基于比功率的重型車低負(fù)荷工況排放特性研究

許丹丹 高東志 趙健福 包俊江 景曉軍

（中汽研汽車檢驗中心（天津） 有限公司 天津 300300）

引言

重型車作為移動污染源的主要貢獻者，其排放一直是環(huán)保部門重點監(jiān)管的對象。近年來，隨著重型車保有量持續(xù)增加，國家針對重型車排放管控出臺的政策及標(biāo)準(zhǔn)越來越多，可見重型車污染物排放治理仍是大氣污染治理的重點。國際清潔交通委員會（ICCT）長期跟蹤并記錄美國重型車實際道路條件下的污染物排放情況，結(jié)果表明，市區(qū)（車速為0～25 mph）工況下，NOx排放約為EPA（美國環(huán)保署）2010 限值的7倍；市郊（車速為25～50 mph）工況下，NOx排放約為EPA 2010 限值的3 倍；高速（車速＞50 mph）工況下，NOx排放基本與EPA 2010 限值相當(dāng)[1]。表明美國現(xiàn)行重型車排放監(jiān)管方法并不能有效管控市區(qū)和市郊行駛條件下的污染物排放。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機在低負(fù)荷工況運行時，排氣溫度較低，后處理系統(tǒng)性能較差，致使車輛在該工況下的排放超標(biāo)。這表示現(xiàn)有的發(fā)動機測試及整車實際道路排放測試程序中遺漏了車輛在低負(fù)荷工況下的排放測試要求?；诖?，美國加州聯(lián)合美國西南研究院開發(fā)并制定了重型發(fā)動機及重型車的補充測試循環(huán)—LLC（Low Load Cycle），用于控制重型車低負(fù)荷工況下的污染物排放。

我國現(xiàn)行的重型車測試方法主要為GB/T 27840-2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》中的C-WTVC 循環(huán)[2]和GB/T 38146.2-2019《中國汽車行駛工況第2 部分：重型商用車輛》中的中國重型商用車輛行駛工況（CHTC 循環(huán)）[3]。該2 種循環(huán)均未對低負(fù)荷測試方面提出相應(yīng)要求。因此，研究美國的LLC循環(huán)與我國的C-WTVC 和CHTC 循環(huán)之間排放特性的差異是必要的，該研究可為低負(fù)荷測試循環(huán)在國內(nèi)適用的可行性提供預(yù)研。

本文基于底盤測功機，使用同一輛重型貨車開展LLC、C-WTVC[4-5]和CHTC-HT（中國重型貨車行駛工況）3 種測試循環(huán)的排放對比試驗，通過比功率（Vehicle Specific Power，VSP）[6-9]分析車輛在3 種測試循環(huán)下的行駛特征及排放特性。

1 試驗方案

1.1 試驗樣車

試驗選用一輛N3 類重型國六載貨柴油車，滿載條件下進行底盤測功機排氣污染物測量試驗，車輛及發(fā)動機基本信息如表1 所示。

1.2 試驗設(shè)備及測試循環(huán)

試驗依據(jù)GB/T 27840-2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》標(biāo)準(zhǔn)要求，在底盤測功機上使用HORIBA EXA-7200DTR 全流稀釋尾氣分析儀進行污染物排放測試，在冷卻水溫度達(dá)到70 ℃以上的熱車條件下，基于C-WTVC、CHTC-HT、LLC 3 種測試循環(huán)分別進行CO2、NOx及PN 的采樣分析，采集頻率為1 Hz。3 種測試循環(huán)曲線分別如圖1、圖2、圖3所示，測試循環(huán)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征如表2 所示。試驗過程中，平均環(huán)境溫度約為24 ℃，平均大氣壓力約為102.5 kPa。

圖1 重型商用車行駛工況C-WTVC 曲線

圖2 中國重型貨車行駛工況CHTC-HT 曲線

圖3 美國加州低負(fù)荷行駛工況LLC 曲線

對比分析3 種行駛工況測試循環(huán)曲線及測試循環(huán)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征可知，LLC 循環(huán)的運行時間最長，總時長達(dá)5 505 s。該循環(huán)的行駛特征表現(xiàn)為車輛的平均車速及加、減速比例均偏低，而怠速比例偏高，約為C-WTVC 和CHTC-HT 循環(huán)的3.7 倍和6 倍。該數(shù)據(jù)特征反映出LLC 循環(huán)主要覆蓋重型車的低速、低負(fù)荷工況，側(cè)重考核車輛在低速、低負(fù)荷工況下的行駛特性。可見，LLC 循環(huán)對未來重型車在低速、低負(fù)荷工況下的排放監(jiān)管具有重要意義。

1.3 數(shù)據(jù)處理

機動車比功率（VSP）是表征發(fā)動機克服車輛在行駛過程中所受到的滾動阻力、空氣阻力、坡道阻力及加速阻力等輸出的功率。其以車速為基礎(chǔ)，綜合考慮了車輛行駛過程中風(fēng)阻、道路坡度、加速度、環(huán)境條件等多種因素對車輛排放的影響。利用VSP 分析車輛的排放特性，不僅能有效避免車輛載重狀態(tài)變化對排放結(jié)果的影響，而且更能真實地反映車輛的實際道路行駛特征[10]。VSP 是一個矢量，VSP ＞0 表征車輛處于加速工況，VSP ＜0 表征車輛處于減速工況，VSP=0 表征車輛處于怠速工況。根據(jù)VSP 的定義，VSP 的計算公式如下：

式中：Ff為滾動阻力，N；Fi為空氣阻力，N；Fw為坡道阻力，N；Fj為加速阻力，N；m 為車輛試驗總質(zhì)量，kg；v 為車輛行駛速度，km/h。

轉(zhuǎn)化為VSP 與加速度、車速的關(guān)系式如下：

式中：g 為重力加速度，取值9.8 m/s2；f 為滾動阻力系數(shù)；α 為坡路角度，°；ε 為質(zhì)量因子，取值0.1；a 為車輛行駛加速度，m/s2；ρ 為試驗環(huán)境下的空氣密度，g/m3；τ 為空氣阻力系數(shù)；A 為車輛迎風(fēng)面積，m2；vm為試驗環(huán)境下風(fēng)速，m/s。

試驗開始前，利用氣壓表、密度計等測量設(shè)備，依據(jù)GB 27840-2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》附錄C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對車輛進行VSP 參數(shù)的靜態(tài)測量試驗，根據(jù)靜態(tài)試驗測量結(jié)果得出公式（2）中所需的VSP 各參數(shù)取值如表3 所示。

表3 VSP 參數(shù)取值

將表3 中的VSP 各參數(shù)取值代入公式（2），得出簡化的VSP 計算公式如下：

利用公式（3）分別計算車輛在3 種測試循環(huán)的瞬時VSP 值，并采用區(qū)間劃分的方法對VSP 數(shù)據(jù)進行聚類處理。以2 kW/t 為單位對VSP 進行區(qū)間劃分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3 種測試循環(huán)的運行工況主要集中在VSP∈[-8，8]kW/t 范圍內(nèi)，分布情況如圖4 所示。

圖4 VSP 區(qū)間分布

圖4 顯示，3 種測試循環(huán)下，VSP ＞0 區(qū)間的行駛時間大多比VSP ＜0 區(qū)間長，即VSP ＞0 區(qū)間的車輛加速比例大多比VSP ＜0 區(qū)間高。對比分析可知，LLC 循環(huán)的VSP 區(qū)間分布呈正態(tài)分布，VSP∈[-2，2]kW/t 區(qū)間的總行駛時間占比高達(dá)80%，其中VSP=0區(qū)間，即怠速工況的行駛時間占比最大，約為35.2%。而C-WTVC 循環(huán)VSP∈[-2，2]kW/t 區(qū)間的總行駛時間占比約為45.7%，CHTC-HT 循環(huán)VSP∈[-2，2]kW/t 區(qū)間的總行駛時間占比約為62.4%。該結(jié)果表明，3 種測試循環(huán)在車輛低速、低負(fù)荷工況行駛時的分布存在差異，其中LLC 循環(huán)最符合低速、低負(fù)荷工況的測試要求。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 車輛行駛特征分析

圖5、圖6、圖7 分別為LLC、C-WTVC、CHTCHT 3 種測試循環(huán)下車輛的行駛特征。

圖5 LLC 循環(huán)行駛特征

圖6 C-WTVC 循環(huán)行駛特征

圖7 CHTC-HT 循環(huán)行駛特征

分析結(jié)果均顯示，車輛的低速工況較多且分布范圍廣，高速工況較少且分布集中，且加速度主要集中在-1～1 m/s2范圍內(nèi)。

圖5 顯示，LLC 循環(huán)約有88%的工況集中分布在v ＜50 km/h 范圍內(nèi)，該特征反映LLC 循環(huán)側(cè)重考查車輛的低速工況，且低速行駛時間較長。

圖6 顯示，C-WTVC 循環(huán)車輛的低速與高速工況分布均相對分散，其中約有63%的工況分布在v ＜50 km/h 范圍內(nèi)，該特征反映C-WTVC 循環(huán)對車輛在低速工況行駛時的考查比LLC 循環(huán)少。

圖7 顯示，CHTC-HT 循環(huán)約有70%的工況分布在v ＜50 km/h 范圍內(nèi)，與C-WTVC 循環(huán)相比，CHTC-HT 循環(huán)的工況分布較為集中，分布范圍主要集中在-0.25 ＜a ＜0.25 m/s2。

綜上所述，3 種測試循環(huán)對車輛實際行駛工況考查的側(cè)重點不同，LLC 循環(huán)與國內(nèi)現(xiàn)行的2 種測試循環(huán)存在一定差異。

2.2 排放特性分析

計算3 種測試循環(huán)在各VSP 區(qū)間的CO2、NOx及PN 平均排放速率，分析車輛在3 種測試循環(huán)下的CO2、NOx及PN 排放特性。

圖8 為NOx排放隨VSP 區(qū)間的分布情況。

圖8 NOx 排放分布

圖8 顯示，車輛在VSP=0 區(qū)間，3 種測試循環(huán)的NOx平均排放速率均最低。主要原因是VSP=0時，車輛處于怠速工況，此時發(fā)動機不做功，混合氣燃燒較少，NOx排放較少。對比分析可知，LLC 循環(huán)，各VSP 區(qū)間的NOx平均排放速率較其他2 種測試循環(huán)均高出1 個數(shù)量級，表明LLC 循環(huán)的NOx排放量最多。

圖9 為CO2排放隨VSP 區(qū)間的分布情況。

圖9 CO2 排放分布

圖9 顯示，3 種測試循環(huán)的CO2排放整體趨勢均表現(xiàn)出中間少、兩端多的變化規(guī)律，該現(xiàn)象反映了CO2排放與車輛燃料消耗量直接相關(guān)的特征，即VSP=0時，怠速工況車輛的燃料消耗量最少，隨著VSP 絕對值不斷增加，車速以及加、減速度不斷增加，噴油量增加，CO2排放升高。對比分析可知，LLC 循環(huán)的CO2總排放量最多，但其CO2平均排放速率最低，約為3.4 g/s，CHTC-HT 循環(huán)的CO2平均排放速率次之，約為5.7 g/s，C-WTVC 循環(huán)的CO2平均排放速率最高，約為7.1 g/s。

圖10 為C-WTVC 和CHTC-HT 循環(huán)PN 排放隨VSP 區(qū)間的分布情況，圖11 為LLC 循環(huán)PN 排放隨VSP 區(qū)間的分布情況。

圖10 C-WTVC 和CHTC-HT 循環(huán)PN 排放分布

圖11 LLC 循環(huán)PN 排放分布

圖10 和圖11 顯示，PN 排放主要集中在VSP 較大的分布區(qū)間，VSP ＞0 時的PN 排放比VSP ＜0 高。對比分析可知，LLC 循環(huán)在各VSP 區(qū)間的PN 排放偏高，其中在VSP ＜-8 kW/t 區(qū)間的PN 平均排放速率最高，比其他2 種測試循環(huán)均高出3 個數(shù)量級，其PN 平均排放速率為（2.78E+12）#/s。主要是因為VSP絕對值較大時，車輛急加速、急減速工況較多，缸內(nèi)混合氣局部偏濃，導(dǎo)致PN 排放升高。

3 結(jié)論

本文對一輛重型國六貨車，基于底盤測功機方法開展LLC 循環(huán)與國內(nèi)現(xiàn)行的C-WTVC 和CHTCHT 循環(huán)在行駛特征和排放特性2 方面的對比試驗研究，得出如下結(jié)論：

1）3 種測試循環(huán)對車輛的低速、低負(fù)荷工況考查程度不同，其中，LLC 循環(huán)的VSP 區(qū)間分布呈正態(tài)分布，且在VSP∈[-2，2]kW/t 區(qū)間的總行駛時間占比高達(dá)80%，VSP=0 的怠速工況行駛時間比例最高，約為35.2%。

2）分析結(jié)果顯示，車輛在LLC 循環(huán)的NOx平均排放速率比其他2 種測試循環(huán)均高出1 個數(shù)量級。LLC 循環(huán)的CO2總排放量雖然最多，但其CO2平均排放速率最低，約為3.7 g/s；CHTC-HT 循環(huán)的CO2平均排放速率次之，約為5.7 g/s；C-WTVC 循環(huán)的CO2平均排放速率最高，約為7.1 g/s；LLC 循環(huán)在各VSP 區(qū)間的PN 排放均偏高，其中在VSP ＜-8 kW/t區(qū)間的PN 平均排放速率最高，比其他2 種測試循環(huán)均高出3 個數(shù)量級。