基于穩態工況的重型車排放遠程監控數據偏差研究

仝 暢 任爍今 劉 棟 張 朋 李騰騰 景曉軍

（中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津 300300）

引言

柴油機由于具備熱效率高、轉矩大、燃油消耗率低等特點，被廣泛應用于汽車交通領域。目前，在載重貨車和大型客車的動力源中，柴油機占有絕對優勢[1]。由于油氣混合、燃燒室結構和燃燒方式等特點，氮氧化物（NOx）和顆粒物（PM）是柴油機排放中主要的污染物。據生態環境部發布的《中國移動源排放管理年報2022》中提供的數據顯示：2021 年，全國汽車一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、顆粒物（PM）排放量分別為693.5 萬t、182.0 萬t、568.5萬t、6.4 萬t。其中，柴油車排放的NOx占汽車排放總量的80%以上，PM 占汽車排放總量的90%以上[2]。為改善空氣質量，我國采取了大氣污染防治行動計劃[3]、打贏藍天保衛戰三年行動計劃[4]等重大行動和措施，國務院印發的《“十三五”生態環境保護規劃》提出加快區域內機動車排污監控平臺建設，重點治理重型柴油車和高排放車輛[5]。為了加強對重型車和非道路移動機械的監管，北京市生態環境局要求2020 年底前完成本市在用重型柴油車、重型燃氣車車載終端的加裝工作[6]。

隨著我國政府部門逐步加強對重型車遠程監管的重視，重型車的遠程排放監控平臺隨之得到快速發展，其算法和監控功能不斷完善以滿足對重型車排放精確監測的需求，從而對問題車輛及時作出判斷和處理。孫一龍等[7]對某國六重型車遠程排放管理車載終端在線數據一致性進行了研究，在C-WTVC 循環測試中，分別采集樣車排放管理車載終端獲取和試驗設備實際測量的車速、燃料消耗量和NOx瞬時排放數據，通過線性擬合，采用最小二乘法進行計算，得出的數據相關性較好，能夠滿足重型車國六排放標準的要求。劉寶利等[8]對某國六重型柴油車NOx排放遠程監控的準確性進行了研究，結果顯示，在標準尿素濃度下，由于NH3逃逸后會導致SCR 下游NOx傳感器識別NOx排放的精度下降，進而影響車載終端上傳到遠程排放監控平臺的NOx排放準確性。以上學者的研究側重于遠程排放監控平臺接收的數據與實測數據的相關性，而對于遠程排放監控平臺接收的數據與實測數據的偏差研究較少。

本文選用3 臺國六重型車，在發動機外特性曲線上，選取5 個均布的最大轉矩所對應的轉速，在重型底盤測功機上進行與之對應車速的穩態工況試驗。通過對遠程排放監控平臺接收的數據與實測數據的采集并計算偏差，為遠程排放監控平臺的監管準確性提供數據支持。

1 試驗對象及設備

1.1 試驗車輛

試驗樣車為3 臺國六重型柴油車，樣車搭載排放遠程管理車載終端，用于采集整車排放相關數據?；赥CP/IP 網絡控制協議，將數據發送至遠程排放監控平臺，車載終端數據發送頻率為0.1 Hz。樣車技術參數見表1。

表1 樣車技術參數

1.2 試驗設備

試驗在重型底盤測功機上進行，利用重型底盤測功機模擬車輛道路行駛阻力，通過便攜式車載排放測試系統（PEMS）測量摩擦轉矩百分比、發動機凈輸出轉矩百分比、燃料流量以及排氣流量。試驗系統結構示意圖如圖1 所示。

圖1 試驗系統結構示意圖

試驗使用德國MAHA 公司生產的重型4 驅轉轂，可以實現道路阻力模擬、恒速阻力模擬、恒阻力模擬、坡度阻力模擬等試驗模擬要求，可模擬的最大整車質量為49 t；使用HORIBA 公司生產的OBSONE 便攜式車載排放測試系統（PEMS），主要由主控單元、排氣分析單元、流量測量單元、GPS、溫度和濕度傳感器等部件構成，可實時測量排氣中CO2、CO和NOx的濃度，并根據排氣流量、排氣壓力、排氣溫度、排氣組分密度和排氣密度比等參數自動計算排氣中各氣體污染物的質量流量。通過OBD 診斷接口讀取車輛發動機及后處理系統的實時運行參數，數據采集頻率為1 Hz。

1.3 試驗方案

1）根據發動機外特性曲線，選取5 個均布的最大轉矩所對應的轉速，分別記為ni，i=1，2，3，4，5。

2）對于第i 個測試點，變速器接入直接擋，通過加速踏板控制車速，當發動機轉速穩定指向ni時，測取當前驅動輪線速度，記為第i 個測試點車速vi。

3）車輛固定在底盤測功機上，將車載終端連接遠程排放監控平臺，確認車載終端與遠程排放監控平臺通訊正常。

4）底盤測功機在恒速阻力模式下，最大車速設置為vi，起動車輛并對車輛進行預熱，預熱完成后逐漸加速，直至變速器接入直接擋，將加速踏板踩到底，當發動機轉速表的轉速穩定指向ni時，記錄數據至少30 s，數據采樣頻率為1 Hz。

5）試驗過程中，測試車速由高到低保證試驗連續進行。試驗結束后，對于第i 個測試點，對遠程排放監控平臺接收的數據和設備采集的數據分別取平均值，計算相對誤差。

2 試驗結果及分析

2.1 車速

對車速，按下面的公式計算相對誤差：

式中：δi為第i 個測試點車速的相對誤差，%；vi為第i 個測試點測功機限定的實際車速，km/h；vi′為第i 個測試點遠程排放監控平臺接收的車速示值平均值，km/h。

對于各樣車，遠程排放監控平臺接收的車速與底盤測功機限定的實際車速對比如圖2 所示。

圖2 車速對比

從圖2 可以看出，各樣車的2 條車速曲線趨勢一致，車速相差不大；樣車2，遠程排放監控平臺接收的車速出現輕微波動。原因是樣車2 在試驗過程中存在較大的轉速波動，轉速波動引起車速波動，同時降低了測試點限定實際車速的準確度。

車速的相對誤差直方圖如圖3 所示。

圖3 車速相對誤差直方圖

從圖3 可以看出，各樣車的車速相對誤差均在2%以內；樣車3，隨著測試點車速逐漸降低，相對誤差有逐漸增大的趨勢。根據公式（1）可知，當遠程排放監控平臺接收的車速示值平均值與測功機限定的實際車速平均值的差值相同時，實際車速降低，相對誤差增大。因此，對于低速測試點，車速降低是相對誤差增大的主要原因。

2.2 轉矩

根據發動機基本參數和外特性曲線，讀取參考轉矩和各測試點所對應的最大轉矩，并對試驗過程所記錄的各測試點發動機凈輸出轉矩、摩擦轉矩數據取平均值，計算發動機轉矩的絕對誤差。計算公式為：

式中：Δi為第i 測試點發動機轉矩的絕對誤差，%；tei為第i 測試點遠程排放監控平臺接收的凈輸出轉矩示值平均值，%；tfi為第i 測試點遠程排放監控平臺接收的摩擦轉矩示值平均值，%；Ti為測試車輛發動機在ni轉速對應的最大轉矩，N·m；Tr為測試車輛發動機參考轉矩，N·m，為固定值。

對于各轉速，各樣車試驗數據見表2。

表2 樣車試驗數據

發動機轉矩的絕對誤差直方圖如圖4 所示。

圖4 發動機轉矩絕對誤差直方圖

從圖4 可以看出，同一輛車在不同測試點，發動機轉矩絕對誤差存在較大波動。這是因為，對于不同測試點，發動機最大轉矩不盡相同；并且在不同工況下，發動機凈輸出轉矩和摩擦轉矩也存在一定變化，2 者共同影響計算結果。但對于不同的樣車，各測試點發動機轉矩絕對誤差波動范圍均在±3%以內，遠程排放監控平臺接收的數據與實測數據偏差較小，可以比較真實地反映實測數據。

2.3 燃料流量

利用PEMS 采集排氣污染物和排氣流量等數據，采用碳平衡法計算出發動機燃料流量瞬時值，并與遠程排放監控平臺接收的發動機燃料流量進行對比。對于發動機燃料流量，按下式計算相對誤差：

式中：δ1i為第i 測試點的發動機燃料流量相對誤差，%；Qi′為第i 測試點遠程排放監控平臺接收的發動機燃料流量示值平均值，L/h；Qi為第i 測試點通過碳平衡方法計算得到的發動機燃料流量平均值，L/h，計算方法參考GB 17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》[9]或GB/T 27840-2021《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》[10]。

對于各樣車，遠程排放監控平臺接收的燃料流量數據與PEMS 實測的燃料流量數據對比如圖5 所示。

圖5 燃料流量對比

從圖5 可以看出，各樣車的2 條曲線趨勢基本一致，實測數據圍繞遠程排放監控平臺接收的數據上下波動。由于PEMS 實測的燃料流量數據是根據碳平衡法反算獲得的，而遠程排放監控平臺接收的燃料流量數據是ECU 根據MAP 圖估算獲得的，2 者的原理不同且各自存在誤差，因此，在各穩態工況的計算結果存在一定偏差。

燃料流量的相對誤差直方圖如圖6 所示。

圖6 燃料流量相對誤差直方圖

從圖6 可以看出，樣車1 的偏差相對較大，樣車2、樣車3 的偏差相對較小。原因是：在試驗設備相同的前提下，各樣車及發動機的生產廠家不同，ECU 計算程序和控制策略存在差異。但樣車在各工況的燃料流量相對誤差均在±3%以內，結果較為合理。

2.4 進氣量

進氣量為PEMS 測量的排氣質量流量瞬時值減去燃料質量流量瞬時值。對于進氣量，按下式計算相對誤差：

式中：δ2i為第i 測試點的進氣量相對誤差，%；qai′為第i 測試點遠程排放監控平臺接收的進氣量示值平均值，kg/h；qai為第i 測試點按下式計算得到的進氣量平均值，kg/h。

式中：qa為進氣量，kg/h；qe為排氣量，kg/h；Q 為燃料流量，L/h；ρd為燃料密度，kg/L。

對于各樣車，遠程排放監控平臺接收的進氣量數據與PEMS 系統實測的進氣量數據對比如圖7 所示。

圖7 進氣量對比

從圖7 可以看出，各樣車的2 條曲線趨勢基本一致，實測數據與遠程排放監控平臺接收的數據大小接近。由于遠程排放監控平臺接收的進氣量數據是通過發動機進氣流量傳感器直接測量或通過安裝在進氣歧管的進氣壓力傳感器間接測量得到的，本身具有誤差；實測的進氣量數據是通過排氣流量計測得的排氣流量減去燃料流量獲得的，測量存在一定的累積誤差。因此，從理論上講，2 組數據的瞬時值會出現一定偏差。

進氣量的相對誤差直方圖如圖8 所示。

圖8 進氣量相對誤差直方圖

從圖8 中可以看出，各樣車各工況的進氣量相對誤差均在±3%以內，且絕大多數相對誤差在±2%以內，該結果處于合理范圍。

3 結論

1）對3 輛國六重型柴油車穩態工況下車速、發動機轉矩、燃料流量和進氣量等參數進行了實際測量，并與遠程排放監控平臺接收的數據進行了對比。結果表明，遠程排放監控平臺接收的數據與實測數據偏差較小，可以比較準確地反映實車運行狀況。

2）從宏觀層面看，車速、燃料流量和進氣量的相對誤差均在±3%以內，且絕大多數相對誤差在±2%以內；對于發動機轉矩，遠程排放監控平臺接收的數據與實測數據的絕對誤差也在±3%以內。

3）從微觀層面看，各運轉參數的數據采集方法有本質區別，而且各樣車的電控策略也不同，因此，不同工況的結果變化趨勢呈現多樣性，但整體上相對誤差小于±3%。

4）車載終端發送到遠程排放監控平臺的數據與重型底盤測功機和PEMS 的實測數據滿足一致性要求，數據偏差均在±3%以內，可以滿足監控實車運行狀態的要求。