三輪摩托車實(shí)際行駛工況與國(guó)四工況差異分析

吳廣順，王 昊，李真鐵

（天津大學(xué)?天津內(nèi)燃機(jī)研究所，天津?300072）

摩托車工況法排放試驗(yàn)中，行駛工況對(duì)排放結(jié)果具有重要影響。我國(guó)作為摩托車生產(chǎn)大國(guó)，產(chǎn)量和保有量均位居世界第一，但一直采用歐洲的行駛工況。GB14622—2016《摩托車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第四階段）》（以下簡(jiǎn)稱國(guó)四排放標(biāo)準(zhǔn)）頒布和實(shí)施后，兩輪摩托車采用了全球摩托車排放測(cè)試工況（WMTC），三輪摩托車依然采用歐盟ECE R40的行駛工況（以下簡(jiǎn)稱國(guó)四工況）。

三輪摩托車ECE R40的行駛工況循環(huán)由6個(gè)市區(qū)循環(huán)組成，共計(jì)1170s，每個(gè)循環(huán)195s。其中，第一個(gè)市區(qū)試驗(yàn)循環(huán)定義為冷態(tài)試驗(yàn)循環(huán)，第二個(gè)到第六個(gè)市區(qū)試驗(yàn)循環(huán)定義為熱態(tài)試驗(yàn)循環(huán)。該行駛工況是歐洲十多年前三輪摩托車行駛工況循環(huán)，與我國(guó)三輪摩托車實(shí)際道路行駛狀況并不相同，甚至差別很大。依據(jù)該行駛工況所得到的排放值不能準(zhǔn)確地反映三輪摩托車在中國(guó)實(shí)際道路行駛時(shí)排放到大氣中有害氣體的水平。因此，有必要對(duì)中國(guó)三輪摩托車實(shí)際道路行駛的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，研究我國(guó)三輪摩托車的實(shí)際道路行駛狀況。

本文通過在濟(jì)南、溫嶺、重慶三地開展三輪摩托車的路譜采集，在分析我國(guó)三輪摩托車的實(shí)際行駛特性的基礎(chǔ)上，合成了三輪摩托車實(shí)際行駛工況，并指出了其與國(guó)四工況的差異。

1??三輪摩托車路譜采集

三輪摩托車產(chǎn)品因市場(chǎng)需求呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展的趨勢(shì)，但主導(dǎo)品種仍集中在100～250mL中檔排量區(qū)域，在2015年和2016年排量在大于100mL小于等于250mL的正三輪摩托車的市場(chǎng)占有率為分別為93.7%和94.9%。而邊三輪摩托車產(chǎn)量很少，占三輪摩托車的比重不到0.1%，而且主要以軍用、警用為主，因此本次路譜采集將不涉及邊三輪摩托車。本次路譜采集采用4輛正三輪摩托車，分別為DY150ZH-10（發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為SY162IMJ-2D）、FT250ZH-3A（發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)V167FMM-L）、QJ200ZH-A（發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為QJ163ML）、LF150ZH-13（發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)為158MJ）。

考慮到各地禁限摩的情況，實(shí)際道路行駛路譜采集是在以濟(jì)南市、浙江溫嶺市、重慶市為代表的中國(guó)典型摩托車城市進(jìn)行的。根據(jù)實(shí)際道路的交通特征，包括了市區(qū)道路和市郊道路。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)實(shí)際交通狀況進(jìn)行駕駛，三輪摩托車在道路上行駛時(shí)，緊隨車流，采集時(shí)應(yīng)盡量模擬道路上的車流形態(tài)特征，從而能夠代表車輛在被測(cè)道路上的真實(shí)行駛狀況。

由于不同的交通狀況、不同的時(shí)段、路段所得到的路譜差異非常大。如在交通高峰期階段，加速、減速、怠速比例較高，幾乎沒有勻速行駛階段；而在交通非高峰階段，有長(zhǎng)時(shí)間的勻速和怠速出現(xiàn)。因此，在進(jìn)行路譜采集時(shí)包含了各城市的交通高峰、非高峰以及夜間行駛的路譜。

路譜采集所用的儀器為英國(guó)RACELOGIC生產(chǎn)的VBOX車載數(shù)據(jù)采集裝置，頻率100Hz，通過GPS衛(wèi)星定位技術(shù)來獲取車速。它是基于新一代的高性能衛(wèi)星接收器，結(jié)合RLVBIMU04慣量傳感器，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)慣性整合，得到更好的位置信息，從而在GPS信號(hào)不好，如橋下、樹旁的情況下可以利用慣性數(shù)據(jù)得出準(zhǔn)確的速度信號(hào)。該儀器是一種高效的車輛行駛性能試驗(yàn)儀器，所獲得的路譜數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地記錄于SD存貯卡中，且體積小、重量輕，安裝非常方便。

2??三輪摩托車的行駛特征

三輪摩托車行駛模式非常復(fù)雜，其行駛模式大致可分為4類，即怠速、加速、勻速和減速，并定義如下：

（1）怠速：v＜5km/h 且 -a0＜a＜a0；

（2）加速：a≥a0；

（3）勻速：-a0＜a＜a0且v≥ 5km/h；

（4）減速：a＜-a0；

其中：v為速度；a為加（減）速度；a0為加（減）速度閥值，本文中取a0=0.5km/h/s（0.139m/s2）。

要描述三輪摩托車的行駛特征，需要定義一些特征參數(shù)來構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。為能精細(xì)地描述三輪摩托車實(shí)際道路行駛特征，本文采用了11個(gè)特征參數(shù)用于描述三輪摩托車的行駛特征：怠速比例Pi，加速比例Pa，勻速比例Pc，減速比例Pd，平均速度Vm（行駛段全部測(cè)試點(diǎn)的速度平均值），平均運(yùn)行速度Vmr（去除怠速模式特征點(diǎn)后行駛段所有測(cè)試點(diǎn)的速度平均值），平均加速度aa，平均減速度ad，加速平均速度Vma（行駛段加速行駛模式的測(cè)試點(diǎn)的速度的平均值），勻速平均速度Vmc（行駛段勻速模式特征點(diǎn)的速度的平均值），減速平均速度Vmd（行駛段所有屬于減速行駛模式的測(cè)試點(diǎn)的速度的平均值）。

將采集的全部數(shù)據(jù)處理成時(shí)間間隔為1s的速度—時(shí)間歷程。車速是實(shí)時(shí)采集的，所以每個(gè)采樣點(diǎn)都要按行駛模式定義來判斷屬于哪一類運(yùn)行模式，各個(gè)采樣點(diǎn)的速度直接從速度傳感器讀出即可；加速度則不能僅由點(diǎn)來確定，需要從一段時(shí)間的速度—時(shí)間歷程來計(jì)算。由于本試驗(yàn)采樣時(shí)間間隔為1s，時(shí)間很短，因此將相鄰采樣點(diǎn)之間很短時(shí)間段內(nèi)的平均加速度確定為前采樣點(diǎn)的加速度值。將處理好的整體路譜采集數(shù)據(jù)（速度—時(shí)間歷程）輸入程序進(jìn)行計(jì)算，得到三輪摩托車實(shí)際道路行駛的整體特征參數(shù)。所得到的三輪摩托車的全部路譜數(shù)據(jù)的行駛特征計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 三輪摩托車實(shí)際行駛特征計(jì)算結(jié)果

三輪摩托車實(shí)際道路行駛特征及其分布規(guī)律研究的一個(gè)重要目的，就是以實(shí)際摩托車路譜數(shù)據(jù)、分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)，開發(fā)合成一個(gè)能夠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)再現(xiàn)的代表中國(guó)城市道路行駛特征的排放行駛循環(huán)。開發(fā)合成該循環(huán)的主要過程如下。

（1）對(duì)試驗(yàn)所得到的大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，得到各種道路類型上每一行駛段的特征參數(shù)。

（2）通過對(duì)各個(gè)采樣點(diǎn)的參數(shù)和各個(gè)行駛段的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到基于全部采樣數(shù)據(jù)和全部測(cè)試段的特征參數(shù)的平均值。

（3）按照行駛段的平均行駛時(shí)間以及目標(biāo)循環(huán)的時(shí)間要求來確定合成循環(huán)所需的行駛段的數(shù)目。

（4）從全部數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽出所需段數(shù)的行駛段數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)其特征參數(shù)，并與全部測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行比較，看其相對(duì)誤差是否在所給定的誤差范圍內(nèi)。

（5）若不滿足要求，則放棄此次計(jì)算，重新抽取所需段數(shù)的行駛段數(shù)據(jù)，直到相對(duì)誤差滿足要求為止，則由這些行駛段所構(gòu)成的速度—時(shí)間變換關(guān)系即為所合成的行駛循環(huán)。

實(shí)際計(jì)算中，以國(guó)四工況循環(huán)每部分的運(yùn)行時(shí)間600s為合成循環(huán)的目標(biāo)時(shí)間。選定怠速比例、加速比例、平均速度等11個(gè)特征參數(shù)作為判別合成是否成功的依據(jù)，各參數(shù)相對(duì)誤差值最小時(shí)即為理想合成工況循環(huán)，其中各工況比例和平均速度為重要限值參數(shù)，要求相對(duì)誤差最小。如果當(dāng)11個(gè)特征參數(shù)數(shù)值與總體的數(shù)值誤差在5%以內(nèi)，即認(rèn)為該備選行駛工況能夠代表所采集的總體行駛實(shí)際工況，該備選行駛工況即為合成的三輪摩托車行駛工況。

圖1 為最終開發(fā)合成的三輪摩托車工況循環(huán)的速度—時(shí)間曲線，表2為三輪摩托車工況循環(huán)的行駛特征參數(shù)。

圖1 合成三輪摩托車工況行駛循環(huán)

表2 合成的三輪摩托車行駛工況的特征參數(shù)

3??結(jié)果分析

結(jié)合圖2、表3對(duì)三輪摩托車特征參數(shù)進(jìn)行分析，可以看出，實(shí)際合成的三輪摩托車行駛工況與國(guó)四工況相差很大。國(guó)四正三輪摩托車排放行駛工況采用ECE R40循環(huán)，其與我國(guó)三輪摩托車的實(shí)際行駛狀況相差很大。采用國(guó)四工況來評(píng)估我國(guó)正三輪摩托車的實(shí)際排放并不合適。

實(shí)際合成的三輪摩托車行駛工況與國(guó)四工況（ECE R40工況）相差很大，行駛特征中除了“平均運(yùn)行速度”、“勻速平均速度”、“減速平均速度”比較接近外，其他8個(gè)參數(shù)均相差很大。

從比例特征分析，合成循環(huán)的“怠速比例”遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)四工況，只有國(guó)四工況的54.7%。而“加速比例”、“減速比例”、“勻速比例”均分別高于國(guó)四工況22.26%、16.8%、25.03%。“怠速比例”低、“勻速比例”高，可能是由于我國(guó)許多大城市相繼限制摩托車在市區(qū)道路上行駛，因此中國(guó)摩托車城市道路行駛大部分是在中小城市進(jìn)行，這些沒有“限摩”的中小城市，人口密度較小，交通流量相應(yīng)就較小，再加上近些年城市道路的拓寬改造及立體交通建設(shè)，使得這些城市的三輪摩托車行駛在路口等待的時(shí)間不斷減少，行駛較為暢通，反映在特征參數(shù)上就是怠速比例低，勻速比例高。

從速度特征看，合成循環(huán)的“平均運(yùn)行速度”和 “平均速度”均高于國(guó)四工況，也說明路況較好，可能是我國(guó)三輪摩托車主要在中小城市及大城市郊區(qū)行駛有關(guān)。

表3 三輪摩托車實(shí)際合成工況與國(guó)四工況特征參數(shù)對(duì)比

從加速特性來看，“平均加速度”、“平均減速度”均低于國(guó)四循環(huán)，只有國(guó)四循環(huán)的63%左右。這可能是由于我國(guó)的三輪摩托車主要以載貨為主、性能相對(duì)較差。

國(guó)2?國(guó)四正三輪摩托車工況與合成工況循環(huán)對(duì)比

由于實(shí)際合成的三輪摩托車排放行駛循環(huán)是基于三輪摩托車實(shí)際道路行駛中采集的數(shù)據(jù)，能夠真實(shí)反映三輪摩托車的實(shí)際道路行駛特征，更符合我國(guó)三輪摩托車的實(shí)際行駛狀況。實(shí)際合成工況循環(huán)與三輪摩托車國(guó)四行駛工況差別較大，采用該行駛工況不能準(zhǔn)確評(píng)估我國(guó)三輪摩托車的實(shí)際排放值。由于該合成行駛工況是在大量三輪摩托車實(shí)際道路行駛特征數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上形成的一個(gè)極為接近真實(shí)行駛狀況的測(cè)試工況，更符合我國(guó)三輪摩托車的實(shí)際行駛狀況，采用該合成工況循環(huán)能夠準(zhǔn)確評(píng)估三輪摩托車的尾氣污染物排放。

4??結(jié)束語(yǔ)

由于實(shí)際合成的三輪摩托車排放行駛循環(huán)是基于三輪摩托車實(shí)際道路行駛中采集的數(shù)據(jù)，能夠真實(shí)反映三輪摩托車的實(shí)際道路行駛特征，更符合我國(guó)三輪摩托車的實(shí)際行駛狀況。實(shí)際合成工況循環(huán)與三輪摩托車國(guó)四行駛工況差別較大，采用該行駛工況不能準(zhǔn)確評(píng)估我國(guó)三輪摩托車的實(shí)際排放值。由于該合成行駛工況是在大量三輪摩托車實(shí)際道路行駛特征數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上形成的一個(gè)極為接近真實(shí)行駛狀況的測(cè)試工況，更符合我國(guó)三輪摩托車的實(shí)際行駛狀況，采用該合成工況循環(huán)能夠準(zhǔn)確評(píng)估三輪摩托車的尾氣污染物排放。