2 準(zhǔn)確性評價檢驗

圖3為本次比對試驗中燃料消耗量的準(zhǔn)確性評價結(jié)果。由圖可見，試驗室F和G的乙車、試驗室G的甲車燃料消耗量準(zhǔn)確性偏差已超出±2%的燃料消耗量偏差控制范圍。

圖3 燃料消耗量準(zhǔn)確性評價結(jié)果

以乙車為例對燃料消耗量準(zhǔn)確性評價方法進(jìn)行檢驗。表4列出了乙車在各個試驗室的燃料消耗量比對結(jié)果。從表中可以看出，乙車在試驗室F和G的燃料消耗量均值為6.97和7.35L/(100km)，分別明顯低于和高于行業(yè)內(nèi)其它試驗室的燃料消耗量水平。此外，如前面所述，甲車在試驗室G的第3次燃料消耗量結(jié)果偏高，導(dǎo)致其準(zhǔn)確性同樣較差。

表4 乙車比對燃料消耗量試驗結(jié)果

圖4為本次比對試驗CO的準(zhǔn)確性評價結(jié)果。由圖可知，甲、乙、丙3臺車的準(zhǔn)確性偏差均在限值以內(nèi)，表明CO的準(zhǔn)確性較好，但丙車在試驗室A的準(zhǔn)確性偏差已接近下限，表明試驗室A的CO試驗結(jié)果與其它試驗室偏離較大。

圖4 CO準(zhǔn)確性評價結(jié)果

表5列出了丙車的CO比對結(jié)果，從表中可以看出，各試驗室3次CO均值比較接近，但相比其它試驗室，A試驗室的CO結(jié)果偏低，這與CO準(zhǔn)確性評價所得出的結(jié)論一致。

表5 丙車CO比對試驗結(jié)果

2.3 差異性評價檢驗

圖5為本次比對試驗燃料消耗量差異性評價結(jié)果(以試驗室A為基準(zhǔn))。由圖可知，各試驗室相比于試驗室A呈現(xiàn)出不同程度的差異。其中，乙車在試驗室F的燃料消耗量結(jié)果與試驗室A的燃料消耗量結(jié)果偏差較大，此外其它試驗室偏差也不同程度地超出限值，反映出行業(yè)當(dāng)前的一個現(xiàn)實狀況，即各個試驗室之間在試驗結(jié)果上存在一定差異。

圖5 燃料消耗量差異性評價結(jié)果

以乙車為例對燃料消耗量差異性評價方法進(jìn)行檢驗，表4列出了乙車的燃料消耗量比對結(jié)果。從表中可以看出，試驗室F的燃料消耗量結(jié)果為6.97L/(100km)，明顯低于其它試驗室的燃料消耗量水平，這與燃料消耗量差異性評價的結(jié)論一致。

圖6為本次比對試驗污染物(以NOx為例)的差異性評價結(jié)果。由圖可知，甲、乙、丙3臺車的差異性偏差均在限值之內(nèi)，但丙車在試驗室H的差異性偏差接近上限，表明其NOx試驗結(jié)果與其他試驗室偏離較大。

圖6 NOx差異性評價結(jié)果

表6列出了丙車的NOx比對結(jié)果，從表中可以看出，丙車在試驗室H的NOx結(jié)果明顯高于其它試驗室，這與差異性評價所得出的結(jié)論一致。

表6 丙車比對NOx試驗結(jié)果

通過以上檢驗過程可知，所建立的評價體系可對試驗室比對結(jié)果進(jìn)行比較全面準(zhǔn)確的判定：(1)通過重復(fù)性評價，判定出甲車在試驗室G的3次試驗結(jié)果穩(wěn)定性較差；(2)通過準(zhǔn)確性評價，判定出乙車在試驗室F和G的燃料消耗量試驗結(jié)果與行業(yè)平均水平偏離較大；(3)通過差異性評價，判定出乙車在試驗室F的試驗結(jié)果相比于試驗室A偏低，而且其它試驗室(包括試驗室G)的差異性偏差也不同程度地超出控制范圍。通過評價體系所得出的試驗結(jié)論與燃料消耗量及各種污染物的原始數(shù)據(jù)相符，因此可以認(rèn)為所建立的評價體系通過檢驗。

3 評價結(jié)果分析

由于比對過程中試驗流程、燃油、車輛狀態(tài)等均已嚴(yán)格控制，所以造成試驗誤差的可能原因主要來自人員操作和設(shè)備狀態(tài)，具體來講是由駕駛質(zhì)量與轉(zhuǎn)鼓阻力引起的。

3.1 駕駛質(zhì)量分析

3.1.1 駕駛質(zhì)量分析原理

所謂駕駛質(zhì)量分析，即利用能反映駕駛狀態(tài)的各項指標(biāo)，對駕駛過程的燃油經(jīng)濟(jì)性和速度偏離程度等進(jìn)行分析[5]。

(1)燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)EER

燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)定義為實際駕駛循環(huán)與目標(biāo)駕駛循環(huán)下消耗單位能量所行駛過距離的差異，表征駕駛過程的燃油經(jīng)濟(jì)性，一般要求控制在±1%的范圍內(nèi)。

式中：EER為燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)；D為試驗循環(huán)的距離；CE為試驗過程的循環(huán)能量。EER值越小，試驗車輛燃油經(jīng)濟(jì)性越好。下標(biāo)D代表實際駕駛循環(huán)，下標(biāo)T代表目標(biāo)駕駛循環(huán)。

(2)速度波動性指標(biāo)ASCR

速度波動性指標(biāo)定義為實際駕駛循環(huán)與目標(biāo)駕駛循環(huán)下絕對速度變化總和的差異，表征駕駛過程的速度偏離程度，一般要求控制在±5%的范圍內(nèi)。

其中

式中：ASCR為速度波動性指標(biāo)；Δt為采樣周期，本文中取為0.1s；ai為試驗車輛的瞬時加速度。ASCR值越接近于0，表明實際駕駛循環(huán)與目標(biāo)駕駛循環(huán)越接近，駕駛水平越好。

3.1.2 駕駛質(zhì)量分析結(jié)果

由前文可知，甲車在試驗室G的燃料消耗量重復(fù)性、準(zhǔn)確性及差異性均表現(xiàn)較差，通過觀察試驗數(shù)據(jù)可以看出，該車在試驗室G的第3次試驗結(jié)果明顯高于前兩次，因此有必要對其試驗過程中的駕駛質(zhì)量進(jìn)行分析。

表7為駕駛質(zhì)量分析結(jié)果。從表中可知，甲車在試驗室G的第3次試驗的EER和ASCR指標(biāo)均表現(xiàn)異常：EER偏高表明當(dāng)次試驗的駕駛經(jīng)濟(jì)性較差，而ASCR值偏高則說明駕駛過程中實際駕駛曲線偏離目標(biāo)駕駛曲線較多。

表7 駕駛質(zhì)量分析結(jié)果%

圖7為甲車在試驗室G進(jìn)行的第3次試驗的實際駕駛曲線與目標(biāo)駕駛曲線對比，從圖中可以看出，二者之間存在一定程度的偏離，為便于觀察偏離情況，圖8繪制了圖7中750～850s區(qū)間內(nèi)的實際速度曲線(為便于對比，將甲車在試驗室G的前兩次實際速度曲線也繪制在其中)，可以看出，第3次試驗的速度波動極其明顯，表明其駕駛過程中加速踏板抖動較為劇烈，這是造成第3次試驗燃料消耗量高于前兩次的主要原因。

圖7 實際駕駛曲線與目標(biāo)駕駛曲線對比

需要指出的是，駕駛質(zhì)量分析并不能解釋造成燃料消耗量偏高的所有原因，這是由駕駛質(zhì)量分析的原理所決定的：駕駛質(zhì)量分析指標(biāo)EER和ASCR是通過計算實際駕駛參數(shù)與目標(biāo)駕駛參數(shù)的百分比差異得到的，而EER和ASCR均由車速v和發(fā)動機(jī)驅(qū)動力F(與轉(zhuǎn)鼓阻力正相關(guān))決定，因此當(dāng)轉(zhuǎn)鼓阻力偏大或偏小時，對實際駕駛循環(huán)和目標(biāo)駕駛循環(huán)的各項參數(shù)的影響是同向的(同時增大或減小)，即上述兩種循環(huán)下的各項參數(shù)的百分比差異并不會因轉(zhuǎn)鼓阻力的偏大或偏小產(chǎn)生明顯變化，因此基于兩種循環(huán)下參數(shù)百分比差異的駕駛質(zhì)量指標(biāo)EER和ASCR無法解釋由轉(zhuǎn)鼓阻力所引起的燃料消耗量異常。

圖8 3次試驗的駕駛曲線對比

3.2 轉(zhuǎn)鼓阻力分析

3.2.1 轉(zhuǎn)鼓阻力分析原理

當(dāng)燃料消耗量結(jié)果異常，且駕駛質(zhì)量分析無法判定其原因時，還應(yīng)考慮轉(zhuǎn)鼓阻力的影響。

轉(zhuǎn)鼓阻力用于模擬整車在道路上所受的阻力。轉(zhuǎn)鼓阻力不同，發(fā)動機(jī)克服阻力所做的功也有差異，整車的燃油經(jīng)濟(jì)性同樣受影響。在試驗過程中轉(zhuǎn)鼓阻力一般維持在400N以上，因此行業(yè)內(nèi)要求各試驗室間的轉(zhuǎn)鼓阻力偏差應(yīng)控制在10N以內(nèi)，即當(dāng)轉(zhuǎn)鼓阻力差值在10N以內(nèi)時，可以忽略各試驗室由于轉(zhuǎn)鼓阻力不同對燃料消耗量差異的影響。

3.2.2 轉(zhuǎn)鼓阻力分析結(jié)果

由前文可知，乙車在試驗室F的3次燃料消耗量均偏低，而在駕駛質(zhì)量分析結(jié)果(表8)中，EER和ASCR指標(biāo)均表現(xiàn)正常，因此需考慮轉(zhuǎn)鼓阻力對試驗結(jié)果的影響(注：每臺車在每個試驗室進(jìn)行的3次試驗均采用同一組轉(zhuǎn)鼓阻力系數(shù))。

表8 駕駛質(zhì)量分析結(jié)果%

圖9為各試驗室與試驗室A的轉(zhuǎn)鼓阻力差值，從圖中可以看出，試驗室F與A的轉(zhuǎn)鼓阻力差值超出10N，較低的轉(zhuǎn)鼓阻力使車輛在試驗過程中消耗燃料較少，因而燃料消耗量偏低。

4 結(jié)論

以試驗室比對為研究對象，按照實際工程需要，建立一套完善的、符合行業(yè)特點的比對試驗評價與分析模式，以供業(yè)內(nèi)參考。

(1)比對評價體系包括重復(fù)性評價、準(zhǔn)確性評價和差異性評價，分別對單個試驗室的自身穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和多個試驗室之間的差異性進(jìn)行評價。針對本次比對試驗，應(yīng)用該評價體系得出如下結(jié)論：甲車在試驗室G的3次試驗的穩(wěn)定性較差；乙車在試驗室F和G的燃料消耗量結(jié)果偏差較大，準(zhǔn)確性較差；各試驗室的試驗結(jié)果存在不同程度的差異。

(2)利用本次比對試驗數(shù)據(jù)對比對評價體系進(jìn)行檢驗，通過對比試驗車型的原始試驗數(shù)據(jù)，證實了比對評價體系所得出的結(jié)論，確認(rèn)了該評價體系的有效性。

(3)通過駕駛質(zhì)量分析和轉(zhuǎn)鼓阻力分析，明確了導(dǎo)致比對試驗中數(shù)據(jù)異常的原因是：造成甲車在試驗室G的第3次燃料消耗量結(jié)果偏高是由于當(dāng)次駕駛過程中加速踏板抖動較為劇烈；造成乙車在試驗室F的3次燃料消耗量均偏低的原因是該試驗室的轉(zhuǎn)鼓阻力較低。明確造成試驗結(jié)果偏差的原因?qū)τ诤罄m(xù)試驗室比對工作的開展具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 李晶華，黎蘇，高俊華，等.輕型汽車排放實驗室比對試驗結(jié)果的分析[J].拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2009，36(1)：33-36.

[2] 覃書勇.輕型汽車排放實驗室比對試驗結(jié)果的分析[J].裝備制造技術(shù)，2009(8)：4-6.

[3] GB18352.5—2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)[S].2013.

[4] 盧彬，陳碧峰，王文炎.輕型汽車排放比對試驗統(tǒng)計方法探討[J].質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)化，2012(6)：39-42.

[5] SAE J2951—2014 Drive quality evaluation for chassis dynamometer testing[S].2014.

Comparative Analysis on Fuel Consumption and Pollutant Emissions for Light-duty Vehicles

Zhang Pengyu，Zhang Xinyu，He Zhaoyang＆Lin Zhiqi
Technology Center of Beijing Hyundai Motor Company，Beijing 101300

At present，most of themeasurements of fuel consumption and pollutant emissions are based on driving cyclemethod both in China and thewholeworld，and the quality ofmeasurement is controlled mainly by the comparison among test results in different laboratories.However，the evaluation and analysis on comparison results have not yet formed an unifiedmode.In view of real engineering requirements，an evaluation system with good practicability is established in this paper，which is then effectively validated on the basis of a large number of comparative tests.In addition，abnormal results of tests are analyzed from two aspects of personnel operation and device status respectively.This study provides references for formulating a standard evaluation/analysismode for laboratory comparison in automotive industry.

fuel consum ption；pollutant em ission；com parative test；evaluation system

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.05.001

原稿收到日期為2016年9月30日，修改稿收到日期為2017年1月5日。

張鵬宇，工程師，E-mail：zhangpy＠bhmc.com.cn。