張瀟文,李菁元,楊志文,謝振凱,李騰騰 (中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,天津 300300)

重型車輛(HDV)在交通運輸中,CO2排放比例占有重要份額[1].歐盟要求 2021年起新注冊車輛需定期監(jiān)測CO2排放[2],并為HDV引入了新的標準要求,設(shè)定了 CO2的排放標準,要求監(jiān)測在用車輛的燃料消耗情況[3],從而計算 CO2排放.目前歐盟法規(guī)要求,對于輕型柴油車,要求車輛配備車輛燃油消耗量實時監(jiān)示裝置(OBFCM),并在車輛型式認證試驗期間測試其準確性[4],但對于 HDV,暫未對 OBFCM 設(shè)備的型號認證及準確性提出要求.

我國目前對車輛CO2排放或油耗僅僅在新車型式認證有測試要求[5],而對實際道路的排放或油耗暫未提出要求,無法對車輛實際道路及瞬態(tài)影響特征進行精細化分析.但目前我國正在實施的標準[6]中要求新生產(chǎn)的重型柴油車必須安裝遠程排放管理車載終端,用以采集、存儲和傳輸車輛車載診斷系統(tǒng)(OBD)信息和發(fā)動機排放數(shù)據(jù),其中包括燃油消耗量數(shù)據(jù),可以利用此數(shù)據(jù)進行車輛運行的碳排放計算.DeFries等[7]使用輕型車輛(LDV)OBD數(shù)據(jù)流收集在用燃油消耗數(shù)據(jù),比較了由OBD輸入計算的油耗率與底盤測功機測試下的碳平衡測量確定的油耗率,兩者偏差在3%以內(nèi).K?ck[8]通過在測功機臺架上對柴油發(fā)動機進行型式認證試驗,比較了碳平衡法、ECU燃油消耗量測定和直接燃油流量測量3種方法.Zheng等[9]對3輛輕型乘用車使用底盤測功機測試,研究表明OBD油耗與碳平衡法計算油耗結(jié)果一致.研究表明,平均車速、道路坡度、行駛距離、環(huán)境溫度等因素均對油耗有較為明顯影響[10-15].但目前很少有研究對重型柴油車OBD數(shù)據(jù)計算CO2排放的影響因素準確度進行分析.

本研究選取3輛新生產(chǎn)的重型柴油車進行實際道路試驗,對 OBD記錄的 ECU油耗計算 CO2排放量,并與 PEMS直接測量的 CO2排放量比對,分析ECU油耗計算CO2排放量的關(guān)鍵影響因素,旨在為重型車實際道路行駛狀態(tài)下的碳排放管控提供參考.

1 試驗方法材料與方法

1.1 測試方法

本文測試車輛均安裝了符合GB17691-2018標準要求[6]的型號為T-BOX的市售OBD遠程監(jiān)控設(shè)備,直接插入車輛OBD接口,經(jīng)過設(shè)備搭載的編碼器,利用特定軟件讀取ECU數(shù)據(jù),記錄ECU的油耗、車速等信號,并將數(shù)據(jù)傳輸至重型車遠程排放管控平臺上.加裝GPS全球定位系統(tǒng),獲取車輛位置信息及瞬時車速.PEMS設(shè)備使用日本 Horiba公司的OBS-ONE便攜式氣體分析儀.具體如表1所示.

表1 測試設(shè)備及參數(shù)Table 1 Test equipment and parameters

目前油耗測量的3種常見方法包括碳平衡法、ECU油耗法和直接測量法等.碳平衡法廣泛應(yīng)用于計算車輛的燃油消耗量,并被引用入標準使用[5],基于CO2、CO和總碳氫化合物(THC)的排放測量結(jié)果計算油耗量.

式中:FC為燃料消耗量,L/100km;THC為碳氫化合物排放量,g/km;CO為CO排放量,g/km;CO2為CO2排放量,g/km;ρfuel為15℃下的燃料密度,kg/L.

通過公式(1),反向推算CO2排放量(重型柴油車的CO和HC可忽略不計).

ECU油耗法應(yīng)用于歐盟車輛燃料消耗量的確定及車輛儀表盤油耗顯示,缺點在于需考慮噴射器校準和計算的未知測量不確定性.ECU油耗可以通過CAN線或OBD端口訪問讀取.車輛制造商決定油耗測量或計算的原則.在大多數(shù)情況下,ECU油耗并不是直接測量所得,而是采用發(fā)動機ECU燃油模型,通過復雜的計算進行估計,其中涉及噴油器的操作、傳感器的反饋校正以及發(fā)動機校準的預(yù)測[16].

油耗直接測量法應(yīng)用于新車型式認證試驗及碳平衡的合理性檢查等場景,測試精度高,但在實際道路上應(yīng)用較少,需要安裝車載燃油流量計實現(xiàn).流量計作為測量系統(tǒng)的核心,在實際道路中需要更多的瞬時測量,以及與現(xiàn)代噴油系統(tǒng)的兼容性,安裝復雜,故本研究中暫未涉及此方法.

1.2 測試車輛

選取 3輛國五重型柴油車開展實際道路測試,試驗車輛參數(shù)詳見表2.

表2 試驗車輛參數(shù)Table 2 Test vehicles parameters

選取同樣的測試路線并加載同樣載荷進行實際道路測試.試驗路線選取無坡度道路,按照《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》[6]規(guī)定,包括 20%市區(qū)路、25%市郊路和 55%高速路.

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

參照機動車排放模型(MOVES)[17],對實際運行工況進行機動車比功率(VSP)區(qū)間劃分.VSP綜合考慮了車輛重力、摩擦阻力和空氣阻力的影響,表征機動車單位質(zhì)量的瞬時輸出功率[18-19],被廣泛應(yīng)用于排放模型中[20-22],因此,本研究選用VSP作為行駛工況的代用參數(shù),表征運行工況特征.對于重型車,VSP的計算方法如公式(2)所示[17].

式中:VSP是車輛特定功率,kW/t;a是加速度,m/s2;g是重力加速度,9.8m/s2;sinθ是道路坡度,選取道路為無坡度道路,取 0;A、B、C為阻力系數(shù),M為車輛質(zhì)量.根據(jù)典型車輛信息[23],A/M 取0.0875kW·s/(m·t), B/M取 0,C/M 取 0.000331kW·s3/(m3·t).

基于中國典型城市實際道路運行工況測試所開發(fā)的微觀模態(tài)劃分方法[18]并結(jié)合標準 GB17691-2018[6]道路區(qū)間劃分要求,得到由車速和 VSP聯(lián)合分布的32個Bin區(qū)間,其中包括剎車區(qū)間、怠速區(qū)間、低速區(qū)間(小于45km/h)、中速區(qū)間(45～70km/h),以及高速區(qū)間(大于70km/h),詳見表3.

表3 基于VSP和車速的Bin區(qū)間劃分Table 3 Bin distribution based on VSP and speed in MOVES model

每個Bin區(qū)間的平均油耗和排放速率通過公式(3)計算.

結(jié)合運行工況的微觀運行模態(tài)時間分布信息,由公式(4)計算各測試車輛的總油耗因子和總排放因子.

式中:EK為總排放因子,g/km;Pk為模擬工況在微觀運行模態(tài) k的時間分布比例;ν為該工況的平均速度,km/h.

2 結(jié)果與討論

2.1 實際道路下ECU油耗計算和PEMS實測CO2對比

如圖1所示,ECU油耗計算與PEMS測量的CO2結(jié)果有很強的線性關(guān)系(R2為0.936～0.978).證明使用ECU油耗計算CO2可行.計算結(jié)果顯示,車輛基于ECU油耗數(shù)據(jù)計算的CO2排放因子比實際測量CO2的結(jié)果高.基于碳平衡法對 ECU油耗數(shù)據(jù)進行計算,HDV-1、HDV-2和HDV-3的CO2排放因子分別為1297.23,1423.44,1207.73g/km,而實際測量的CO2排放量分別為1282.90,1395.25,1172.25g/km.與實際測量值相比,使用ECU油耗計算CO2結(jié)果分別高1.12%、2.02%、3.03%.本研究中ECU油耗計算CO2結(jié)果和 CO2實測值之間的差距,主要在于 ECU油耗計算 CO2是按照完全燃燒進行,而實際燃燒生成了大量碳煙顆粒,故計算結(jié)果偏高.

圖1 CO2計算值與實測值回歸分析Fig.1 Regression analysis between calculated and measured CO2 values

為進一步對比不同速度區(qū)間CO2計算值的準確度,以HDV-1為例,如果將實際道路測試中的剎車、怠速低速、中速和高速區(qū)間分離出來,ECU油耗計算的CO2結(jié)果與PEMS測量的CO2結(jié)果的平均偏差絕對值為0.57%～44.77%,如圖2所示.隨著車速的上升,ECU油耗計算的CO2結(jié)果與PEMS測量的CO2結(jié)果之間的差別逐漸減小.但由于剎車和怠速區(qū)間排放量占據(jù)總行程排放量的 1%以下,故對整體行程的影響不大,而低速和中速區(qū)間,偏差結(jié)果均大于總體偏差,故產(chǎn)生計算偏差的行程主要集中在低速和中速區(qū)間.HDV-2和HDV-3表現(xiàn)與HDV-1基本一致.

圖2 CO2計算值與實測值在不同速度區(qū)間的偏差Fig.2 Deviation between calculated and measured CO2 values in different vehicle speed segments

2.2 實際道路下ECU油耗計算CO2的關(guān)鍵影響因素

ECU油耗計算的CO2結(jié)果與PEMS測量的CO2結(jié)果有很強的線性關(guān)系,以L/km表示的車輛油耗的準確性將取決于ECU油耗(L)和距離(km)的準確性.2.2.1 ECU油耗準確度 ECU油耗是通過發(fā)動機ECU燃油模型估算的.圖3顯示,對于完整的行程,以碳平衡法換算油耗為基準,所有測試車輛的ECU總油耗量偏差為2.17%,HDV-1為1.16%,HDV-2為2.35%, HDV-3為3.00%,如圖4所示.對于完整行程來說,3輛車ECU油耗相對于PEMS換算油耗的平均偏差在4%以內(nèi).與之前報道的3輛HDV相對于PEMS的平均ECU油耗偏差9.1%[24]相比,結(jié)果準確度更高,說明隨著ECU燃油模型的升級優(yōu)化,帶來了油耗的精確控制.

圖3 ECU總油耗量與實測CO2計算總油耗量對比Fig.3 Comparison between ECU total fuel consumption and total fuel consumption calculated by measured CO2

以HDV-1車輛為例,對比不同速度區(qū)間ECU油耗的準確度,從圖4可見,在低、中、高速各區(qū)間,當VSP＜0時,ECU的油耗模擬值與OBD讀取的ECU油耗差距相對較大,VSP＜-4尤為明顯.這說明當VSP＜0時,車輛加速度為負值,車輛處于減速狀態(tài),此狀態(tài)下,ECU迅速判斷應(yīng)減少供油量,發(fā)動機處于非理論空燃比燃燒狀態(tài),用理論空燃比計算燃料消耗量將會帶來誤差.在剎車區(qū)間,車輛速度在短時間內(nèi)從高車速降至低車速,為了節(jié)省燃料,ECU可能會停止燃料供應(yīng),故 ECU根據(jù)理論燃燒計算的油耗與實際油耗差距較大.在怠速區(qū)間的二者差距也比較大,怠速期間較高的燃料率主要歸因于冷啟動富集,通過噴油延時和快速怠速控制減少冷啟動后的排放.在怠速期間,燃料消耗率沒有達到預(yù)期的隨機操作值,導致怠速區(qū)間的ECU油耗與實際油耗有較大差距.

圖4 各VSP Bin區(qū)間ECU油耗與實測CO2計算油耗的相對偏差Fig.4 Deviation between ECU fuel consumption and fuel consumption calculated by measured CO2 in each VSP Bin

由于怠速和剎車區(qū)間的油耗量占據(jù)的整個行程總油耗的比例較小(0.5%以下),所以上述2個區(qū)間對整個行程的影響不大.如果將實際道路測試中的低速、中速、高速區(qū)間分離出來,ECU油耗在高速區(qū)間的總體平均偏差為2.43%(表4).低速(車速1.6～45km/h)和中速(車速45～70km/h)區(qū)間ECU油耗的不確定性相對較大,低速區(qū)間的ECU油耗最大平均偏差達到 7.83%(所有車輛的偏差平均絕對值為5.20%),中速區(qū)間最大平均偏差為-5.27%(所有車輛的偏差絕對平均值為4.33%).總的來說,在低速和中速區(qū)間,所有車輛的OBD油耗準確度都低于完整行程的準確度,當車輛低速行駛,其準確度最低.這意味著路況的復雜性對ECU油耗準確度有重要影響.

表4 各速度區(qū)間ECU油耗量的偏差(%)Table 4 Deviation of ECU fuel consumption in each speed segment(%)

2.2.2 ECU距離準確度 對比ECU即時速度信號和GPS距離的準確度,ECU的行駛距離,最常見的是基于車輪旋轉(zhuǎn)的計數(shù)和假定的輪胎周長(固定的靜態(tài)車輪直徑)計算所得.實際情況下的輪胎直徑會受到許多因素的影響,如輪胎氣壓、輪胎維護、環(huán)境條件、胎面、實際車輛負荷以及車輛上實際安裝的輪胎尺寸差異[16].因此,精確的 ECU 距離很重要,它將被用于計算車輛的油耗(L/km),較高的 ECU距離意味著較低的特定油耗距離,反之亦然.

如圖5所示,在實際道路上測試的重型柴油車,全部測試的平均 ECU距離偏差絕對值為0.52%～3.55%,平均偏差-2.41%,其中1輛測試車輛的精確度在±1%以內(nèi),且3輛重型柴油車的ECU記錄車速計算的總里程比 GPS測量車速計算的總里程要高,如圖5所示.由于實際行駛下車輛輪胎周長比參與ECU行駛距離計算的假定輪胎周長要短,這將影響車輪的旋轉(zhuǎn)次數(shù),使得車輪旋轉(zhuǎn)次數(shù)增加,進而使得ECU計算的行駛距離比實際行駛距離高.

從速度各區(qū)間平均偏差可以看出(表5),怠速區(qū)間準確度最低,但此部分對總行程造成的影響不大,而路況復雜,瞬時變化多的區(qū)間(剎車區(qū)間、低速和中速區(qū)間)準確度也較低,對總行程相對影響較大.總體來說,在運動期間,重型柴油車的GPS和ECU距離之間的差異均不大.在怠速區(qū)間測得的精確度最低,其原因可能因為傳感器未能監(jiān)測細微的輪胎轉(zhuǎn)動.其次是剎車區(qū)間(平均偏差-4.51%),再次是低速區(qū)間(平均偏差-3.17%),中速區(qū)間(平均偏差-3.05%).這 3個區(qū)間的誤差較大可能是由于頻繁加速和動態(tài)條件下的輪胎打滑造成相對較大誤差率,高速區(qū)間的準確性最高(平均偏差-2.15%).其中怠速區(qū)間和剎車區(qū)間的距離僅占總行程距離的 0.2%以下,其對總行程距離偏差造成的影響微乎其微.故對整個行程影響較大的是低速和中速區(qū)間,其中當車輛低速行駛時,其準確度最低.

表5 各速度區(qū)間ECU距離的偏差(%)Table 5 Deviation of ECU distance in each speed segment(%)

3 結(jié)論

3.1 本研究中使用OBD讀取ECU油耗,進而轉(zhuǎn)換為CO2排放的結(jié)果與CO2實際測量值相比,3輛車平均準確度為2.06%,最大偏差3.03%,產(chǎn)生計算偏差的行程主要在低速和中速區(qū)間.ECU油耗計算的 CO2結(jié)果與CO2測量結(jié)果具有較高的吻合度.

3.2 對于重型柴油車實際道路測試來說,ECU油耗的偏差(相對于碳平衡法換算油耗)在 3%以內(nèi),平均偏差2.17%,ECU距離的偏差絕對值(相對于GPS)在4%以內(nèi)(最大為3.55%),二者均在低速和中速區(qū)間對整個行程影響較大,車輛在低速區(qū)間,其準確度最低.

3.3 ECU油耗和行駛距離的準確性會受到車速、加速度的影響,車輛低速行駛區(qū)間,其準確度最低.總體來說,車輛在較長時間的 OBD 監(jiān)測中(完整測試與階段性測試相比),ECU油耗和行駛距離的準確度有所提高.故在長時間運行下,使用OBD遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)中的油耗數(shù)據(jù)計算碳排放準確性較高,對安裝OBD遠程監(jiān)控設(shè)備的在用重型車的碳排放計算具有指導意義.