毛 毳 李欲曉 孫 雄

(上海汽車集團股份有限公司商用車技術(shù)中心,上海 200438)

中國環(huán)保部于2016年發(fā)布了GB 18352.6—2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》,其中Ⅱ型實際行駛污染物排放試驗(RDE試驗)成為各專項研究的熱點[1-2]。大量的試驗研究證明,環(huán)境因素的不確定性,例如實際道路交通復雜性、試驗氣候不可控性、駕駛風險等,造成Ⅱ型試驗路試結(jié)果一致性不佳[3-4]。如果能將路試過程中采集到的多維度工況轉(zhuǎn)化到實驗室,在實驗室里模擬復現(xiàn)Ⅱ型試驗,就能夠大幅提高Ⅱ型試驗結(jié)果的一致性和試驗效率。

目前,實驗室在測功機動態(tài)加載方面僅能利用速度-時間維度對路試工況進行實時模擬。為了更好地復現(xiàn)道路工況的負荷情況,坡度-時間以及轉(zhuǎn)向阻力-時間這兩個維度的變量則必須被考慮在內(nèi)。

本文研究了在3個維度的測功機動態(tài)加載模型下,RDE實驗室復現(xiàn)試驗與路試結(jié)果的等效性情況,并對復現(xiàn)試驗與路試存在差異的原因進行了分析。

1 RDE復現(xiàn)試驗動態(tài)加載模型

RDE復現(xiàn)試驗的工況模型由車速-時間、坡度-時間、轉(zhuǎn)彎阻力-時間3個模型進行耦合而成。原始數(shù)據(jù)通道來源于路試的全球定位系統(tǒng)(GPS)采集的經(jīng)度、緯度、海拔、車速及車載自動診斷系統(tǒng)(OBD)車速。

車速-時間模型通過GPS的車速-時間通道和OBD的車速-時間通道融合,用以屏蔽掉OBD信號的噪聲和補償GPS信號的丟幀,如圖1所示。

圖1 車速-時間模型

坡度-時間模型需要GPS車速-時間通道和海拔-時間通道通過計算得到,數(shù)學模型為

式中：i為坡度,單位為%;Δh為海拔落差,單位為m;ΔV為車速,單位為m/s;Δt為時間,單位為s。

轉(zhuǎn)彎阻力-時間模型中由于轉(zhuǎn)向時在汽車縱向方向的轉(zhuǎn)向輪同時作用于輪胎側(cè)偏力的分力,轉(zhuǎn)向角較大時側(cè)偏力的分力不可忽略[5],其表現(xiàn)為車輛前進方向上的阻力,轉(zhuǎn)彎阻力的數(shù)學模型為

式中：Fx為轉(zhuǎn)彎阻力,單位為N;Fy為側(cè)偏力,單位為N;k為側(cè)偏剛度,單位N/rad;α為側(cè)偏角,單位為(°)。

側(cè)偏角則由GPS的經(jīng)度-時間、緯度-時間通道擬合得到的曲率-時間模型計算而來,曲率-時間關(guān)系如圖2所示。

圖2 坡度-時間和曲率-時間模型

2 主要試驗設備及信息

主要用到的試驗設備包括底盤測功機、排放分析儀系統(tǒng)、環(huán)境倉系統(tǒng)、便攜式排放測試車載尾氣檢測設備(PEMS)。整個試驗系統(tǒng)的連接為底盤測功機、樣車、PEMS、排放分析儀,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 RDE試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝圖

首先,進行了3次RDE路試,并分別編號為R1、R2、R3,隨后又在實驗室以R2為靶試驗進行了3次RDE復現(xiàn)試驗,分別編號為L1、L2、L3。試驗主要參數(shù)如表1和表2所示。

表1 路試主要試驗參數(shù)

表2 RDE復現(xiàn)試驗主要試驗參數(shù)

圖4為3次復現(xiàn)試驗轉(zhuǎn)轂與PEMS測得的里程結(jié)果。目標里程為72.93 km,PEMS測得的里程均小于轉(zhuǎn)轂里程。轉(zhuǎn)轂測得里程與目標里程相比,數(shù)值上更接近。由于在室內(nèi)PEMS只能通過OBD測量車速,而GPS無法工作。OBD測得車速小于實際車速,導致PEMS里程相比轉(zhuǎn)轂里程明顯偏小。

圖4 轉(zhuǎn)轂與PEMS測得里程對比圖

法規(guī)[6]要求,在全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)測試標準(WLTC)循環(huán)下對PEMS溯源性驗證允許一定的誤差,其誤差范圍如表3所示。

表3 WLTC循環(huán)下溯源性驗證的允許偏差

由L1、L2、L3 3次試驗的溯源性比較結(jié)果見表4,各項污染物排放量的結(jié)果均能達到WLTC循環(huán)下的溯源性要求,但由于RDE工況里程至少為WLTC循環(huán)里程的2倍以上,因此在里程上很難達到WLTC循環(huán)的溯源性要求。

表4 溯源性比較結(jié)果

3 復現(xiàn)試驗結(jié)果與分析-積分法

圖5為3次路試與3次復現(xiàn)試驗最終里程結(jié)果。復現(xiàn)試驗里程均小于路試里程,且均小于R2的72.93 km的目標里程。原因是該試驗樣車電子控制單元(ECU)車速小于轉(zhuǎn)轂實測車速。

圖5 實測與實驗室里程對比圖

圖6為3次路試與3次復現(xiàn)試驗CO2排放量積分結(jié)果。路試CO2排放量高于實驗室,與復現(xiàn)試驗結(jié)果差別較大。雖然R1、R2、R3 3次試驗線路完全一致,但路試工況隨機性較強,其CO2結(jié)果相對偏差5.7%,一致性較差,而實驗室L1、L2、L3 3次試驗CO2結(jié)果相對偏差為0.4%,具有很高的一致性。

圖6 實測與實驗室CO2排放量(積分法)對比圖

圖7為3次路試與3次復現(xiàn)試驗CO排放量積分結(jié)果。3次路試CO結(jié)果相對偏差為4.1%,復現(xiàn)試驗CO結(jié)果相對偏差為2.4%。兩者一致性上的差距不像CO2那么明顯,但復現(xiàn)試驗一致性好于路試。

圖7 實測與實驗室CO排放量(積分法)對比圖

圖8為3次路試與3次復現(xiàn)試驗NOx排放量積分結(jié)果。3次路試NOx結(jié)果相對偏差36.9%,復現(xiàn)試驗NOx結(jié)果相對偏差26.4%。由于車輛NOx的排放量太低,在NOx的排放上體現(xiàn)出較大的相對偏差,但僅從數(shù)值上看,復現(xiàn)試驗一致性好于路試。

圖8 實測與實驗室NO x排放量(積分法)對比圖

圖9為3次路試與3次復現(xiàn)試驗PN排放量積分結(jié)果。3次路試PN結(jié)果相對偏差10.1%,復現(xiàn)試驗CO結(jié)果相對偏差18.0%。僅從數(shù)值上,路試一致性好于復現(xiàn)試驗,但由于PN排放受瞬態(tài)因素影響很大[7],因此總體上看,復現(xiàn)試驗也呈現(xiàn)很好的一致性。

圖9 實測與實驗室PN排放量(積分法)對比圖

4 復現(xiàn)試驗結(jié)果與分析-CO2窗口法

圖10為L1、L2、L3 3次復現(xiàn)試驗與R2行程主要判定參數(shù)的對比圖。由圖10可以看出,復現(xiàn)試驗與路試的判定參數(shù)差異主要存在于城市CO2窗口情況。

圖10 行程主要判定參數(shù)的對比圖

測試結(jié)果顯示,實驗室行程與路試趨于一致。但實驗室各速度段的行駛里程均小于路試里程,實驗室里程總體平均小1.4%。

在行程動力學校驗方面,實驗室完成情況與路試保持一致。但實驗室數(shù)據(jù)集合數(shù)有所減少,高速階段平均減少14.0%。實驗室RPA值偏小,城市階段平均減少15.0%。由于該樣車通過OBD得到的車速比實際車速偏低,而在實驗室內(nèi)使用PEMS設備僅能通過OBD車速來進行結(jié)果計算。這就導致了實驗室復現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)集合數(shù)和RPA值均會隨著OBD車速降低而偏小。但復現(xiàn)試驗在行程要求和行程動力學特性總體上不會影響試驗的完成。

從CO2窗口數(shù)上來看,CO2窗口總數(shù)量實驗室與路試趨于一致,相差3.5%。高速階段,CO2窗口較R2明顯減少,數(shù)量減少26.4%,占比減少19.2%。市郊階段,CO2窗口較R2又明顯增多,數(shù)量增加17.8%,占比增加17.2%。由于市郊階段試驗的平均車速在80 km/h左右,該速度的窗口點會比較集中,OBD車速偏小,造成部分高速段的窗口落入到了市郊段的窗口區(qū)域,導致復現(xiàn)試驗市郊階段和高速階段與R2路試不一致,但復現(xiàn)試驗的完整性滿足要求。

從CO2窗口公差上,3次復現(xiàn)試驗基本窗口的數(shù)量較R2總體減少53.4%,城市階段,窗口數(shù)量平均減少73.7%,若不進行擴展復現(xiàn)試驗基本窗口的占比會影響正常性驗證。CO2排放量對實際的加載很敏感[8],實驗室與路試樣車負荷的差異會直接影響到CO2窗口的分布。但經(jīng)過一定程度的擴展,復現(xiàn)試驗能夠完成正常性驗證,對結(jié)果窗口的計算影響有限。

圖11為L1、L2、L3 3次復現(xiàn)試驗與R2路試各污染物排放量CO2窗口法的結(jié)果對比。總體趨勢與積分法的結(jié)果對比一致,CO2排放量存在一定的差異,而CO、NOx、PN 3項排放量存在較強的復現(xiàn)性。復現(xiàn)試驗和路試的一致性方面,復現(xiàn)試驗CO2、CO、NOx、PN的相對偏差分別為2.0%、2.5%、26.2%、18.1%,而路試排放物的相對偏差分別為4.7%、12.3%、30.7%、14.8%。CO2、CO、NOx3項實驗室復現(xiàn)的一致性高于路試,與積分法趨勢保持一致。

5 結(jié)論

本文通過對RDE復現(xiàn)試驗的研究得出以下結(jié)論：

(1)在速度-時間、坡度-時間、轉(zhuǎn)彎阻力-時間的多維動態(tài)工況模型下進行的RDE復現(xiàn)試驗結(jié)果與路試結(jié)果具有等效性。

(2)由于復現(xiàn)試驗中加載方式與路試的不同,在試驗的完整性和正常性判定上與路試存在一定的差異,但不會影響完整性和正常性的驗證,對窗口法結(jié)果計算的影響有限。

圖11 實測與實驗室各污染物排放量(窗口法)對比

(3)從復現(xiàn)試驗中各污染物積分法排放結(jié)果和CO2窗口法排放結(jié)果上看,RDE復現(xiàn)試驗的一致性都好于路試,可大幅提高II型試驗的結(jié)果一致性和試驗效率。