基于稳态工况的重型车排放远程监控数据偏差研究.pdf

摘要：为了验证重型车排放远程监控的数据准确性，选取了 3 辆不同整备质量和发动机排量的国六重型柴油车，利用重型底盘测功机和便携式排放测试系统（PEMS）获取了稳态工况下的车速、发动机转矩、燃料流量、进气量等参数的实测数据，通过车载终端和远程排放监控平台对车辆主要运行参数进行了远程监控，并将远程排放监控平台接收的数据与实测数据进行了一致性对比。结果表明，远程排放监控平台接收的数据与实测数据偏差较小，一致性良好。因此，远程排放监控平台接收的数据可以比较准确地反映实车运行状况。关键词：重型柴油车车载终端远程排放监控平台数据偏差中图分类号：U469.74文献标识码：A文章编号：2095-8234（2023）04-0078-06Research on Remote Monitoring Data Deviation of HeavyDuty Vehicle Emission based on Steady State ConditionTONG Chang;REN Shuojin;LIU Dong;ZHANG Peng;LI Tengteng;JING XiaojunCATARC Automotive Test Center(Tianjin)Co.,Ltd.(Tianjin,300300,China)Abstract：In order to study the data accuracy of the heavy-duty vehicle remote emission monitoring,threeChina 遇 stage heavy-duty diesel vehicles with different reference masses and engine displacements wereselected in this research.The vehicle speed,engine torque,fuel flow rate and air intake flow rate experi原mental data were obtained using a heavy-duty chassis dynamometer and the portable emission measure原ment system(PEMS)under steady-state conditions.At the same time,the main operating parameters ofthe vehicles were monitored by on-board terminals and the remote emission monitoring platform.The datareceived by the remote platform were compared with the measured data.The results showed that the devi原ation between the remote monitoring data and the measured data was small and the data consistency wasgood.Therefore,the remote monitoring data are in good agreement with the actual vehicle operation status.Keywords：Heavy-duty diesel vehicle;On-board terminal;Remote emission monitoring platform;Datadeviation作者简介：仝畅（1996-），男，助理工程师，主要研究方向为重型车排放与节能测试技术。基于稳态工况的重型车排放远程监控数据偏差研究仝畅任烁今刘栋张朋李腾腾景晓军（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司天津300300）引言柴油机由于具备热效率高、转矩大、燃油消耗率低等特点，被广泛应用于汽车交通领域。目前，在载重货车和大型客车的动力源中，柴油机占有绝对优势1。由于油气混合、燃烧室结构和燃烧方式等特点，氮氧化物（NOx）和颗粒物（PM）是柴油机排放中主要的污染物。据生态环境部发布的 中国移动源排放管理年报 2022 中提供的数据显示：2021 年，全国汽车一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）、颗粒物（PM）排放量分别为 693.5 万 t、182.0 万 t、568.5万 t、6.4 万 t。其中，柴油车排放的 NOx占汽车排放总量的 80%以上，PM 占汽车排放总量的 90%以上2。为改善空气质量，我国采取了大气污染防治行动计小 型 内 燃 机 与 车 辆 技 术SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE第 52 卷第 4 期圆园23 年 8 月Vol.52 No.4Aug.2023第 4 期划3、打赢蓝天保卫战三年行动计划4等重大行动和措施，国务院印发的 “十三五”生态环境保护规划提出加快区域内机动车排污监控平台建设，重点治理重型柴油车和高排放车辆5。为了加强对重型车和非道路移动机械的监管，北京市生态环境局要求2020 年底前完成本市在用重型柴油车、重型燃气车车载终端的加装工作6。随着我国政府部门逐步加强对重型车远程监管的重视，重型车的远程排放监控平台随之得到快速发展，其算法和监控功能不断完善以满足对重型车排放精确监测的需求，从而对问题车辆及时作出判断和处理。孙一龙等7对某国六重型车远程排放管理车载终端在线数据一致性进行了研究，在C-WTVC 循环测试中，分别采集样车排放管理车载终端获取和试验设备实际测量的车速、燃料消耗量和 NOx瞬时排放数据，通过线性拟合，采用最小二乘法进行计算，得出的数据相关性较好，能够满足重型车国六排放标准的要求。刘宝利等8对某国六重型柴油车 NOx排放远程监控的准确性进行了研究，结果显示，在标准尿素浓度下，由于 NH3逃逸后会导致SCR 下游 NOx传感器识别 NOx排放的精度下降，进而影响车载终端上传到远程排放监控平台的 NOx排放准确性。以上学者的研究侧重于远程排放监控平台接收的数据与实测数据的相关性，而对于远程排放监控平台接收的数据与实测数据的偏差研究较少。本文选用 3 台国六重型车，在发动机外特性曲线上，选取 5 个均布的最大转矩所对应的转速，在重型底盘测功机上进行与之对应车速的稳态工况试验。通过对远程排放监控平台接收的数据与实测数据的采集并计算偏差，为远程排放监控平台的监管准确性提供数据支持。1试验对象及设备1.1试验车辆试验样车为 3 台国六重型柴油车，样车搭载排放远程管理车载终端，用于采集整车排放相关数据。基于 TCP/IP 网络控制协议，将数据发送至远程排放监控平台，车载终端数据发送频率为 0.1 Hz。样车技术参数见表 1。项目参数样车 1样车 2样车 3整备质量/kg7 8207 8802 720最大设计总质量/kg18 00018 0004 490发动机排量/L6.74.582.00最大转矩/（N m）900（1 0001 800 r/min）800（1 2001 800 r/min）350（1 6002 400 r/min）最大净功率/kW16615893后处理技术路线DOC+DPF+SCR+ASCDOC+SCR+ASC+DPFDOC+SCR+ASC+DPF表 1样车技术参数1.2试验设备试验在重型底盘测功机上进行，利用重型底盘测功机模拟车辆道路行驶阻力，通过便携式车载排放测试系统（PEMS）测量摩擦转矩百分比、发动机净输出转矩百分比、燃料流量以及排气流量。试验系统结构示意图如图 1 所示。转毂主控电脑远程排放监控平台视频信号车速信号转毂13121110678234511491-排气流量、温度、压力采集单元2-排气分析单元3-主控单元4-电源分配模块5-电源转换器6-温度和湿度传感器7-全球定位系统（GPS）8-控制电脑9-车载诊断系统（OBD）接口10-排气流量计11-排气采样管12-排气流量、温度、压力采集连接管线13-发电机14-车载终端图 1试验系统结构示意图仝畅等：基于稳态工况的重型车排放远程监控数据偏差研究79小型内燃机与车辆技术第 52 卷试验使用德国 MAHA 公司生产的重型 4 驱转毂，可以实现道路阻力模拟、恒速阻力模拟、恒阻力模拟、坡度阻力模拟等试验模拟要求，可模拟的最大整车质量为 49 t；使用 HORIBA 公司生产的 OBS-ONE 便携式车载排放测试系统（PEMS），主要由主控单元、排气分析单元、流量测量单元、GPS、温度和湿度传感器等部件构成，可实时测量排气中 CO2、CO和 NOx的浓度，并根据排气流量、排气压力、排气温度、排气组分密度和排气密度比等参数自动计算排气中各气体污染物的质量流量。通过 OBD 诊断接口读取车辆发动机及后处理系统的实时运行参数，数据采集频率为 1 Hz。1.3试验方案1）根据发动机外特性曲线，选取 5 个均布的最大转矩所对应的转速，分别记为 ni，i=1，2，3，4，5。2）对于第 i 个测试点，变速器接入直接挡，通过加速踏板控制车速，当发动机转速稳定指向 ni时，测取当前驱动轮线速度，记为第 i 个测试点车速 vi。3）车辆固定在底盘测功机上，将车载终端连接远程排放监控平台，确认车载终端与远程排放监控平台通讯正常。4）底盘测功机在恒速阻力模式下，最大车速设置为 vi，起动车辆并对车辆进行预热，预热完成后逐渐加速，直至变速器接入直接挡，将加速踏板踩到底，当发动机转速表的转速稳定指向 ni时，记录数据至少 30 s，数据采样频率为 1 Hz。5）试验过程中，测试车速由高到低保证试验连续进行。试验结束后，对于第 i 个测试点，对远程排放监控平台接收的数据和设备采集的数据分别取平均值，计算相对误差。2试验结果及分析2.1车速对车速，按下面的公式计算相对误差：啄i=vi忆-vivi伊 100%（1）式中：啄i为第 i 个测试点车速的相对误差，%；vi为第i 个测试点测功机限定的实际车速，km/h；vi忆为第 i 个测试点远程排放监控平台接收的车速示值平均值，km/h。对于各样车，远程排放监控平台接收的车速与底盘测功机限定的实际车速对比如图 2 所示。从图 2 可以看出，各样车的 2 条车速曲线趋势一致，车速相差不大；样车 2，远程排放监控平台接收的车速出现轻微波动。原因是样车 2 在试验过程中存在较大的转速波动，转速波动引起车速波动，同时降低了测试点限定实际车速的准确度。车速的相对误差直方图如图 3 所示。从图 3 可以看出，各样车的车速相对误差均在2%以内；样车 3，随着测试点车速逐渐降低，相对误6560555045403530实测数据平台数据350050100150200250300时间/sa）样车 170656055504540实测数据平台数据350050100150200250300时间/sc）样车 3图 2车速对比807570656055400050100200250300350时间/sb）样车 21503.02.52.01.51.00.5051234测试点图 3车速相对误差直方图样车 1样车 2样车 3实测数据平台数据80第 4 期从图 4 可以看出，同一辆车在不同测试点，发动机转矩绝对误差存在较大波动。这是因为，对于不同测试点，发动机最大转矩不尽相同；并且在不同工况下，发动机净输出转矩和摩擦转矩也存在一定变化，2 者共同影响计算结果。但对于不同的样车，各测试点发动机转矩绝对误差波动范围均在依3%以内，远程排放监控平台接收的数据与实测数据偏差较小，可以比较真实地反映实测数据。2.3燃料流量利用 PEMS 采集排气污染物和排气流量等数据，采用碳平衡法计算出发动机燃料流量瞬时值，并与远程排放监控平台接收的发动机燃料流量进行对比。对于发动机燃料流量，按下式计算相对误差：啄1i=Qi忆-QiQi伊 100%（3）式中：啄1i为第 i 测试点的发动机燃料流量相对误差，%；Qi忆为第 i 测试点远程排放监控平台接收的发动机燃料流量示值平均值，L/h；Qi为第 i 测试点通过碳平衡方法计算得到的发动机燃料流量平均值，L/h，计算方法参考 GB 17691-2018重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）9或 GB/T 27840-2021重型商用车辆燃料消耗量测量方法10。对于各样车，远程排放监控平台接收的燃料流量数据与 PEMS 实测的燃料流量数据对比如图 5 所示。从图 5 可以看出，各样车的 2 条曲线趋势基本一致，实测数据围绕远程排放监控平台接收的数据差有逐渐增大的趋势。根据公式（1）可知，当远程排放监控平台接收的车速示值平均值与测功机限定的实际车速平均值的差值相同时，实际车速降低，相对误差增大。因此，对于低速测试点，车速降低是相对误差增大的主要原因。2.2转矩根据发动机基本参数和外特性曲线，读取参考转矩和各测试点所对应的最大转矩，并对试验过程所记录的各测试点发动机净输出转矩、摩擦转矩数据取平均值，计算发动机转矩的绝对误差。计算公式为：驻i=（tei-tfi）-TiTr伊 100%（2）式中：驻i为第 i 测试点发动机转矩的绝对误差，%；tei为第 i 测试点远程排放监控平台接收的净输出转矩示值平均值，%；tfi为第 i 测试点远程排放监控平台接收的摩擦转矩示值平均值，%；Ti为测试车辆发动机在 ni转速对应的最大转矩，N m；Tr为测试车辆发动机参考转矩，N m，为固定值。对于各转速，各样车试验数据见表 2。发动机转矩的绝对误差直方图如图 4 所示。测试点样车 111 80089797.0318.181 125-0.8821 60090095.19161 125-0.8131 40090093.24131 1250.2441 20090090111 125-151 0009008991 1250样车 211 8007959810890-1.3321 700798989890-0.6631 60079810098901.3441 50079710088902.4551 4007979888900.45样车 312 400347.292.878.244201.9622 200347.793.0784202.2832 000348.692.9984201.9941 800347.19074200.3651 600348.989.537420-0.54转速/（r min-1）最大转矩/（N m）发动机净输出转矩/%摩擦转矩/%参考转矩/（N m）转矩绝对误差/%表 2样车试验数据3.02.52.01.51.00.50-0.5-1.0-1.551234测试点图 4发动机转矩绝对误差直方图样车 1样车 2样车 3仝畅等：基于稳态工况的重型车排放远程监控数据偏差研究81小型内燃机与车辆技术第 52 卷上下波动。由于 PEMS 实测的燃料流量数据是根据碳平衡法反算获得的，而远程排放监控平台接收的燃料流量数据是 ECU 根据 MAP 图估算获得的，2 者的原理不同且各自存在误差，因此，在各稳态工况的计算结果存在一定偏差。燃料流量的相对误差直方图如图 6 所示。从图 6 可以看出，样车 1 的偏差相对较大，样车2、样车 3 的偏差相对较小。原因是：在试验设备相同的前提下，各样车及发动机的生产厂家不同，ECU 计算程序和控制策略存在差异。但样车在各工况的燃料流量相对误差均在依3%以内，结果较为合理。2.4进气量进气量为 PEMS 测量的排气质量流量瞬时值减去燃料质量流量瞬时值。对于进气量，按下式计算相对误差：啄2i=qai忆-qaiqai伊 100%（4）式中：啄2i为第 i 测试点的进气量相对误差，%；qai忆为第 i 测试点远程排放监控平台接收的进气量示值平均值，kg/h；qai为第 i 测试点按下式计算得到的进气量平均值，kg/h。qa=qe-Q 籽d（5）式中：qa为进气量，kg/h；qe为排气量，kg/h；Q 为燃料流量，L/h；籽d为燃料密度，kg/L。对于各样车，远程排放监控平台接收的进气量数据与 PEMS 系统实测的进气量数据对比如图 7 所示。从图 7 可以看出，各样车的 2 条曲线趋势基本一致，实测数据与远程排放监控平台接收的数据大小接近。由于远程排放监控平台接收的进气量数据是通过发动机进气流量传感器直接测量或通过安装在进气歧管的进气压力传感器间接测量得到的，本6055504540353025350050100150200250300时间/sa）样车 1实测数据平台数据图 5燃料流量对比4035302520400050100150200250 300时间/sb）样车 2实测数据平台数据35025201510400050100150200250 300时间/sc）样车 3实测数据平台数据3503210-1-2-351234测试点图 6燃料流量相对误差直方图样车 1样车 2样车 31 4001 2001 000800600400350050100150200250300时间/sa）样车 1实测数据平台数据700600500400400050100150 200250300时间/sb）样车 2实测数据平台数据35082第 4 期图 7进气量对比400300200100400050100 150200250300时间/sc）样车 3实测数据平台数据350身具有误差；实测的进气量数据是通过排气流量计测得的排气流量减去燃料流量获得的，测量存在一定的累积误差。因此，从理论上讲，2 组数据的瞬时值会出现一定偏差。进气量的相对误差直方图如图 8 所示。从图 8 中可以看出，各样车各工况的进气量相对误差均在依3%以内，且绝大多数相对误差在依2%以内，该结果处于合理范围。3结论1）对 3 辆国六重型柴油车稳态工况下车速、发动机转矩、燃料流量和进气量等参数进行了实际测量，并与远程排放监控平台接收的数据进行了对比。结果表明，远程排放监控平台接收的数据与实测数据偏差较小，可以比较准确地反映实车运行状况。2）从宏观层面看，车速、燃料流量和进气量的相对误差均在依3%以内，且绝大多数相对误差在依2%以内；对于发动机转矩，远程排放监控平台接收的数据与实测数据的绝对误差也在依3%以内。3）从微观层面看，各运转参数的数据采集方法有本质区别，而且各样车的电控策略也不同，因此，不同工况的结果变化趋势呈现多样性，但整体上相对误差小于依3%。4）车载终端发送到远程排放监控平台的数据与重型底盘测功机和 PEMS 的实测数据满足一致性要求，数据偏差均在依3%以内，可以满足监控实车运行状态的要求。参考文献1常嘉航.燃油系统各缸独立控制参数化底层驱动方法研究D.北京：北京理工大学，2016.2生态环境部.中国移动源环境管理年报（2022 年）EB/OL.（2022-12-07）2023-06-13.https：/ 1007111.shtml援3国务院.国务院关于印发大气污染防治行动计划的通知EB/OL.（2013-09-12）2022-04-18.https：/ 5303212.htm.5国务院.国务院关于印发“十三五”生态环境保护规划的通知EB/OL.（2016-12-05）2022-04-18.https：/ OBD芋远程排放管理车载终端在线数据一致性研究J.小型内燃机与车辆技术，2019，48（2）：1-6.8刘宝利，甄凯，包俊江，等.重型柴油车 NOx排放远程监测准确性研究J.汽车实用技术，2021，46（1）：113-116.9生态环境部，国家市场监督管理总局.GB 17691-2018 重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）S.北京：中国环境科学出版社，2018.10 国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.GB/T27840-2021 重型商用车辆燃料消耗量测量方法S.中国标准出版社，2021.（收稿日期：2022-04-22）3210-1-2-351234测试点图 8进气量相对误差直方图样车 1样车 2样车 3仝畅等：基于稳态工况的重型车排放远程监控数据偏差研究83