重型車Pems試驗工況與中國工況對比研究

于津濤，熊興旺，劉嘉偉，張凡，李梁

(1.天津大學(xué)，天津 300072；中國汽車技術(shù)研究中心有限公司,北京 100176)

國六重型車排放標(biāo)準(zhǔn)GB 17691—2018[1]對重型車排放的要求更加嚴(yán)格，需要進(jìn)行實際道路排放Pems試驗，用Pems試驗工況下的排放代表重型車輛的實際道路排放。不同于重型車燃料消耗量轉(zhuǎn)轂測試方法[2]，國六標(biāo)準(zhǔn)中只對Pems試驗的工況比例構(gòu)成作了規(guī)定，并無標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)。研究人員對實際道路排放測試進(jìn)行了相關(guān)研究[3-5]。許丹丹等[6-7]的研究表明，實際道路試驗中重型車發(fā)動機(jī)運行工況范圍比典型的轉(zhuǎn)轂測試C-WTVC 循環(huán)要廣，對車輛的適用范圍更寬。但利用CVS采樣的C-WTVC 循環(huán)轉(zhuǎn)轂測試方法比Pems實際道路測試方法可重復(fù)性好[8]。T. Donateo等[9]指出，發(fā)動機(jī)負(fù)荷與轉(zhuǎn)速等會極大影響道路測試排放結(jié)果。

而中國重型商用車輛行駛工況的發(fā)布[10]，推出了適合中國實際路況的重型車典型行駛工況，采用該工況進(jìn)行的燃油消耗量和排放試驗，更接近真實的中國重型車道路實際排放。為研究中國工況同Pems試驗工況的異同，需要對兩種不同測試方法的速度、加速度及比功率等量的分布進(jìn)行深入分析對比。

本研究基于一輛城市客車和一輛非城市貨車的實際Pems試驗工況，分別與中國工況標(biāo)準(zhǔn)中的城市客車工況(CHTC-B工況)和大于5 500 kg的載貨汽車工況(CHTC-HT工況)進(jìn)行了速度和加速度的分布對比。結(jié)合Moves模型與國內(nèi)重型車比功率計算式研究，確定了重型車比功率計算式，并對計算式中的系數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定。分別計算Pems試驗工況與中國工況的比功率，并進(jìn)行了比功率分布的對比。

1 試驗系統(tǒng)與方案

本研究進(jìn)行試驗的兩輛車分別為一輛城市客車和一輛非城市貨車，兩車的試驗參數(shù)見表1。其中城市客車的試驗總質(zhì)量為11.5 t，非城市貨車的試驗總質(zhì)量為6.1 t。

表1 城市客車與非城市貨車Pems試驗參數(shù)

試驗所采用的主要測試儀器為HORIBA OBS-ONE-G12車載排放分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了GPS測量設(shè)備與排放測量設(shè)備。

兩輛試驗車輛分別加載質(zhì)量，并按照標(biāo)準(zhǔn)GB 17691—2018中規(guī)定的工況比例構(gòu)成要求及試驗規(guī)范進(jìn)行了Pems試驗，試驗數(shù)據(jù)采集頻率為1 Hz。圖1為城市客車Pems試驗實時車速曲線與中國工況CHTC-B車速曲線，圖2示出非城市貨車Pems試驗實時車速曲線與中國工況CHTC-HT車速曲線。

圖1 Pems試驗客車工況與CHTC-B工況

圖2 Pems試驗貨車工況與CHTC-HT工況

2 速度與加速度分布對比

2.1 速度分布對比

從圖1和圖2中可以看到，CHTC-B和CHTC-HT工況全程加速減速狀態(tài)較多，而Pems試驗工況前期加速減速狀態(tài)較多，后期為均速高速狀態(tài)。為對比車速分布差異，將車速劃分區(qū)間，針對Pems試驗和中國工況分別統(tǒng)計各車速區(qū)間內(nèi)的頻率分布。從圖1中可以看出，客車最高車速較低，按照[0,5],(5,10], (10,15],…(65,70],(70,+∞)劃分客車車速區(qū)間。從圖2中可以看到，貨車最高車速比客車最高車速高，需要劃分更多區(qū)間，按照[0,5],(5,10], (10,15],…(85,90],(90,+∞) 劃分貨車車速區(qū)間。

圖3示出城市客車Pems試驗工況與中國工況CHTC-B車速區(qū)間分布，圖4示出非城市貨車Pems試驗工況與中國工況CHTC-HT車速區(qū)間分布。

圖3 Pems試驗客車工況與CHTC-B工況速度分布對比

圖4 Pems試驗貨車工況與CHTC-HT工況速度分布對比

從圖3中可以看到，Pems試驗客車工況速度分布中有4個峰值區(qū)間，分別為[0,5]，(30,35]，(35,40]和(60,65]，峰值分別為10.2%，20.0%，21.3%和23.7%。其余區(qū)間的頻率值都較小，在(70,+∞)區(qū)間頻率接近0，在Pems客車試驗中幾乎不包含大于70 km/h的工況。而CHTC-B工況只有1個峰值區(qū)間[0,5]，峰值大小為34.5%。從(5,10]之后，區(qū)間的頻率分布較為均勻，均在10%以下。在(45, 50]區(qū)間頻率基本接近0，在CHTC-B工況中幾乎不包含大于50 km/h的工況。

從圖4中可以看到，Pems試驗貨車工況速度分布中有4個峰值區(qū)間，分別為[0,5]，(30,35]，(60,65]和(80,85]，峰值為13.1%，11.9%，21.6%和23.8%。其余區(qū)間的頻率值都較小，在(85,90]區(qū)間頻率為0，在Pems貨車試驗中不包含大于85 km/h的工況。CHTC-HT工況只有1個峰值區(qū)間[0,5]，峰值為19.8%。其余區(qū)間的頻率分布較為均勻，且在(90, +∞)區(qū)間內(nèi)頻率為0，在CHTC-HT工況中不包含大于90 km/h的工況。

2.2 加速度分布對比

為對比加速度分布，將加速度劃分區(qū)間，針對Pems試驗和中國工況分別統(tǒng)計各加速度區(qū)間內(nèi)的頻率分布。觀察發(fā)現(xiàn)，客車和貨車的Pems工況或中國工況，所有工況點對應(yīng)的加速度都分布在(-1.5 m/s2,0.75 m/s2)區(qū)間內(nèi)，將加速度按照[-1.5,-1.375],(-1.375,-1.25],(-1.25,-1.125],…(0.625,0.75],(0.75,+∞)劃分區(qū)間。圖5示出城市客車Pems試驗工況與中國工況CHTC-B加速度區(qū)間分布，圖6示出非城市貨車Pems試驗工況與中國工況CHTC-HT加速度區(qū)間分布。

圖5 Pems試驗客車工況與CHTC-B工況加速度分布對比

圖6 Pems試驗貨車工況與CHTC-HT工況加速度分布對比

從圖5中可以看到，Pems試驗客車工況加速度分布中有2個峰值區(qū)間，分別為(-0.125,0]和(0,0.125]，頻率大小分別為37.0%和37.9%，其余區(qū)間的頻率值都較小，在Pems客車試驗中加速度集中分布于(-0.25,0.25]。CHTC-B工況只有1個峰值區(qū)間(-0.125,0]，峰值為33.5%，除峰值區(qū)間外，CHTC-B工況加速度較為均勻，無明顯集中分布趨勢。

從圖6中可以看到，Pems試驗貨車工況加速度分布中也存在2個峰值區(qū)間，同樣為(-0.125,0]和(0,0.125]，峰值分別為35.6%和36.5%，其余區(qū)間的頻率值都較小，在Pems貨車試驗中加速度集中分布于(-0.25,0.25]。CHTC-HT工況有3個峰值區(qū)間，分別為(-0.125,0], (0,0.125]和(0.125,0.250]，峰值分別為32.6%，18.1%和14.0%。在CHTC-HT工況中加速度集中分布于(-0.25,0.375]。

3 比功率分布對比

3.1 比功率計算

機(jī)動車比功率是一個重要的參數(shù)，其物理意義豐富，且與機(jī)動車排放、機(jī)動車油耗計算具有很好的統(tǒng)計相關(guān)性，廣泛應(yīng)用于排放因子模型建模等方面的研究。機(jī)動車比功率定義為機(jī)動車單位質(zhì)量的瞬時輸出功率，此變量最早由Jiménez-Palacios構(gòu)造并給出標(biāo)準(zhǔn)定義[11-13]：

(1)

式中：VSP為機(jī)動車比功率；m為機(jī)動車質(zhì)量；v為機(jī)動車速度；a為機(jī)動車加速度；εi為質(zhì)量因子，指的是機(jī)動車中動力系的當(dāng)量質(zhì)量；h為機(jī)動車所處海拔；grade為道路坡度；g為重力加速度；CR為滾動阻力系數(shù)；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為機(jī)動車前沿橫截面積；ρa(bǔ)為環(huán)境空氣密度；vw為機(jī)動車逆風(fēng)的風(fēng)速。

式(1)在實際計算中過于復(fù)雜，參考美國環(huán)境保護(hù)署(EPA)在MOVES模型中[13]給出的針對重型車的比功率簡化計算式，利用式(2)計算重型車比功率：

(2)

式中：STP為重型車比功率；fscale為固定質(zhì)量因子；v為瞬時車速；M為機(jī)動車質(zhì)量；a為瞬時車輛加速度；g為重力加速度；sinθ為道路坡度；A為滾動阻力系數(shù)；B為轉(zhuǎn)動阻力系數(shù)；C為空氣動力學(xué)阻力系數(shù)。

EPA針對不同的車型給出了車型編號(SourceID)[14]，其中，重型車所對應(yīng)的車型編號為41、42、43、51、52、53、54、61、62。EPA針對每個車型編號給出了不同的A、B、C、fscale和總車重M賦值。賦值表中重型車41、42、43、51、52、53、54、61、62的起始年份各有1960年和2014年兩組，為了貼近實際情況，所有車型均選擇起始年份為2014年。對于所有重型車，B的取值均為0，fscale的取值均為17.1，而A、C和M的取值各不相同。表2示出EPA中針對每個車型編號給出的A、C和M賦值表。

表2 EPA針對不同車型編號的A、C和M賦值

需要說明的是，EPA中關(guān)于重型車的分類和國內(nèi)重型車分類并不相同，若按照EPA的分類去進(jìn)行每輛重型車A、C和M的查表取值，則進(jìn)行計算之前需要先將每一輛車按照EPA分類進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這為計算帶來很多不便。為簡化計算，參考國內(nèi)研究者[15]對于重型車的車重區(qū)間分類方法，將實際總車重分為[3.5, 8]，(8, 15]，(15, 22]，(22, 29] ，(29, +∞]五個區(qū)間，計算時，確定Pems試驗中實際總車重位于上述哪個區(qū)間，取該區(qū)間的中值賦值給M。同時，分別考察表1中A與M、C與M之間的關(guān)系，將41、42、43、51、52、53、54、61、62共9類車型的A與M、C與M分別利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合。圖7示出A與M和C與M的線性擬合關(guān)系。

圖7 A與M和C與M的線性擬合關(guān)系

A與M之間線性擬合后R2=0.987 3，C與M之間線性擬合后R2=0.883 8。根據(jù)得到的A關(guān)于M和C關(guān)于M線性擬合式，將5個總車重區(qū)間的區(qū)間中值分別代入擬合式求得5組對應(yīng)的A和C值。道路的坡度在實際測量中難以獲得，參考其他研究人員[16-17]在計算時的做法，將坡度sinθ取為0。

根據(jù)上述對STP計算式中各參數(shù)取值的說明，表3列出了五個總車重區(qū)間內(nèi)的STP計算式各系數(shù)值。實際計算中，只需要確定實際總車重位于哪個總車重區(qū)間，即可根據(jù)表4利用查表方法得到STP計算式各系數(shù)值。

表3 不同車重區(qū)間的STP計算式各系數(shù)取值

3.2 比功率分布對比

根據(jù)式(2)和表3，分別計算客車和貨車在Pems工況和中國工況下的比功率，劃分比功率區(qū)間，并統(tǒng)計各區(qū)間內(nèi)頻率分布。觀察發(fā)現(xiàn)，中國工況的所有工況點對應(yīng)的比功率都分布在[-10,8]區(qū)間內(nèi)。而Pems客車和貨車試驗中，有超過99%的工況點在[-10,8]區(qū)間內(nèi)，因此將客車和貨車的比功率均按照[-10,-9],(-9,-8],(-8,-7],…(7,8]劃分區(qū)間。圖8示出城市客車Pems試驗與中國工況CHTC-B比功率區(qū)間分布頻率。

圖8 Pems試驗客車工況與CHTC-B工況比功率分布對比

從圖8中可以看到，無論是Pems客車試驗工況還是CHTC-B工況，頻率分布曲線均為單峰曲線，曲線形態(tài)均呈類正態(tài)分布。Pems客車試驗工況的曲線峰值在(0,1]區(qū)間內(nèi)，為49.2%，CHTC-B工況的曲線峰值在(-1,0]區(qū)間內(nèi)，為40.9%，Pems客車試驗工況的曲線峰值大于CHTC-B工況的曲線峰值。兩曲線在[-2.7,2.7]區(qū)間內(nèi)的頻率積分均大于89%，可見在[-2.7,2.7]區(qū)間內(nèi)分布較為集中。為觀察頻率集中部分區(qū)間內(nèi)的頻率分布情況，考慮按照[-2.7,-2.4],(-2.4,-2.1],(-2.1,-1.8], …(2.4,2.7]將[-2.7,2.7]劃分為更細(xì)密的區(qū)間。圖9示出城市客車Pems試驗與中國工況CHTC-B比功率在[-2.7,2.7]內(nèi)的分布頻率。

圖9 Pems試驗客車工況與CHTC-B工況比功率部分區(qū)間分布

從圖9中可以看到，在[-2.7,2.7]區(qū)間內(nèi)，CHTC-B工況曲線仍然為單峰曲線，峰值位于(-0.3,0]區(qū)間，為32.5%；Pems客車試驗工況變?yōu)殡p峰曲線，峰值分別位于(0,0.3]和(0.6,0.9]區(qū)間，分別為18.3%和13.7%；CHTC-B工況曲線峰值大于Pems客車試驗工況曲線的最大峰值。

同樣將貨車的比功率按照[-10,-9],(-9,-8],(-8,-7],…(7,8]劃分區(qū)間。圖10示出非城市貨車Pems試驗與中國工況CHTC-HT比功率區(qū)間分布。

圖10 Pems試驗貨車工況與CHTC-HT工況比功率分布對比

從圖10中可以看到，無論是Pems客車試驗工況還是CHTC-HT工況，頻率分布曲線均為單峰曲線，曲線形態(tài)均呈類正態(tài)分布。Pems貨車試驗工況的曲線峰值與CHTC-HT工況的曲線峰值均在(0,1]區(qū)間內(nèi)，分別為48.0%和38.1%，Pems貨車試驗工況的曲線峰值大于CHTC-HT工況的曲線峰值。兩曲線在[-2.7,2.7]區(qū)間內(nèi)的頻率積分均大于94%，同樣說明兩曲線在[-2.7,2.7]區(qū)間內(nèi)分布較為集中。

仍然按照[-2.7,-2.4],(-2.4,-2.1],(-2.1,-1.8],… (2.4,2.7]將[-2.7,2.7]劃分為更細(xì)密的區(qū)間。圖11示出非城市貨車Pems試驗與中國工況CHTC-HT比功率在[-2.7,2.7]內(nèi)的分布。

圖11 Pems試驗貨車工況與CHTC-HT工況比功率部分區(qū)間分布

從圖11中可以看到，在[-2.7,2.7]區(qū)間內(nèi)，CHTC-HT工況曲線仍然為單峰曲線，峰值位于(-0.3,0]區(qū)間，為23.3%；Pems貨車試驗工況變?yōu)殡p峰曲線，峰值分別位于(0,0.3]和(0.6,0.9]區(qū)間，分別為20.5%和12.2%；CHTC-HT工況曲線峰值大于Pems貨車試驗工況曲線的最大峰值。

4 結(jié)論

a) Pems客車試驗工況中，速度分布在[0,5]，(30,35]，(35,40]和(65,70] 4個區(qū)間存在峰值；CHTC-B工況中，速度分布在[0,5]區(qū)間存在峰值；Pems貨車試驗工況中，速度分布在[0,5]，(30,35]，(60,65]和(80,85] 4個區(qū)間存在峰值；CHTC-HT工況中，速度分布在[0,5]區(qū)間存在峰值;

b) Pems客車試驗工況中，加速度分布存在(-0.125,0]和(0,0.125] 2個峰值區(qū)間，且加速度集中分布于(-0.25,0.25]范圍內(nèi)；CHTC-B工況只有1個峰值區(qū)間(-0.125,0]，加速度無明顯集中分布趨勢;Pems試驗貨車工況加速度分布存在(-0.125,0]和(0,0.125] 2個峰值區(qū)間，且加速度集中分布于(-0.25,0.25]范圍內(nèi)；CHTC-HT工況存在3個峰值區(qū)間 (-0.125,0], (0,0.125]和(0.125,0.25]，加速度集中分布于(-0.25,0.375]范圍內(nèi);

c) 在[-2.7,2.7]區(qū)間內(nèi)，Pems客車試驗工況比功率分布為雙峰曲線，峰值區(qū)間分別為(0,0.3]和(0.6,0.9]；CHTC-B工況為單峰曲線，峰值位于(-0.3,0]區(qū)間;Pems貨車試驗工況比功率分布在[-2.7,2.7]區(qū)間內(nèi)為雙峰曲線，峰值分別位于(0,0.3]和(0.6,0.9]區(qū)間；CHTC-HT工況曲線為單峰曲線，峰值位于(-0.3,0]區(qū)間。