实际行驶污染物排放试验的实验室复现试验与路试等效性研究

毛 毳 李欲晓 孙 雄

(上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心,上海 200438)

中国环保部于2016年发布了GB 18352.6—2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》,其中Ⅱ型实际行驶污染物排放试验(RDE试验)成为各专项研究的热点[1-2]。大量的试验研究证明,环境因素的不确定性,例如实际道路交通复杂性、试验气候不可控性、驾驶风险等,造成Ⅱ型试验路试结果一致性不佳[3-4]。如果能将路试过程中采集到的多维度工况转化到实验室,在实验室里模拟复现Ⅱ型试验,就能够大幅提高Ⅱ型试验结果的一致性和试验效率。

目前,实验室在测功机动态加载方面仅能利用速度-时间维度对路试工况进行实时模拟。为了更好地复现道路工况的负荷情况,坡度-时间以及转向阻力-时间这两个维度的变量则必须被考虑在内。

本文研究了在3个维度的测功机动态加载模型下,RDE实验室复现试验与路试结果的等效性情况,并对复现试验与路试存在差异的原因进行了分析。

1 RDE复现试验动态加载模型

RDE复现试验的工况模型由车速-时间、坡度-时间、转弯阻力-时间3个模型进行耦合而成。原始数据通道来源于路试的全球定位系统(GPS)采集的经度、纬度、海拔、车速及车载自动诊断系统(OBD)车速。

车速-时间模型通过GPS的车速-时间通道和OBD的车速-时间通道融合,用以屏蔽掉OBD信号的噪声和补偿GPS信号的丢帧,如图1所示。

图1 车速-时间模型

坡度-时间模型需要GPS车速-时间通道和海拔-时间通道通过计算得到,数学模型为

式中：i为坡度,单位为%;Δh为海拔落差,单位为m;ΔV为车速,单位为m/s;Δt为时间,单位为s。

转弯阻力-时间模型中由于转向时在汽车纵向方向的转向轮同时作用于轮胎侧偏力的分力,转向角较大时侧偏力的分力不可忽略[5],其表现为车辆前进方向上的阻力,转弯阻力的数学模型为

式中：Fx为转弯阻力,单位为N;Fy为侧偏力,单位为N;k为侧偏刚度,单位N/rad;α为侧偏角,单位为(°)。

侧偏角则由GPS的经度-时间、纬度-时间通道拟合得到的曲率-时间模型计算而来,曲率-时间关系如图2所示。

图2 坡度-时间和曲率-时间模型

2 主要试验设备及信息

主要用到的试验设备包括底盘测功机、排放分析仪系统、环境仓系统、便携式排放测试车载尾气检测设备(PEMS)。整个试验系统的连接为底盘测功机、样车、PEMS、排放分析仪,结构如图3所示。

图3 RDE试验系统结构安装图

首先,进行了3次RDE路试,并分别编号为R1、R2、R3,随后又在实验室以R2为靶试验进行了3次RDE复现试验,分别编号为L1、L2、L3。试验主要参数如表1和表2所示。

表1 路试主要试验参数

表2 RDE复现试验主要试验参数

图4为3次复现试验转毂与PEMS测得的里程结果。目标里程为72.93 km,PEMS测得的里程均小于转毂里程。转毂测得里程与目标里程相比,数值上更接近。由于在室内PEMS只能通过OBD测量车速,而GPS无法工作。OBD测得车速小于实际车速,导致PEMS里程相比转毂里程明显偏小。

图4 转毂与PEMS测得里程对比图

法规[6]要求,在全球统一轻型车辆测试循环测试标准(WLTC)循环下对PEMS溯源性验证允许一定的误差,其误差范围如表3所示。

表3 WLTC循环下溯源性验证的允许偏差

由L1、L2、L3 3次试验的溯源性比较结果见表4,各项污染物排放量的结果均能达到WLTC循环下的溯源性要求,但由于RDE工况里程至少为WLTC循环里程的2倍以上,因此在里程上很难达到WLTC循环的溯源性要求。

表4 溯源性比较结果

3 复现试验结果与分析-积分法

图5为3次路试与3次复现试验最终里程结果。复现试验里程均小于路试里程,且均小于R2的72.93 km的目标里程。原因是该试验样车电子控制单元(ECU)车速小于转毂实测车速。

图5 实测与实验室里程对比图

图6为3次路试与3次复现试验CO2排放量积分结果。路试CO2排放量高于实验室,与复现试验结果差别较大。虽然R1、R2、R3 3次试验线路完全一致,但路试工况随机性较强,其CO2结果相对偏差5.7%,一致性较差,而实验室L1、L2、L3 3次试验CO2结果相对偏差为0.4%,具有很高的一致性。

图6 实测与实验室CO2排放量(积分法)对比图

图7为3次路试与3次复现试验CO排放量积分结果。3次路试CO结果相对偏差为4.1%,复现试验CO结果相对偏差为2.4%。两者一致性上的差距不像CO2那么明显,但复现试验一致性好于路试。

图7 实测与实验室CO排放量(积分法)对比图

图8为3次路试与3次复现试验NOx排放量积分结果。3次路试NOx结果相对偏差36.9%,复现试验NOx结果相对偏差26.4%。由于车辆NOx的排放量太低,在NOx的排放上体现出较大的相对偏差,但仅从数值上看,复现试验一致性好于路试。

图8 实测与实验室NO x排放量(积分法)对比图

图9为3次路试与3次复现试验PN排放量积分结果。3次路试PN结果相对偏差10.1%,复现试验CO结果相对偏差18.0%。仅从数值上,路试一致性好于复现试验,但由于PN排放受瞬态因素影响很大[7],因此总体上看,复现试验也呈现很好的一致性。

图9 实测与实验室PN排放量(积分法)对比图

4 复现试验结果与分析-CO2窗口法

图10为L1、L2、L3 3次复现试验与R2行程主要判定参数的对比图。由图10可以看出,复现试验与路试的判定参数差异主要存在于城市CO2窗口情况。

图10 行程主要判定参数的对比图

测试结果显示,实验室行程与路试趋于一致。但实验室各速度段的行驶里程均小于路试里程,实验室里程总体平均小1.4%。

在行程动力学校验方面,实验室完成情况与路试保持一致。但实验室数据集合数有所减少,高速阶段平均减少14.0%。实验室RPA值偏小,城市阶段平均减少15.0%。由于该样车通过OBD得到的车速比实际车速偏低,而在实验室内使用PEMS设备仅能通过OBD车速来进行结果计算。这就导致了实验室复现试验数据集合数和RPA值均会随着OBD车速降低而偏小。但复现试验在行程要求和行程动力学特性总体上不会影响试验的完成。

从CO2窗口数上来看,CO2窗口总数量实验室与路试趋于一致,相差3.5%。高速阶段,CO2窗口较R2明显减少,数量减少26.4%,占比减少19.2%。市郊阶段,CO2窗口较R2又明显增多,数量增加17.8%,占比增加17.2%。由于市郊阶段试验的平均车速在80 km/h左右,该速度的窗口点会比较集中,OBD车速偏小,造成部分高速段的窗口落入到了市郊段的窗口区域,导致复现试验市郊阶段和高速阶段与R2路试不一致,但复现试验的完整性满足要求。

从CO2窗口公差上,3次复现试验基本窗口的数量较R2总体减少53.4%,城市阶段,窗口数量平均减少73.7%,若不进行扩展复现试验基本窗口的占比会影响正常性验证。CO2排放量对实际的加载很敏感[8],实验室与路试样车负荷的差异会直接影响到CO2窗口的分布。但经过一定程度的扩展,复现试验能够完成正常性验证,对结果窗口的计算影响有限。

图11为L1、L2、L3 3次复现试验与R2路试各污染物排放量CO2窗口法的结果对比。总体趋势与积分法的结果对比一致,CO2排放量存在一定的差异,而CO、NOx、PN 3项排放量存在较强的复现性。复现试验和路试的一致性方面,复现试验CO2、CO、NOx、PN的相对偏差分别为2.0%、2.5%、26.2%、18.1%,而路试排放物的相对偏差分别为4.7%、12.3%、30.7%、14.8%。CO2、CO、NOx3项实验室复现的一致性高于路试,与积分法趋势保持一致。

5 结论

本文通过对RDE复现试验的研究得出以下结论：

(1)在速度-时间、坡度-时间、转弯阻力-时间的多维动态工况模型下进行的RDE复现试验结果与路试结果具有等效性。

(2)由于复现试验中加载方式与路试的不同,在试验的完整性和正常性判定上与路试存在一定的差异,但不会影响完整性和正常性的验证,对窗口法结果计算的影响有限。

图11 实测与实验室各污染物排放量(窗口法)对比

(3)从复现试验中各污染物积分法排放结果和CO2窗口法排放结果上看,RDE复现试验的一致性都好于路试,可大幅提高II型试验的结果一致性和试验效率。