三轮摩托车实际行驶工况与国四工况差异分析

吴广顺，王 昊，李真铁

（天津大学 天津内燃机研究所，天津 300072）

摩托车工况法排放试验中，行驶工况对排放结果具有重要影响。我国作为摩托车生产大国，产量和保有量均位居世界第一，但一直采用欧洲的行驶工况。GB14622—2016《摩托车污染物排放限值及测量方法（中国第四阶段）》（以下简称国四排放标准）颁布和实施后，两轮摩托车采用了全球摩托车排放测试工况（WMTC），三轮摩托车依然采用欧盟ECE R40的行驶工况（以下简称国四工况）。

三轮摩托车ECE R40的行驶工况循环由6个市区循环组成，共计1170s，每个循环195s。其中，第一个市区试验循环定义为冷态试验循环，第二个到第六个市区试验循环定义为热态试验循环。该行驶工况是欧洲十多年前三轮摩托车行驶工况循环，与我国三轮摩托车实际道路行驶状况并不相同，甚至差别很大。依据该行驶工况所得到的排放值不能准确地反映三轮摩托车在中国实际道路行驶时排放到大气中有害气体的水平。因此，有必要对中国三轮摩托车实际道路行驶的数据进行采集，研究我国三轮摩托车的实际道路行驶状况。

本文通过在济南、温岭、重庆三地开展三轮摩托车的路谱采集，在分析我国三轮摩托车的实际行驶特性的基础上，合成了三轮摩托车实际行驶工况，并指出了其与国四工况的差异。

1  三轮摩托车路谱采集

三轮摩托车产品因市场需求呈现出多样化发展的趋势，但主导品种仍集中在100～250mL中档排量区域，在2015年和2016年排量在大于100mL小于等于250mL的正三轮摩托车的市场占有率为分别为93.7%和94.9%。而边三轮摩托车产量很少，占三轮摩托车的比重不到0.1%，而且主要以军用、警用为主，因此本次路谱采集将不涉及边三轮摩托车。本次路谱采集采用4辆正三轮摩托车，分别为DY150ZH-10（发动机型号为SY162IMJ-2D）、FT250ZH-3A（发动机型号为LV167FMM-L）、QJ200ZH-A（发动机型号为QJ163ML）、LF150ZH-13（发动机型号为158MJ）。

考虑到各地禁限摩的情况，实际道路行驶路谱采集是在以济南市、浙江温岭市、重庆市为代表的中国典型摩托车城市进行的。根据实际道路的交通特征，包括了市区道路和市郊道路。试验时，根据实际交通状况进行驾驶，三轮摩托车在道路上行驶时，紧随车流，采集时应尽量模拟道路上的车流形态特征，从而能够代表车辆在被测道路上的真实行驶状况。

由于不同的交通状况、不同的时段、路段所得到的路谱差异非常大。如在交通高峰期阶段，加速、减速、怠速比例较高，几乎没有匀速行驶阶段；而在交通非高峰阶段，有长时间的匀速和怠速出现。因此，在进行路谱采集时包含了各城市的交通高峰、非高峰以及夜间行驶的路谱。

路谱采集所用的仪器为英国RACELOGIC生产的VBOX车载数据采集装置，频率100Hz，通过GPS卫星定位技术来获取车速。它是基于新一代的高性能卫星接收器，结合RLVBIMU04惯量传感器，能够进行实时惯性整合，得到更好的位置信息，从而在GPS信号不好，如桥下、树旁的情况下可以利用惯性数据得出准确的速度信号。该仪器是一种高效的车辆行驶性能试验仪器，所获得的路谱数据实时地记录于SD存贮卡中，且体积小、重量轻，安装非常方便。

2  三轮摩托车的行驶特征

三轮摩托车行驶模式非常复杂，其行驶模式大致可分为4类，即怠速、加速、匀速和减速，并定义如下：

（1）怠速：v＜5km/h 且 -a0＜a＜a0；

（2）加速：a≥a0；

（3）匀速：-a0＜a＜a0且v≥ 5km/h；

（4）减速：a＜-a0；

其中：v为速度；a为加（减）速度；a0为加（减）速度阀值，本文中取a0=0.5km/h/s（0.139m/s2）。

要描述三轮摩托车的行驶特征，需要定义一些特征参数来构建数学模型。为能精细地描述三轮摩托车实际道路行驶特征，本文采用了11个特征参数用于描述三轮摩托车的行驶特征：怠速比例Pi，加速比例Pa，匀速比例Pc，减速比例Pd，平均速度Vm（行驶段全部测试点的速度平均值），平均运行速度Vmr（去除怠速模式特征点后行驶段所有测试点的速度平均值），平均加速度aa，平均减速度ad，加速平均速度Vma（行驶段加速行驶模式的测试点的速度的平均值），匀速平均速度Vmc（行驶段匀速模式特征点的速度的平均值），减速平均速度Vmd（行驶段所有属于减速行驶模式的测试点的速度的平均值）。

将采集的全部数据处理成时间间隔为1s的速度—时间历程。车速是实时采集的，所以每个采样点都要按行驶模式定义来判断属于哪一类运行模式，各个采样点的速度直接从速度传感器读出即可；加速度则不能仅由点来确定，需要从一段时间的速度—时间历程来计算。由于本试验采样时间间隔为1s，时间很短，因此将相邻采样点之间很短时间段内的平均加速度确定为前采样点的加速度值。将处理好的整体路谱采集数据（速度—时间历程）输入程序进行计算，得到三轮摩托车实际道路行驶的整体特征参数。所得到的三轮摩托车的全部路谱数据的行驶特征计算结果如表1所示。

表1 三轮摩托车实际行驶特征计算结果

三轮摩托车实际道路行驶特征及其分布规律研究的一个重要目的，就是以实际摩托车路谱数据、分析统计结果为基础，开发合成一个能够在实验室内再现的代表中国城市道路行驶特征的排放行驶循环。开发合成该循环的主要过程如下。

（1）对试验所得到的大量的统计数据进行加工处理，得到各种道路类型上每一行驶段的特征参数。

（2）通过对各个采样点的参数和各个行驶段的参数进行统计分析，得到基于全部采样数据和全部测试段的特征参数的平均值。

（3）按照行驶段的平均行驶时间以及目标循环的时间要求来确定合成循环所需的行驶段的数目。

（4）从全部数据中随机抽出所需段数的行驶段数据，统计其特征参数，并与全部测试数据的平均值进行比较，看其相对误差是否在所给定的误差范围内。

（5）若不满足要求，则放弃此次计算，重新抽取所需段数的行驶段数据，直到相对误差满足要求为止，则由这些行驶段所构成的速度—时间变换关系即为所合成的行驶循环。

实际计算中，以国四工况循环每部分的运行时间600s为合成循环的目标时间。选定怠速比例、加速比例、平均速度等11个特征参数作为判别合成是否成功的依据，各参数相对误差值最小时即为理想合成工况循环，其中各工况比例和平均速度为重要限值参数，要求相对误差最小。如果当11个特征参数数值与总体的数值误差在5%以内，即认为该备选行驶工况能够代表所采集的总体行驶实际工况，该备选行驶工况即为合成的三轮摩托车行驶工况。

图1 为最终开发合成的三轮摩托车工况循环的速度—时间曲线，表2为三轮摩托车工况循环的行驶特征参数。

图1 合成三轮摩托车工况行驶循环

表2 合成的三轮摩托车行驶工况的特征参数

3  结果分析

结合图2、表3对三轮摩托车特征参数进行分析，可以看出，实际合成的三轮摩托车行驶工况与国四工况相差很大。国四正三轮摩托车排放行驶工况采用ECE R40循环，其与我国三轮摩托车的实际行驶状况相差很大。采用国四工况来评估我国正三轮摩托车的实际排放并不合适。

实际合成的三轮摩托车行驶工况与国四工况（ECE R40工况）相差很大，行驶特征中除了“平均运行速度”、“匀速平均速度”、“减速平均速度”比较接近外，其他8个参数均相差很大。

从比例特征分析，合成循环的“怠速比例”远远低于国四工况，只有国四工况的54.7%。而“加速比例”、“减速比例”、“匀速比例”均分别高于国四工况22.26%、16.8%、25.03%。“怠速比例”低、“匀速比例”高，可能是由于我国许多大城市相继限制摩托车在市区道路上行驶，因此中国摩托车城市道路行驶大部分是在中小城市进行，这些没有“限摩”的中小城市，人口密度较小，交通流量相应就较小，再加上近些年城市道路的拓宽改造及立体交通建设，使得这些城市的三轮摩托车行驶在路口等待的时间不断减少，行驶较为畅通，反映在特征参数上就是怠速比例低，匀速比例高。

从速度特征看，合成循环的“平均运行速度”和 “平均速度”均高于国四工况，也说明路况较好，可能是我国三轮摩托车主要在中小城市及大城市郊区行驶有关。

表3 三轮摩托车实际合成工况与国四工况特征参数对比

从加速特性来看，“平均加速度”、“平均减速度”均低于国四循环，只有国四循环的63%左右。这可能是由于我国的三轮摩托车主要以载货为主、性能相对较差。

国2 国四正三轮摩托车工况与合成工况循环对比

由于实际合成的三轮摩托车排放行驶循环是基于三轮摩托车实际道路行驶中采集的数据，能够真实反映三轮摩托车的实际道路行驶特征，更符合我国三轮摩托车的实际行驶状况。实际合成工况循环与三轮摩托车国四行驶工况差别较大，采用该行驶工况不能准确评估我国三轮摩托车的实际排放值。由于该合成行驶工况是在大量三轮摩托车实际道路行驶特征数据基础之上形成的一个极为接近真实行驶状况的测试工况，更符合我国三轮摩托车的实际行驶状况，采用该合成工况循环能够准确评估三轮摩托车的尾气污染物排放。

4  结束语

由于实际合成的三轮摩托车排放行驶循环是基于三轮摩托车实际道路行驶中采集的数据，能够真实反映三轮摩托车的实际道路行驶特征，更符合我国三轮摩托车的实际行驶状况。实际合成工况循环与三轮摩托车国四行驶工况差别较大，采用该行驶工况不能准确评估我国三轮摩托车的实际排放值。由于该合成行驶工况是在大量三轮摩托车实际道路行驶特征数据基础之上形成的一个极为接近真实行驶状况的测试工况，更符合我国三轮摩托车的实际行驶状况，采用该合成工况循环能够准确评估三轮摩托车的尾气污染物排放。