影響RDE的因素探究及驗證

【摘" 要】環境溫度、海拔、行程動力學等參數是影響實際行駛排放的重要因素，但是很多專家學者的研究結果卻大相徑庭。從影響原始排放的本質出發，通過優化ECU控制參數，降低其對環境溫度、海拔以及駕駛激烈程度的敏感性，從而達到優化車輛原始排放的目的。在提升ECU控制參數的魯棒性的基礎上，通過引入v*apos95占比的概念來研究行程動力學參數對RDE結果的影響，通過控制試驗條件，降低行程動力學參數對RDE結果的干擾，并驗證溫度和海拔對RDE試驗結果的影響。結果表明：在動力總成本身不作任何改變的情況下，ECU控制參數是影響RDE結果的關鍵因素；當v*apos95占比小于75%時，RDE結果隨著v*apos95占比的增大而增大；當v*apos95占比大于75%時，RDE結果不隨著v*apos95占比的變化而變化，保持相對穩定；RDE結果在低溫情況下隨著溫度的降低有上升趨勢；隨著海拔的升高RDE結果呈現下降趨勢。

【關鍵詞】實際行駛排放；環境溫度；海拔；行程動力學；v*apos95

中圖分類號：U467.1" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2023 ）11-0061-05

Study and Validation of Factors Affecting RDE

ZHANG Pengfei，XU Ming，WEI Shouqi，DU Lidong，LIU Jiayi，CUI Yingjie

（Besture Development Department，FAW Car Co.，Ltd.，Changchun 130012，China）

【Abstract】Parameters such as ambient temperature，altitude，and trip dynamics are important factors that affect actual driving emissions，but many expert scholars have had very different results. In this paper，we start from the essence of influencing raw emissions，and optimize the ECU control parameters to reduce its sensitivity to ambient temperature，altitude and driving intensity，so as to reach the purpose of optimizing raw vehicle emissions. Based on the enhanced robustness of ECU control parameters，the concept of v*apos95 load is introduced to study the effect of trip dynamics parameters on RDE results. By controlling the test conditions to reduce the disturbance of trip dynamics parameters on the RDE results，then verified the effect of temperature and altitude on the RDE test results. The results show that： without any change in the powertrain itself，the ECU control parameters are the key factors affecting the RDE results；when the v*apos95 load is less than 75%，the RDE results increase with the increase in v*apos95 load；when the v*apos95 load is greater than 75%，the RDE results slow down with the increase in v*apos95 load and remain relatively stable；The RDE results have an increasing tendency with the decrease in temperature at low temperatures；the RDE results decrease with altitude.

【Key words】real driving emission；ambient temperature；altitude；trip dynamic；v*apos95

1" 研究背景

隨著國VI排放的執行，史上最嚴的實際行駛排放（Real Driving Emission，RDE）于2023年7月1日正式實施。RDE測試對車輛的有效載荷、環境溫度、海拔高度等提出了具體的要求，而且對試驗過程的完整性、正常性以及行程動力學特性等校驗進行了詳細要求[1]，這些約束條件對RDE測試結果的影響已經成為近年來專家學者研究的焦點。

葛蘊珊等[2-3]人利用便攜式排放測試設備進行了城市工況下的排放測試研究，證明了實際道路工況下的排放數據與實驗室認證工況下的排放數據有較大差異。唐為義、鄭思凱等[4-8]在轉轂上利用環境倉模擬了不同海拔高度、不同環境溫度對RDE排放的影響，得出PN排放隨著海拔高度的上升呈現下降趨勢。宋彬、葛蘊珊、Mateusz Satlawa等[9-13]人對影響RDE排放結果的行駛動力學參數進行了研究，得出RDE排放與車輛的動力學參數v*apos95和RPA具有明顯的相關性論斷。張遠軍等[14]針對動力學因子采取歸一化的處理方式，對駕駛行為進行了修正，縮小了試驗數據的散差。雖然以上研究者在不同程度上都發現了一些影響RDE排放的現象或規律，但由于影響因素之間的雜糅和駕駛行為的不確定性，在研究方法和結論方面依然存在較大的分歧，這無疑給汽車制造廠商在RDE開發和驗證過程中提出了更加嚴峻的考驗。

綜上，當前的研究主要集中在環境溫度、海拔高度、駕駛員行為等影響RDE排放的外部條件上，且選取的車輛大多屬于國Ⅴ或國VI a階段，并未針對RDE進行控制參數優化，控制參數對RDE結果的影響無法考證。另外，從整車控制的角度出發，對于汽油發動機而言，進氣流量計算模型作為發動機控制單元ECU的基礎計算模型，其主要的計算依據來自于溫度和壓力，與影響RDE結果因素相吻合。上述學者均沒有給出ECU控制精度的狀態，是否存在精度偏差導致結果偏差的可能性？帶著這樣的疑問，本研究以多臺搭載汽油直噴發動機的車輛為研究對象，首先在滿足國VI b的車型且不增加GPF的基礎上，研究通過優化車輛控制參數是否能滿足RDE法規要求，然后在保證車輛控制參數達標的情況下，再驗證環境溫度、海拔高度、行程動力學等因素對RDE結果的影響規律并找出其主要原因。

2" 試驗方法與設備

2.1" 試驗總體設計

如圖1所示，RDE法規在不同溫度和海拔采用不同的擴展系數。為了保證本研究的科學性和覆蓋性，排除由于ECU控制參數偏差而導致的實驗結果誤差。整個試驗分為兩個階段：第1階段，選取特征環境溫度和典型駕駛循環進行實驗室模擬研究，并根據試驗數據優化ECU控制精度；第2階段，選擇合適的實際路面進行環境溫度、海拔、行程動力學等因素對RDE結果影響的驗證并找出其原因。

2.2" 試驗設備

試驗選取AVL及Horiba兩家公司的便攜式車載排放測試系統（Portable Emissions Measurement Systems，PEMS），排除設備差異導致的誤差。測試系統主要由氣體分析模塊、顆粒物數量（Particle Number，PN）分析模塊和排氣流量計3大部分組成，另有全球定位系統、氣象站（溫濕度）和OBD通信設備等附件。PEMS設備在被測車輛上的安裝示意見圖2。

2.3" 試驗車輛

本研究針對兩個族系（X和Y）的10款車型20余臺車（每個車型至少2臺）開展研究，以代表性車型為主要研究對象，每種試驗工況至少完成2臺車各2次以上試驗，其他車型完成2臺車至少各1次試驗進行驗證。兩個族系的車輛分別搭載1.5L和2.0L兩款直噴增壓發動機，各車型的比功率分布如圖3所示。

由于v*apos95和RPA對RDE結果有較大的影響，且在RDE工況中已經規定了每段車速的范圍，相同車速情況下加速度表現必然與RDE結果有關。由公式（1）不難看出，若忽略路面對加速度影響，相同車速下車輛的最大比功率就是該車輛能夠達到的最大加速的上限，也是v*apos95的能力上限。

考慮到發動機負荷對排放結果影響較大，故選擇族系中比功率較小、擋位較少且行駛阻力較大的車型作為代表性車型，其主要技術參數如表1所示。

2.4" 模擬工況及試驗路線

模擬工況采用重慶循環（C806）和西寧循環（C803），是聯合汽車電子的工程師通過采集重慶和西寧兩地RDE試驗的實際行駛數據，通過加權擬合的方式制作的激進駕駛循環的工況數據，是用來在實驗室模擬重慶和西寧兩地的RDE試驗，目的是為了縮短開發周期和降低開發不確定性，如圖4所示。

試驗路線考慮到環境溫度、海拔、行程動力學以及試驗便利性等因素，選擇具有代表性工況的重慶、長春、昆明3個城市的4條路線作為RDE驗證路線，如圖5所示。

3" 試驗結果與數據分析

本研究首先模擬工況，通過試驗設計DOE（Design Of Experiment）將環境溫度、海拔、駕駛激烈程度等參數鎖定，優化ECU控制參數，降低其對環境溫度、海拔以及駕駛激烈程度的敏感性，從而達到優化車輛原始排放的目的。通過控制試驗條件，降低行程動力學參數對RDE結果的干擾，再對長春、重慶、昆明3地驗證溫度和海拔對RDE試驗結果的影響。兩個族系10款車型共完成260多次RDE開發試驗。

3.1" 控制參數優化及數據分析

根據汽油直噴發動機污染物產生的機理、催化劑轉化特性[15-17]，空燃比控制精度是影響排放的重要因素。提高空燃比控制精度主要包括閉環控制階段的空燃比精度和開環控制階段的目標空燃比精度。其具體措施包含：提高過渡工況空燃比控制精度，增加減速斷油后清氧工況的空燃比，減少不必要的減速斷油，增加大負荷工況的噴射次數以及調整換擋策略優化發動機工作區間等[18]。對于具體的控制參數調整方法，本文中不作贅述，核心目的就是在兼顧催化劑轉化效率窗口的基礎上最大化地優化PN排放。

3.1.1" 閉環空燃比精度對RDE排放的影響

在帶有環境倉的整車轉轂實驗室內，按照特定上述循環加載道路載荷和坡度參數，模擬不同空燃比精度變化對RDE的影響。0℃時不同空燃比精度與RDE結果的對應關系如圖6所示，其中X_1和X_2兩組試驗數據為空燃比精度優化前的排放結果，X_7、X_8和X_9為空燃比精度優化后的排放結果。結果表明，空燃比優化前后RDE結果差距較大，空燃比精度提升能夠降低PN和NOX排放。

3.1.2" 開環空燃比精度對RDE排放的影響

30℃時不同開環空燃比對應的RDE排放結果如圖7所示，其中X_17和X_18為開環空燃比偏小時的試驗結果，X_19和X_20為開環空燃比偏大時的試驗結果，X_21和X_22為最終選定的開環空燃比對應的試驗結果，結果表明，適當地調整目標空燃比，可以達成平衡PN和NOX兩者排放水平的目的。

通過多輪開環空燃比精度優化工作，最終鎖定目標空燃比。在ECU控制參數中，常用量空氣系數表示空燃比，圖8為優化前后實測的目標過量空氣系數對比，優化后的目標過量空氣系數變化幅度較優化前大幅收窄（RDE試驗全程過量空氣系數目標值嚴格控制在0.95～1.05，國VI b階段過量空氣系數目標值控制在0.85～1.05）。圖9為使用圖8優化后的目標過量空氣系數的標定數據采用正常駕駛模式下測得的排放試驗結果。與圖6、圖7優化之前的結果相比，PN和NOX的排放均有較大幅度的改善。

綜上，由于RDE和全球輕型車統一測試循環（World Light Vehicle Test Cycle，WLTC）工況覆蓋性差異問題，雖然車輛本身能夠滿足國VI b的要求，但RDE試驗的表現并不好，這也說明之前學者的研究也可能存在類似的現象；通過優化ECU控制參數，提高空燃比控制精度和提升系統的魯棒性，適當調整空燃比，平衡PN排放。試驗結果表明，該研究涉及的兩個族系車型在不增加GPF的情況下，也同樣能達到RDE法規要求的水平。

3.2" 實際道路驗證結果及數據分析

3.2.1" 駕駛行為對RDE排放的影響

v*apos95是行程有效性驗證和駕駛激烈程度判定的重要參數。由于在行程有效性判定中規定了v*apos95的上限值，為了增加不同動力總成和車型之間的可比性，本研究將v*apos95行程有效性判定的上限值作為基數，將v*apos95進行歸一化處理，將歸一化處理后所得的百分比定義為v*apos95占比。

在第1階段完成的基礎上，在不同環境條件下，僅改變行程動力學參數進行研究，獲取測量數據并進行分析。在長春（環境溫度0℃左右、海拔高度200m附近）進行的RED測試結果如圖10所示。從數據上看，CF_PN和CF_NOX都隨著v*apos95占比變化而變化，而且存在正相關，即隨著駕駛激烈程度的增加，PN和NOX的排放都有所增加。

在重慶（環境溫度30℃左右、海拔高度400m附近）進行X、Y兩個族系的RDE試驗結果如圖11所示，控制v*apos95占比大于75%以后，從CF_PN和CF_NOX的趨勢線可以看到隨著v*apos95占比增加，PN和NOX的排放水平幾乎保持不變，即隨著駕駛激烈程度的增加，PN和NOX的排放并沒有隨著v*apos95占比的增加而增加，保持在相對穩定的水平上。

在昆明（環境溫度30℃左右，海拔高度2000m附近）進行X、Y兩個族系的RED試驗結果如圖12所示。在控制v*apos95占比大于75%以后，從CF_PN和CF_NOX的趨勢線可以看出，隨著v*apos95占比增加，PN和NOX的排放水平幾乎保持不變，即隨著駕駛激烈程度的增加，PN和NOX的排放并沒有隨著v*apos95占比的增加而增加，而是保持在相對穩定的水平上，與重慶地區保持相同的結論。

綜上，通過在不同溫度條件和海拔條件下驗證v*apos95占比與RDE的關系為：當v*apos95占比小于75%時，RDE試驗結果隨著v*apos95占比的增大而增大；當v*apos95占比大于75%時，RDE結果不隨著v*apos95占比的增大而增大，保持相對穩定。

3.2.2" 環境溫度對RDE排放的影響

在第1階段和行程動力學參數驗證完成的基礎上，控制v*apos95占比大于75%繼續研究環境溫度對RDE結果的影響。分別在0℃和30℃兩個特征溫度點附近進行X、Y兩個族系的多次RDE試驗。

在重慶和昆明兩地30℃附近時進行的RDE試驗結果如圖13、圖14所示。不難看出，兩地RDE試驗結果表現一致，隨著環境溫度的升高，PN排放總體呈現下降趨勢，NOx排放總體呈現上升趨勢。

在其他條件保持不變的情況下，同一車型在0℃和30℃下的RDE水平對比如圖15所示。從全程排放來看，PN和NOX的排放在0℃環境下略高于30℃環境下；從市區來看，0℃環境下的排放明顯高于30℃環境下的排放，主要差異集中在市區工況。通過分析對比，排放秒采數據和ECU控制參數發現，主要差異來自于怠速起停進入和退出時刻的排放差異，且多次試驗的散差較大，可能與催化器溫度變化和不同停機時間下的清氧控制相關，后續需要繼續分析和優化ECU標定數據。

綜上，常溫情況下，隨著環境溫度的升高，PN總體呈現下降趨勢，NOX總體呈現上升趨勢。低溫情況下，RDE結果相對常溫略高，需要進一步優化ECU標定數據。

3.2.3" 海拔高度對RDE排放的影響

如圖16所示，同一車型，在30℃附近，當海拔高度由400m上升至2000m后，無論是市區還是全程，RDE結果都有明顯下降。其主要原因是由于高原環境下空氣中的含氧量下降，在相同扭矩需求下，動力輸出相對于低海拔地區更加緩慢，雖然整個試驗對v*apos95占比測量值與平原相同，但是從ECU的測量數據上不難看出，高原平均車速比平原地區相對高一些，實際上加速度相對偏小一些。

綜上，在相同溫度和行程動力學水平的基礎上，受高原環境含氧量下降的影響，隨著海拔的升高或含氧量下降，RDE結果呈現下降趨勢。

4" 結論

本文通過研究兩個族系10個車型260多次RDE試驗過程及結果數據，通過對比分析不同空燃比、環境溫度、海拔高度、行程動力學參數等對RDE結果的影響，結果表明如下。

1）優化ECU控制參數，提高控制數據的魯棒性，可以降低車輛對環境溫度、海拔以及駕駛激烈程度的敏感程度，起到改善RDE結果的作用。

2）當v*apos95占比小于75%時，RDE結果隨著v*apos95占比的增大而增大；當v*apos95占比大于75%時，RDE結果隨著v*apos95占比的增速放緩，保持相對穩定。

3）常溫條件下，NOX隨著溫度的升高呈現上升趨勢，PN隨著溫度的升高呈現下降趨勢。

4）低溫情況下，RDE結果相對常溫略高，可能與怠速起停前后的催化劑溫度和清氧控制有關，需要進一步優化ECU控制參數并研究。

5）受高原環境含氧量下降的影響，隨著海拔的升高，RDE結果呈現下降趨勢。

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（編輯" 凌" 波）

作者簡介

張鵬飛（1983—），動力總成集成標定高級主任，高級工程師，主要從事新能源及動力總成集成標定研究的工作。