重型車Pems試驗工況與中國工況對比研究

于津濤，熊興旺，劉嘉偉，張凡，李梁

(1.天津大學，天津 300072；中國汽車技術研究中心有限公司,北京 100176)

國六重型車排放標準GB 17691—2018[1]對重型車排放的要求更加嚴格，需要進行實際道路排放Pems試驗，用Pems試驗工況下的排放代表重型車輛的實際道路排放。不同于重型車燃料消耗量轉轂測試方法[2]，國六標準中只對Pems試驗的工況比例構成作了規定，并無標準循環。研究人員對實際道路排放測試進行了相關研究[3-5]。許丹丹等[6-7]的研究表明，實際道路試驗中重型車發動機運行工況范圍比典型的轉轂測試C-WTVC 循環要廣，對車輛的適用范圍更寬。但利用CVS采樣的C-WTVC 循環轉轂測試方法比Pems實際道路測試方法可重復性好[8]。T. Donateo等[9]指出，發動機負荷與轉速等會極大影響道路測試排放結果。

而中國重型商用車輛行駛工況的發布[10]，推出了適合中國實際路況的重型車典型行駛工況，采用該工況進行的燃油消耗量和排放試驗，更接近真實的中國重型車道路實際排放。為研究中國工況同Pems試驗工況的異同，需要對兩種不同測試方法的速度、加速度及比功率等量的分布進行深入分析對比。

本研究基于一輛城市客車和一輛非城市貨車的實際Pems試驗工況，分別與中國工況標準中的城市客車工況(CHTC-B工況)和大于5 500 kg的載貨汽車工況(CHTC-HT工況)進行了速度和加速度的分布對比。結合Moves模型與國內重型車比功率計算式研究，確定了重型車比功率計算式，并對計算式中的系數進行了標定。分別計算Pems試驗工況與中國工況的比功率，并進行了比功率分布的對比。

1 試驗系統與方案

本研究進行試驗的兩輛車分別為一輛城市客車和一輛非城市貨車，兩車的試驗參數見表1。其中城市客車的試驗總質量為11.5 t，非城市貨車的試驗總質量為6.1 t。

表1 城市客車與非城市貨車Pems試驗參數

試驗所采用的主要測試儀器為HORIBA OBS-ONE-G12車載排放分析系統，該系統集成了GPS測量設備與排放測量設備。

兩輛試驗車輛分別加載質量，并按照標準GB 17691—2018中規定的工況比例構成要求及試驗規范進行了Pems試驗，試驗數據采集頻率為1 Hz。圖1為城市客車Pems試驗實時車速曲線與中國工況CHTC-B車速曲線，圖2示出非城市貨車Pems試驗實時車速曲線與中國工況CHTC-HT車速曲線。

圖1 Pems試驗客車工況與CHTC-B工況

圖2 Pems試驗貨車工況與CHTC-HT工況

2 速度與加速度分布對比

2.1 速度分布對比

從圖1和圖2中可以看到，CHTC-B和CHTC-HT工況全程加速減速狀態較多，而Pems試驗工況前期加速減速狀態較多，后期為均速高速狀態。為對比車速分布差異，將車速劃分區間，針對Pems試驗和中國工況分別統計各車速區間內的頻率分布。從圖1中可以看出，客車最高車速較低，按照[0,5],(5,10], (10,15],…(65,70],(70,+∞)劃分客車車速區間。從圖2中可以看到，貨車最高車速比客車最高車速高，需要劃分更多區間，按照[0,5],(5,10], (10,15],…(85,90],(90,+∞) 劃分貨車車速區間。

圖3示出城市客車Pems試驗工況與中國工況CHTC-B車速區間分布，圖4示出非城市貨車Pems試驗工況與中國工況CHTC-HT車速區間分布。

圖3 Pems試驗客車工況與CHTC-B工況速度分布對比

圖4 Pems試驗貨車工況與CHTC-HT工況速度分布對比

從圖3中可以看到，Pems試驗客車工況速度分布中有4個峰值區間，分別為[0,5]，(30,35]，(35,40]和(60,65]，峰值分別為10.2%，20.0%，21.3%和23.7%。其余區間的頻率值都較小，在(70,+∞)區間頻率接近0，在Pems客車試驗中幾乎不包含大于70 km/h的工況。而CHTC-B工況只有1個峰值區間[0,5]，峰值大小為34.5%。從(5,10]之后，區間的頻率分布較為均勻，均在10%以下。在(45, 50]區間頻率基本接近0，在CHTC-B工況中幾乎不包含大于50 km/h的工況。

從圖4中可以看到，Pems試驗貨車工況速度分布中有4個峰值區間，分別為[0,5]，(30,35]，(60,65]和(80,85]，峰值為13.1%，11.9%，21.6%和23.8%。其余區間的頻率值都較小，在(85,90]區間頻率為0，在Pems貨車試驗中不包含大于85 km/h的工況。CHTC-HT工況只有1個峰值區間[0,5]，峰值為19.8%。其余區間的頻率分布較為均勻，且在(90, +∞)區間內頻率為0，在CHTC-HT工況中不包含大于90 km/h的工況。

2.2 加速度分布對比

為對比加速度分布，將加速度劃分區間，針對Pems試驗和中國工況分別統計各加速度區間內的頻率分布。觀察發現，客車和貨車的Pems工況或中國工況，所有工況點對應的加速度都分布在(-1.5 m/s2,0.75 m/s2)區間內，將加速度按照[-1.5,-1.375],(-1.375,-1.25],(-1.25,-1.125],…(0.625,0.75],(0.75,+∞)劃分區間。圖5示出城市客車Pems試驗工況與中國工況CHTC-B加速度區間分布，圖6示出非城市貨車Pems試驗工況與中國工況CHTC-HT加速度區間分布。

圖5 Pems試驗客車工況與CHTC-B工況加速度分布對比

圖6 Pems試驗貨車工況與CHTC-HT工況加速度分布對比

從圖5中可以看到，Pems試驗客車工況加速度分布中有2個峰值區間，分別為(-0.125,0]和(0,0.125]，頻率大小分別為37.0%和37.9%，其余區間的頻率值都較小，在Pems客車試驗中加速度集中分布于(-0.25,0.25]。CHTC-B工況只有1個峰值區間(-0.125,0]，峰值為33.5%，除峰值區間外，CHTC-B工況加速度較為均勻，無明顯集中分布趨勢。

從圖6中可以看到，Pems試驗貨車工況加速度分布中也存在2個峰值區間，同樣為(-0.125,0]和(0,0.125]，峰值分別為35.6%和36.5%，其余區間的頻率值都較小，在Pems貨車試驗中加速度集中分布于(-0.25,0.25]。CHTC-HT工況有3個峰值區間，分別為(-0.125,0], (0,0.125]和(0.125,0.250]，峰值分別為32.6%，18.1%和14.0%。在CHTC-HT工況中加速度集中分布于(-0.25,0.375]。

3 比功率分布對比

3.1 比功率計算

機動車比功率是一個重要的參數，其物理意義豐富，且與機動車排放、機動車油耗計算具有很好的統計相關性，廣泛應用于排放因子模型建模等方面的研究。機動車比功率定義為機動車單位質量的瞬時輸出功率，此變量最早由Jiménez-Palacios構造并給出標準定義[11-13]：

(1)

式中：VSP為機動車比功率；m為機動車質量；v為機動車速度；a為機動車加速度；εi為質量因子，指的是機動車中動力系的當量質量；h為機動車所處海拔；grade為道路坡度；g為重力加速度；CR為滾動阻力系數；CD為風阻系數；A為機動車前沿橫截面積；ρa為環境空氣密度；vw為機動車逆風的風速。

式(1)在實際計算中過于復雜，參考美國環境保護署(EPA)在MOVES模型中[13]給出的針對重型車的比功率簡化計算式，利用式(2)計算重型車比功率：

(2)

式中：STP為重型車比功率；fscale為固定質量因子；v為瞬時車速；M為機動車質量；a為瞬時車輛加速度；g為重力加速度；sinθ為道路坡度；A為滾動阻力系數；B為轉動阻力系數；C為空氣動力學阻力系數。

EPA針對不同的車型給出了車型編號(SourceID)[14]，其中，重型車所對應的車型編號為41、42、43、51、52、53、54、61、62。EPA針對每個車型編號給出了不同的A、B、C、fscale和總車重M賦值。賦值表中重型車41、42、43、51、52、53、54、61、62的起始年份各有1960年和2014年兩組，為了貼近實際情況，所有車型均選擇起始年份為2014年。對于所有重型車，B的取值均為0，fscale的取值均為17.1，而A、C和M的取值各不相同。表2示出EPA中針對每個車型編號給出的A、C和M賦值表。

表2 EPA針對不同車型編號的A、C和M賦值

需要說明的是，EPA中關于重型車的分類和國內重型車分類并不相同，若按照EPA的分類去進行每輛重型車A、C和M的查表取值，則進行計算之前需要先將每一輛車按照EPA分類進行轉換，這為計算帶來很多不便。為簡化計算，參考國內研究者[15]對于重型車的車重區間分類方法，將實際總車重分為[3.5, 8]，(8, 15]，(15, 22]，(22, 29] ，(29, +∞]五個區間，計算時，確定Pems試驗中實際總車重位于上述哪個區間，取該區間的中值賦值給M。同時，分別考察表1中A與M、C與M之間的關系，將41、42、43、51、52、53、54、61、62共9類車型的A與M、C與M分別利用最小二乘法進行線性擬合。圖7示出A與M和C與M的線性擬合關系。

圖7 A與M和C與M的線性擬合關系

A與M之間線性擬合后R2=0.987 3，C與M之間線性擬合后R2=0.883 8。根據得到的A關于M和C關于M線性擬合式，將5個總車重區間的區間中值分別代入擬合式求得5組對應的A和C值。道路的坡度在實際測量中難以獲得，參考其他研究人員[16-17]在計算時的做法，將坡度sinθ取為0。

根據上述對STP計算式中各參數取值的說明，表3列出了五個總車重區間內的STP計算式各系數值。實際計算中，只需要確定實際總車重位于哪個總車重區間，即可根據表4利用查表方法得到STP計算式各系數值。

表3 不同車重區間的STP計算式各系數取值

3.2 比功率分布對比

根據式(2)和表3，分別計算客車和貨車在Pems工況和中國工況下的比功率，劃分比功率區間，并統計各區間內頻率分布。觀察發現，中國工況的所有工況點對應的比功率都分布在[-10,8]區間內。而Pems客車和貨車試驗中，有超過99%的工況點在[-10,8]區間內，因此將客車和貨車的比功率均按照[-10,-9],(-9,-8],(-8,-7],…(7,8]劃分區間。圖8示出城市客車Pems試驗與中國工況CHTC-B比功率區間分布頻率。

圖8 Pems試驗客車工況與CHTC-B工況比功率分布對比

從圖8中可以看到，無論是Pems客車試驗工況還是CHTC-B工況，頻率分布曲線均為單峰曲線，曲線形態均呈類正態分布。Pems客車試驗工況的曲線峰值在(0,1]區間內，為49.2%，CHTC-B工況的曲線峰值在(-1,0]區間內，為40.9%，Pems客車試驗工況的曲線峰值大于CHTC-B工況的曲線峰值。兩曲線在[-2.7,2.7]區間內的頻率積分均大于89%，可見在[-2.7,2.7]區間內分布較為集中。為觀察頻率集中部分區間內的頻率分布情況，考慮按照[-2.7,-2.4],(-2.4,-2.1],(-2.1,-1.8], …(2.4,2.7]將[-2.7,2.7]劃分為更細密的區間。圖9示出城市客車Pems試驗與中國工況CHTC-B比功率在[-2.7,2.7]內的分布頻率。

圖9 Pems試驗客車工況與CHTC-B工況比功率部分區間分布

從圖9中可以看到，在[-2.7,2.7]區間內，CHTC-B工況曲線仍然為單峰曲線，峰值位于(-0.3,0]區間，為32.5%；Pems客車試驗工況變為雙峰曲線，峰值分別位于(0,0.3]和(0.6,0.9]區間，分別為18.3%和13.7%；CHTC-B工況曲線峰值大于Pems客車試驗工況曲線的最大峰值。

同樣將貨車的比功率按照[-10,-9],(-9,-8],(-8,-7],…(7,8]劃分區間。圖10示出非城市貨車Pems試驗與中國工況CHTC-HT比功率區間分布。

圖10 Pems試驗貨車工況與CHTC-HT工況比功率分布對比

從圖10中可以看到，無論是Pems客車試驗工況還是CHTC-HT工況，頻率分布曲線均為單峰曲線，曲線形態均呈類正態分布。Pems貨車試驗工況的曲線峰值與CHTC-HT工況的曲線峰值均在(0,1]區間內，分別為48.0%和38.1%，Pems貨車試驗工況的曲線峰值大于CHTC-HT工況的曲線峰值。兩曲線在[-2.7,2.7]區間內的頻率積分均大于94%，同樣說明兩曲線在[-2.7,2.7]區間內分布較為集中。

仍然按照[-2.7,-2.4],(-2.4,-2.1],(-2.1,-1.8],… (2.4,2.7]將[-2.7,2.7]劃分為更細密的區間。圖11示出非城市貨車Pems試驗與中國工況CHTC-HT比功率在[-2.7,2.7]內的分布。

圖11 Pems試驗貨車工況與CHTC-HT工況比功率部分區間分布

從圖11中可以看到，在[-2.7,2.7]區間內，CHTC-HT工況曲線仍然為單峰曲線，峰值位于(-0.3,0]區間，為23.3%；Pems貨車試驗工況變為雙峰曲線，峰值分別位于(0,0.3]和(0.6,0.9]區間，分別為20.5%和12.2%；CHTC-HT工況曲線峰值大于Pems貨車試驗工況曲線的最大峰值。

4 結論

a) Pems客車試驗工況中，速度分布在[0,5]，(30,35]，(35,40]和(65,70] 4個區間存在峰值；CHTC-B工況中，速度分布在[0,5]區間存在峰值；Pems貨車試驗工況中，速度分布在[0,5]，(30,35]，(60,65]和(80,85] 4個區間存在峰值；CHTC-HT工況中，速度分布在[0,5]區間存在峰值;

b) Pems客車試驗工況中，加速度分布存在(-0.125,0]和(0,0.125] 2個峰值區間，且加速度集中分布于(-0.25,0.25]范圍內；CHTC-B工況只有1個峰值區間(-0.125,0]，加速度無明顯集中分布趨勢;Pems試驗貨車工況加速度分布存在(-0.125,0]和(0,0.125] 2個峰值區間，且加速度集中分布于(-0.25,0.25]范圍內；CHTC-HT工況存在3個峰值區間 (-0.125,0], (0,0.125]和(0.125,0.25]，加速度集中分布于(-0.25,0.375]范圍內;

c) 在[-2.7,2.7]區間內，Pems客車試驗工況比功率分布為雙峰曲線，峰值區間分別為(0,0.3]和(0.6,0.9]；CHTC-B工況為單峰曲線，峰值位于(-0.3,0]區間;Pems貨車試驗工況比功率分布在[-2.7,2.7]區間內為雙峰曲線，峰值分別位于(0,0.3]和(0.6,0.9]區間；CHTC-HT工況曲線為單峰曲線，峰值位于(-0.3,0]區間。