重型半掛車CHTC-TT 和C-WTVC 工況能耗排放比對研究

張岳秋 李 博 馬居宇 李騰騰

（1-北京市機動車排放管理事務(wù)中心 北京 100176 2-中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司）

引言

汽車行駛工況研究是車輛測試研究領(lǐng)域的一項基礎(chǔ)性工作，當(dāng)前歐洲、美國和日本等發(fā)達國家均已采用了自己的車輛行駛工況進行車輛的標(biāo)定和認(rèn)證工作。而我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的車輛行駛工況的構(gòu)成，其車速按照行駛時間的分布比例與車輛在實際道路上的行駛工況不相符[1]。在2015～2018 年間，受工業(yè)和信息化部委托，由中國汽車技術(shù)研究中心有限公司牽頭，組織汽車行業(yè)開展了中國工況的項目研究工作，該項目前后歷經(jīng)3 年，總共對國內(nèi)41 個代表城市的5 048 輛車進行實際道路行駛工況的數(shù)據(jù)采集工作，累計采集5 539×104km 的車輛行駛數(shù)據(jù)和21×108條對應(yīng)城市的GIS 低頻交通動態(tài)大數(shù)據(jù)，開發(fā)完成輕型和重型車輛共8 條行駛工況曲線，發(fā)布了重型車行駛工況國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38146.2-2019《中國汽車行駛工況第二部分：重型商用車輛》。標(biāo)準(zhǔn)中針對客車、貨車、自卸汽車和半掛牽引車輛共四類車輛分別建立了符合中國城市道路狀況的重型車輛行駛工況（CHTC）曲線。

在此之前，重型商用車輛的燃料消耗量和排放污染物在重型車輛底盤測功機上按照GB27840-2011《重型商用車燃料消耗量測量方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的世界重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)（C-WTVC）進行臺架測試，該循環(huán)適用于最大總質(zhì)量大于3 500 kg 的燃用汽油和柴油商用車輛，C-WTVC 循環(huán)由市區(qū)、市郊和高速工況組成。不同類型的重型商用車在底盤測功機上均使用該循環(huán)進行排放和能耗測試，不同之處在于市區(qū)、公路和高速工況里程分配系數(shù)會因車而異。對于最大設(shè)計總質(zhì)量大于27 000 kg 的半掛牽引車輛，其市區(qū)特征里程分配比例占比為0%，公路比例為10%，高速比例為90%[2]。

隨著GB/T 38146.2-2019《中國汽車行駛工況第二部分：重型商用車輛》標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，重型車輛的中國工況（CHTC）與C-WTVC 工況對車輛油耗與排放結(jié)果的影響差異性值得我們研究與分析，該問題不僅關(guān)系到重型商用車生產(chǎn)企業(yè)在車輛開發(fā)標(biāo)定上的研究，還涉及到重型商用車輛下一階段油耗限值標(biāo)準(zhǔn)，因此本文的研究目的是比對重型半掛牽引車輛在新舊行駛工況下的油耗和排放結(jié)果差異性大小，從而對重型車輛生產(chǎn)企業(yè)在第四階段油耗標(biāo)準(zhǔn)實施前的開發(fā)和準(zhǔn)備工作具有一定幫助作用。

1 工況及試驗

1.1 工況比對

重型半掛牽引車的C-WTVC 循環(huán)由公路和高速部分組成。如下圖1 所示，900 s 之后的虛線工況曲線為牽引車輛的C-WTVC 循環(huán)，其中公路循環(huán)900～1 368 s，運行距離5.687 km，最高車速73.5 km/h。高速循環(huán)為1 368～1 800 s，運行距離9.093 km，最高車速87.8 km/h[2]。中國半掛牽引車行駛工況（CHTC-TT）包括低速和高速2 個速度區(qū)間，工況時長1 800 s，總行駛里程23.22 km，低速部分為473 s，行駛距離1.92 km，最高車速42.2 km/h，高速部分1 327 s，行駛距離21.30 km，最高車速88 km/h[3]。從C-WTVC 工況和CHTC-TT 工況曲線的對比可以看出，在中國工況中，重型牽引車輛適當(dāng)增加了市區(qū)工況，僅1.92 km，主要是模擬車輛實際行駛上高速前的低速行駛工況，相比C-WTVC 循環(huán)，CHTC-TT 工況的高速行駛距離大幅提高，是其2.34 倍，這也符合我國大多數(shù)重型半掛牽引車的實際行駛工況。因此，按照該循環(huán)進行的重型車輛轉(zhuǎn)轂油耗排放試驗工況將更加貼合其實際使用工況，從而其排放與油耗結(jié)果和實際使用情況更加接近。

圖1 工況曲線

1.2 試驗設(shè)計

試驗使用一輛6×4 重型半掛牽引車作為測試研究對象，在一臺重型四驅(qū)底盤測功機上進行轉(zhuǎn)轂油耗排放聯(lián)合測試，該試驗采用日本HORIBA 生產(chǎn)的全流稀釋排放測試設(shè)備CVS 對車輛的排氣污染物瞬時濃度、排氣流量等數(shù)據(jù)進行采集，試驗過程分別采集了CO、CO2、THC 和NOx等排氣污染物，試驗設(shè)備采樣頻率設(shè)置為1 Hz，試驗前后均對排放分析儀進行零漂、泄露檢查和量程標(biāo)定，均滿足使用要求。試驗結(jié)束后采用碳平衡的計算方法進行整個循環(huán)工況的燃料消耗量計算。轉(zhuǎn)轂試驗前車輛按照最大設(shè)計總質(zhì)量在試驗場地的長直線性能路進行滿載負荷行駛阻力測試工作，經(jīng)過行駛阻力測定計算后，將該車輛的實際道路行駛阻力系數(shù)輸入底盤測功機控制系統(tǒng)，模擬車輛在實際道路上的滿載行駛阻力。經(jīng)過充分熱車等準(zhǔn)備工作之后，先依據(jù)GB/T 27840-2011重型商用車燃料消耗量測量方法進行3 次完整CWTVC 循環(huán)測試并采集記錄瞬時排放數(shù)據(jù)，后依據(jù)GB/T 38146.2-2019 中國汽車行駛工況第二部分：重型商用車輛標(biāo)準(zhǔn)再進行3 次CHTC-TT 循環(huán)測試并記錄瞬時排放數(shù)據(jù)。車輛參數(shù)見表1。

表1 車輛參數(shù)

1.3 碳平衡法

式中：Q 為燃料消耗量，L/100 km；HC 為碳氫化合物排放量，g/km；CO 為一氧化碳排放量，g/km；CO2為二氧化碳排放量，g/km；ρg為15 ℃下燃料密度，kg/L。

2 結(jié)果分析

2.1 油耗和比排放結(jié)果對比

如表2 所示，公路工況油耗CHTC-TT 為52.70 L/100 km，C-WTVC 為52.14 L/100 km，CHTC-TT 工況的百公里油耗增加1.1%。高速工況油耗CHTC-TT為31.69 L/100 km，C-WTVC 為32.31 L/100 km，CHTC-TT 工況降低1.9%。CHTC-TT 和C-WTVC 的綜合油耗分別為33.38 L/100 km 和34.29 L/100 km，由于CHTC-TT 高速工況整體占比大，因而其最終綜合油耗比C-WTVC 工況降低2.7%，降幅明顯。

表2 油耗和排放結(jié)果

從排放結(jié)果比對可以看出，CHTC-TT 工況的NOx和CO 比排放分別為221.9 mg/（kW·h）、83.3 mg/（kW·h），較C-WTVC 工況分別增加163.9%和24.7%，PN 比排放為5.10 × 1010#/（kW·h），較CWTVC 工況降低41.2%。CO2比排放為576 618 mg/（kW·h），較C-WTVC 工況降低2.5%，這與綜合油耗的降幅幾乎相當(dāng)。

2.2 工況分布對比

圖2 為該車輛在C-WTVC 和CHTC-TT 工況下的發(fā)動機運行散點圖，可以看出兩種車輛行駛工況的發(fā)動機轉(zhuǎn)速運行區(qū)間基本一致，均主要分布在1 000～1 300 r/min 之間，且發(fā)動機也都達到了最大轉(zhuǎn)矩運行點。

圖2 發(fā)動機運行散點圖

圖3 為發(fā)動機轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線，可以看出1 200 s 至1 800 s 時間內(nèi)，CHTC-TT 工況的發(fā)動機運行轉(zhuǎn)速均低于C-WTVC 工況，這與圖1 的車速差異情況相符，說明牽引車輛的CHTC-TT 工況在高速段車速整體低于C-WTVC 工況，因而高速工況的油耗比C-WTVC 降低1.9%。

圖3 發(fā)動機轉(zhuǎn)速分布

圖4 和圖5 為車輛兩種行駛工況下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速占比分布直方圖，可以看出C-WTVC 工況在1 285r/min的工況點占比高達30.3%，1 000～1 250 r/min之間的運行區(qū)域占比在4%～11.3%，發(fā)動機怠速占比9.4%。CHTC-TT 工況的發(fā)動機轉(zhuǎn)速也主要集中在1 000～1 250 r/min 之間，該區(qū)域的轉(zhuǎn)速分布占比在2.9%～10.2%，發(fā)動機怠速占比13.2%。因此可知C-WTVC 工況下發(fā)動機在中高速的運行占比高于CHTC-TT 工況，而怠速工況占比CHTC-TT 工況則比C-WTVC 高出3.8%，怠速占比較高。

圖4 C-WTVC 工況發(fā)動機轉(zhuǎn)速占比

圖5 CHTC-TT 工況發(fā)動機轉(zhuǎn)速占比

該發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩為2 600 N·m，圖6 和圖7為車輛在C-WTVC 和CHTC-TT 行駛工況下的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩分布直方圖，可以看出C-WTVC 工況的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩從0～2 600 N·m 全覆蓋，除怠速輸出凈轉(zhuǎn)矩0之外，發(fā)動機凈輸出轉(zhuǎn)矩953 N·m 的占比最大，為12.3%，其余轉(zhuǎn)矩均在5.3%以內(nèi)。CHTC-TT 工況的發(fā)動機轉(zhuǎn)矩也從0～2 600 N·m 全覆蓋，除怠速輸出轉(zhuǎn)矩0 以外，發(fā)動機的所有凈輸出轉(zhuǎn)矩占比均在5.5%以內(nèi)。因而，CHTC-TT 工況的各轉(zhuǎn)矩占比較C-WTVC 更為均衡，主要分布在中高負荷及以下。C-WTVC 工況整個發(fā)動機總凈轉(zhuǎn)矩為759 000 N·m，CHTC-TT 工況發(fā)動機總凈轉(zhuǎn)矩為1 071 000 N·m，因此牽引車的中國工況比C-WTVC 工況總輸出轉(zhuǎn)矩更大。

圖6 C-WTVC 工況發(fā)動機轉(zhuǎn)矩占比

圖7 CHTC-TT 工況發(fā)動機轉(zhuǎn)矩占比

2.3 瞬時排放對比

圖8 和圖9 分別為C-WTVC 和CHTC-TT 工況的牽引車輛的實際CO2濃度分布占比，可以看出，CWTVC 工況的CO2瞬時濃度在203×10-6和6 108×10-6附近占比最高，分別為24.9%和15.3%，其余濃度占比大多在5%及以下。CHTC-TT 工況的CO2瞬時濃度在602×10-6附近的占比最高，為23.2%，其余濃度占比在6.8%及以下。

圖8 C-WTVC 工況CO2 濃度占比

圖9 CHTC-TT 工況CO2 濃度占比

圖10 和圖11 分別為C-WTVC 和CHTC-TT 工況的牽引車輛的實際CO 濃度分布占比，可以看出，兩種工況的瞬時CO 濃度大部分都分布在14×10-6～15×10-6之間，其中C-WTVC 工況的CO 濃度區(qū)間更窄，C-WTVC 工況的CO 瞬時濃度在該濃度區(qū)間的總占比為99.8%，CHTC-TT 工況則為100%，因而CHTCTT 工況的CO 比排放較C-WTVC 工況增加24.7%。

圖10 C-WTVC 工況CO 濃度占比

圖11 CHTC-TT 工況CO 濃度占比

從碳平衡公式可以看出，燃料消耗量與THC、CO 和CO2的排放因子呈正相關(guān)。由于柴油車THC排放幾乎為0，因此本試驗并未采集THC 排放。從2.1 節(jié)油耗和排放比對結(jié)果及上述CO2和CO 排放瞬時差異性分析可知，CHTC-TT 工況的CO2和CO的比排放和濃度均高于C-WTVC 工況，然而整體百公里油耗卻降低2.7%。具體原因應(yīng)有以下兩點，其一，牽引車輛的CHTC-TT 工況行駛里程是C-WTVC工況行駛里程的1.57 倍，整體行駛距離較長，計算百公里油耗的分母較大。其二，CHTC-TT 工況中的高速工況行駛距離是C-WTVC 工況的2.34 倍，高速工況油耗較公路工況油耗降低較多。

圖12 和圖13 分別為C-WTVC 和CHTC-TT 工況下牽引車輛的實際NOx濃度分布占比，可以看出該車的整體NOx排放濃度極低，C-WTVC 工況下的NOx瞬時排放濃度均在24×10-6以內(nèi)，（2～4）×10-6濃度占比87.9%。CHTC-TT 工況下的NOx瞬時排放濃度在54×10-6以內(nèi)，（2～4）×10-6濃度占比92.0%。因而，CHTC-TT 工況的整體NOx比排放較C-WTVC 工況增加163.9%。

圖12 C-WTVC 工況NOx 濃度占比

圖13 CHTC-TT 工況NOx 濃度占比

圖14 和圖15 分別為C-WTVC 和CHTC-TT 工況下牽引車輛的實際顆粒物數(shù)量濃度分布占比，可以看出C-WTVC 工況下的PN 瞬時排放濃度在379#/cm3附近的占比最高，為71.6%。CHTC-TT 工況下的PN瞬時排放濃度在202#/cm3附近的占比最高，為74.9%。因而CHTC-TT 工況的PN 整體排放較C-WTVC 更低，降幅41.2%。

圖14 C-WTVC 工況PN 濃度占比

圖15 CHTC-TT 工況PN 濃度占比

3 結(jié)論

1）重型牽引車輛的CHTC 工況高速行駛距離大幅提高，是C-WTVC 高速工況的2.34 倍，比較符合我國大多數(shù)重型牽引車輛的實際運行工況。

2）本試驗車輛的CHTC-TT 和C-WTVC 工況的百公里綜合油耗分別為33.38 L 和34.29 L，CHTC-TT比C-WTVC 工況降低2.7%，降幅明顯。

3）本試驗車輛的CHTC-TT 工況NOx比排放和CO比排放分別為221.9 mg/（kW·h）、83.3 mg/（kW·h），相比C-WTVC 工況分別增加163.9%和24.7%，而PN比排放為5.10×1010#/（kW·h），比C-WTVC 工況降低41.2%。

4）關(guān)于中國工況與C-WTVC 循環(huán)對重型商用車輛的油耗和排放的影響應(yīng)該因車輛類型而異，并非所有車輛的油耗使用中國工況一定比C-WTVC會更低。因此對于其他類型車輛的中國工況與CWTVC 工況能耗和排放比對也值得探討。