数据处理方法对RDE试验结果的影响研究∗

郑思凯,葛蕴珊,陈伟程,王 欣,宋 彬,禹文林

(1.北京理工大学机械与车辆学院,北京 100081； 2.中国环境科学研究院,北京 100012)

前言

机动车尾气排放是空气污染的重要组成部分，它对城市空气质量和公众健康有着非常不利的影响[1]。为对机动车排放加以控制，各国相继制定了严格的排放法规标准。国内外相关研究表明，单一的实验室测试循环并不能实现对车辆实际道路行驶状态下运行工况的完整覆盖[2]，车辆的实验室排放测试结果与实际道路行驶排放状况可能存在较大差异[3-6]。故实际道路行驶排放测试对于机动车排放水平的衡量将变得至关重要[7]。针对这一问题，欧盟开发了“轻型车实际驾驶排放(RDE-LDV)”测试程序。日前，中国VI阶段轻型车排放法规[8]正式发布，它参考欧盟RDE法规，新增加了对于RDE测试的要求。欧盟RDE法规针对实际道路行驶排放分析规定可使用功率等级分组法或CO2移动平均窗口法两种不同的数据处理方法。基于计量认证的要求，中国VI阶段排放法规中仅采用CO2移动平均窗口法作为RDE测试唯一数据处理方法。为研究两种不同数据处理方法结果之间的差异，本文中使用便携式车载排放测量系统(portable emission measurement system，PEMS)，按照RDE测试规程进行了多次实际道路行驶排放试验，并分别按CO2移动平均窗口法和功率等级分组法对试验结果进行了深入的分析对比。

1 试验方案

1.1 测试车辆与试验设备

本次共按照国VI法规RDE测试规程进行了6次实际道路行驶排放试验，为方便后文叙述，按照A～F字母顺序对各次试验进行编号。所选用试验车辆均配备有三元催化器(TWC)且满足国V排放法规要求。

试验设备选用HORIBA公司的OBS-ONE轻型车车载排放分析仪，主要由气体分析模块、颗粒物数量分析模块、排气流量计、全球定位系统(GPS)接收器和温湿度仪组成。该设备可测量车辆进行RDE试验时排气中的 CO2，CO，NO，NO2，NOx等成分和颗粒物数量(particle number，PN)，并实时监测车辆的排气体积流量、速度、海拔、大气压力和温湿度等环境参数。

1.2 试验路线

按照国VI法规RDE规程要求，为尽可能覆盖各种行驶工况，测试车辆依次在市区、市郊和高速公路3种道路上连续行驶，每个速度区间至少行驶16km，试验总时间在90～120min之间，试验起点和终点的海拔高差不超过100m，并且试验车辆的累计正海拔增加量应每100km不大于1 200m。上述3种工况的速度范围及里程份额如表1所示。

表2记录了6次RDE试验的环境条件，其中环境温度在18.75～29.15℃范围内，符合规定要求的0～30℃的普通温度条件。试验A和B海拔在28.4～28.7m范围内，符合不高于700m的普通海拔条件。试验C海拔为1 113.2m，符合700～1 300m的扩展的海拔条件。试验D～F海拔在1 581.1～2 286.2m范围内，符合1 300～2 400m的进一步扩展的海拔条件。

表1 市区、市郊和高速公路区间速度范围和份额

表2 试验环境条件

2 数据处理

2.1 预处理

按照国VI法规要求，在计算轻型车实际道路行驶排放量之前，首先须对试验过程中所记录的污染物浓度、排气流量、车速和其他瞬态数据等进行时间校正。本试验所选用的PEMS设备OBS-ONE没有时间校正功能。因此在计算之前，首先应按照法规要求对原始数据进行时间校正，消除车速、污染物浓度和排气流量等主要参数的时间延迟。此外，OBSONE所测量的污染物浓度为湿基浓度，因此无需对污染物浓度进行干 湿基修正。

2.2 CO2移动平均窗口法

2.2.1 数据剔除

国VI法规规定，车辆实际道路行驶排放量应采用CO2移动平均窗口法进行计算。计算前，应将冷起动、车辆地面速度小于1km/h和发动机熄火时的数据剔除。其中，冷起动时段包括发动机起动后的最初5min，车辆地面速度由GPS或ECU读取的车速数据进行判断，仅须满足以下任意一条件，即可判定发动机熄火：(1)发动机转速小于50r/min；(2)排气质量流量小于3kg/h；(3)排气质量流量率低于怠速稳定排气质量流量率的15%。

2.2.2 排放因子计算

按照CO2移动平均窗口法进行车辆实际道路行驶排放量计算，首先应进行窗口划分，目的是将所有试验结果数据分割成一系列的数据子集计算排放量。现以试验A(见图1)为例，简述计算过程。在连续的CO2排放曲线(为清晰起见，仅显示前2 500s数据)上，从第1s开始按1Hz的频率，以该车WLTC工况循环 CO2排放总量(单位：g)的一半(MCO2，ref＝2506.97g)作为基准从前向后对CO2排放量进行逐秒累积，当累积量达到参考基准值时，即划分为一个窗口，然后从第2s开始下一个窗口的划分。图1中两条斜线分别代表第1个、第1 000个窗口的CO2随时间累积的量，前后两对虚线所包围的范围即为两个CO2窗口。窗口划分完成后，继而可得到每个窗口各污染物和CO2的排放因子和平均车速。

图1 试验A窗口划分示例

按照国VI法规要求，在计算各污染物总排放因子之前，应首先采用“CO2特性曲线”对所划分窗口进行完整性和正常性验证。如图2所示，图中不规则曲线由试验A取得的4 074个CO2窗口在坐标轴中所对应的点组成，P1，P2和 P3点的参数由该车WLTC循环低速段、高速段、超高速段的平均车速和CO2排放因子确定，3点相连即组成该车的CO2特性曲线。窗口平均速度按照45km/h以下，45～80和80～145km/h的范围划分为市区窗口、市郊窗口和高速公路窗口，当市区、市郊和高速公路窗口数量均至少占总窗口数量的15%以上时，则该试验通过完整性验证。当以上3个速度区间分别至少有50%的窗口落在特性曲线定义的基本公差(±25%)范围内，则该试验通过正常性验证。若不满足上述所规定的50%的最低要求，可按1%的步长增加基本公差带范围，直到满足50%的最低窗口要求。但使用这种方法时，基本公差带范围最终不可以超过±50%。试验A完整性和正常性均满足国VI法规要求，认为试验有效。

图2 A试验CO2特性曲线

之后基于窗口数据，分别计算各速度区间的污染物排放因子的平均值，并按照0.34，0.33和0.33的系数分别对市区段、市郊段和高速公路段结果进行加权平均，最终得到各污染物总行程的排放因子。

2.3 功率等级分组法

2.3.1 实际轮边功率计算

使用功率等级分组法[9]计算车辆实际道路行驶排放量时，首先应获取车辆实际轮边功率数据。直接获取测试车辆实际轮边功率比较困难，可使用车辆特定CO2线(Veline线)间接计算。Veline线由被测试验车辆WLTC循环排放实验结果确定。以下仍以试验A为例，简述整个计算过程。以1Hz的频率，获取测试车辆进行实验室WLTC循环测试时的速度vi，并计算加速度ai。车辆WLTC循环测试时的轮边功率 PW，i为

式中：f0，f1和f2为测试车辆进行WLTC试验时设定的道路载荷系数；TM为测试车辆进行WLTC循环试验时的实际测试质量。需要注意的是，当测试车辆轮边功率 PW，i小于其拖动功率 Pdrag时，应取 PW，i等于Pdrag的值。Pdrag由测试车辆额定功率 Prated确定，即

Pdrag＝-0.04×Prated

以WLTC循环不同速度段气袋采样获得的CO2质量流量为y轴，每个速度段的平均轮边功率为x轴，线性回归后可得到图3所示的Veline线。

2.3.2 排放因子计算

图3 试验A的Veline线

按照欧盟RDE法规要求，为减少排气质量流量和轮边功率由于响应时间不一致导致的时序校准不精确对排放量计算结果的影响，应对所有相关瞬时测试数据进行3s移动平均。具体为，由第1-3s数据进行平均计算，即完成第1s数据的3s移动平均，之后对第2-4s数据进行平均计算，即完成第2s数据的3s移动平均，以此类推。计算所得的每秒各参数移动平均值，应根据其3s移动平均速度，以60和90km/h为界限，划分为市区、市郊和高速公路3个速度区间。

表3为市区行程和加权平均总行程的归一化标准功率分布表，表示正常驾驶情况下，功率等级分组和每组对应的时间份额。基准工况下实际轮边功率Pdrive由下式计算：

式中：f0，f1和f2为测试车辆进行WLTC循环试验时设定的道路载荷系数；TM为测试车辆进行WLTC循环试验时的实际测试质量；基准速度vref和基准加速度aref分别取值为70km/h和0.45m/s2。由归一化标准功率 Pc，norm，j与 Pdrive相乘，得到每组轮边功率等级的上限和下限，以此为标准，对总行程和市区速度区间内的3s移动平均值分别进行功率等级分组。每个功率等级的时间份额sj为

式中：countsj为功率等级j中3s移动平均值的数量；max为测试车辆计算所得的最大功率等级。需要注意，最高等级应为包含0.9倍额定功率的功率等级，所有高于最高等级的时间份额应当归入到最高等级中。试验A市区、总行程功率等级组及时间份额情况如表4所示。

表3 市区行程和加权平均总行程的归一化标准功率分布

表4 试验A市区、总行程功率等级组和时间份额

与CO2移动平均窗口法类似，功率等级分组法也须对RDE试验行程的有效性进行判定。表5为有效试验中各个功率等级最小和最大份额要求，当分组数据满足表中所有要求时，即可认为试验行程有效。除此之外应注意，市区行程第5功率等级以下的各组(包括第5功率等级)至少应有5个数据，如果第5功率等级以上某个功率等级的数量小于5个，该等级排放应置为0。之后根据每一个功率等级各3s移动平均数据的平均值及其时间份额进行加权平均，单位换算后得到各污染物市区段及总行程排放因子。

表5 有效试验中各个功率等级最小和最大份额要求

3 数据处理结果分析

3.1 两种数据处理方法所得排放因子对比

对6次RDE试验所采集的数据分别使用两种数据分析方法进行数据处理后，将其各污染物排放因子进行对比，结果如图4所示。

可以看出，除C试验NOx排放因子外，其余试验通过功率等级分组法计算所得的CO2，NOx，CO和PN排放因子均大于CO2移动平均窗口法计算所得对应的排放因子。通过对NOx，CO和PN符合性因子对比发现，其符合性因子均较小，满足国VI法规限值要求，如表6所示。

表6 两种分析方法符合性因子

3.2 数据剔除对功率等级分组法计算结果的影响

图4 两种分析方法所得排放因子对比

按国VI和欧盟标准规定，使用CO2移动平均窗口法进行数据处理时，应首先剔除原始测试数据中冷起动、车辆怠速(车速小于1km/h)和发动机熄火数据，而根据欧盟法规，使用功率等级分组法处理数据时并不存在数据剔除的要求。这就造成两种分析方法实际参与计算的数据量不同，数据处理结果存在一定差异。为探究数据剔除对排放因子计算结果的影响，按照国VI法规CO2移动平均窗口法数据剔除的要求，剔除数据后，使用功率等级分组法计算其各污染物排放因子，并与原排放因子进行对比，其结果如图5所示。

可以看出，剔除数据后，各试验通过功率等级分组法计算所得CO2，NOx，CO和PN排放因子均出现不同程度下降，部分排放因子已低于CO2移动平均窗口法计算结果，且除A试验CO2排放因子和C试验NOx排放因子外，其余排放因子均与CO2移动平均窗口法计算结果更为接近。数据剔除前后功率等级分组法相比CO2移动平均窗口法排放因子计算结果的差异幅度如表7所示。

图5 剔除冷起动数据前后所得排放因子对比

表7 两种分析方法排放因子差异幅度绝对值%

由表可知，A试验CO2排放因子差异幅度虽有小幅增加，但也仅为6.6%。除C试验NOx排放因子数据存在异常，暂不考虑外，其余排放因子差异幅度均大幅减小。数据剔除后CO2排放因子平均差异幅度仅为2.52%，除试验C外的NOx排放因子平均差异幅度仅为3.35%，CO排放因子平均差异幅度仅为5.96%，PN排放因子平均差异幅度仅为4.37%。可以认为，数据剔除后，功率等级分组法与CO2移动平均窗口法对于轻型汽油车实际道路行驶排放因子的计算结果基本一致。

4 结论

(1)由于欧盟标准规定的两种数据处理方法采用了不同的数据保留方式，实际参与分析的数据不同，功率等级分组法计算所得CO2，NOx，CO和 PN排放因子要大于CO2移动平均窗口法，且差异较为明显。

(2)如果采用相同数据保留方式，CO2移动平均窗口法与功率等级分组法数据分析结果基本一致。考虑到功率等级分组法计算过程中实际轮边功率数值为推算所得，其可靠性有待进一步研究，因此国VI法规使用CO2移动平均窗口法作为RDE试验的唯一数据处理方法是合理的。