不同工況循環下的輕型汽車排放和油耗特性研究

（中國汽車工程研究院股份有限公司 重慶 401120）

引言

隨著汽車產業的快速發展，由汽車排放帶來的大氣環境污染和能源短缺問題日益嚴重。汽車測試工況循環是汽車產品研發、檢測、認證的一項基礎技術，與汽車排放和油耗測試方法和限值標準直接相關。我國輕型汽車排放與油耗認證測試一直沿用NEDC（新歐洲測試循環）工況，目前已逐漸不適應我國復雜的道路環境以及怠速起停、制動回收等先進節能減排技術，導致排放與油耗認證結果與實際值偏差越來越大。另外采用NEDC 工況進行純電動汽車的續駛里程結果與實際情況偏差較大，業界也在呼吁放棄NEDC 工況。為此我國引入WLTC（世界輕型車測試循環）工況，針對WLTC 工況存在的問題又制定了更適合中國國情的CLTC（中國輕型車測試循環）工況，當前我國輕型車排放與油耗認證正處于NEDC 和WLTC 并行、CLTC 逐步導入的特殊時期，因此研究3 種工況下的汽車排放與油耗特性很有必要。

1 汽車測試工況循環研究和發展現狀

工況循環作為汽車測試的基礎標準，能有效促進汽車節能減排技術的發展。每一種工況循環制定都直接反映本國和地區的地理環境和人民的交通出行狀況。當前世界汽車測試工況循環主要包括3 大體系，即美國FTP75、歐洲NEDC 和WLTC、日本JS08 循環[1]。美國FTP75 是世界上最早和最嚴苛的測試工況，更接近瞬態和實際駕駛特征，應用在美國、加拿大及南美一些國家。日本JS08 工況參照美標并結合自身特點制定，偏重于低速和中速實際駕駛特征，應用范圍僅限于日本，影響較小。歐洲NEDC工況主要是穩態工況，與實際駕駛狀況偏離較遠，測試里程和時間較短，測試環境寬泛，不能真實地反映排放與油耗情況，主要應用在歐盟以及一些發展中國家。WLTC 工況是WP.29（世界車輛法規協調論壇）成立開發小組制定的世界輕型汽車測試工況，相比NEDC 工況更接近實際駕駛情況，但WLTC 工況平均速度較低，低速工況占比偏少和變化較弱，且未考慮環境溫度變化，不太符合我國實際工況。因此我國制定了更為接近中國實際道路狀況的中國工況CLTC，圖1 為NEDC、WLTC、CLTC 3 種工況循環曲線圖，表1 為3 種工況循環基本特征統計值。

圖1 3 種工況循環圖

表1 不同工況循環的基本特征統計

2 試驗設計

2.1 試驗車輛

選取3 輛車況穩定的進口汽車，試驗車輛參數見表2。

表2 試驗車輛參數

2.2 測試設備和方法

試驗用測試儀器設備信息見表3。

表3 試驗用設備

試驗方法：對3 輛試驗車輛分別在NEDC、WLTC、CLTC 工況循環下進行常溫冷起動后排氣污染物排放測試，其中環境條件、車輛狀態、阻力加載都統一按照GB18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》標準中的I 型試驗要求來進行[2]。每次試驗過程中要使用發動機信息采集軟件SILVER SCAN TOOL，通過讀取軟件的MODE1 信息來獲取發動機轉速、進氣量、機油溫度、負荷等數據，以便了解車輛在各工況循環下的運行差異。

3 試驗結果分析

3.1 不同工況循環下的排放結果分析

圖2 是各工況下主要排放污染物的對比圖，從圖2 a 看出NEDC 工況下的THC 排放值相比WLTC和CLTC 工況下較大，原因是機動車排放因子結果的計算是由工況的每個階段的里程和時間加權而成，汽油車THC 排放主要集中產生在汽車冷啟動之后的暖車階段，NEDC 冷起動階段相對其他工況權重較大，導致其THC 排放值相對較高[3]。從圖2 b 看出WLTC 和CLTC 工況下CO 排放值要高于NEDC工況，主要原因是CO 排放主要產生在冷啟動和高速未完全燃燒階段，而WLTC 和CLTC 相對NEDC 偏重于瞬態工況，且WLTC 的最高速達到131 km/h，國五車輛標定范圍未能全部覆蓋速度區間。從圖2 c 看出各工況下汽油車的NOx排放總體較小，基本都能滿足限值要求。從圖2 d 和e 看出NEDC 工況下相比WLTC 和CLTC 工況下PM 和PN 結果較小，缸內直噴車型相比多點電噴車型的PM 和PN 較大，而且國五車型相比國六車型PM 和PN 排放明顯超標且未能滿足國六限值。主要因為NEDC 偏重于穩定工況，核查發現該國六車型裝有GPF，而國五進口車由于所在國排放標準對于PM 控制要求寬泛且對PN 控制缺失。總體上看，汽油車排放污染物受后處理凈化技術包括催化轉化器、顆粒捕集器等的影響較大，與其工況關系不大。

3.2 不同工況循環下的油耗結果分析

圖2 不同工況循環下的排放結果

圖3 為不同工況循環下的油耗對比圖，從圖中可以看出不同工況循環下的油耗結果有明顯的差異，其中WLTC 與NEDC 工況下油耗互有高低且相差不大，CLTC 工況下油耗最大，與車輛實際運行中的油耗最為接近，也進一步驗證了NEDC 工況下油耗不真實且與實際道路中偏差較大的問題。圖中還可看出樣車1 和2 各工況下油耗變化更為明顯，說明增壓車型油耗對于工況的影響相比自然吸氣車型更大。從2019 年7 月1 日起，我國一些城市地區就提前實施國六標準，2020 年7 月1 日起全面實施國六標準，后續市場上主要都是國六車型，現選取國六車型樣車1 進行油耗排放分析。

圖3 不同工況循環下的油耗結果

圖4 不同工況循環下的各速度段油耗結果

圖4 為不同工況循環下的各速度段油耗結果，圖5 為不同工況循環下的CO2排放瞬態結果圖，從圖中看出3 種工況下中低速度段（NEDC 的ECE15段，WLTC 的中低速段，CLTC 工況的低速段）的油耗隨著速度增大而降低，此時中低速度段處在模擬城市路況，油耗受停車怠速、汽車附件消耗、制動能量損耗影響更大。在3 種工況的中高速段（NEDC 的EUDC 段，WLTC 的中高速段，CLTC 的中速段）模擬的是市郊工況，該狀況下發動機功率和轉速提高，處于工作高效區，油耗相比中低速段較小。從圖中看出WLTC 循環下超高速段相對自身中高速段油耗最大，是因為車輛在高速下的行駛阻力由滾動阻力變為由空氣阻力主導，且阻力與速度成平方關系，因此油耗會顯著增加。

圖5 不同工況循環下的CO2排放瞬態圖

從圖4 看出NEDC 工況低速段百km 油耗相對于其他工況低速段最低，主要因為NEDC 工況具有較大比例的怠速和等速工況，在城市循環段的速度變化平穩且呈現周期性變化，見表1 和圖5。從圖4看出WLTC 循環超高速段比CLTC 循環高速段的百km 油耗要高。這是因為兩者模擬的工況雖然都為高速路上行駛，但由于各循環速度分配比例和各循環速度及加速度占比不同，WLTC 循環超過100 km/h的工況所占時間明顯多于CLTC 循環，見表1 和圖5。

4 結論

工況循環作為車輛排放與能耗測試方法和標準的基礎，是汽車主要性能指標標定優化的依據。通過對選取樣車進行試驗，得出如下結論和建議：

1）輕型車在不同工況循環下的排放結果有一定差異，但是主要與車輛排放控制后處理裝置有關，與試驗運行工況循環關系較小。

2）輕型車在不同工況循環下的油耗結果差異明顯，受運行工況循環影響較大，CLTC 工況油耗與車輛實際油耗更為接近，增壓車型油耗相比自然吸氣車型油耗受工況循環影響更大。

3）建議未來工況循環的切換要考慮現實、循序漸進，且未來排放和油耗測試采用同一工況，增加認證的客觀性，同時主機廠在下階段排放和油耗控制技術路線上提前考慮應對。