輕型車RDE動力學參數特征與驗證合理性研究

馬志磊，何超，李加強，劉學淵

(1.西南林業大學機械與交通學院，云南 昆明 650224；2.云南省高校高原山區機動車環保與安全重點實驗室，云南 昆明 650224)

汽車實際道路行駛污染物排放與實驗室測試排放之間存在著較大區別， 而通過實際行駛污染物排放(RDE)試驗可以得到真實的汽車道路行駛排放特征。為了得到真實的汽車排放水平，輕型車國六排放標準中引入了RDE測試，并基于Ⅰ型試驗CO排放因子進行窗口正常性驗證，基于RDE試驗車速計算動力學參數·_[95]、RPA進行行程有效性驗證，以此來規范RDE試驗的邊界。

目前，已對動力學參數與污染物排放的關系進行了部分研究。宋彬、禹文林等研究發現，·_[95]、RPA與污染物排放存在相關關系。也有對RDE試驗的驗證方法是否合理進行的研究。李岳兵分析了不同駕駛行為下RDE試驗的動力學參數，建議采用窗口·_[95]對駕駛行為的激烈程度進行評判。葛蘊珊等通過分析RDE試驗與WLTC循環的加速度分布，認為在進行窗口數據的正常性驗證時，參考點P1，P2，P3使用的系數偏高，使窗口正常性驗證通過率下降。YaChao Wang等發現，受空氣阻力影響，高海拔地區RDE試驗的窗口正常性驗證通過率下降。

RDE試驗目前仍然處于發展階段，針對RDE試驗方法、邊界條件的研究可以促進RDE測試標準的不斷完善。本研究按照標準要求進行12次RDE試驗，分析各試驗與WLTC循環動力學參數的分布規律，研究動力學參數的特征與·_[95]的取值方法是否能真實反映各速度組的情況，對動力學參數的邊界與計算方法合理性進行探討。此外，分析不同海拔RDE試驗市區、市郊、高速窗口與WLTC循環低速、高速、超高速段的RPA、CO排放因子的關系，從動力學參數的視角對窗口正常性驗證中參考點P1、P2、P3的系數是否合理進行了討論。

1 道路試驗與數據處理方法

1.1 道路試驗

按照輕型車國六排放標準中的RDE試驗要求，進行了12次道路試驗。使用SEMTECH作為便攜式道路排放測試設備，在其燃油經濟性模塊中采用不分光紅外分析法測量排氣中的CO排放，用于計算RDE試驗市區、市郊、高速窗口的CO排放因子，與WLTC循環各速度段CO排放因子對比，分析動力學參數對窗口法正常性驗證的影響。使用GPS采集汽車的車速信息，用于計算RDE試驗中各速度組、窗口內的動力學參數·_[95]與RPA，以分析動力學參數的特征，采樣頻率均為1 Hz。各試驗的車輛基本參數如表1所示。

表1 試驗車輛基本參數

試驗車輛在不同海拔地區按照RDE試驗要求在市區、市郊、高速路段行駛。試驗基本情況如表2所示。

表2 道路試驗基本情況

1.2 數據處理

1.2.1 動力學參數計算

RDE試驗后使用車速高于3 km/h的數據點劃分速度組，車速不大于60 km/h的數據劃分為市區速度組，車速在60～90 km/h之間的數據劃分為市郊速度組，車速大于90 km/h的數據劃分為高速速度組，計算各速度組的·_[95]與RPA，并對行程的有效性進行驗證。

·_[95]是各速度組中不低于0.1 m/s的加速度與車速乘積·值升序排列的第95百分位的數值。行程有效性驗證時，為保證行駛不太過激烈，使用上邊界進行限制。若各速度組的·_[95]超出上邊界，則說明駕駛過于激烈，行程無效。超出邊界的判斷公式如下：

(1)

(2)

RPA的計算公式如下：

(3)

式中：Δ取1 s；為車速；為不低于0.1 m/s的正加速度；為時間步長的行駛距離；為速度組中正加速度不低于0.1 m/s的樣本數；為速度組中的樣本總數。

行程有效性驗證時，為保證行駛不太過平緩，使用下邊界進行限制，若各速度組的RPA超出下界，說明駕駛過于平緩，行程無效。超出邊界的判斷公式如下：

(4)

(5)

1.2.2 窗口數據計算

將各試驗車輛Ⅰ型試驗中WLTC循環CO排放量的一半作為閾值，使用移動平均窗口法對RDE試驗數據進行窗口劃分，計算各窗口中的CO排放因子、平均車速、·_[95]與RPA，其中動力學參數的計算方法與上述各速度組中的計算方法相同。

將平均車速小于45 km/h的窗口劃分為市區窗口，平均車速在45～80 km/h之間的窗口劃分為市郊窗口，平均車速高于80 km/h的窗口劃分為高速窗口。使用式(6)計算市區、市郊、高速窗口的平均CO排放因子。

(6)

式中：CO,為窗口內的CO排放因子；為各路段窗口起點；為各路段窗口終點；u,r,m分別代表市區、市郊、高速路段。

2 動力學參數特征分析

2.1 v·apos_[95]與車速的關系

使用移動平均窗口法對各RDE試驗數據進行窗口劃分，計算各窗口中的·_[95]和窗口內平均車速。由圖1可看出，·_[95]有隨著車速上升而升高的趨勢。有9次RDE試驗中的相關系數大于等于0.75，僅有Test4、Test5相關系數小于0.5，呈低度線性相關。各試驗相關系數的平均值為0.766，說明在大部分RDE試驗中，·_[95]與窗口內平均車速之間呈顯著正相關的關系。

圖1 v·apos_[95]與車速的關系

2.2 各速度組中v·apos_[95]的特征

各RDE試驗中市區、市郊、高速速度組1～100百分位上的·值如圖2所示。可看出，各百分位處的·值有隨著市區、市郊、高速路段的次序依次升高的趨勢，與窗口內·_[95]隨窗口內平均車速上升而升高的趨勢相同。

但僅有5次RDE試驗中(Test1、2、9、10、12)各速度組取出的·_[95] 表現出隨著市區、市郊、高速的次序依次升高的規律。在另外7次RDE試驗中，市郊與高速速度組的·值在第95個百分位處或第95個百分位之前發生了交匯，使后續百分位處市郊速度組的·值高于高速速度組。市郊、高速路段行駛時，路況擁堵、因跟馳行駛而頻繁加減速等工況比市區行駛時少，且主要使用最高擋駕駛，受驅動力隨傳動比下降的影響，值較市區行駛時降低，但因車速較高，市郊、高速速度組的·值整體高于市區速度組。高速行駛時，在與市郊行駛相似的公路路面、坡度條件下，汽車行駛的滾動阻力、坡度阻力區別不大，而高速行駛時所受的空氣阻力較市郊行駛上升較大，使供加速使用的驅動力比市郊行駛時有所減少，且隨著車速上升，空氣阻力進一步增加，加速能力將進一步下降，使高速速度組百分位較高處的·值上升較為平緩。雖然高速行駛時車速較高，高速速度組的·值呈現整體高于市郊速度組的趨勢。但市郊行駛時若部分工況駕駛行為激烈，使市郊速度組中部分值較高，雖然市郊行駛車速較高速時低，但將使百分位較高處的·值上升較快，與高速速度組相交。

3個速度組大部分百分位處的·值是依次升高的，因部分試驗中高速速度組在百分位較高處上升平緩，使市郊速度組中在第90～100百分位處的部分·值高于高速速度組，令市郊速度組取得的·_[95]高于高速速度組·_[95]，不能很好地反映高速速度組·值在絕大部分范圍內高于市郊速度組·值的情況。若各速度組取值位置前移為第90個百分位，可使9次RDE試驗中各速度組的·表現出隨著市區、市郊、高速的次序依次升高的規律，可以更好地反映各速度組中·值依次升高的變化規律。在3次RDE試驗中(Test4、5、8)，市郊速度組·_[95]仍高于高速速度組·_[95]，主要原因是這3次試驗中高速路段行駛較為平緩，而市郊行駛較為激烈，市郊速度組大部分百分位處的·值高于高速速度組，市郊速度組·_[95]較高也真實反映了這3次試驗中各速度組·的分布情況。

因此，將對各速度組取值的百分位由第95百分位前移，可以使取出的·值更好地代表各速度組·值的變化情況。具體的前移位置仍需要通過進一步研究來判斷。

圖2 各速度組中v·apos_[95]的特征

2.3 RPA與車速的關系

使用移動平均窗口法對各RDE試驗數據進行窗口劃分，計算各窗口中的RPA、窗口內平均車速。由圖3可看出，RPA有隨著窗口內平均車速上升而下降的趨勢。有11次RDE試驗的||值大于0.8，僅有Test11的||值低于0.8，為0.640。各試驗相關系數平均值為-0.866，說明在大部分RDE試驗中，RPA與窗口內平均車速之間呈顯著負相關的關系。

車速較低的窗口中主要包含的是市區行駛工況，雖然車速較低，但市區行駛主要使用中、低擋位行駛，能夠得到利于加速的驅動力條件，并且按照試驗要求，市區道路試驗中實際車速小于1 km/h的停車時段應占市區行駛時間的6%～30%，因此市區行駛中包含較多的因紅綠燈、跟馳行駛形成的停車起步、頻繁加減速工況。同時，由低速窗口中的數據點計算得到的行駛距離較短。此外，動力學參數僅使用車速大于3 km/h的數據點進行計算，而市區行駛包含較多車速低于3 km/h的數據點，在動力學參數計算中被刨除后，使低速窗口中計算出的行駛距離減少。以上3點原因使RPA計算公式(3)中的分母減小，而分子中的加速度有增大的趨勢，故車速較低的窗口中的RPA升高。

隨著車速上升，傳動比降低，驅動力下降，加速工況減少。同時窗口中的數據點計算得到的行駛距離增加，使式(3)中的分母增大，而分子中的加速度有降低的趨勢，故RPA隨窗口內平均車速上升而出現下降的趨勢。

圖3 RPA與車速的關系

3 動力學參數、海拔與正常性驗證的關系

Ⅰ型試驗中的WLTC循環在轉鼓試驗臺上進行，而RDE試驗需要隨車搭載便攜式排放測試系統、乘坐測試人員，增加了汽車質量，使汽車行駛時的滾動、加速、爬坡阻力增加。同時RDE試驗需要克服空氣阻力，并且在車身外部安裝流量計等設備會使汽車行駛時的空氣阻力增加。因此在使用窗口法計算RDE試驗的污染物排放時，將WLTC循環低速、高速、超高速段的CO排放因子乘以系數1.2，1.1，1.05作為參考點P1、P2、P3的橫坐標來劃定基準線。在基準線的基礎上向上、向下浮動25%劃出基本公差范圍，通過判斷市區、市郊、高速窗口中的CO排放因子落在基本公差范圍內的比例是否達到50%，以此對RDE試驗進行正常性驗證。

3.1 動力學參數的分布特征

計算出國六排放標準中的Ⅰ型試驗WLTC循環各速度組的動力學參數，與各RDE試驗的動力學參數進行對比，結果如圖4所示。可看出，12次RDE試驗均通過了動力學參數的有效性驗證。WLTC循環各速度組的動力學參數比大部分RDE試驗的高。此外，由于WLTC循環的最高車速為131.3 km/h，高于正常情況下RDE試驗的最高車速，使WLTC循環高速速度組的平均車速較RDE試驗高。

行程有效性驗證中，大部分RDE試驗的·_[95]參數距驗證邊界較遠，而RPA參數靠近驗證邊界分布。因此，RDE試驗中需要更為關注RPA，以免因駕駛過于平緩使動力學參數校驗失敗。

圖4 RDE與WLTC的動力學參數分布

圖5示出2020年實施的中國乘用車行駛工況(CLTC-P)、NEDC循環工況與WLTC循環動力學參數的比較。CLTC-P工況在市區速度組中的動力學參數較WLTC循環低，與按國六標準要求進行的RDE試驗的動力學參數相似；但市郊、高速速度組的動力學參數較WLTC循環、RDE試驗高；高速速度組的平均車速低于WLTC循環，各速度組的平均車速與RDE試驗相似。

圖5 各循環動力學參數比較

NEDC循環駕駛激烈程度明顯低于WLTC循環與RDE試驗。NEDC循環市區、市郊速度組的RPA基本落在了RPA驗證邊界上，駕駛過于平緩。

3.2 RPA對市區窗口驗證的影響

比較Test1～Test8試驗車輛WLTC循環低速段與RDE試驗市區窗口的CO排放因子、RPA，研究計算P1點所使用的系數1.2是否合適，結果如圖6所示?？煽闯?，WLTC低速段的CO排放因子普遍比RDE市區窗口的CO排放因子高，僅Test4、Test5的RDE市區窗口CO排放因子比WLTC高。通過RPA對比可看出，若WLTC循環低速段的RPA較RDE市區窗口的高，則WLTC循環低速段的CO排放因子也較RDE的高，CO排放因子、RPA的大小關系有較好的一致性。因Test4、Test5市區窗口的RPA高于WLTC低速段，使RDE市區窗口CO排放因子較高。

在市區窗口的驗證中，WLTC低速段與RDE市區窗口的CO排放因子主要受駕駛行為的激烈程度影響。WLTC循環比RDE試驗駕駛更為激烈，使WLTC低速段的CO排放因子比大部分RDE市區窗口高，因此在計算P1點時再乘以大于1的系數是不合理的。

若在已經較高的WLTC低速段CO排放因子的基礎上再乘以系數1.2，將使驗證市區窗口正常性的基準線過高，降低市區窗口正常性驗證的通過率。因此，把計算P1使用的系數1.2降低，對提高RDE試驗市區窗口通過率是有利的。

圖6 RDE市區窗口與WLTC低速段數據對比

3.3 RPA、海拔對市郊、高速窗口驗證的影響

將RDE試驗市郊窗口與WLTC循環高速段的CO排放因子、RPA進行對比，結果如圖7所示。在低海拔地區進行的2次RDE試驗(Test2、3)的RPA比WLTC低，但CO排放因子卻比WLTC高。其余試驗中，RDE市郊窗口與WLTC高速段的CO排放因子、RPA大小關系有較好的一致性。

圖7 RDE市郊窗口與WLTC高速段數據對比

將RDE試驗高速窗口與WLTC循環超高速段的CO排放因子、RPA進行對比，結果如圖8所示。在低海拔地區進行的4次RDE試驗的RPA均比WLTC低，但3次RDE試驗中(Test2、3、4)的CO排放因子卻比WLTC高，1次RDE試驗中(Test1)的CO排放因子也上升至與WLTC相似。主要原因分析為，雖然從動力學參數上判斷WLTC行駛較為激烈，但在低海拔地區的高速路段行駛時，RDE需要克服的空氣阻力增加較大，發動機負荷升高，雖然RDE試驗的RPA較低，但CO排放因子有高于WLTC循環的趨勢。

圖8 RDE高速窗口與WLTC超高速段數據對比

在高海拔地區進行的試驗中，僅出現了1次RDE試驗(Test5)的RPA比WLTC低，但CO排放因子卻比WLTC高的情況。主要原因分析為，高海拔地區高速路段行駛時，空氣阻力較低海拔地區小，雖然RDE需要克服的空氣阻力也會隨著車速增加而增大，使發動機負荷升高，但CO排放因子高于WLTC循環的趨勢不如低海拔地區明顯。

低海拔地區市郊、高速窗口的驗證中，隨著車速升高，RDE試驗受到的空氣阻力增加，使RED的CO排放因子有高于WLTC循環的趨勢。因此，在計算P2、P3點時乘以大于1的系數是合理的，可以修正WLTC循環與RDE試驗在空氣阻力上的區別造成的CO排放因子的差距。

高海拔地區市郊、高速窗口的驗證中，因高海拔條件下空氣密度減小，空氣阻力對RDE試驗的影響小于低海拔地區，受WLTC循環駕駛激烈的影響，WLTC的CO排放因子仍然有高于RDE的趨勢。若在較高的WLTC高速、超高速段CO排放因子的基礎上再乘以系數1.1，1.05，將使驗證市郊、高速窗口正常性的基準線過高，降低窗口正常性驗證的通過率。因此，計算P2、P3點時使用的系數應降低，具體系數仍需要進一步研究來判斷。

4 結論

a) 動力學參數·_[95]有隨著車速上升而升高的趨勢，RPA有隨著車速上升而下降的趨勢；

b) 部分RDE試驗中的·_[95]不能很好地反映各速度組的·值依次升高的變化規律，將對各速度組取值的百分位由第95百分位前移，可以使取出的·值更好地代表各速度組·值的變化情況；

c) 大部分RDE試驗的·_[95]參數距驗證邊界較遠，而RPA參數靠近驗證邊界分布；RDE試驗中需要更為關注RPA，以免因駕駛過于平緩而使行程有效性驗證失??；

d) 通過動力學參數判斷，WLTC循環比RDE試驗激烈；CLTC-P循環在市郊、高速速度組中的駕駛比WLTC激烈；NEDC循環較為平緩；

e) RDE市區窗口正常性驗證中，計算P1點時使用系數1.2，將使基準線過高，降低市區窗口驗證的通過率；高海拔地區的RDE市郊、高速窗口驗證中，計算P2、P3點時使用的系數應降低；具體系數仍需要進一步研究來判斷。