不同工况循环下的轻型汽车排放和油耗特性研究

2019-02-28

小型内燃机与车辆技术 2019年6期

（中国汽车工程研究院股份有限公司重庆 401120）

引言

随着汽车产业的快速发展，由汽车排放带来的大气环境污染和能源短缺问题日益严重。汽车测试工况循环是汽车产品研发、检测、认证的一项基础技术，与汽车排放和油耗测试方法和限值标准直接相关。我国轻型汽车排放与油耗认证测试一直沿用NEDC（新欧洲测试循环）工况，目前已逐渐不适应我国复杂的道路环境以及怠速起停、制动回收等先进节能减排技术，导致排放与油耗认证结果与实际值偏差越来越大。另外采用NEDC 工况进行纯电动汽车的续驶里程结果与实际情况偏差较大，业界也在呼吁放弃NEDC 工况。为此我国引入WLTC（世界轻型车测试循环）工况，针对WLTC 工况存在的问题又制定了更适合中国国情的CLTC（中国轻型车测试循环）工况，当前我国轻型车排放与油耗认证正处于NEDC 和WLTC 并行、CLTC 逐步导入的特殊时期，因此研究3 种工况下的汽车排放与油耗特性很有必要。

1 汽车测试工况循环研究和发展现状

工况循环作为汽车测试的基础标准，能有效促进汽车节能减排技术的发展。每一种工况循环制定都直接反映本国和地区的地理环境和人民的交通出行状况。当前世界汽车测试工况循环主要包括3 大体系，即美国FTP75、欧洲NEDC 和WLTC、日本JS08 循环[1]。美国FTP75 是世界上最早和最严苛的测试工况，更接近瞬态和实际驾驶特征，应用在美国、加拿大及南美一些国家。日本JS08 工况参照美标并结合自身特点制定，偏重于低速和中速实际驾驶特征，应用范围仅限于日本，影响较小。欧洲NEDC工况主要是稳态工况，与实际驾驶状况偏离较远，测试里程和时间较短，测试环境宽泛，不能真实地反映排放与油耗情况，主要应用在欧盟以及一些发展中国家。WLTC 工况是WP.29（世界车辆法规协调论坛）成立开发小组制定的世界轻型汽车测试工况，相比NEDC 工况更接近实际驾驶情况，但WLTC 工况平均速度较低，低速工况占比偏少和变化较弱，且未考虑环境温度变化，不太符合我国实际工况。因此我国制定了更为接近中国实际道路状况的中国工况CLTC，图1 为NEDC、WLTC、CLTC 3 种工况循环曲线图，表1 为3 种工况循环基本特征统计值。

图1 3 种工况循环图

表1 不同工况循环的基本特征统计

2 试验设计

2.1 试验车辆

选取3 辆车况稳定的进口汽车，试验车辆参数见表2。

表2 试验车辆参数

2.2 测试设备和方法

试验用测试仪器设备信息见表3。

表3 试验用设备

试验方法：对3 辆试验车辆分别在NEDC、WLTC、CLTC 工况循环下进行常温冷起动后排气污染物排放测试，其中环境条件、车辆状态、阻力加载都统一按照GB18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》标准中的I 型试验要求来进行[2]。每次试验过程中要使用发动机信息采集软件SILVER SCAN TOOL，通过读取软件的MODE1 信息来获取发动机转速、进气量、机油温度、负荷等数据，以便了解车辆在各工况循环下的运行差异。

3 试验结果分析

3.1 不同工况循环下的排放结果分析

图2 是各工况下主要排放污染物的对比图，从图2 a 看出NEDC 工况下的THC 排放值相比WLTC和CLTC 工况下较大，原因是机动车排放因子结果的计算是由工况的每个阶段的里程和时间加权而成，汽油车THC 排放主要集中产生在汽车冷启动之后的暖车阶段，NEDC 冷起动阶段相对其他工况权重较大，导致其THC 排放值相对较高[3]。从图2 b 看出WLTC 和CLTC 工况下CO 排放值要高于NEDC工况，主要原因是CO 排放主要产生在冷启动和高速未完全燃烧阶段，而WLTC 和CLTC 相对NEDC 偏重于瞬态工况，且WLTC 的最高速达到131 km/h，国五车辆标定范围未能全部覆盖速度区间。从图2 c 看出各工况下汽油车的NOx排放总体较小，基本都能满足限值要求。从图2 d 和e 看出NEDC 工况下相比WLTC 和CLTC 工况下PM 和PN 结果较小，缸内直喷车型相比多点电喷车型的PM 和PN 较大，而且国五车型相比国六车型PM 和PN 排放明显超标且未能满足国六限值。主要因为NEDC 偏重于稳定工况，核查发现该国六车型装有GPF，而国五进口车由于所在国排放标准对于PM 控制要求宽泛且对PN 控制缺失。总体上看，汽油车排放污染物受后处理净化技术包括催化转化器、颗粒捕集器等的影响较大，与其工况关系不大。

3.2 不同工况循环下的油耗结果分析

图2 不同工况循环下的排放结果

图3 为不同工况循环下的油耗对比图，从图中可以看出不同工况循环下的油耗结果有明显的差异，其中WLTC 与NEDC 工况下油耗互有高低且相差不大，CLTC 工况下油耗最大，与车辆实际运行中的油耗最为接近，也进一步验证了NEDC 工况下油耗不真实且与实际道路中偏差较大的问题。图中还可看出样车1 和2 各工况下油耗变化更为明显，说明增压车型油耗对于工况的影响相比自然吸气车型更大。从2019 年7 月1 日起，我国一些城市地区就提前实施国六标准，2020 年7 月1 日起全面实施国六标准，后续市场上主要都是国六车型，现选取国六车型样车1 进行油耗排放分析。

图3 不同工况循环下的油耗结果

图4 不同工况循环下的各速度段油耗结果

图4 为不同工况循环下的各速度段油耗结果，图5 为不同工况循环下的CO2排放瞬态结果图，从图中看出3 种工况下中低速度段（NEDC 的ECE15段，WLTC 的中低速段，CLTC 工况的低速段）的油耗随着速度增大而降低，此时中低速度段处在模拟城市路况，油耗受停车怠速、汽车附件消耗、制动能量损耗影响更大。在3 种工况的中高速段（NEDC 的EUDC 段，WLTC 的中高速段，CLTC 的中速段）模拟的是市郊工况，该状况下发动机功率和转速提高，处于工作高效区，油耗相比中低速段较小。从图中看出WLTC 循环下超高速段相对自身中高速段油耗最大，是因为车辆在高速下的行驶阻力由滚动阻力变为由空气阻力主导，且阻力与速度成平方关系，因此油耗会显著增加。

图5 不同工况循环下的CO2排放瞬态图

从图4 看出NEDC 工况低速段百km 油耗相对于其他工况低速段最低，主要因为NEDC 工况具有较大比例的怠速和等速工况，在城市循环段的速度变化平稳且呈现周期性变化，见表1 和图5。从图4看出WLTC 循环超高速段比CLTC 循环高速段的百km 油耗要高。这是因为两者模拟的工况虽然都为高速路上行驶，但由于各循环速度分配比例和各循环速度及加速度占比不同，WLTC 循环超过100 km/h的工况所占时间明显多于CLTC 循环，见表1 和图5。