车辆实际道路行驶排放测试离线计算研究

凌建群，庄健

（上海柴油机股份有限公司，上海200438）

0 引言

随着人们环保意识日益增强，针对机动车，尤其是重型柴油车，限制车辆污染物排放的法规越来越严格。2018年6月28日，中国生态环境部正式发布了 《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》 （简称国六法规），标志着中国重型柴油车正式进入国六时代。国六法规要求型式检验时，应在整车上采用便携式排放测量系统（portable emission measurement system，PEMS） 进行实际道路车载排放试验 （简称PEMS测试），且满足法规限值要求。这不仅要求发动机在台架上要满足法规限值要求，整车在道路上实际行驶时也要满足法规要求；而且中国法规要求PEMS试验时，车辆负载最低允许值为最大负载的10%。车辆负载越低，发动机输出的负荷就越小，排气温度也越低，后处理的转化效率越难维持在较高水平，排放更容易超标。综合比较，中国的第六阶段排放法规已经是目前全世界最严格的法规。

东风汽车有限公司针对驾驶行为，其对车辆实际道路排放的影响进行了研究［1］。研究表明，实际驾驶过程中的驾驶行为和交通状况对PEMS测试结果有很大影响。通过比较2名资历不同的驾驶员在相同路线上进行的实际道路排放试验结果发现，平稳的驾驶和换挡能减少一氧化碳 （CO）和颗粒数（PN）峰值的出现，有利于降低CO和PN排放。其他一些研究表明，整车实际道路试验中CO和氮氧化物 （NOx）排放水平均比整车转鼓试验结果高，且环境温度从25℃降低到5℃时，NOx排放升高了 30%［2-3］。

整车在实际道路上行驶时状态复杂多变，不仅会受到驾驶行为、路况、天气等因素影响，而且PEMS测试设备实际使用时，其测量精度和可靠性容易受到外部复杂多变的条件影响。此外，由于PEMS测试设备价格昂贵，在整车开发阶段因资源有限，很难保证每台标定样车都配备PEMS测试设备，故开发标定工作受到PEMS测试设备制约，灵活性差。

本研究基于离线计算与数据分析思想，利用传感器进行数据采集，利用Matlab软件建立离线计算模型；通过离线计算模型对传感器采集的数据进行整理和计算，得到整车实际行驶过程中排放测试结果。此研究针对整车标定开发前期及国六标准规定的型式检验 （PEMS测试）摸底和优化阶段，提供一种灵活、可信的车辆实际道路行驶排放的评价方法。

1 国六标准主要要求

国六法规中整车实际道路行驶排放试验主要项目和要求见表1。此外，国六法规还规定了试验路线的行驶工况分配要求。试验应按照市区-市郊-高速行驶顺序连续进行，第1次出现车速超过55 km／h的行程记为市郊路开始，第1次出现车速超过75 km／h的行程记为高速路开始。其中，市区路平均车速为15～30 km／h，市郊路平均车速45～70 km／h，高速路平均车速＞70 km／h。各类车辆所对应的路况占比见表2所示。根据国六法规，在评价试验路线工况占比时，允许实际构成比例有±5%的偏差。

表1 国六法规试验项目和要求

表2 国六法规各类车辆试验路况占比

2 便携式排放测量系统

便携式排放测量系统 （PEMS）的设备可以直接安装在被测车辆上，实时测量车辆污染物排放浓度。PEMS主要包括测量单元 （部分光红外测量模块、化学发光模块、加热型氢离子火焰模块）、采样管、采样标准气、全球定位系统、环境温度和压力测量模块等。其特点是可以真实反映车辆实际行驶过程中的排放特性，测试系统具有可拆卸性、体积紧凑等优点。PEMS设备是评价车辆在用符合性的重要手段。不过在实际应用时，测量环境复杂多变，测量结果容易受到外部因素影响；而且PEMS设备需要得到有效的保养和维护，否则会影响测量结果。

3 车辆实际道路行驶排放测试离线计算法

由于考虑到本文前面章节提到的PEMS设备的一些缺点，为此，提出一种车辆实际道路行驶排放测试离线计算法 （简称离线计算法）。该方法采用传感器采集数据、ECU监控数据、行车记录仪记录数据，用Matlab软件建立数据分析模型处理数据，采用离线计算法计算测试结果。其优势是测试设备简单、测试成本低、操作灵活。

3.1 测试设备

离线计算法涉及的主要设备见表3。发动机运行参数、排放数据、环境温度和湿度等均通过ECU监测，由行车记录仪记录。目前CO测量主要依靠气体分析仪，传感器无法直接测量。因此，本研究中主要针对NOx及法规规定的其他约束项目。

表3 离线计算法测试主要设备

3.2 测试方案

由于影响车辆实际道路行驶排放测试 （简称车辆排放测试）的因素较多，自然环境和道路路况均具有不确定性，试验过程中发动机运行工况覆盖面广，试验的一致性和重复性不容易保证［4］。因此，车辆排放测试规范和流程的制定至关重要。本研究提出的车辆排放测试基本流程如图1所示。通过试验流程来规范车辆排放测试开发体系，包括方案设计、试验前检查、试验、数据处理、离线计算等。为保证离线计算法的有效性，试验中考虑不同海拔、不同气温、不同载荷，按照法规要求尽量满足不同路谱比例和最短试验时间要求。用Matlab软件编写车辆排放测试离线计算程序，建立Matlab离线计算模型 （简称计算模型）。按照图1定义的车辆排放测试流程完成试验，通过行车记录仪记录试验时间、行驶里程、排气流量、环境温度、冷却液温度、NOx传感器测量结果、发动机转速、发动机输出扭矩、燃油消耗、GPS车速信号和GPS海拔信号。经过异常点剔除 （剔除异常点并用差值替换）、信号对齐 （对齐NOx传感器数据、EFM信号数据、发动机基本参数数据和GPS信号数据，即将这些数据中的无效数据或异常数据剔除，并保持所有数据的时间序列始点相同）、有效数据选择（满足法规规定的冷却液温度、海拔、大气温度等条件）等数据处理，再利用计算模型计算整个车辆排放测试总工况时间、各路谱百分比、窗口数、有效窗口数及排放结果。

图1 车辆实际道路行驶排放测试离线计算法基本流程

3.3 计算模型

计算模型主要由数据处理和数据分析组成，大致可分为原始数据加载模块、发动机关键参数输入模块、车辆类型选择模块、计算模块和结果输出模块，如图2所示。其中，原始数据加载模块用于导入实测的整车数据，包括整车行驶数据，发动机工况数据，排放等传感器测量数据；发动机关键参数输入模块输入WHTC循环功，发动机最大功率和排气密度等指标；车辆类型选择模块可以选择不同的车辆类型，用于计算所选车辆的各项规定指标；计算模块对相关数据进行计算并保存计算结果；结果输出模块输出排放计算结果、车辆道路占比结果、有效窗口数量及比例等评价指标。以上模块的实现均基于Matlab代码。

图2 计算模型界面

4 PEMS测试

4.1 测试车辆和测试条件

本试验基于搭载上柴发动机的徐重汽车吊（N3类车辆），车辆详细参数见表4；试验条件为车辆负载100%。为了后续对比离线计算法的结果精度，测试设备采用HORIBA公司生产的PEMS测试标准设备 （简称HORIBA设备）。

表4 车辆及发动机主要参数

考虑到PEMS测试的有效性，测试前先设计好测试路线，尽量满足法规的基本要求。因此，根据法规对N3类车型的具体要求，本次PEMS测试设计了如图3所示的行车路线。考虑到测试的连续性，依次设计了城市道路、城郊道路和高速道路。同时，还考虑了法规规定的测试的最短持续时间和不同道路占比。

4.2 测试结果

按照国六法规规定，当发动机冷却液温度在70℃以上或PEMS试验开始后5 min之内冷却液温度变化小于2℃ 时，所对应的数据至试验结束时所有的数据都作为有效数据。图4是经过筛选后的车辆行驶有效车速数据。从图4可见，在进行PEMS测试时，测试过程中的车速很容易受到外界因素影响，车辆可能会存在临时停车或无法保持期望的行驶状态。因此，试验结束后评估测试数据的有效性变得十分重要。为了验证测试的有效性，需要计算出整个测试的最短测试持续时间和不同道路的时间占比。

图3 PEMS试验行车路线

图4 车辆行驶过程中数据 （去除冷起动数据后）

本次测试结果见表5。由表5可知，本次测试满足法规要求，PEMS测试数据有效。

表5 HORIBA设备测量结果与法规要求

5 采用离线计算法

5.1 计算模型验证

为了验证离线计算模型结果的可靠性，模型计算所用的数据选用HORIBA设备记录的原始测量数据。计算模型的计算结果及其与HORIBA设备测试量结果比较见表6，计算模型计算的有效窗口NOx和CO比排放见图5和表7。

表6 计算模型计算结果与HORIBA设备测量结果比较

图5 计算模型计算的有效窗口NO x和CO比排放

表7 计算模型计算的有效窗口NO x和CO比排放

由表6可知，通过计算模型计算得到的总行驶里程、发动机总输出功与HORIBA设备测量结果一致。根据发动机WHTC循环功22 kW·h，可计算得到试验持续时间是WHTC循环功的7.5倍，满足法规要求。在对比各道路路谱占比发现，计算模型计算的结果与HORIBA设备测量结果一致。由于法规规定，测试中道路的路谱占比可以有±5%的偏差，因此也满足法规要求。

计算模型计算的CO和NOx比排放结果（见图5），其CO和NOx排放数据均来自HORIBA设备原始数据。图5将计算结果从小到大依次排列，从中可以看出，整个PEMS测试有效数据中CO比排放最大值不超过600 mg／kW·h，NOx比排放最大值不超过300 mg／kW·h。由表7可见 NOx和CO比排放数值均低于国六法规限值，满足法规要求。

5.2 试验验证

采用表3中的设备，采用与基于HORIBA设备试验一致的试验条件和试验路况，运用离线计算法，得到徐重汽车吊实际道路排放测试结果。离线计算法得到各项参数结果及其与HORIBA设备测量结果比较见表8，离线计算法测试过程中NOx排放实时结果见图6。

表8 离线计算法测试结果与HORIBA设备测量结果比较

图6 离线计算法测试过程中NO x排放实时结果

由表8可知，整个测试过程中，车辆一共行驶了约128 km，发动机输出的总功约165 kW·h，发动机总功与WHTC循环功比值是7.5，CO排放总量约38.6 g，NOx排放总量约 22 g，NOx排放实时浓度中低于5×10-4%的比例占到99.975%，NOx的所有比排放均低于国六法规限值。此外，离线计算法测试结果与HORIBA设备测量结果一致，说明此方法结果可信。

根据国六法规要求，有效数据中95%以上的NOx排放结果必须小于5×10-4%。从图6显示的整个离线计算法测试过程中有效数据的NOx排放结果可见，部分NOx排放已经超过5×10-4%，存在不满足国六法规的风险。

5.3 离线计算法结果分析

表9是离线计算法测试结果的最终评价。如，试验道路工况占比要求、测试最短时间要求、有效窗口要求、NOx排放要求，均是国六法规规定的项目。从计算结果来看，离线计算法测试规范满足法规要求，排放水平满足法规要求。

表9 离线计算法计算的测试结果

6 结论

重型车国六排放法规要求整车必须通过PEMS测试，本文针对PEMS测试设备价格昂贵、测试结果易受各种因素影响、测试灵活性差等问题，提出一种车辆实际道路行驶排放测试离线计算方法。经计算分析和实际测试对比，验证了该方法的可靠性，为企业在国六及后续产品开发阶段提供了一种有效的、成本低且灵活性好的车辆实际道路行驶排放评价方法，丰富了车辆实际道路行驶排放测试手段及评价方法。