不同運轉循環(huán)下的輕型汽車排放特性研究

李晨貞　徐月云（1-中國汽車技術研究中心　天津　300300　2-國家轎車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心）

不同運轉循環(huán)下的輕型汽車排放特性研究

李晨貞1，2徐月云1，2
（1-中國汽車技術研究中心天津3003002-國家轎車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心）

摘要：介紹了美國、歐洲等國家和地區(qū)的輕型車尾氣排放法規(guī)運轉循環(huán)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀。對輕型汽車在不同運轉循環(huán)FTP75、NEDC和WLTC（第5.3版）下的排放結果進行了分析，并討論影響排放結果的因素，研究不同運轉循環(huán)下輕型汽車的排放特性。

關鍵詞：運轉循環(huán)排放影響因素

引言

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展和汽車保有量的增加，空氣質(zhì)量問題日益嚴峻，汽車排放污染一直是環(huán)境保護工作中重點關注的一方面。國際、國內(nèi)汽車排放法規(guī)也不斷修訂，以達到更加合理、嚴格的控制汽車排放污染物的目的。國內(nèi)對排放法規(guī)的研究一直參考歐美等發(fā)達國家的排放法規(guī)，隨著環(huán)境問題越來越緊迫，道路的交通狀況也發(fā)生了一定的變化，近些年國內(nèi)各相關機構也加大了對排放法規(guī)的跟進和研究，不斷調(diào)整車輛行駛工況以盡量符合國內(nèi)車輛的實際行駛特征和排放控制要求。但目前國內(nèi)大部分的研究是針對單一運轉循環(huán)的分析，未針對目前世界主流的運轉循環(huán)進行系統(tǒng)性的排放差異分析。本文通過在FTP75、NEDC和WLTC（第5.3版）運轉循環(huán)下對3輛輕型汽車進行排放測試，對排放特性及排放結果影響因素進行研究和分析。

1　運轉循環(huán)的發(fā)展與現(xiàn)狀

車輛行駛工況又稱運轉循環(huán)，是一種測試工具，用于確定車輛污染物排放量和燃油消耗量。車輛典型行駛工況在一定程度上反映所在國的人們交通出行狀況，是在調(diào)查本國或地區(qū)的行駛工況基礎上制定出來的，是制定排放或油耗測試方法和標準的基礎。

自美國加州1966年開發(fā)出世界上第一個車輛行駛工況后，世界各主要汽車生產(chǎn)銷售的國家和地區(qū)均開展了相關研究和開發(fā)，目前已經(jīng)形成了種類繁多、用途各異的循環(huán)工況，約有70多種知名的不同的地方和城市的實際行駛工況。根據(jù)國際上排放油耗法規(guī)用行駛工況的采用情況，可以將目前全球的車輛和發(fā)動機循環(huán)工況劃分為以下兩大類：美國循環(huán)工況、歐洲循環(huán)工況[1]。此外還有日本循環(huán)工況等也廣為人知，先后采用了10、10-15和JC08運轉循環(huán)[2]。目前我國輕型車測試循環(huán)使用的是歐洲的運轉循環(huán)NEDC（New European Driving Cycle）[3]，隨著國內(nèi)自主開發(fā)先進排放控制技術車輛和新型動力車輛的緊迫需要，各研究機構和企業(yè)開發(fā)過一些地域行駛工況，由于中國道路交通狀況不同于歐美等國家，現(xiàn)用的NEDC運轉循環(huán)與我國車輛代表性行駛工況相差很大。

1.1美國運轉循環(huán)

為改善大氣污染狀況，減少汽車廢氣排放量，美國環(huán)保局經(jīng)過研究，于1972年統(tǒng)計出一條關于車輛行駛的時間——速度曲線，用作認證車輛排放的測試程序（簡稱FTP72）[4]。隨后通過相關研究又增加了熱啟動部分，形成了FTP75運轉循環(huán)。FTP75運轉循環(huán)由冷啟動循環(huán)、瞬態(tài)循環(huán)及熱啟動循環(huán)三部分組成。第3部分熱啟動與第1部分冷啟動循環(huán)曲線完全相同。在第2部分結束后和第3部分之間發(fā)動機停機10min。FTP75運轉循環(huán)全長17.77 km，時長1 874 s，最大車速91.2 km/h，平均車速34.1 km/h。

1.2歐洲運轉循環(huán)

1.2.1NEDC

NEDC是一種穩(wěn)態(tài)工況，包括市內(nèi)循環(huán)、市郊循環(huán)兩部分。市內(nèi)循環(huán)部分包括4個模擬市區(qū)駕駛狀況的運轉循環(huán)[5-6]，具有低速、低負荷和低排氣溫度的特性。由于車輛市郊運行比例的增加和NOx排放管理的加嚴，歐洲于1992年增補了模擬高速行駛工況的部分。后在歐洲Ⅲ/Ⅳ排放法規(guī)中加嚴了對冷啟動階段的排放考核。NEDC運轉循環(huán)市區(qū)部分全長4.052 km，時長780 s，最大車速50 km/h，平均車速19km/h。市郊部分較市區(qū)部分車速更高，全長6.955km，時長400 s，最大車速120 km/h，平均車速62.6 km/h。1.2.2WLTC

從2009年起世界車輛協(xié)調(diào)法規(guī)論壇（WP29）開發(fā)了WLTC（World Light TestCycle）運轉循環(huán)。WLTC為瞬態(tài)循環(huán)，是基于美國、瑞士、印度、歐盟、韓國和日本6個國家或地區(qū)車輛實際行駛工況特征開發(fā)的[7]。WLTC運轉循環(huán)涉及較多車輛類別（M1，N1和M2車輛、多種多樣的發(fā)動機排量等），包括不同的道路類型（城市、鄉(xiāng)村、高速公路）以及行駛工況（高峰期、非高峰期、節(jié)假日）[7]，被認為是反映車輛實際行駛情況的運轉循環(huán)。

目前修訂的運轉循環(huán)為WLTC第5.3版，分為市區(qū)、郊區(qū)、高速和超高速4個部分，全長23.27 km，時長1 800 s，其中市區(qū)循環(huán)3.12 km，市郊4.74 km，高速7.14 km，超高速8.25 km，最大車速131.3 km/h，平均速度46.54 km/h。

1.3不同運轉循環(huán)的主要基本統(tǒng)計特征比較

對不同運轉循環(huán)的時間、里程、平均車速、最大車速、最大減速度、最大加速度和怠速時間比例等主要基本特征進行比較，如表1所示。結果顯示不同運轉循環(huán)之間存在著明顯差異，運轉循環(huán)的時間集中在1 800 s和1 200 s兩個時間段左右，平均車速在46 km/h、34 km/h左右。FTP75的加減速度最大，達到了1.78m/s2。NEDC怠速時間比例最高，為24.8%，WLTC（第5.3版）的怠速時間比例僅為13.2%。

表1　不同運轉循環(huán)的主要基本統(tǒng)計特征比較

2　不同運轉循環(huán)下的輕型汽車排放特性

2.1試驗車輛

小小飛機達到一定高度后，便儼然如降落傘盤旋而下，依然落在場中一角，可以重新拾起，且重新派它向上高升。或當發(fā)放時稍偏斜一點，它的歸宿處便改了地方，有時隨風揚起掛在柳梢上，有時落在各種小攤白色幕頂上，有時又湊巧停頓在或一路人草帽上。它是那么輕，什么人草帽上有了這小東西時，先是一點兒不明白，仍然揚長向在人叢中走去，于是一群頑皮小孩子，小狗般跟在身后嚷著笑著，直到這游人把事弄明白，抓了頭上小東西摔去，小孩子方才爭著搶奪，忘了這或一游人，不再理會。

試驗選取3輛輕型汽車，試驗車輛參數(shù)如表2所示：

表2 試驗車輛參數(shù)

2.2測試設備和方法

試驗用儀器設備為BURKE公司的4000底盤測功機、HORIBA公司的MEXA-7200/CVS7200輕型車排放污染物測試系統(tǒng)、德國PIERBURG公司的AMA 4000/CVS 2000環(huán)境倉定容取樣分析系統(tǒng)以及海拔環(huán)境倉等設備。除運轉循環(huán)外，環(huán)境條件、車輛狀態(tài)、阻力設定等均按GB 18352.5-2013《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）》標準的I型試驗要求進行設定[8]。運轉循環(huán)分別為FTP75、WLTC（第5.3版）、NEDC運轉循環(huán)三種。

2.3不同運轉循環(huán)下的排放結果分析

排放結果如圖1所示，經(jīng)過對排放結果的對比分析，發(fā)現(xiàn)車輛在WLTC（第5.3版）運轉循環(huán)下的排放結果最高，THC排放平均高出0.05 g/km，CO排放平均高出0.30 g/km。在NEDC運轉循環(huán)和FTP75運轉循環(huán)下排放結果有高有低，但是使用較好排放控制技術的車輛（如車型1）在任何運轉循環(huán)下的排放結果都較低。運轉循環(huán)是一種測試工具，應該與測試方法和限值要求等共同使用，車輛在FTP75運轉循環(huán)與NEDC運轉循環(huán)下的排放結果雖有高有低，但FTP75運轉循環(huán)采用的限值較低，因此采用FTP75運轉循環(huán)同樣可以達到控制車輛排放的要求。

圖1　不同運轉循環(huán)下輕型汽車排放結果分析

3　車輛排放結果的影響因素分析

3.1冷、熱啟動的影響

3.2市區(qū)循環(huán)、市郊循環(huán)影響

FTP75第2部分（市區(qū)）和第3部分（市郊）都是熱啟動，不同的是運行平均速度，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)THC排放在這兩部分均比較低，CO排放和NOx排放絕大部分出現(xiàn)在第3部分（市郊），見圖3。因此速度對于THC排放幾乎沒有影響，但是對于CO和NOx排放有一定的影響。

圖2　FTP75運轉循環(huán)下冷啟動和熱啟動階段排放污染物結果分析

3.3不同計算方法的影響

FTP75、NEDC、WLTC（第5.3版）運轉循環(huán)都是由幾個不同循環(huán)部分組成，最終結果的計算方法中每個部分的權重不同，導致排放因子不同，會對車輛排放結果造成一定的影響。

經(jīng)過簡化后的各運轉循環(huán)的計算公式為：

式中：X為THC、CO、CO2、CH4、NOx、NMHC中任一種污染物；XFTP75等為各運轉循環(huán)排放因子；XⅠ~XⅣ分別為各運轉循環(huán)中第1部分排放因子~第4部分的排放因子。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)車輛排放大部分產(chǎn)生于冷啟動階段（見圖4），冷啟動階段的排放污染物占總體排放污染物的比例達60%以上，因此冷啟動階段權重越高，車輛的排放結果也會越高。

圖3　FTP75運轉循環(huán)下市區(qū)和市郊排放結果分析

圖4　FTP75運轉循環(huán)下車輛的排放結果

4　結論

車輛運轉循環(huán)作為一項車輛排放檢測的核心技術、一種測量工具，是測試方法和標準的基礎，從各車輛不同運轉循環(huán)排放結果分析來看，車輛排放結果在FTP75、NEDC和WLTC（第5.3版）不同運轉循環(huán)下的表現(xiàn)有很大差別，計算方法中各部分不同權重的差別、冷啟動、熱啟動、市區(qū)行駛、市郊行駛等因素都是輕型汽車排放結果差異的主要影響因素。因此研究和制定更加符合車輛實際行駛特征的運轉循環(huán)是十分重要的，通過運轉循環(huán)下輕型汽車排放特性的表現(xiàn)，可以看出控制好車輛的行駛狀態(tài)有助于有效地控制污染物的排放。

參考文獻

1雷偉.武漢市道路輕型車行駛工況與排放特性研究[D].武漢：武漢理工大學，2007

2張建偉，李孟良，艾國和，等.車輛行駛工況與特征的研究[J].汽車工程，2005，27（2）：220-224，245

3柯錦武，蘭欽，朱衛(wèi)慶，等.基于發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況預測輕型車排放研究[J].內(nèi)燃機，2015（1）：21-25

4姜平.城市混合道路行駛工況的構建研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2011

5王艷鋒，單超群.NEDC與穩(wěn)態(tài)工況轉化的研究[J].內(nèi)燃機科技，2014：397-405

6張富興.城市車輛行駛工況的研究[D].武漢：武漢理工大學，2005

7Monica Tutuianu,A lessandro Marotta,Heinz Steven,etal. DevelopmentofaWorld-wideWorldwide harmonized Light duty driving Test Cycle(WLTC)[EB/OL]．http://www.unece. org/fileadmin/DAM/trans/doc/2014/wp29grpe/GRPE-68-03e.pdf,2014-01-07

8環(huán)境保護部.GB 18352.5-2013輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第五階段）[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2013

中圖分類號：U467.1+9

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）05-0021-05

收稿日期：（2015-06-21）

作者簡介：李晨貞（1986-），女，碩士，工程師，主要從事汽車及其相關產(chǎn)品檢測和標準分析研究工作。

A Study on Exhaust Em ission Characteristic in Different Driving Cycles for Light-duty Vehicle

LiChenzhen1,2,Xu Yueyun1,2
1-China Automotive Technology and Research Center（Tianjin，300300,China）
2-National Passenger CarQuality Supervision and Inspection Center

Abstract：In thispaper,we introduced the driving cycles for light-duty vehicle used by the United States and Europeetc.And we studied the exhaustemission characteristicsby comparing theexhaustemission resultsof light-duty vehicle in different driving cycle FTP75，NEDC and WLTC(Ver.5.3）.And we also discussed the factors thatinfluence theexhaustemission results.

Keywords：Driving cycle,Exhaustemission,Influence factors