凌建群，莊健

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

0 引言

隨著人們環(huán)保意識日益增強，針對機動車，尤其是重型柴油車，限制車輛污染物排放的法規(guī)越來越嚴(yán)格。2018年6月28日，中國生態(tài)環(huán)境部正式發(fā)布了 《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》 （簡稱國六法規(guī)），標(biāo)志著中國重型柴油車正式進入國六時代。國六法規(guī)要求型式檢驗時，應(yīng)在整車上采用便攜式排放測量系統(tǒng)（portable emission measurement system，PEMS） 進行實際道路車載排放試驗 （簡稱PEMS測試），且滿足法規(guī)限值要求。這不僅要求發(fā)動機在臺架上要滿足法規(guī)限值要求，整車在道路上實際行駛時也要滿足法規(guī)要求；而且中國法規(guī)要求PEMS試驗時，車輛負載最低允許值為最大負載的10%。車輛負載越低，發(fā)動機輸出的負荷就越小，排氣溫度也越低，后處理的轉(zhuǎn)化效率越難維持在較高水平，排放更容易超標(biāo)。綜合比較，中國的第六階段排放法規(guī)已經(jīng)是目前全世界最嚴(yán)格的法規(guī)。

東風(fēng)汽車有限公司針對駕駛行為，其對車輛實際道路排放的影響進行了研究［1］。研究表明，實際駕駛過程中的駕駛行為和交通狀況對PEMS測試結(jié)果有很大影響。通過比較2名資歷不同的駕駛員在相同路線上進行的實際道路排放試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平穩(wěn)的駕駛和換擋能減少一氧化碳 （CO）和顆粒數(shù)（PN）峰值的出現(xiàn)，有利于降低CO和PN排放。其他一些研究表明，整車實際道路試驗中CO和氮氧化物 （NOx）排放水平均比整車轉(zhuǎn)鼓試驗結(jié)果高，且環(huán)境溫度從25℃降低到5℃時，NOx排放升高了 30%［2-3］。

整車在實際道路上行駛時狀態(tài)復(fù)雜多變，不僅會受到駕駛行為、路況、天氣等因素影響，而且PEMS測試設(shè)備實際使用時，其測量精度和可靠性容易受到外部復(fù)雜多變的條件影響。此外，由于PEMS測試設(shè)備價格昂貴，在整車開發(fā)階段因資源有限，很難保證每臺標(biāo)定樣車都配備PEMS測試設(shè)備，故開發(fā)標(biāo)定工作受到PEMS測試設(shè)備制約，靈活性差。

本研究基于離線計算與數(shù)據(jù)分析思想，利用傳感器進行數(shù)據(jù)采集，利用Matlab軟件建立離線計算模型；通過離線計算模型對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行整理和計算，得到整車實際行駛過程中排放測試結(jié)果。此研究針對整車標(biāo)定開發(fā)前期及國六標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的型式檢驗 （PEMS測試）摸底和優(yōu)化階段，提供一種靈活、可信的車輛實際道路行駛排放的評價方法。

1 國六標(biāo)準(zhǔn)主要要求

國六法規(guī)中整車實際道路行駛排放試驗主要項目和要求見表1。此外，國六法規(guī)還規(guī)定了試驗路線的行駛工況分配要求。試驗應(yīng)按照市區(qū)-市郊-高速行駛順序連續(xù)進行，第1次出現(xiàn)車速超過55 km／h的行程記為市郊路開始，第1次出現(xiàn)車速超過75 km／h的行程記為高速路開始。其中，市區(qū)路平均車速為15～30 km／h，市郊路平均車速45～70 km／h，高速路平均車速＞70 km／h。各類車輛所對應(yīng)的路況占比見表2所示。根據(jù)國六法規(guī)，在評價試驗路線工況占比時，允許實際構(gòu)成比例有±5%的偏差。

表1 國六法規(guī)試驗項目和要求

表2 國六法規(guī)各類車輛試驗路況占比

2 便攜式排放測量系統(tǒng)

便攜式排放測量系統(tǒng) （PEMS）的設(shè)備可以直接安裝在被測車輛上，實時測量車輛污染物排放濃度。PEMS主要包括測量單元 （部分光紅外測量模塊、化學(xué)發(fā)光模塊、加熱型氫離子火焰模塊）、采樣管、采樣標(biāo)準(zhǔn)氣、全球定位系統(tǒng)、環(huán)境溫度和壓力測量模塊等。其特點是可以真實反映車輛實際行駛過程中的排放特性，測試系統(tǒng)具有可拆卸性、體積緊湊等優(yōu)點。PEMS設(shè)備是評價車輛在用符合性的重要手段。不過在實際應(yīng)用時，測量環(huán)境復(fù)雜多變，測量結(jié)果容易受到外部因素影響；而且PEMS設(shè)備需要得到有效的保養(yǎng)和維護，否則會影響測量結(jié)果。

3 車輛實際道路行駛排放測試離線計算法

由于考慮到本文前面章節(jié)提到的PEMS設(shè)備的一些缺點，為此，提出一種車輛實際道路行駛排放測試離線計算法 （簡稱離線計算法）。該方法采用傳感器采集數(shù)據(jù)、ECU監(jiān)控數(shù)據(jù)、行車記錄儀記錄數(shù)據(jù)，用Matlab軟件建立數(shù)據(jù)分析模型處理數(shù)據(jù)，采用離線計算法計算測試結(jié)果。其優(yōu)勢是測試設(shè)備簡單、測試成本低、操作靈活。

3.1 測試設(shè)備

離線計算法涉及的主要設(shè)備見表3。發(fā)動機運行參數(shù)、排放數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度和濕度等均通過ECU監(jiān)測，由行車記錄儀記錄。目前CO測量主要依靠氣體分析儀，傳感器無法直接測量。因此，本研究中主要針對NOx及法規(guī)規(guī)定的其他約束項目。

表3 離線計算法測試主要設(shè)備

3.2 測試方案

由于影響車輛實際道路行駛排放測試 （簡稱車輛排放測試）的因素較多，自然環(huán)境和道路路況均具有不確定性，試驗過程中發(fā)動機運行工況覆蓋面廣，試驗的一致性和重復(fù)性不容易保證［4］。因此，車輛排放測試規(guī)范和流程的制定至關(guān)重要。本研究提出的車輛排放測試基本流程如圖1所示。通過試驗流程來規(guī)范車輛排放測試開發(fā)體系，包括方案設(shè)計、試驗前檢查、試驗、數(shù)據(jù)處理、離線計算等。為保證離線計算法的有效性，試驗中考慮不同海拔、不同氣溫、不同載荷，按照法規(guī)要求盡量滿足不同路譜比例和最短試驗時間要求。用Matlab軟件編寫車輛排放測試離線計算程序，建立Matlab離線計算模型 （簡稱計算模型）。按照圖1定義的車輛排放測試流程完成試驗，通過行車記錄儀記錄試驗時間、行駛里程、排氣流量、環(huán)境溫度、冷卻液溫度、NOx傳感器測量結(jié)果、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機輸出扭矩、燃油消耗、GPS車速信號和GPS海拔信號。經(jīng)過異常點剔除 （剔除異常點并用差值替換）、信號對齊 （對齊NOx傳感器數(shù)據(jù)、EFM信號數(shù)據(jù)、發(fā)動機基本參數(shù)數(shù)據(jù)和GPS信號數(shù)據(jù)，即將這些數(shù)據(jù)中的無效數(shù)據(jù)或異常數(shù)據(jù)剔除，并保持所有數(shù)據(jù)的時間序列始點相同）、有效數(shù)據(jù)選擇（滿足法規(guī)規(guī)定的冷卻液溫度、海拔、大氣溫度等條件）等數(shù)據(jù)處理，再利用計算模型計算整個車輛排放測試總工況時間、各路譜百分比、窗口數(shù)、有效窗口數(shù)及排放結(jié)果。

圖1 車輛實際道路行駛排放測試離線計算法基本流程

3.3 計算模型

計算模型主要由數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析組成，大致可分為原始數(shù)據(jù)加載模塊、發(fā)動機關(guān)鍵參數(shù)輸入模塊、車輛類型選擇模塊、計算模塊和結(jié)果輸出模塊，如圖2所示。其中，原始數(shù)據(jù)加載模塊用于導(dǎo)入實測的整車數(shù)據(jù)，包括整車行駛數(shù)據(jù)，發(fā)動機工況數(shù)據(jù)，排放等傳感器測量數(shù)據(jù)；發(fā)動機關(guān)鍵參數(shù)輸入模塊輸入WHTC循環(huán)功，發(fā)動機最大功率和排氣密度等指標(biāo)；車輛類型選擇模塊可以選擇不同的車輛類型，用于計算所選車輛的各項規(guī)定指標(biāo)；計算模塊對相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算并保存計算結(jié)果；結(jié)果輸出模塊輸出排放計算結(jié)果、車輛道路占比結(jié)果、有效窗口數(shù)量及比例等評價指標(biāo)。以上模塊的實現(xiàn)均基于Matlab代碼。

圖2 計算模型界面

4 PEMS測試

4.1 測試車輛和測試條件

本試驗基于搭載上柴發(fā)動機的徐重汽車吊（N3類車輛），車輛詳細參數(shù)見表4；試驗條件為車輛負載100%。為了后續(xù)對比離線計算法的結(jié)果精度，測試設(shè)備采用HORIBA公司生產(chǎn)的PEMS測試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 （簡稱HORIBA設(shè)備）。

表4 車輛及發(fā)動機主要參數(shù)

考慮到PEMS測試的有效性，測試前先設(shè)計好測試路線，盡量滿足法規(guī)的基本要求。因此，根據(jù)法規(guī)對N3類車型的具體要求，本次PEMS測試設(shè)計了如圖3所示的行車路線?？紤]到測試的連續(xù)性，依次設(shè)計了城市道路、城郊道路和高速道路。同時，還考慮了法規(guī)規(guī)定的測試的最短持續(xù)時間和不同道路占比。

4.2 測試結(jié)果

按照國六法規(guī)規(guī)定，當(dāng)發(fā)動機冷卻液溫度在70℃以上或PEMS試驗開始后5 min之內(nèi)冷卻液溫度變化小于2℃ 時，所對應(yīng)的數(shù)據(jù)至試驗結(jié)束時所有的數(shù)據(jù)都作為有效數(shù)據(jù)。圖4是經(jīng)過篩選后的車輛行駛有效車速數(shù)據(jù)。從圖4可見，在進行PEMS測試時，測試過程中的車速很容易受到外界因素影響，車輛可能會存在臨時停車或無法保持期望的行駛狀態(tài)。因此，試驗結(jié)束后評估測試數(shù)據(jù)的有效性變得十分重要。為了驗證測試的有效性，需要計算出整個測試的最短測試持續(xù)時間和不同道路的時間占比。

圖3 PEMS試驗行車路線

圖4 車輛行駛過程中數(shù)據(jù) （去除冷起動數(shù)據(jù)后）

本次測試結(jié)果見表5。由表5可知，本次測試滿足法規(guī)要求，PEMS測試數(shù)據(jù)有效。

表5 HORIBA設(shè)備測量結(jié)果與法規(guī)要求

5 采用離線計算法

5.1 計算模型驗證

為了驗證離線計算模型結(jié)果的可靠性，模型計算所用的數(shù)據(jù)選用HORIBA設(shè)備記錄的原始測量數(shù)據(jù)。計算模型的計算結(jié)果及其與HORIBA設(shè)備測試量結(jié)果比較見表6，計算模型計算的有效窗口NOx和CO比排放見圖5和表7。

表6 計算模型計算結(jié)果與HORIBA設(shè)備測量結(jié)果比較

圖5 計算模型計算的有效窗口NO x和CO比排放

表7 計算模型計算的有效窗口NO x和CO比排放

由表6可知，通過計算模型計算得到的總行駛里程、發(fā)動機總輸出功與HORIBA設(shè)備測量結(jié)果一致。根據(jù)發(fā)動機WHTC循環(huán)功22 kW·h，可計算得到試驗持續(xù)時間是WHTC循環(huán)功的7.5倍，滿足法規(guī)要求。在對比各道路路譜占比發(fā)現(xiàn)，計算模型計算的結(jié)果與HORIBA設(shè)備測量結(jié)果一致。由于法規(guī)規(guī)定，測試中道路的路譜占比可以有±5%的偏差，因此也滿足法規(guī)要求。

計算模型計算的CO和NOx比排放結(jié)果（見圖5），其CO和NOx排放數(shù)據(jù)均來自HORIBA設(shè)備原始數(shù)據(jù)。圖5將計算結(jié)果從小到大依次排列，從中可以看出，整個PEMS測試有效數(shù)據(jù)中CO比排放最大值不超過600 mg／kW·h，NOx比排放最大值不超過300 mg／kW·h。由表7可見 NOx和CO比排放數(shù)值均低于國六法規(guī)限值，滿足法規(guī)要求。

5.2 試驗驗證

采用表3中的設(shè)備，采用與基于HORIBA設(shè)備試驗一致的試驗條件和試驗路況，運用離線計算法，得到徐重汽車吊實際道路排放測試結(jié)果。離線計算法得到各項參數(shù)結(jié)果及其與HORIBA設(shè)備測量結(jié)果比較見表8，離線計算法測試過程中NOx排放實時結(jié)果見圖6。

表8 離線計算法測試結(jié)果與HORIBA設(shè)備測量結(jié)果比較

圖6 離線計算法測試過程中NO x排放實時結(jié)果

由表8可知，整個測試過程中，車輛一共行駛了約128 km，發(fā)動機輸出的總功約165 kW·h，發(fā)動機總功與WHTC循環(huán)功比值是7.5，CO排放總量約38.6 g，NOx排放總量約 22 g，NOx排放實時濃度中低于5×10-4%的比例占到99.975%，NOx的所有比排放均低于國六法規(guī)限值。此外，離線計算法測試結(jié)果與HORIBA設(shè)備測量結(jié)果一致，說明此方法結(jié)果可信。

根據(jù)國六法規(guī)要求，有效數(shù)據(jù)中95%以上的NOx排放結(jié)果必須小于5×10-4%。從圖6顯示的整個離線計算法測試過程中有效數(shù)據(jù)的NOx排放結(jié)果可見，部分NOx排放已經(jīng)超過5×10-4%，存在不滿足國六法規(guī)的風(fēng)險。

5.3 離線計算法結(jié)果分析

表9是離線計算法測試結(jié)果的最終評價。如，試驗道路工況占比要求、測試最短時間要求、有效窗口要求、NOx排放要求，均是國六法規(guī)規(guī)定的項目。從計算結(jié)果來看，離線計算法測試規(guī)范滿足法規(guī)要求，排放水平滿足法規(guī)要求。

表9 離線計算法計算的測試結(jié)果

6 結(jié)論

重型車國六排放法規(guī)要求整車必須通過PEMS測試，本文針對PEMS測試設(shè)備價格昂貴、測試結(jié)果易受各種因素影響、測試靈活性差等問題，提出一種車輛實際道路行駛排放測試離線計算方法。經(jīng)計算分析和實際測試對比，驗證了該方法的可靠性，為企業(yè)在國六及后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)階段提供了一種有效的、成本低且靈活性好的車輛實際道路行駛排放評價方法，豐富了車輛實際道路行駛排放測試手段及評價方法。