重型柴油車基于底盤測(cè)功機(jī)法冷起動(dòng)油耗及排放研究

徐達(dá) 楊聰 金鈍 冷浩浩

摘要：為完成我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)，貫徹落實(shí)“堅(jiān)持綠水青山就是金山銀山理念”，機(jī)動(dòng)車節(jié)能減排工作勢(shì)在必行。研究表明輕型車?yán)淦饎?dòng)排放變差，而重型柴油車?yán)淦饎?dòng)油耗和排放鮮有研究。本文選取三輛重型柴油車，利用底盤測(cè)功機(jī)及全流稀釋定容取樣系統(tǒng)（CVS），在冷起動(dòng)狀態(tài)下對(duì)樣車連續(xù)開展C-WTVC工況（China-WorldTransientVehicleCycle，中國(guó)重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)），測(cè)試油耗及排放，并分析影響因素。結(jié)果表明，重型柴油車?yán)淦饎?dòng)NO、CO和PN排放變差，油耗提高，CO，排放變化較小，THC排放規(guī)律不明顯;冷卻液溫度對(duì)冷起動(dòng)油耗排放結(jié)果具有重要影響;冷起動(dòng)NO排放與樣車

質(zhì)量有一定相關(guān)性，與排量相關(guān)性明顯;P排放與樣車排量有一定相關(guān)性，與樣車質(zhì)量無(wú)明顯相關(guān)性;油耗和CO排放與樣車質(zhì)量、排量均不相關(guān)。

關(guān)鍵詞：重型柴油車?yán)淦饎?dòng);油耗;排放

中圖分類號(hào)：U464.11

收稿日期：2021-11-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.03.011

近年來，伴隨著我國(guó)機(jī)動(dòng)車數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車排放問題也越發(fā)嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全國(guó)機(jī)動(dòng)車的保有量達(dá)到3.48億輛，較2018年增長(zhǎng)6.4%。同年，全國(guó)機(jī)動(dòng)車一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NO）、顆粒物（PM）四項(xiàng)排放量分別為771.6萬(wàn)t、189.2萬(wàn)t、635.6萬(wàn)t、7.4萬(wàn)t，貢獻(xiàn)排放總量90%，其中柴油車的NO和PM占比更是超過汽車排放總量的80%和90%。另外，機(jī)動(dòng)車數(shù)量的增長(zhǎng)也伴隨著機(jī)動(dòng)車能耗的增加。與此同時(shí)，我國(guó)提出力爭(zhēng)2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)2），及習(xí)近平總書記在2020年黨的十九屆五中全會(huì)強(qiáng)調(diào)的“堅(jiān)持綠水青山就是金山銀山理念”），都對(duì)機(jī)動(dòng)車的節(jié)能與減排提出更高要求。因此，機(jī)動(dòng)車尤其是柴油車的能耗與排放的研究愈發(fā)重要。

研究表明，輕型車底盤測(cè)功機(jī)法測(cè)試?yán)淦饎?dòng)排放濃度有所提高，相比熱起動(dòng)高11～15倍4-。長(zhǎng)時(shí)間的浸車使機(jī)動(dòng)車的滑油溫度趨于室溫，潤(rùn)滑效果較差，在此條件下車輛起動(dòng)克服更大的摩擦阻力，導(dǎo)致排放變差?；趯?shí)際道路法的車輛冷起動(dòng)研究也有一定進(jìn)展。Faria等研究表明，RDE試驗(yàn)中冷起動(dòng)的能耗與排放均高于非冷起動(dòng)工況。Dimaratos等的研究表明，冷起動(dòng)過程中的NOx、CO和PN排放是RDE試驗(yàn)的市區(qū)階段排放主要貢獻(xiàn)者。陳凌建等對(duì)輕型汽油車實(shí)際排放試驗(yàn)中冷起動(dòng)排放與冷卻液溫度和平均車速的相關(guān)性進(jìn)行探究?；诘妆P測(cè)功機(jī)法的重型柴油車?yán)淦饎?dòng)油耗及排放研究相對(duì)較少，王謙等1利用底盤測(cè)功機(jī)法對(duì)在用輕型車和重型車進(jìn)行冷起動(dòng)排放測(cè)試，研究CO，排放因子及對(duì)應(yīng)的油耗，但并未涉及NO，、CO和PN排放研究。

本文選取三臺(tái)重型柴油車，使用C-WTVC工況進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比冷起動(dòng)與熱起動(dòng)階段油耗與排放，探究形成差異的原因，為重型柴油車節(jié)能減排工作提供數(shù)據(jù)支持。

1材料與方法

1.1測(cè)試車輛

本文選取三輛重型柴油車開展試驗(yàn)，試驗(yàn)車輛均滿足重型車國(guó)VIb階段要求，且具有一定的行駛里程。車輛具體信息見表1。

1.2測(cè)試分析

試驗(yàn)依據(jù)GB/T27840-2011《重型商用車燃料消耗量測(cè)量方法》開展進(jìn)行。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，重型柴油車采用C-WTVC循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，循環(huán)如圖1所示。循環(huán)全程時(shí)長(zhǎng)1800s，分為市區(qū)、市郊和高速三個(gè)階段，三階段運(yùn)行時(shí)間分別為900s、468s和472s，里程占比分別為27.94%、27.73%和44.33%，平均車速分別為22.895km/h、43.746km/h和75.772km/h。C-WTVC是目前我國(guó)重型商用車的油耗排放認(rèn)證循環(huán)，具有代表性，并能在一定程度上反映實(shí)際道路運(yùn)行情況。

試驗(yàn)方法流程及使用設(shè)備同樣按照GB/T27840-2011規(guī)定執(zhí)行。試驗(yàn)流程如圖2所示，按照環(huán)境條件確認(rèn)、車輛固定、儀器設(shè)備安裝、程序設(shè)定、預(yù)熱、循環(huán)試驗(yàn)的流程進(jìn)行。

試驗(yàn)采用的主要設(shè)備為重型車底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)和全流稀釋定容取樣系統(tǒng)（CVS），測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示。重型車底盤測(cè)功機(jī)系統(tǒng)也稱重型轉(zhuǎn)鼓，因其安全性及便捷性在車輛排放測(cè)試中被廣泛應(yīng)用。本文使用的重型轉(zhuǎn)鼓為德國(guó)某公司生產(chǎn)的ECD72H-2MOT型號(hào)轉(zhuǎn)鼓，具有兩個(gè)滾筒，滾筒直徑72英寸，最大可模擬60t車輛質(zhì)量?？刂葡到y(tǒng)控制轉(zhuǎn)鼓電機(jī)，并配合車輪轉(zhuǎn)動(dòng)、車輛運(yùn)行，便可模擬車輛實(shí)際行駛的狀態(tài)。

本文使用的全流稀釋定容取樣系統(tǒng)（CVS）為日本某公司生產(chǎn)的，分析儀型號(hào)為CVS-ONE-MV-HE。CVS測(cè)量精度高，可測(cè)量NOCO、HCCO，以及顆粒物等排氣污染物。CVS測(cè)量原理為通過采樣管將車輛尾氣引入，經(jīng)空氣濾清器干燥過濾后在稀釋通道中與環(huán)境空氣混合，并被采樣系統(tǒng)采樣，分析系統(tǒng)分析計(jì)算。CVS利用文丘里管控制稀釋排氣總體積保持不變，最后利用風(fēng)機(jī)將剩余尾氣排出。

1.3排放計(jì)算

本文采用比排放衡量車輛排放水平，比排放計(jì)算采用GB17691-2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》中的比排放計(jì)算方法，公式如下：式中，m.a為循環(huán)排氣污染物的排放質(zhì)量，g/test;wa為排氣組分密度與稀釋排氣密度比;c為背景修正后的排氣組分平均濃度，ppm;ma為整個(gè)循環(huán)的總稀釋排氣質(zhì)量，kg。其中ua通過查表得到，ca和m.a可通過CVS采樣系統(tǒng)采樣并經(jīng)由氣體分析儀分析計(jì)算得到。

式中，L，為某種污染物比排放結(jié)果，gkWh或#/kWh;mga，為某種污染物排放總質(zhì)量，g或#。

式中，W為發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功，kWh;n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min;T為發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，N·;為試驗(yàn)時(shí)間，s。式中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n和發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩T均由CVS配套的OBD采集發(fā)動(dòng)機(jī)ECU數(shù)據(jù)獲取。

本文試驗(yàn)還對(duì)顆粒物數(shù)量PN進(jìn)行測(cè)量，循環(huán)顆粒物數(shù)量計(jì)算方法如下：

式中，W為試驗(yàn)循環(huán)排出的粒子數(shù)量;m為循環(huán)當(dāng)量稀釋排氣質(zhì)量，kg/test;k為標(biāo)定系數(shù);c為稀釋排氣中的粒子平均濃度，每立方厘米的粒子數(shù);為試驗(yàn)時(shí)稀釋設(shè)定的揮發(fā)性粒子去除器的平均粒子濃度衰減系數(shù)。其中和f均為設(shè)備標(biāo)定確定的常量，m和c，可通過CVS系統(tǒng)測(cè)定獲得。

PN的評(píng)估同樣采用比排放的方式，計(jì)算方法與污染物相同，即將式（4）中得到的循環(huán)數(shù)量值與發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功作商得到。

1.4油耗計(jì)算

本文采用碳平衡法計(jì)算車輛油耗。碳平衡法與排氣污染物息息相關(guān)，通過各排氣污染物質(zhì)量計(jì)算得到，計(jì)算方法如下：

式中，2為燃料消耗量，L/100km;HC為測(cè)得的碳?xì)浠衔锱欧帕?，g/km;CO為測(cè)得的一氧化碳排放量，g/km;CO，為測(cè)得的二氧化碳排放量，g/km;p為15℃下的燃料密度，kg/L。

式中HC、C0、和CO，的排放量為公式（1）計(jì)算得到的排放質(zhì)量與循環(huán)行駛里程之比，行駛里程可通過底盤測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)滾筒轉(zhuǎn)速與時(shí)間計(jì)算得到。

2結(jié)果與討論

2.1油耗與排放結(jié)果

本文對(duì)三輛重型車開展試驗(yàn)，記為HT1、HT2和HT3。試驗(yàn)采用1.2中提及的C-WTVC循環(huán)，并按照1.2中的試驗(yàn)流程嚴(yán)格進(jìn)行。每臺(tái)樣車從冷起動(dòng)狀態(tài)開始循環(huán)試驗(yàn)，即樣車在阻力系數(shù)模擬前后均不預(yù)熱。每個(gè)循環(huán)后CVS主控系統(tǒng)分析計(jì)算單循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，出具結(jié)果后立即開展下一循環(huán)試驗(yàn)，每臺(tái)樣車總計(jì)三個(gè)循環(huán)。

試驗(yàn)對(duì)樣車的NO，、CO、PN、CO和THC的排氣污染物測(cè)量和結(jié)果計(jì)算，并采用碳平衡法計(jì)算油耗。三輛樣車的循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

為更好地呈現(xiàn)和表達(dá)圖4的試驗(yàn)結(jié)果，列舉圖4中對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即每輛樣車三個(gè)循環(huán)及平均值的油耗排放數(shù)據(jù)，其中括號(hào)內(nèi)為該循環(huán)與平均值的差值百分比，具體見表2。

結(jié)合圖4和表2，可以看出循環(huán)1的油耗值均略高于平均油耗，循環(huán)2和循環(huán)3均略低于平均油耗;循環(huán)1的NO，、CO和PN排放均遠(yuǎn)高于平均排放，循環(huán)2和循環(huán)3的NO、CO和PN排放不同程度地低于平均排放;每個(gè)循環(huán)的CO，排放差異較小，但循環(huán)1的CO，排放均略高于平均值;除HT3外，THC排放數(shù)值較小，且三輛樣車的THC排放表現(xiàn)未呈現(xiàn)明顯規(guī)律。

由于循環(huán)1試驗(yàn)前車輛未進(jìn)行預(yù)熱，而循環(huán)1的開展為后續(xù)循環(huán)預(yù)熱，因此循環(huán)1可認(rèn)為是冷起動(dòng)循環(huán)，循環(huán)2和循環(huán)3為熱車循環(huán)。由此可以得出結(jié)論：冷起動(dòng)循環(huán)的油耗值略高于熱車循環(huán)，NO、CO、和PN排放均遠(yuǎn)高于熱車循環(huán);冷起動(dòng)循環(huán)的CO，排放略高于熱車循環(huán)，但差異較小;冷起動(dòng)循環(huán)的THC排放無(wú)明顯規(guī)律。

2.2溫度因素

冷卻液溫度的高低是冷起動(dòng)循環(huán)與熱車循環(huán)的重要區(qū)別，本文為探究冷卻液溫度與循環(huán)油耗和排放的關(guān)系，將樣車每個(gè)循環(huán)的冷卻液平均溫度與油耗、排放做線性化分析。2.1中指出CO，結(jié)果差異較小以及THC的無(wú)規(guī)律性，因此僅針對(duì)油耗、NO、CO和PN進(jìn)行分析。

如圖5所示，車輛的油耗和排放與循環(huán)平均冷卻液溫度均具有較好的相關(guān)趨勢(shì)。三輛樣車中，油耗與循環(huán)平均冷卻液溫度最低R為0.833，最高為0.975;N0，與循環(huán)平均冷卻液溫度相關(guān)性極高，最低R為0.995，其余兩個(gè)樣車均為0.998;C0排放與循環(huán)平均冷卻液溫度最低R為0.895，最高為0.947;PN排放與循環(huán)平均冷卻液溫度最低R2為0.855，最高為0.998。

由此可見，冷卻液溫度與車輛油耗排放具有較好的相關(guān)性，因此判定冷卻液溫度為影響車輛冷起動(dòng)油耗排放的重要因素。

2.3車輛條件因素

質(zhì)量和排量是車輛的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，為探究質(zhì)量和排量對(duì)冷起動(dòng)油耗排放的影響，本文將質(zhì)量和排放與車輛的油耗和排放做相關(guān)性分析，分析同樣僅針對(duì)油耗、NO、CO和PN。

車輛質(zhì)量與車輛油耗排放的相關(guān)性分析如圖6所示。圖中縱坐標(biāo)為樣車?yán)淦饎?dòng)循環(huán)的油耗和排放與三個(gè)循環(huán)平均油耗和排放的差值，橫坐標(biāo)為該樣車的最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量，圖中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)即代表一臺(tái)樣車的質(zhì)量與油耗差或質(zhì)量與排放差。

由圖6可知，樣車質(zhì)量與油耗差和CO排放差的相關(guān)性較差，R2值分別為0.0457和0.099;樣車質(zhì)量與N0排放差的相關(guān)性最好，其R值為0.611;樣車質(zhì)量與PN排放差的R值為0.346。

由此可見，樣車質(zhì)量對(duì)冷起動(dòng)循環(huán)的NO排放具有一定影響，對(duì)于油耗和CO排放無(wú)影響，對(duì)于PN排放影響較小。

車輛的排量與車輛的質(zhì)量大小息息相關(guān)，單獨(dú)分析排量對(duì)車輛油耗排放的影響缺乏說服力。因此，本文為探究排量對(duì)冷起動(dòng)油耗排放的影響，引入排量質(zhì)量比的概念，即樣車的排量與最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量的比值。排量質(zhì)量比與油耗差和排放差的相關(guān)性分析如圖7所示。橫坐標(biāo)為該樣車的排量質(zhì)量比，縱坐標(biāo)同樣為樣車?yán)淦饎?dòng)循環(huán)的油耗和排放與三個(gè)循環(huán)平均油耗和排放的差值。

圖7表明，排量質(zhì)量比與油耗差和CO排放差的相關(guān)性較差，R值分別為0.045和0.013;排放質(zhì)量比與N0排放差的相關(guān)性極高，其R值為0.945;樣車的排量質(zhì)量比與PN排放差相關(guān)性較高，R值為0.765。因此可以得出，排量對(duì)冷起動(dòng)的于油耗和CO排放無(wú)影響，對(duì)NO排放和PN排放有一定影響，其中對(duì)NO排放。

3結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)選取三輛重型柴油車從冷起動(dòng)狀態(tài)連續(xù)進(jìn)行三次C-WTVC循環(huán)測(cè)試，記錄、分析并計(jì)算得到油耗和排放結(jié)果，基于結(jié)果與循環(huán)冷卻液平均溫度進(jìn)行相關(guān)性分析。引入排量質(zhì)量比概念，將首次循環(huán)的試驗(yàn)結(jié)果與三個(gè)循環(huán)平均值作差，并與質(zhì)量和排量質(zhì)量比做相關(guān)性分析，結(jié)果表明：

A.三輛樣車?yán)淦饎?dòng)循環(huán)油耗值分別高于平均油耗值1.83%、1.95%和5.52%，冷起動(dòng)循環(huán)油耗高于熱車循環(huán)油耗。

b.三輛樣車?yán)淦饎?dòng)循環(huán)NO排放分別高于平均排放123.40%、89.69%和47.20%，C0排放分別高于平均排放107.08%、167.52%和62.96%，PN排放分別高于平均排放98.10%、63.32%、33.00%，冷起動(dòng)循環(huán)N0、C0和PN排放遠(yuǎn)高于熱車循環(huán)。

c.三輛樣車?yán)淦饎?dòng)循環(huán)CO，排放分別高于平均排放0.36%、0.16%和0.47%，冷起動(dòng)循環(huán)C0，排放略高于熱車循環(huán)，但差異較小;THC排放無(wú)明顯規(guī)律。

d.樣車油耗、NO、CO、和PN排放與循環(huán)平均冷卻液溫度相關(guān)性較高，R2最低值分別為0.833、0.995、0.895和0.855，冷卻液溫度充分影響冷起動(dòng)循環(huán)油耗排放。

e.油耗差，NO、CO和PN排放差與樣車質(zhì)量的相關(guān)性分析，R2值分別為0.0457、0.611、0.099和0.346，與排量質(zhì)量比的R值分別為0.045、0.945、0.013和0.765。冷起動(dòng)NO排放與車輛質(zhì)量排量均相關(guān)，且排量對(duì)NO排放充分影響;冷起動(dòng)P排放與排量具有一定相關(guān)性，與質(zhì)量相關(guān)性小;油耗和CO排放與樣車質(zhì)量、排量相關(guān)性差。

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作者簡(jiǎn)介：

徐達(dá)，男，1994年生，工程師，研究方向?yàn)橹匦蛙嚺欧殴ぷ鳌?/p>