重型车Pems试验工况与中国工况对比研究

于津涛，熊兴旺，刘嘉伟，张凡，李梁

(1.天津大学，天津 300072；中国汽车技术研究中心有限公司,北京 100176)

国六重型车排放标准GB 17691—2018[1]对重型车排放的要求更加严格，需要进行实际道路排放Pems试验，用Pems试验工况下的排放代表重型车辆的实际道路排放。不同于重型车燃料消耗量转毂测试方法[2]，国六标准中只对Pems试验的工况比例构成作了规定，并无标准循环。研究人员对实际道路排放测试进行了相关研究[3-5]。许丹丹等[6-7]的研究表明，实际道路试验中重型车发动机运行工况范围比典型的转毂测试C-WTVC 循环要广，对车辆的适用范围更宽。但利用CVS采样的C-WTVC 循环转毂测试方法比Pems实际道路测试方法可重复性好[8]。T. Donateo等[9]指出，发动机负荷与转速等会极大影响道路测试排放结果。

而中国重型商用车辆行驶工况的发布[10]，推出了适合中国实际路况的重型车典型行驶工况，采用该工况进行的燃油消耗量和排放试验，更接近真实的中国重型车道路实际排放。为研究中国工况同Pems试验工况的异同，需要对两种不同测试方法的速度、加速度及比功率等量的分布进行深入分析对比。

本研究基于一辆城市客车和一辆非城市货车的实际Pems试验工况，分别与中国工况标准中的城市客车工况(CHTC-B工况)和大于5 500 kg的载货汽车工况(CHTC-HT工况)进行了速度和加速度的分布对比。结合Moves模型与国内重型车比功率计算式研究，确定了重型车比功率计算式，并对计算式中的系数进行了标定。分别计算Pems试验工况与中国工况的比功率，并进行了比功率分布的对比。

1 试验系统与方案

本研究进行试验的两辆车分别为一辆城市客车和一辆非城市货车，两车的试验参数见表1。其中城市客车的试验总质量为11.5 t，非城市货车的试验总质量为6.1 t。

表1 城市客车与非城市货车Pems试验参数

试验所采用的主要测试仪器为HORIBA OBS-ONE-G12车载排放分析系统，该系统集成了GPS测量设备与排放测量设备。

两辆试验车辆分别加载质量，并按照标准GB 17691—2018中规定的工况比例构成要求及试验规范进行了Pems试验，试验数据采集频率为1 Hz。图1为城市客车Pems试验实时车速曲线与中国工况CHTC-B车速曲线，图2示出非城市货车Pems试验实时车速曲线与中国工况CHTC-HT车速曲线。

图1 Pems试验客车工况与CHTC-B工况

图2 Pems试验货车工况与CHTC-HT工况

2 速度与加速度分布对比

2.1 速度分布对比

从图1和图2中可以看到，CHTC-B和CHTC-HT工况全程加速减速状态较多，而Pems试验工况前期加速减速状态较多，后期为均速高速状态。为对比车速分布差异，将车速划分区间，针对Pems试验和中国工况分别统计各车速区间内的频率分布。从图1中可以看出，客车最高车速较低，按照[0,5],(5,10], (10,15],…(65,70],(70,+∞)划分客车车速区间。从图2中可以看到，货车最高车速比客车最高车速高，需要划分更多区间，按照[0,5],(5,10], (10,15],…(85,90],(90,+∞) 划分货车车速区间。

图3示出城市客车Pems试验工况与中国工况CHTC-B车速区间分布，图4示出非城市货车Pems试验工况与中国工况CHTC-HT车速区间分布。

图3 Pems试验客车工况与CHTC-B工况速度分布对比

图4 Pems试验货车工况与CHTC-HT工况速度分布对比

从图3中可以看到，Pems试验客车工况速度分布中有4个峰值区间，分别为[0,5]，(30,35]，(35,40]和(60,65]，峰值分别为10.2%，20.0%，21.3%和23.7%。其余区间的频率值都较小，在(70,+∞)区间频率接近0，在Pems客车试验中几乎不包含大于70 km/h的工况。而CHTC-B工况只有1个峰值区间[0,5]，峰值大小为34.5%。从(5,10]之后，区间的频率分布较为均匀，均在10%以下。在(45, 50]区间频率基本接近0，在CHTC-B工况中几乎不包含大于50 km/h的工况。

从图4中可以看到，Pems试验货车工况速度分布中有4个峰值区间，分别为[0,5]，(30,35]，(60,65]和(80,85]，峰值为13.1%，11.9%，21.6%和23.8%。其余区间的频率值都较小，在(85,90]区间频率为0，在Pems货车试验中不包含大于85 km/h的工况。CHTC-HT工况只有1个峰值区间[0,5]，峰值为19.8%。其余区间的频率分布较为均匀，且在(90, +∞)区间内频率为0，在CHTC-HT工况中不包含大于90 km/h的工况。

2.2 加速度分布对比

为对比加速度分布，将加速度划分区间，针对Pems试验和中国工况分别统计各加速度区间内的频率分布。观察发现，客车和货车的Pems工况或中国工况，所有工况点对应的加速度都分布在(-1.5 m/s2,0.75 m/s2)区间内，将加速度按照[-1.5,-1.375],(-1.375,-1.25],(-1.25,-1.125],…(0.625,0.75],(0.75,+∞)划分区间。图5示出城市客车Pems试验工况与中国工况CHTC-B加速度区间分布，图6示出非城市货车Pems试验工况与中国工况CHTC-HT加速度区间分布。

图5 Pems试验客车工况与CHTC-B工况加速度分布对比

图6 Pems试验货车工况与CHTC-HT工况加速度分布对比

从图5中可以看到，Pems试验客车工况加速度分布中有2个峰值区间，分别为(-0.125,0]和(0,0.125]，频率大小分别为37.0%和37.9%，其余区间的频率值都较小，在Pems客车试验中加速度集中分布于(-0.25,0.25]。CHTC-B工况只有1个峰值区间(-0.125,0]，峰值为33.5%，除峰值区间外，CHTC-B工况加速度较为均匀，无明显集中分布趋势。

从图6中可以看到，Pems试验货车工况加速度分布中也存在2个峰值区间，同样为(-0.125,0]和(0,0.125]，峰值分别为35.6%和36.5%，其余区间的频率值都较小，在Pems货车试验中加速度集中分布于(-0.25,0.25]。CHTC-HT工况有3个峰值区间，分别为(-0.125,0], (0,0.125]和(0.125,0.250]，峰值分别为32.6%，18.1%和14.0%。在CHTC-HT工况中加速度集中分布于(-0.25,0.375]。

3 比功率分布对比

3.1 比功率计算

机动车比功率是一个重要的参数，其物理意义丰富，且与机动车排放、机动车油耗计算具有很好的统计相关性，广泛应用于排放因子模型建模等方面的研究。机动车比功率定义为机动车单位质量的瞬时输出功率，此变量最早由Jiménez-Palacios构造并给出标准定义[11-13]：

(1)

式中：VSP为机动车比功率；m为机动车质量；v为机动车速度；a为机动车加速度；εi为质量因子，指的是机动车中动力系的当量质量；h为机动车所处海拔；grade为道路坡度；g为重力加速度；CR为滚动阻力系数；CD为风阻系数；A为机动车前沿横截面积；ρa为环境空气密度；vw为机动车逆风的风速。

式(1)在实际计算中过于复杂，参考美国环境保护署(EPA)在MOVES模型中[13]给出的针对重型车的比功率简化计算式，利用式(2)计算重型车比功率：

(2)

式中：STP为重型车比功率；fscale为固定质量因子；v为瞬时车速；M为机动车质量；a为瞬时车辆加速度；g为重力加速度；sinθ为道路坡度；A为滚动阻力系数；B为转动阻力系数；C为空气动力学阻力系数。

EPA针对不同的车型给出了车型编号(SourceID)[14]，其中，重型车所对应的车型编号为41、42、43、51、52、53、54、61、62。EPA针对每个车型编号给出了不同的A、B、C、fscale和总车重M赋值。赋值表中重型车41、42、43、51、52、53、54、61、62的起始年份各有1960年和2014年两组，为了贴近实际情况，所有车型均选择起始年份为2014年。对于所有重型车，B的取值均为0，fscale的取值均为17.1，而A、C和M的取值各不相同。表2示出EPA中针对每个车型编号给出的A、C和M赋值表。

表2 EPA针对不同车型编号的A、C和M赋值

需要说明的是，EPA中关于重型车的分类和国内重型车分类并不相同，若按照EPA的分类去进行每辆重型车A、C和M的查表取值，则进行计算之前需要先将每一辆车按照EPA分类进行转换，这为计算带来很多不便。为简化计算，参考国内研究者[15]对于重型车的车重区间分类方法，将实际总车重分为[3.5, 8]，(8, 15]，(15, 22]，(22, 29] ，(29, +∞]五个区间，计算时，确定Pems试验中实际总车重位于上述哪个区间，取该区间的中值赋值给M。同时，分别考察表1中A与M、C与M之间的关系，将41、42、43、51、52、53、54、61、62共9类车型的A与M、C与M分别利用最小二乘法进行线性拟合。图7示出A与M和C与M的线性拟合关系。

图7 A与M和C与M的线性拟合关系

A与M之间线性拟合后R2=0.987 3，C与M之间线性拟合后R2=0.883 8。根据得到的A关于M和C关于M线性拟合式，将5个总车重区间的区间中值分别代入拟合式求得5组对应的A和C值。道路的坡度在实际测量中难以获得，参考其他研究人员[16-17]在计算时的做法，将坡度sinθ取为0。

根据上述对STP计算式中各参数取值的说明，表3列出了五个总车重区间内的STP计算式各系数值。实际计算中，只需要确定实际总车重位于哪个总车重区间，即可根据表4利用查表方法得到STP计算式各系数值。

表3 不同车重区间的STP计算式各系数取值

3.2 比功率分布对比

根据式(2)和表3，分别计算客车和货车在Pems工况和中国工况下的比功率，划分比功率区间，并统计各区间内频率分布。观察发现，中国工况的所有工况点对应的比功率都分布在[-10,8]区间内。而Pems客车和货车试验中，有超过99%的工况点在[-10,8]区间内，因此将客车和货车的比功率均按照[-10,-9],(-9,-8],(-8,-7],…(7,8]划分区间。图8示出城市客车Pems试验与中国工况CHTC-B比功率区间分布频率。

图8 Pems试验客车工况与CHTC-B工况比功率分布对比

从图8中可以看到，无论是Pems客车试验工况还是CHTC-B工况，频率分布曲线均为单峰曲线，曲线形态均呈类正态分布。Pems客车试验工况的曲线峰值在(0,1]区间内，为49.2%，CHTC-B工况的曲线峰值在(-1,0]区间内，为40.9%，Pems客车试验工况的曲线峰值大于CHTC-B工况的曲线峰值。两曲线在[-2.7,2.7]区间内的频率积分均大于89%，可见在[-2.7,2.7]区间内分布较为集中。为观察频率集中部分区间内的频率分布情况，考虑按照[-2.7,-2.4],(-2.4,-2.1],(-2.1,-1.8], …(2.4,2.7]将[-2.7,2.7]划分为更细密的区间。图9示出城市客车Pems试验与中国工况CHTC-B比功率在[-2.7,2.7]内的分布频率。

图9 Pems试验客车工况与CHTC-B工况比功率部分区间分布

从图9中可以看到，在[-2.7,2.7]区间内，CHTC-B工况曲线仍然为单峰曲线，峰值位于(-0.3,0]区间，为32.5%；Pems客车试验工况变为双峰曲线，峰值分别位于(0,0.3]和(0.6,0.9]区间，分别为18.3%和13.7%；CHTC-B工况曲线峰值大于Pems客车试验工况曲线的最大峰值。

同样将货车的比功率按照[-10,-9],(-9,-8],(-8,-7],…(7,8]划分区间。图10示出非城市货车Pems试验与中国工况CHTC-HT比功率区间分布。

图10 Pems试验货车工况与CHTC-HT工况比功率分布对比

从图10中可以看到，无论是Pems客车试验工况还是CHTC-HT工况，频率分布曲线均为单峰曲线，曲线形态均呈类正态分布。Pems货车试验工况的曲线峰值与CHTC-HT工况的曲线峰值均在(0,1]区间内，分别为48.0%和38.1%，Pems货车试验工况的曲线峰值大于CHTC-HT工况的曲线峰值。两曲线在[-2.7,2.7]区间内的频率积分均大于94%，同样说明两曲线在[-2.7,2.7]区间内分布较为集中。

仍然按照[-2.7,-2.4],(-2.4,-2.1],(-2.1,-1.8],… (2.4,2.7]将[-2.7,2.7]划分为更细密的区间。图11示出非城市货车Pems试验与中国工况CHTC-HT比功率在[-2.7,2.7]内的分布。

图11 Pems试验货车工况与CHTC-HT工况比功率部分区间分布

从图11中可以看到，在[-2.7,2.7]区间内，CHTC-HT工况曲线仍然为单峰曲线，峰值位于(-0.3,0]区间，为23.3%；Pems货车试验工况变为双峰曲线，峰值分别位于(0,0.3]和(0.6,0.9]区间，分别为20.5%和12.2%；CHTC-HT工况曲线峰值大于Pems货车试验工况曲线的最大峰值。

4 结论

a) Pems客车试验工况中，速度分布在[0,5]，(30,35]，(35,40]和(65,70] 4个区间存在峰值；CHTC-B工况中，速度分布在[0,5]区间存在峰值；Pems货车试验工况中，速度分布在[0,5]，(30,35]，(60,65]和(80,85] 4个区间存在峰值；CHTC-HT工况中，速度分布在[0,5]区间存在峰值;

b) Pems客车试验工况中，加速度分布存在(-0.125,0]和(0,0.125] 2个峰值区间，且加速度集中分布于(-0.25,0.25]范围内；CHTC-B工况只有1个峰值区间(-0.125,0]，加速度无明显集中分布趋势;Pems试验货车工况加速度分布存在(-0.125,0]和(0,0.125] 2个峰值区间，且加速度集中分布于(-0.25,0.25]范围内；CHTC-HT工况存在3个峰值区间 (-0.125,0], (0,0.125]和(0.125,0.25]，加速度集中分布于(-0.25,0.375]范围内;

c) 在[-2.7,2.7]区间内，Pems客车试验工况比功率分布为双峰曲线，峰值区间分别为(0,0.3]和(0.6,0.9]；CHTC-B工况为单峰曲线，峰值位于(-0.3,0]区间;Pems货车试验工况比功率分布在[-2.7,2.7]区间内为双峰曲线，峰值分别位于(0,0.3]和(0.6,0.9]区间；CHTC-HT工况曲线为单峰曲线，峰值位于(-0.3,0]区间。