不同工況循環(huán)下的輕型汽車排放和油耗特性研究

（中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶 401120）

引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，由汽車排放帶來的大氣環(huán)境污染和能源短缺問題日益嚴(yán)重。汽車測試工況循環(huán)是汽車產(chǎn)品研發(fā)、檢測、認(rèn)證的一項基礎(chǔ)技術(shù)，與汽車排放和油耗測試方法和限值標(biāo)準(zhǔn)直接相關(guān)。我國輕型汽車排放與油耗認(rèn)證測試一直沿用NEDC（新歐洲測試循環(huán)）工況，目前已逐漸不適應(yīng)我國復(fù)雜的道路環(huán)境以及怠速起停、制動回收等先進節(jié)能減排技術(shù)，導(dǎo)致排放與油耗認(rèn)證結(jié)果與實際值偏差越來越大。另外采用NEDC 工況進行純電動汽車的續(xù)駛里程結(jié)果與實際情況偏差較大，業(yè)界也在呼吁放棄NEDC 工況。為此我國引入WLTC（世界輕型車測試循環(huán)）工況，針對WLTC 工況存在的問題又制定了更適合中國國情的CLTC（中國輕型車測試循環(huán)）工況，當(dāng)前我國輕型車排放與油耗認(rèn)證正處于NEDC 和WLTC 并行、CLTC 逐步導(dǎo)入的特殊時期，因此研究3 種工況下的汽車排放與油耗特性很有必要。

1 汽車測試工況循環(huán)研究和發(fā)展現(xiàn)狀

工況循環(huán)作為汽車測試的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，能有效促進汽車節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展。每一種工況循環(huán)制定都直接反映本國和地區(qū)的地理環(huán)境和人民的交通出行狀況。當(dāng)前世界汽車測試工況循環(huán)主要包括3 大體系，即美國FTP75、歐洲NEDC 和WLTC、日本JS08 循環(huán)[1]。美國FTP75 是世界上最早和最嚴(yán)苛的測試工況，更接近瞬態(tài)和實際駕駛特征，應(yīng)用在美國、加拿大及南美一些國家。日本JS08 工況參照美標(biāo)并結(jié)合自身特點制定，偏重于低速和中速實際駕駛特征，應(yīng)用范圍僅限于日本，影響較小。歐洲NEDC工況主要是穩(wěn)態(tài)工況，與實際駕駛狀況偏離較遠，測試?yán)锍毯蜁r間較短，測試環(huán)境寬泛，不能真實地反映排放與油耗情況，主要應(yīng)用在歐盟以及一些發(fā)展中國家。WLTC 工況是WP.29（世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇）成立開發(fā)小組制定的世界輕型汽車測試工況，相比NEDC 工況更接近實際駕駛情況，但WLTC 工況平均速度較低，低速工況占比偏少和變化較弱，且未考慮環(huán)境溫度變化，不太符合我國實際工況。因此我國制定了更為接近中國實際道路狀況的中國工況CLTC，圖1 為NEDC、WLTC、CLTC 3 種工況循環(huán)曲線圖，表1 為3 種工況循環(huán)基本特征統(tǒng)計值。

圖1 3 種工況循環(huán)圖

表1 不同工況循環(huán)的基本特征統(tǒng)計

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗車輛

選取3 輛車況穩(wěn)定的進口汽車，試驗車輛參數(shù)見表2。

表2 試驗車輛參數(shù)

2.2 測試設(shè)備和方法

試驗用測試儀器設(shè)備信息見表3。

表3 試驗用設(shè)備

試驗方法：對3 輛試驗車輛分別在NEDC、WLTC、CLTC 工況循環(huán)下進行常溫冷起動后排氣污染物排放測試，其中環(huán)境條件、車輛狀態(tài)、阻力加載都統(tǒng)一按照GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》標(biāo)準(zhǔn)中的I 型試驗要求來進行[2]。每次試驗過程中要使用發(fā)動機信息采集軟件SILVER SCAN TOOL，通過讀取軟件的MODE1 信息來獲取發(fā)動機轉(zhuǎn)速、進氣量、機油溫度、負(fù)荷等數(shù)據(jù)，以便了解車輛在各工況循環(huán)下的運行差異。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 不同工況循環(huán)下的排放結(jié)果分析

圖2 是各工況下主要排放污染物的對比圖，從圖2 a 看出NEDC 工況下的THC 排放值相比WLTC和CLTC 工況下較大，原因是機動車排放因子結(jié)果的計算是由工況的每個階段的里程和時間加權(quán)而成，汽油車THC 排放主要集中產(chǎn)生在汽車?yán)鋯又蟮呐囯A段，NEDC 冷起動階段相對其他工況權(quán)重較大，導(dǎo)致其THC 排放值相對較高[3]。從圖2 b 看出WLTC 和CLTC 工況下CO 排放值要高于NEDC工況，主要原因是CO 排放主要產(chǎn)生在冷啟動和高速未完全燃燒階段，而WLTC 和CLTC 相對NEDC 偏重于瞬態(tài)工況，且WLTC 的最高速達到131 km/h，國五車輛標(biāo)定范圍未能全部覆蓋速度區(qū)間。從圖2 c 看出各工況下汽油車的NOx排放總體較小，基本都能滿足限值要求。從圖2 d 和e 看出NEDC 工況下相比WLTC 和CLTC 工況下PM 和PN 結(jié)果較小，缸內(nèi)直噴車型相比多點電噴車型的PM 和PN 較大，而且國五車型相比國六車型PM 和PN 排放明顯超標(biāo)且未能滿足國六限值。主要因為NEDC 偏重于穩(wěn)定工況，核查發(fā)現(xiàn)該國六車型裝有GPF，而國五進口車由于所在國排放標(biāo)準(zhǔn)對于PM 控制要求寬泛且對PN 控制缺失?？傮w上看，汽油車排放污染物受后處理凈化技術(shù)包括催化轉(zhuǎn)化器、顆粒捕集器等的影響較大，與其工況關(guān)系不大。

3.2 不同工況循環(huán)下的油耗結(jié)果分析

圖2 不同工況循環(huán)下的排放結(jié)果

圖3 為不同工況循環(huán)下的油耗對比圖，從圖中可以看出不同工況循環(huán)下的油耗結(jié)果有明顯的差異，其中WLTC 與NEDC 工況下油耗互有高低且相差不大，CLTC 工況下油耗最大，與車輛實際運行中的油耗最為接近，也進一步驗證了NEDC 工況下油耗不真實且與實際道路中偏差較大的問題。圖中還可看出樣車1 和2 各工況下油耗變化更為明顯，說明增壓車型油耗對于工況的影響相比自然吸氣車型更大。從2019 年7 月1 日起，我國一些城市地區(qū)就提前實施國六標(biāo)準(zhǔn)，2020 年7 月1 日起全面實施國六標(biāo)準(zhǔn)，后續(xù)市場上主要都是國六車型，現(xiàn)選取國六車型樣車1 進行油耗排放分析。

圖3 不同工況循環(huán)下的油耗結(jié)果

圖4 不同工況循環(huán)下的各速度段油耗結(jié)果

圖4 為不同工況循環(huán)下的各速度段油耗結(jié)果，圖5 為不同工況循環(huán)下的CO2排放瞬態(tài)結(jié)果圖，從圖中看出3 種工況下中低速度段（NEDC 的ECE15段，WLTC 的中低速段，CLTC 工況的低速段）的油耗隨著速度增大而降低，此時中低速度段處在模擬城市路況，油耗受停車怠速、汽車附件消耗、制動能量損耗影響更大。在3 種工況的中高速段（NEDC 的EUDC 段，WLTC 的中高速段，CLTC 的中速段）模擬的是市郊工況，該狀況下發(fā)動機功率和轉(zhuǎn)速提高，處于工作高效區(qū)，油耗相比中低速段較小。從圖中看出WLTC 循環(huán)下超高速段相對自身中高速段油耗最大，是因為車輛在高速下的行駛阻力由滾動阻力變?yōu)橛煽諝庾枇χ鲗?dǎo)，且阻力與速度成平方關(guān)系，因此油耗會顯著增加。

圖5 不同工況循環(huán)下的CO2排放瞬態(tài)圖

從圖4 看出NEDC 工況低速段百km 油耗相對于其他工況低速段最低，主要因為NEDC 工況具有較大比例的怠速和等速工況，在城市循環(huán)段的速度變化平穩(wěn)且呈現(xiàn)周期性變化，見表1 和圖5。從圖4看出WLTC 循環(huán)超高速段比CLTC 循環(huán)高速段的百km 油耗要高。這是因為兩者模擬的工況雖然都為高速路上行駛，但由于各循環(huán)速度分配比例和各循環(huán)速度及加速度占比不同，WLTC 循環(huán)超過100 km/h的工況所占時間明顯多于CLTC 循環(huán)，見表1 和圖5。

4 結(jié)論

工況循環(huán)作為車輛排放與能耗測試方法和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，是汽車主要性能指標(biāo)標(biāo)定優(yōu)化的依據(jù)。通過對選取樣車進行試驗，得出如下結(jié)論和建議：

1）輕型車在不同工況循環(huán)下的排放結(jié)果有一定差異，但是主要與車輛排放控制后處理裝置有關(guān)，與試驗運行工況循環(huán)關(guān)系較小。

2）輕型車在不同工況循環(huán)下的油耗結(jié)果差異明顯，受運行工況循環(huán)影響較大，CLTC 工況油耗與車輛實際油耗更為接近，增壓車型油耗相比自然吸氣車型油耗受工況循環(huán)影響更大。

3）建議未來工況循環(huán)的切換要考慮現(xiàn)實、循序漸進，且未來排放和油耗測試采用同一工況，增加認(rèn)證的客觀性，同時主機廠在下階段排放和油耗控制技術(shù)路線上提前考慮應(yīng)對。