窗口劃分方法對輕型車道路排放計算結果的影響＊

馬志磊 何超 李加強

（西南林業大學，昆明 650224）

1 前言

實驗室排放測試（Ⅰ型試驗）不能完全真實地反映汽車道路排放水平，故歐盟開發了實際行駛排放（Real Driving Emission，RDE）測試程序[1-3]，參考歐盟法規，國六排放法規也首次加入實際行駛污染物排放試驗（Ⅱ型試驗）[4]，以期減少道路交通排放，改善空氣污染狀況[5]，并規定使用移動平均窗口法計算Ⅱ型試驗的排放結果。

目前，針對輕型車RDE試驗已開展了以下研究：進行不同動力裝置與燃料汽車的RDE 試驗，使用移動平均窗口法處理數據，并研究各類汽車的排放特性[6]；進行不同海拔下的輕型車RDE試驗并使用移動平均窗口法處理數據，研究排放隨海拔的變化關系[7]；對輕型車熱起動、冷起動時的排放數據納入窗口計算后的排放結果變化進行研究[8]；使用功率等級分組法、移動平均窗口法處理輕型車RDE 試驗數據，分析不同數據處理方法對排放計算結果的影響[9]。也有部分研究探討了重型車使用的功基窗口法，研究了窗口數值的大小對排放計算結果的影響[10]。法規允許使用2種窗口劃分方法，即從前向后劃分窗口和從后向前劃分窗口，本文按照RDE 試驗要求，在3輛輕型車上完成道路試驗并分別使用2種窗口劃分方法處理數據，研究其對排放計算結果的影響。

2 道路試驗與劃分窗口

2.1 道路試驗

按照GB 18352.6—2016《輕型車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》中的實際行駛污染物排放試驗（Ⅱ型試驗）要求，分別在3輛輕型車上進行道路排放測試，使用SEMTECH公司的ECOSTAR汽車尾氣測試儀測量道路行駛中的CO2、CO、NOx與顆粒物排放，使用GPS采集汽車行駛的地理數據及車速，連接車載診斷接口采集發動機與汽車運行數據，各數據的采樣頻率為1 Hz。3輛試驗車均使用渦輪增壓發動機，燃用92號汽油，排放標準為國六，基本參數如表1所示。

表1 試驗車參數

根據國家標準的要求，分別駕駛試驗車在市區、市郊、高速道路上行駛，各路段行駛里程比例分別為34%、33%與33%，各路段比例誤差控制在10%以內，同時確保市區里程比例不低于29%，各路段行程不少于16 km。市區道路車速控制在60 km/h以內，平均車速15～40 km/h；市郊道路車速范圍為60～90 km/h；高速路段車速大于90 km/h，并覆蓋90～110 km/h 的車速范圍，車速高于100 km/h的時間應達到5 min。按照市區、市郊、高速道路的順序完成測試。

2.2 劃分窗口

移動平均窗口法先將所有測試結果根據一定要求分割成諸多數據子集（窗口），再計算各窗口中的平均排放，最后通過判斷各窗口的正常性，加權計算得到各路段的排放因子、總行程的排放因子。使用移動平均窗口法處理數據，可以減少排放計算結果的波動，減少某些不正常數據點對計算結果的影響。

國家標準中允許使用2種窗口劃分方法，一種是從試驗數據的第1點向后計算并劃分窗口，另一種是從最后1點向前計算并劃分窗口。

向后計算劃分出第i個窗口的方法如圖1 所示，該窗口由式（1）確定：

式中，M(t1,i)、M(t2,i)分別為從試驗開始時刻至t1,i、t2,i時刻內測得的CO2累計排放質量；t1,i、t2,i為第i個窗口的起、止時間；Mref為參考CO2質量，取值為Ⅰ型試驗車輛實際排放CO2質量的一半。

圖1 向后計算劃分方法

設Δt為數據采樣周期，t2,i可根據式（2）確定：

從最后1 點向前計算并劃分第i個窗口的方法如圖2所示，該窗口由式（3）確定：

圖2 向前計算劃分方法

使用2種窗口劃分方法得到的窗口數量信息如表2所示，可以看出向后計算劃分得到的窗口數更多。

表2 2種窗口劃分方法得到的窗口數量 個

各窗口內包含的數據點數量如圖3 所示。向后計算并劃分窗口時，隨著窗口序號增加，窗口內包含的數據點數量呈減少趨勢。由于道路排放試驗按照市區、市郊、高速道路的順序進行，發動機負荷、轉速逐步上升，CO2排放量依次升高，靠后的窗口只需較少的數據點即可使累加的CO2排放量達到參考CO2質量，劃分為一個窗口，故可劃分出更多的窗口。

圖3 各窗口內包含的數據數量

同理，向前計算時，隨著窗口序號增加，窗口內包含的數據點數量呈增加趨勢。

3 排放計算與結果分析

3.1 排放計算

計算劃分出的各窗口內的平均車速、CO2排放因子，可得到車輛CO2特性曲線，如圖4所示。將窗口平均車速小于45 km/h 的窗口定義為市區窗口，平均車速在[45,80)km/h 范圍內的窗口定義為市郊窗口，平均車速不小于80 km/h的窗口定義為高速窗口。在圖上作出基準線、基本公差、擴展公差，并判斷窗口正常性，計算各路段、總行程的加權排放。

設置3個參考點P1～P3，得到基準線：P1點橫坐標為19 km/h（WLTC工況低速段平均速度），縱坐標為試驗車輛WLTC 低速段CO2排放因子的1.2 倍；P2點橫坐標為56.6 km/h（WLTC工況高速段平均速度），縱坐標為試驗車輛WLTC高速段CO2排放因子的1.1倍；P3點橫坐標為92.3 km/h（WLTC工況超高速段平均速度），縱坐標為試驗車輛WLTC超高速段CO2排放因子的1.05倍。

基本公差為基準線分別向上、下浮動25%，擴展公差為基準線分別向上、下浮動50%。從圖4 可以看出，3 輛試驗車的CO2特性曲線基本落在基本公差帶內。基本公差帶內窗口的各污染物排放因子權重w=1，擴展公差帶以外窗口的各污染物排放因子的權重w=0。基本公差與擴展公差之間窗口的各污染物排放因子的權重為：

式中，Mi為基本公差與擴展公差之間的窗口i內的CO2排放因子；為窗口i內的平均車速Vˉi所對應的基準線上的CO2排放因子。

圖4 車輛CO2特性曲線

各路段的加權排放因子為：

式中，Mgas,k、MPN,k分別為市區、市郊、高速路段加權的氣態污染物排放因子和顆粒物排放因子；Mgas,i、MPN,i分別為各窗口內的氣態污染物排放因子、顆粒物排放因子；u、r、m分別代表市區、市郊、高速路段。

總行程排放因子為：

式中，Mgas,t為總行程的氣態污染物排放因子；fu=0.34、fr=0.33、fm=0.33 分別為市區、市郊、高速路段權重；MPN,t為總行程的顆粒物排放因子。

3.2 排放結果分析

使用移動平均窗口法計算得到3輛試驗車市區、市郊、高速路段與總行程的CO排放因子，如圖5所示。除車輛1 市郊工況外，向前計算并劃分窗口得到的CO 排放因子均較向后計算時低。

圖5 CO排放因子對比

市區、市郊、高速路段與總行程的NOx排放因子如圖6 所示。除車輛3 高速工況外，向前計算得到的NOx排放因子均較向后計算時低。

市區、市郊、高速路段與總行程的顆粒物排放因子如圖7 所示。除車輛1 市郊工況、車輛3 高速工況外，向前計算得到的顆粒物排放因子均較向后計算時低。

使用2 種數據處理方法得到的總行程CO、NOx、顆粒物排放因子如表3所示，使用向前計算并劃分窗口的方法時，所得到的CO、NOx、顆粒物排放因子分別平均較向后計算時低7.79%、1.41%、4.71%。

圖6 NOx排放因子對比

圖7 顆粒物排放因子對比

道路試驗中采集的各數據點進入窗口被使用的次數如圖8所示。向后計算時，首先使用最前端的數據點作為第1 個窗口的起始點，窗口起始點逐步后移，因此第1個數據點僅使用1次、第2個數據點僅使用2次，以此類推，前端數據點進入窗口次數線性上升，直至第1個窗口的終點。

向后計算時，市郊、高速路段的部分數據點使用次數較向前計算時多。且由于前端（市區）數據點的CO2排放量較小，在中、后端的窗口中，雖然窗口的起始點不斷向后推移，但窗口終點會滯留在某CO2排放量較大的數據點上，且能夠一直使窗口內累加的CO2排放量達到參考CO2質量。在窗口起點向后推移多次后，窗口內累加的CO2排放量不再滿足參考CO2質量要求時，窗口終點才會向后推移。在窗口終點滯留過程中，該CO2排放量較大的市郊、高速數據點中的污染物排放量在窗口中所占的比重逐漸變大。汽車在市郊、高速路段行駛時發動機轉速、負荷較市區路段行駛時高，道路排放有上升的趨勢，使向后計算時的排放結果偏高。

表3 總行程排放因子計算結果對比

圖8 各數據點在窗口法計算中被使用次數

同理，向前計算時，市區路段數據點的使用次數較多，而市郊、高速路段數據點的使用次數偏少。

4 結論

a.按照市區、市郊、高速道路的順序完成輕型車道路試驗，使用向后劃分窗口的方法時，靠后的窗口內只需要較少的數據點即可使累加的CO2排放量達到參考CO2質量，可使窗口起始點更為靠后，得到的窗口數量較向前劃分窗口時多。

b.使用向前劃分窗口的方法時，所得到的CO、NOx、顆粒物排放因子分別平均較向后劃分窗口計算時低7.79%、1.41%、4.71%。

c.使用向后劃分窗口的方法時，市郊、高速工況數據點進入窗口的次數較向前劃分窗口時多，且窗口起始點后移過程中，窗口終點會滯留在某CO2排放量較大的市郊、高速數據點上，使市郊、高速數據點中的污染物排放量在窗口排放計算中占有更高比重。

d.向前劃分窗口對滿足實際行駛污染物排放試驗（Ⅱ型試驗）的要求比較有利。但也可以通過統一窗口劃分方法，消除計算結果的差別對認證的影響。