實際行駛污染物排放試驗的實驗室復現試驗與路試等效性研究

毛 毳 李欲曉 孫 雄

(上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心,上海 200438)

中國環保部于2016年發布了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化到實驗室,在實驗室里模擬復現Ⅱ型試驗,就能夠大幅提高Ⅱ型試驗結果的一致性和試驗效率。

目前,實驗室在測功機動態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。為了更好地復現道路工況的負荷情況,坡度-時間以及轉向阻力-時間這兩個維度的變量則必須被考慮在內。

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

1 RDE復現試驗動態加載模型

RDE復現試驗的工況模型由車速-時間、坡度-時間、轉彎阻力-時間3個模型進行耦合而成。原始數據通道來源于路試的全球定位系統(GPS)采集的經度、緯度、海拔、車速及車載自動診斷系統(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。

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

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

側偏角則由GPS的經度-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、環境倉系統、便攜式排放測試車載尾氣檢測設備(PEMS)。整個試驗系統的連接為底盤測功機、樣車、PEMS、排放分析儀,結構如圖3所示。

圖3 RDE試驗系統結構安裝圖

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復現試驗,分別編號為L1、L2、L3。試驗主要參數如表1和表2所示。

表1 路試主要試驗參數

表2 RDE復現試驗主要試驗參數

圖4為3次復現試驗轉轂與PEMS測得的里程結果。目標里程為72.93 km,PEMS測得的里程均小于轉轂里程。轉轂測得里程與目標里程相比,數值上更接近。由于在室內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里程相比轉轂里程明顯偏小。

圖4 轉轂與PEMS測得里程對比圖

法規[6]要求,在全球統一輕型車輛測試循環測試標準(WLTC)循環下對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果見表4,各項污染物排放量的結果均能達到WLTC循環下的溯源性要求,但由于RDE工況里程至少為WLTC循環里程的2倍以上,因此在里程上很難達到WLTC循環的溯源性要求。

表4 溯源性比較結果

3 復現試驗結果與分析-積分法

圖5為3次路試與3次復現試驗最終里程結果。復現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次復現試驗CO2排放量積分結果。路試CO2排放量高于實驗室,與復現試驗結果差別較大。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次復現試驗CO排放量積分結果。3次路試CO結果相對偏差為4.1%,復現試驗CO結果相對偏差為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次復現試驗NOx排放量積分結果。3次路試NOx結果相對偏差36.9%,復現試驗NOx結果相對偏差26.4%。由于車輛NOx的排放量太低,在NOx的排放上體現出較大的相對偏差,但僅從數值上看,復現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次復現試驗PN排放量積分結果。3次路試PN結果相對偏差10.1%,復現試驗CO結果相對偏差18.0%。僅從數值上,路試一致性好于復現試驗,但由于PN排放受瞬態因素影響很大[7],因此總體上看,復現試驗也呈現很好的一致性。

圖9 實測與實驗室PN排放量(積分法)對比圖

4 復現試驗結果與分析-CO2窗口法

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

圖10 行程主要判定參數的對比圖

測試結果顯示,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。但實驗室數據集合數有所減少,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,而在實驗室內使用PEMS設備僅能通過OBD車速來進行結果計算。這就導致了實驗室復現試驗數據集合數和RPA值均會隨著OBD車速降低而偏小。但復現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窗口數上來看,CO2窗口總數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域,導致復現試驗市郊階段和高速階段與R2路試不一致,但復現試驗的完整性滿足要求。

從CO2窗口公差上,3次復現試驗基本窗口的數量較R2總體減少53.4%,城市階段,窗口數量平均減少73.7%,若不進行擴展復現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。但經過一定程度的擴展,復現試驗能夠完成正常性驗證,對結果窗口的計算影響有限。

圖11為L1、L2、L3 3次復現試驗與R2路試各污染物排放量CO2窗口法的結果對比。總體趨勢與積分法的結果對比一致,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性。復現試驗和路試的一致性方面,復現試驗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項實驗室復現的一致性高于路試,與積分法趨勢保持一致。

5 結論

本文通過對RDE復現試驗的研究得出以下結論：

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

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