WLTC與NEDC循環(huán)的排放相關(guān)性測試

鄭從興，劉顯貴，穆勁松，李奮杰

（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門環(huán)境保護(hù)機(jī)動車污染控制技術(shù)中心，福建 廈門 361024）

WLTC與NEDC循環(huán)的排放相關(guān)性測試

鄭從興1，2，劉顯貴1，穆勁松2，李奮杰1

（1.廈門理工學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 廈門 361024；2.廈門環(huán)境保護(hù)機(jī)動車污染控制技術(shù)中心，福建 廈門 361024）

針對當(dāng)前歐盟提出的輕型車測試循環(huán)工況WLTC和日益嚴(yán)格的法規(guī)要求，為驗(yàn)證WLTC與NEDC測試工況對汽車排放影響的差異性特點(diǎn)，分別基于上述兩種循環(huán)工況采用BMD（部分流采樣系統(tǒng)）進(jìn)行排放對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在兩種工況法中，THC排放速率相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)r2達(dá)到0.95，NOx次之，r2為0.79，CO和CH4排放速率的相關(guān)系數(shù)r2分別為0.72和0.78，CO2最差，r2為0.67；兩種不同供油模式以及兩種不同排放水平對不同污染物排放速率相關(guān)性的影響不同，THC和CO2基本不受影響，CO和NOx影響較大；兩工況冷啟動階段排放占比都較大，THC占94.7%，CH4占75.1%，CO占63.6%，NOx占65.1%，冷啟動排放控制至關(guān)重要；高速度段WLTC工況下CO2占35.25%，NEDC工況下CO2占24.47%，未來CO2排放及油耗監(jiān)管將會加強(qiáng)；可為正在制定的國VI排放標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

輕型汽車；排放；NEDC；WLTC；相關(guān)性

0 引 言

測試工況是汽車油耗、排放的評價(jià)基礎(chǔ)，當(dāng)前我國采用的測試工況法規(guī)是歐盟的新歐洲行駛循環(huán)（NEDC）[1]，但隨著環(huán)境問題的愈發(fā)嚴(yán)重，必須采用更加嚴(yán)格的法規(guī)對排放進(jìn)行控制。歐盟在WP.29框架下提出了全球統(tǒng)一輕型車測試程序（WLTP），擬于2017年采用該工況代替現(xiàn)存的NEDC，而我國作為其協(xié)議簽署國，根據(jù)有關(guān)規(guī)定，下一階段法規(guī)的制定也可能將采用全球輕型車測試循環(huán) （WLTC），因此，對WLTC工況的研究，尤其是NEDC與WLTC相關(guān)性研究變得刻不容緩。

目前國內(nèi)關(guān)于WLTC工況的文獻(xiàn)主要是對工況本身介紹，R.Suarez-Bertoa等[2]研究了WLTC下火花點(diǎn)火器中氨氣的排放；葉松等[3]介紹了當(dāng)前各國所采用的法規(guī)工況，并對WLTC、NEDC等工況進(jìn)行了理論分析；郭紅松等[4]為了研究辛烷值改進(jìn)劑和工況對GDI車型的影響，對比分析了NEDC、WLTC和FTP75工況下非常規(guī)污染物排放情況；Choi等[5]也在WP.29框架下，研究了韓國關(guān)于推動國際標(biāo)準(zhǔn)化模式的輕型汽車排放測試方法；Peter Mock等[6]研究了WLTC如何影響燃料油耗值；Alessandro Marotta等[7]研究了從NEDC工況轉(zhuǎn)變到WLTC工況，其尾氣排放的變化。在處理方法上，陳桂生等[8]著重研究了相關(guān)性的處理與結(jié)果在能力評定中的可靠性；付海超等[9]對GDI與FPI汽油車顆粒排放特性做了相關(guān)試驗(yàn)研究；葛蘊(yùn)珊等[10]對在用汽油車瞬態(tài)工況排放測試方法進(jìn)行了研究。通過以上研究可以看出，對于WLTC工況下各污染物的排放情況，以及不同供油方式下各污染物的排放情況，尤其是對整個(gè)工況分解后的每一個(gè)階段與排放污染物之間關(guān)聯(lián)還未見報(bào)道；因此，本文針對NEDC和WLTC，闡述了其不同，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的對比試驗(yàn)研究，采用先進(jìn)的部分流采樣系統(tǒng)（BMD）進(jìn)行排氣取樣，通過數(shù)據(jù)分析，得出WLTC工況對未來法規(guī)所帶來的影響，為整車廠的技術(shù)路線及標(biāo)定提供參考。

1 工況解析

由NEDC及WLTC工況循環(huán)曲線（見圖1）與具體解析對比 （見表1）可知：NEDC工況適用于最大總質(zhì)量不超過3.5t的M1、M2和N1類汽車，循環(huán)包括兩部分，一部模擬低速，低負(fù)荷城區(qū)工況，時(shí)長780 s；二部模擬高速行駛工況，時(shí)長400 s；兩部分總時(shí)長1180s，根據(jù)法規(guī)，加權(quán)里程自帶權(quán)重系數(shù)，無調(diào)整權(quán)重[1]：

圖1 工況曲線對比圖

表1 工況解析對比表

式中：XNEDC——NEDC工況排放結(jié)果；

XI——NEDC工況第1部分排放結(jié)果；

XII——NEDC工況第2部分排放結(jié)果。

WLTC按照功率質(zhì)量比（PMR）和最高車速將車輛進(jìn)行分類，主要包括4段，一般情況下，乘用車主要選擇WLTC（3）和WLTC（4）[3]。其對排放的加權(quán)只有里程自帶權(quán)重系數(shù)，也無調(diào)整權(quán)重：

式中：XWLTC（3）——WLTC（3）段排放結(jié)果；

XWLTC（4）——WLTC（4）段排放結(jié)果；

XI——WLTC工況第1部分排放結(jié)果；

XII——WLTC工況第2部分排放結(jié)果；

XIII——WLTC工況第3部分排放結(jié)果；

XIV——WLTC工況第4部分排放結(jié)果。

WLTC最高速度131.3km/h，高于NEDC最高速度（120 km/h）；WLTC（4）耗時(shí)1800s，長于NEDC耗時(shí)（1180s），WLTC平均車速46.54km/h，高于NEDC平均車速（33.68km/h）。圖1還顯示W(wǎng)LTC較NEDC增加了額外的高速段，減少低速段的怠速比例，增加了最大加速度，但加速度強(qiáng)度明顯減弱，即處于高加速的時(shí)間明顯較短，同時(shí)其處于高速狀態(tài)時(shí)間明顯加長。

2 試驗(yàn)車輛及布置

2.1 試驗(yàn)車輛

根據(jù)GB/T 18352.5——2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法》[1]規(guī)定，試驗(yàn)車輛全部選用輕型汽油車，為使所選車輛具有代表性，車輛的選擇從供油方式、排放標(biāo)準(zhǔn)、排量等方面進(jìn)行綜合考慮。選用10輛試驗(yàn)車，根據(jù)供油方式劃分，選取當(dāng)前主流的兩種供油方式GDI和PFI各5輛；根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)劃分，選取了具有國IV和國V兩種排放水平各5輛；根據(jù)排放劃分，1.6L以下車輛4輛，1.6～2.0L車輛4輛，2.0L以上車輛2輛。

2.2 測試設(shè)備

本試驗(yàn)采用的分析設(shè)備是奧地利AVL提供的AMA i60排氣采樣分析系統(tǒng)，BMD部分流采樣系統(tǒng)，PSS i60LD顆粒采樣系統(tǒng)，底盤測功機(jī)以及德國Intech環(huán)境倉等。BMD是受EPA認(rèn)可的先進(jìn)部分流采樣系統(tǒng)，其原理是基于純凈氣體定比稀釋，對每個(gè)氣袋按比例進(jìn)行采樣，相較于CVS可以消除背景空氣質(zhì)量的影響，且具有可選的稀釋比例，同時(shí)不必對背景空氣中的污染物濃度進(jìn)行補(bǔ)償[11]。具體設(shè)備參數(shù)如表2所示。

表2 設(shè)備參數(shù)

2.3 試驗(yàn)方案

為了測量顆粒物的排放，在試驗(yàn)前15h對試驗(yàn)車進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，即連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)NEDC循環(huán)，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)的車輛還需在環(huán)境倉中進(jìn)行預(yù)處理6h以上直至發(fā)動機(jī)既有溫度和冷卻液溫度達(dá)到室內(nèi)溫度的±2℃范圍內(nèi)，即（25±2）℃，然后按照GB/T 18352.5——2013規(guī)定進(jìn)行I型試驗(yàn)，由于WLTC相關(guān)法規(guī)尚不完全，暫按I型試驗(yàn)要求。本試驗(yàn)所用燃油為同一批次國IV和國V基準(zhǔn)油。為保證試驗(yàn)的重復(fù)性，每輛車NEDC和WLTC各運(yùn)轉(zhuǎn)3次。

3 結(jié)果分析

3.1 WLTC工況法與NEDC工況法污染物排放速率的相關(guān)性

為了研究供油模式以及燃油對兩工況污染物排放速率相關(guān)性的影響，處理方法參考類似文獻(xiàn)[12]，對其相關(guān)性進(jìn)行處理。

圖2為GDI供油模式下，WLTC工況法與NEDC工況法間污染物排放速率（即每s污染物排放量）的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，2種方法下THC、CO、CO2、NOx和CH4排放速率的相關(guān)性系數(shù)（r2）均在0.6以上，其中THC排放速率的r2最大，達(dá)到0.9159，CH4排放速率的r2次之，達(dá)到0.8025，CO和NOx排放速率的r2分別為0.7423，0.7632，CO2排放速率的相關(guān)性最差，r2為0.6384。圖3為FPI供油模式下WLTC工況法與NEDC工況法間污染物排放速率 （即每s污染物排放量）的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，2種方法下，THC排放速率的r2為0.933 2，CO2次之，r2僅為0.6597，CH4和NOx排放速率的r2分別為0.5577和0.5492，CO排放速率的相關(guān)性最差，r2為0.5187。導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果差異的主要原因是車輛試驗(yàn)循環(huán)工況的不同以及供油模式的不同。

圖4為國IV燃油下WLTC工況法與NEDC工況法間污染物排放速率（即每s污染物排放量）的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，2種方法下，THC排放速率的r2為0.977 5，NOx次之，r2為0.866 7，CH4和CO2排放速率的r2分別為0.8365和0.7176，CO排放系數(shù)的相關(guān)性最差，r2為0.6642。圖5為國V燃油下WLTC工況法與NEDC工況法間污染物排放速率（即每s污染物排放量）的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果。由圖可知，2種方法下，THC排放速率的r2為0.986 1，NOx次之，r2為0.976 1，CH4和 CO排放速率的 r2分別為0.955和0.941 3，CO2排放速率的相關(guān)性最差，r2為0.67。導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果差異的主要原因是車輛試驗(yàn)循環(huán)工況的不同，所用燃油的不同以及排放水平的不同。

圖4 國IV燃油下WLTC與NDEC工況間污染物排放速率的相關(guān)性

圖5 國V燃油下WLTC與NDEC工況間污染物排放速率的相關(guān)性

3.2 特征排放段

圖6顯示，在兩種工況下，冷啟動排放占比都較大，THC占94.7%，CH4占75.1%，CO占63.6%，NOx占65.1%，CO2僅占11.47%；針對THC和CO2，WLTC工況下排放和NEDC工況下排放占比基本相當(dāng)，而對于CO和NOx，NEDC工況下排放占比明顯高于WLTC工況，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是冷啟動時(shí)，溫度較低，燃料燃燒所需溫度達(dá)不到要求，缸內(nèi)混合氣濃度過濃，氧濃度過低，因此大量THC未燃燒以及未充分燃燒，同時(shí)導(dǎo)致缸內(nèi)CO排放增加，CO產(chǎn)生的原因主要是THC的不完全燃燒，NOx產(chǎn)生的主要原因是氧濃度過低，而在冷啟動后的180 s內(nèi)，WLTC怠速起停次數(shù)只有2次，NEDC卻有4次。

圖6 WLTC與NEDC工況法間污染物特征段排放百分比

高加速度段，NEDC工況下THC、CO、CO2和NOx的排放占比明顯大于WLTC工況下的排放，THC變化較大，CO次之，NOx和CO2相當(dāng)，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是，雖然WLTC平均加速度和最大加速度大于NEDC，但WLTC加速度強(qiáng)度較弱，即處于高加速的時(shí)間明顯少于NEDC，而THC對加速度較敏感。

高速度段的各氣態(tài)排放污染物的排放差異性相對復(fù)雜。WLTC工況下THC、NOx、CH4、CO和CO2排放占比均較NEDC工況下THC、NOx、CH4、CO和CO2排放占比大，WLTC工況下 CO2占 35.25%，NEDC工況下CO2占24.47%，造成這一現(xiàn)象的主要原因是WLTC工況較NEDC工況增加了額外的超高速段，處于高速度的時(shí)間明顯長于NEDC，而CO2對高速度比較敏感。

4 討 論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，WLTC工況法與NEDC工況法在不同污染物排放系數(shù)之間的差距是不同的。針對THC和CO2，在兩種供油模式以及兩種排放水平下，其排放系數(shù)的r2均較穩(wěn)定。而CO和NOx在兩種供油模式以及兩種排放水平下，其排放系數(shù)的r2均變化較大。導(dǎo)致其相關(guān)性差異的主要原因：

1）WLTC工況法相較于NEDC工況法主要是增加了超高速段部分，該速度段主要影響CO以及NOx的排放，而THC和CH4排放基本來自冷啟動的開始階段，CO2在兩種工況下排放都較為穩(wěn)定。

2）GDI供油模式主要采用稀薄燃燒技術(shù)，相較于FPI供油模式更易使尾氣中氧濃度升高、CO濃度降低；同時(shí)GDI模式采用高效的三效催化劑，在富氧條件下會使得NOx的氧化還原發(fā)生較大的變化，降低了WLTC工況較NEDC工況增加的高速度段所帶來的影響。因此，GDI供油模式下，各排放污染物排放速率的相關(guān)性較FPI模式下好。

3）國V排放策略主要技術(shù)目的之一是降低NOx排放，因此會采用高效催化劑，該催化劑對NOx的影響較大，而國V排放水平下所采用技術(shù)策略同樣能降低WLTC工況較NEDC工況增加的高速度段所帶來的影響，因此各排放污染物排放速率的相關(guān)性較國IV排放水平下好。

5 結(jié)束語

1）在兩種工況法中，THC排放速率相關(guān)性最好，r2達(dá)到0.95，NOx次之，r2為0.79，CO和CH4排放速率的相關(guān)系數(shù)r2分別為0.72和0.78，CO2排放速率相關(guān)性最差，r2也達(dá)0.67以上。

2）在兩種工況法中，兩種不同供油模式以及兩種不同排放水平對不同污染物排放速率相關(guān)性的影響是不同的，THC和CO2基本不受影響，CO和NOx影響較大。

3）兩種工況下，THC、CO和NOx3種污染物的排放均集中冷啟動段，THC占94.7%，CH4占75.1%，CO占63.6%，NOx占65.1%，CO2僅占11.47%，因此冷啟動排放至關(guān)重要。

4）高加速段，NEDC工況下THC、CO和NOx的排放占比明顯大于WLTC工況下的排放，CO2排放占比相當(dāng)。

5）高速段，WLTC工況下 THC、CO、NOx、CH4和CO2排放占比均大于NEDC工況下排放占比，WLTC工況下CO2占35.25%，NEDC工況下CO2占24.47%，且WLTC工況處于高速度的時(shí)間較長，絕對排放量較多，表明WLTC工況對CO2的排放監(jiān)管將會加嚴(yán)，因此未來企業(yè)對于汽車排放污染控制也應(yīng)著重考慮高速狀態(tài)下CO2排放的控制以及CO2和油耗之間的正比關(guān)系，現(xiàn)存對CO2排放的管控還不夠成熟，整車廠下一步排放控制技術(shù)路線也必須考慮這一點(diǎn)。

[1]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）：GB/T 18352.5—2013[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2013.

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（編輯：莫婕）

Emission correlation test of WLTC and NEDC cycles

ZHENG Congxing1，2，LIU Xiangui1，MU Jingsong2，LI Fenjie1
（1.School of Mechanical&Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Xiamen Environment Protection Vehicle Emission Control Technology Center，Xiamen 361024，China）

Comparative test is carried out using BMD under testing conditions WLTC and NEDC，in verification of influence disparities on vehicle emission under WLTC and NEDC，and in response to WLTC proposed by European Union and increasingly stringent laws and regulations at present.Results show that，under the two testing conditions，the emission rate of THC has the best correlation and r2reaches 0.95，NOxtakes the second place with r2reaching 0.79.r2of CO and CH4emission correlation are 0.72 and 0.78 respectively.CO2has the worst emission rate correlation with r2of 0.67.Two different fuel supply modes and emission levels show different influence on the correlation of emission rate of different pollutants.THC and CO2are barely affected，while CO and NOxare greatly affected.Emissions under both testing conditions at the cold start stage account for a considerable proportion，94.7%for THC，75.1%for CH4，63.6% for CO，and 65.1%for NOx.Thus cold start emission control is crucial.At a high speed period，CO2accounts for 35.25% under WLTC and 24.47%under NEDC.The administration of CO2emission and fuel consumption will be strengthened in the future.The result of this research serves as a reference for the making of national VI emission standards.

light vehicle；emission；NEDC；WLTC；correlation

A

：1674-5124（2016）12-0022-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.12.005

2016-01-29；

：2016-03-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61104225）

鄭從興（1992-），男，江西九江市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)槠囆阅茉囼?yàn)與檢測。

劉顯貴（1973-），男，江西都昌縣人，教授，博士，研究方向?yàn)槠噭恿W(xué)及排放控制。