不同测试循环下的国六轻型车排放油耗特性研究*

2020-07-11

小型内燃机与车辆技术 2020年3期

（中国汽车技术研究中心有限公司天津 300300）

引言

汽车排气污染物造成的空气污染日益成为大城市空气污染的最主要来源，其中轻型车是机动车CO、HC 排放的主要贡献者，同时轻型车行驶在靠近人群区域，产生的污染物对人体的健康产生直接影响，其油耗和排放测量主要在试验室的转毂上进行，并运行特定的循环工况，最后通过尾气测量仪器来检测尾气排放和油量消耗情况。

测试循环工况直接影响到车辆的排放和油耗，当前我国轻型车测试循环采用WLTC（World Light Vehicle Test Cycle））循环，取代了之前的NEDC（New European Driving Cycle）循环。WLTC 循环分为低速段（Low）、中速段（Medium）、高速段（High）和超高速段（Extra High）4 部分，是瞬态循环，能够更好地反映车辆的实际行驶情况。但研究表明，我国乘用车以市区、市郊通行为主（时间比例约占76%，里程比例约为56%），平均速度较低（29 km/h）、怠速比例较高（约22%），而WLTC 这4 项数据为57%、43%、46.5 km/h 和13.2%，明显偏离中国实际情况。急需一种更能代表中国行驶工况的测试循环，在此背景下，CLTC（China Automobile Testing Cycle）循环应运而生，在《2019 年第13 号国家标准公告》中正式发布，CLTC循环的出现弥补了中国长期缺少自己的测试循环的空白，为测量更加符合中国实际工况下的排放和油耗提供了更多选择，同时，为电动车的续航里程测量提供了更加反映实际的测试条件。

国内外学者对于测试循环的探索研究从未停止过，其中多集中在NEDC、WLTC 和FTP-75 3 种循环对排放和油耗特性的研究。李艳光等人[1]研究发现，NEDC、WLTC 和FTP-75 3 种排放测试循环对排放影响的差异主要表现在冷启动工况、瞬态工况、高速工况的差异。张鹏宇等人[2]通过分析NEDC、WLTC和FTP-75 3 种测试循环下的瞬态污染物和测量污染物的差异，得出由于WLTC 循环的频繁变化和较高的平均车速，导致CO 和NOx的排放量最高，NEDC 工况距离较短，HC 排放最高，FTP-75 的瞬态污染物排放最高，由于其冷热阶段的加权计算方式，获得的污染物排放并不高。但对NEDC、WLTC和CLTC 3 种测试循环对排放和油耗特性的研究鲜有报道，为此，本文选择了3 辆排放控制路线相同的国六车型，采用相同的加载方式，并分别运行3种测试循环，对比分析了3 种循环下各种污染物的瞬态排放和测试排放油耗情况，力求找到NEDC、WLTC 和CLTC 3 种测试循环对各污染物排放和油耗影响的异同点。

1 试验设备及方法

1.1 测试循环

本试验选择3 种测试循环对国六轻型车进行测试，测试循环分别是NEDC、WLTC 和CLTC 循环，3种测试循环工况如图1 所示。

图1 NEDC、WLTC 和CLTC 3 种测试循环工况对比

从图1 中可以看出，国六测试循环WLTC 和中国实际工况测试循环CLTC 循环都属于瞬态多变工况，由不同速度段组成，用于反映实际道路行驶情况，而NEDC 属于稳态工况，仅划分为市区和市郊2种工况。WLTC 和CLTC-P 循环的运行时间均为1 800 s，要比NEDC 测试循环工况测试时间1 180 s长了620 s。3 种测试循环中，WLTC 的最高速度和平均速度都是最大的，其次是NEDC，最后为CLTC，同时WLTC 的最大加速度是最大的，其次是CLTC，最后是NEDC，具体的参数如表1 所示。

表1 NEDC、WLTC 和CLTC 3 种测试循环的特征对比[2-3]

1.2 试验车辆

测试车辆选取3 辆车，发动机排量为1.5～2.0 L，覆盖市场上主流车型排量，3 辆车均采用主流的增压+GDI+GPF 的国六技术控制路线，测试车辆具体参数如表2 所示。

1.3 实验设备和方法

试验在试验室的转毂上进行，所用的排放设备有HORIBA 的气体分析仪，用于分析测量THC、CO、NMHC、NOx，AVL 的粒子计数器（PNC）用于分析尾气颗粒的数量，以及通过尾气中的碳排放反推获得，如图2 所示。试验中，同一车辆采用相同的加载方式，分别采用NEDC、WLTC 和CLTC 3 种测试循环进行测试，通过相应的尾气测量设备获得不同循环工况的污染物排放量以及瞬时的模态量。

表2 测试车辆参数

图2 试验设备连接示意图

2 循环工况对排放特性的影响

2.1 循环工况对尾气污染物模态排放的影响

为了分析不同循环工况对尾气污染物的瞬时排放影响情况，试验选取一款增压直喷GPF 的车型（车型3）。试验均采用国VI 的加载方式，在3 种测试循环工况下完成测试，测试结果如图3～5 所示。

在3 种测试循环工况下，CO、THC、NOx和PN 4 种污染物在冷启动100s 内的排放量急剧增加，在后续的测试过程中，CO 和THC 排放处于稳定低排放状态，而NOx排放量仅在加速阶段产生少量排放，其他时刻排放量基本为零，PN 排放量随着每次速度的急加速迅速增加，因此在这4 种污染物排放中，PN排放量除了在冷启动阶段大量产生外，也与车辆的加速情况相关性很大。

由图中可以看出，4 种污染物主要集中在发动机启动后的100s 时间内大量生成。以CLTC 测试循环为例，在冷启动100s 时间内，CO 排放量占到总量的65.2%，THC 排放量占到总量的23.9%，NOx排放量占到总量的53.6%，PN 排放量占到总量的19.8%，由此可看出，在仅占整个测试循环5.5%时间的冷启动阶段，CO 和NOx排放量贡献了50%以上，THC 和PN排放量贡献了20%左右，这是因为在冷启动阶段，三效催化剂的温度比较低，还没有达到三效催化剂的起燃温度，此阶段的催化剂工作效率比较低，尾气中的污染物CO、THC、NOx和PN 排放量较大。

图6 为不同循环工况下累计模态污染物排放量。总模态污染物排放量通过累计整个测试循环的模态数据，再除以测试循环的行驶里程所得。从图中可以看出，WLTC 循环下的CO、THC 和NOx的排放量最少，NEDC 循环工况的排放量最大，而CLTC 循环的排放位于NEDC 和WLTC 循环之间。这是因为3 种循环下占总排放量比例较大的冷启动阶段的NDEC 循环的CO、THC 和NOx排放量的峰值时最大，循环行驶里程又是最小的，所以导致NEDC 循环的累计模态污染物排放最多，其次WLTC 和CLTC的3 种气体污染物排放的峰值相差不大，但CLTC循环的行驶里程小于WLTC，导致CLTC 循环的累计模态污染物排放高于WLTC 循环。由于PN 排放除了与冷启动阶段有关，也与瞬态加速度相关，NEDC的加速时间较少，多为稳态工况，所以相对于WLTC和CLTC 循环，NEDC 循环的PN 累计模态排放量是最小的，而WLTC 循环和CLTC 循环的PN 累计模态排放相差不大。

图3 NEDC 工况下多种污染物的瞬时排放情况

图4 WLTC 工况多种污染物的瞬时排放情况

图5 CLTC 工况多种污染物的瞬时排放情况

图6 不同循环工况下累计模态污染物排放

2.2 循环工况对排放和油耗的影响

为了研究3 种测试循环对国六轻型车的污染物排放和油耗的影响，本文选取了目前市场主流的3种发动机排量的车辆作为研究对象，3 个车辆分别对应表中的车型1、车型2 和车型三，其发动机排放分别为2.0 L、1.8 L 和1.5 L，同时3 辆车均是采用增压、直喷、GPF 路线。

2.2.1 不同循环工况下的排放

图7 不同测试循环下的THC 排放

图8 不同测试循环下的CO 排放

图9 不同测试循环下的NOx 排放

图7～9 分别为3 个车型在NEDC、WLTC 和CLTC 3种测试循环下的THC、CO 和NOx的排放情况。从图中可以看出，除了车型1 的NOx排放在3 种测试循环下的基本一样，3 个车型在3 种测试循环下的THC、CO 和NOx排放规律相同，WLTC 循环下的排放量最小，NEDC 循环和CLTC 循环排放量基本相当。这一规律也与图3～5 的瞬态规律一致，因为THC、CO 和NOx的排放主要受冷启动影响，而NEDC循环的冷启动占比较大[4]，并且工况里程较短[5]，导致了NEDC 循环下的3 种污染物排放量最大，WLTC循环的工况里程是最长的，冷启动阶段的污染物瞬态排放量与CLTC 相当，所以WLTC 循环测得的THC、CO 和NOx的污染物排放值较低。

3 个车型中，在3 种测试循环下的THC 和CO排放结果均低于轻型车国六B 的限值，但是车型2在CLTC 循环下的NOx排放大幅度增加，这一测量值是国6B 限值的4.3 倍，是WLTC 循环下的5.3 倍，表明NOx排放对测试循环比较敏感。同时发现，除了车型2 的NOx排放，随着发动机排放量的减小，3 种循环下测得的污染物排放量的差异也越大，说明循环工况对小排量车型的污染物排放影响比较大。

图10 为3 个车型在3 种测试循环下的PN 排放情况。从图中可以看出，3 种测试循环下的PN 排放规律与THC、CO 和NOx相反，WLTC 测试循环下的PN 排放量最大，这是因为PN 排放除了在冷启动阶段大量产生，还在每次加速阶段大量生成，而相对于NEDC 和CLTC 循环，WLTC 循环频繁加速次数最多，最大加速度也是最大，从而导致了大量颗粒数的生成。同时也发现，相对于其他2 个相对小排量发动机车型，2.0 L 车型的PN 排放量最大，表明大排量发动机带来更大的PN 排放。

图10 不同测试循环下的PN 排放

2.2.2 不同排放特性下的油耗特性

图11 为3 个车型在NEDC、WLTC 和CLTC 3种测试循环下的油耗情况。从图中可以看出，整车油耗随着发动机排量的减少而逐渐降低，WLTC 测试循环下的油耗最小。这是因为相对于NEDC 循环，WLTC 的启动影响减弱，停车时间比例缩短，更接近于经济行驶速度，同时WLTC 循环的行驶里程较大，也促使计算结果减小，Bielaczyc 等人[6]的研究也获得同样的结果。由于CLTC 的行驶里程比WLTC 循环要短，平均速度小于WLTC，这些都有利于增加油耗，所以CLTC 循环的油耗比WLTC 循环大。