不同測試循環下的國六輕型車排放油耗特性研究*

（中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300）

引言

汽車排氣污染物造成的空氣污染日益成為大城市空氣污染的最主要來源，其中輕型車是機動車CO、HC 排放的主要貢獻者，同時輕型車行駛在靠近人群區域，產生的污染物對人體的健康產生直接影響，其油耗和排放測量主要在試驗室的轉轂上進行，并運行特定的循環工況，最后通過尾氣測量儀器來檢測尾氣排放和油量消耗情況。

測試循環工況直接影響到車輛的排放和油耗，當前我國輕型車測試循環采用WLTC（World Light Vehicle Test Cycle））循環，取代了之前的NEDC（New European Driving Cycle）循環。WLTC 循環分為低速段（Low）、中速段（Medium）、高速段（High）和超高速段（Extra High）4 部分，是瞬態循環，能夠更好地反映車輛的實際行駛情況。但研究表明，我國乘用車以市區、市郊通行為主（時間比例約占76%，里程比例約為56%），平均速度較低（29 km/h）、怠速比例較高（約22%），而WLTC 這4 項數據為57%、43%、46.5 km/h 和13.2%，明顯偏離中國實際情況。急需一種更能代表中國行駛工況的測試循環，在此背景下，CLTC（China Automobile Testing Cycle）循環應運而生，在《2019 年第13 號國家標準公告》中正式發布，CLTC循環的出現彌補了中國長期缺少自己的測試循環的空白，為測量更加符合中國實際工況下的排放和油耗提供了更多選擇，同時，為電動車的續航里程測量提供了更加反映實際的測試條件。

國內外學者對于測試循環的探索研究從未停止過，其中多集中在NEDC、WLTC 和FTP-75 3 種循環對排放和油耗特性的研究。李艷光等人[1]研究發現，NEDC、WLTC 和FTP-75 3 種排放測試循環對排放影響的差異主要表現在冷啟動工況、瞬態工況、高速工況的差異。張鵬宇等人[2]通過分析NEDC、WLTC和FTP-75 3 種測試循環下的瞬態污染物和測量污染物的差異，得出由于WLTC 循環的頻繁變化和較高的平均車速，導致CO 和NOx的排放量最高，NEDC 工況距離較短，HC 排放最高，FTP-75 的瞬態污染物排放最高，由于其冷熱階段的加權計算方式，獲得的污染物排放并不高。但對NEDC、WLTC和CLTC 3 種測試循環對排放和油耗特性的研究鮮有報道，為此，本文選擇了3 輛排放控制路線相同的國六車型，采用相同的加載方式，并分別運行3種測試循環，對比分析了3 種循環下各種污染物的瞬態排放和測試排放油耗情況，力求找到NEDC、WLTC 和CLTC 3 種測試循環對各污染物排放和油耗影響的異同點。

1 試驗設備及方法

1.1 測試循環

本試驗選擇3 種測試循環對國六輕型車進行測試，測試循環分別是NEDC、WLTC 和CLTC 循環，3種測試循環工況如圖1 所示。

圖1 NEDC、WLTC 和CLTC 3 種測試循環工況對比

從圖1 中可以看出，國六測試循環WLTC 和中國實際工況測試循環CLTC 循環都屬于瞬態多變工況，由不同速度段組成，用于反映實際道路行駛情況，而NEDC 屬于穩態工況，僅劃分為市區和市郊2種工況。WLTC 和CLTC-P 循環的運行時間均為1 800 s，要比NEDC 測試循環工況測試時間1 180 s長了620 s。3 種測試循環中，WLTC 的最高速度和平均速度都是最大的，其次是NEDC，最后為CLTC，同時WLTC 的最大加速度是最大的，其次是CLTC，最后是NEDC，具體的參數如表1 所示。

表1 NEDC、WLTC 和CLTC 3 種測試循環的特征對比[2-3]

1.2 試驗車輛

測試車輛選取3 輛車，發動機排量為1.5～2.0 L，覆蓋市場上主流車型排量，3 輛車均采用主流的增壓+GDI+GPF 的國六技術控制路線，測試車輛具體參數如表2 所示。

1.3 實驗設備和方法

試驗在試驗室的轉轂上進行，所用的排放設備有HORIBA 的氣體分析儀，用于分析測量THC、CO、NMHC、NOx，AVL 的粒子計數器（PNC）用于分析尾氣顆粒的數量，以及通過尾氣中的碳排放反推獲得，如圖2 所示。試驗中，同一車輛采用相同的加載方式，分別采用NEDC、WLTC 和CLTC 3 種測試循環進行測試，通過相應的尾氣測量設備獲得不同循環工況的污染物排放量以及瞬時的模態量。

表2 測試車輛參數

圖2 試驗設備連接示意圖

2 循環工況對排放特性的影響

2.1 循環工況對尾氣污染物模態排放的影響

為了分析不同循環工況對尾氣污染物的瞬時排放影響情況，試驗選取一款增壓直噴GPF 的車型（車型3）。試驗均采用國VI 的加載方式，在3 種測試循環工況下完成測試，測試結果如圖3～5 所示。

在3 種測試循環工況下，CO、THC、NOx和PN 4 種污染物在冷啟動100s 內的排放量急劇增加，在后續的測試過程中，CO 和THC 排放處于穩定低排放狀態，而NOx排放量僅在加速階段產生少量排放，其他時刻排放量基本為零，PN 排放量隨著每次速度的急加速迅速增加，因此在這4 種污染物排放中，PN排放量除了在冷啟動階段大量產生外，也與車輛的加速情況相關性很大。

由圖中可以看出，4 種污染物主要集中在發動機啟動后的100s 時間內大量生成。以CLTC 測試循環為例，在冷啟動100s 時間內，CO 排放量占到總量的65.2%，THC 排放量占到總量的23.9%，NOx排放量占到總量的53.6%，PN 排放量占到總量的19.8%，由此可看出，在僅占整個測試循環5.5%時間的冷啟動階段，CO 和NOx排放量貢獻了50%以上，THC 和PN排放量貢獻了20%左右，這是因為在冷啟動階段，三效催化劑的溫度比較低，還沒有達到三效催化劑的起燃溫度，此階段的催化劑工作效率比較低，尾氣中的污染物CO、THC、NOx和PN 排放量較大。

圖6 為不同循環工況下累計模態污染物排放量。總模態污染物排放量通過累計整個測試循環的模態數據，再除以測試循環的行駛里程所得。從圖中可以看出，WLTC 循環下的CO、THC 和NOx的排放量最少，NEDC 循環工況的排放量最大，而CLTC 循環的排放位于NEDC 和WLTC 循環之間。這是因為3 種循環下占總排放量比例較大的冷啟動階段的NDEC 循環的CO、THC 和NOx排放量的峰值時最大，循環行駛里程又是最小的，所以導致NEDC 循環的累計模態污染物排放最多，其次WLTC 和CLTC的3 種氣體污染物排放的峰值相差不大，但CLTC循環的行駛里程小于WLTC，導致CLTC 循環的累計模態污染物排放高于WLTC 循環。由于PN 排放除了與冷啟動階段有關，也與瞬態加速度相關，NEDC的加速時間較少，多為穩態工況，所以相對于WLTC和CLTC 循環，NEDC 循環的PN 累計模態排放量是最小的，而WLTC 循環和CLTC 循環的PN 累計模態排放相差不大。

圖3 NEDC 工況下多種污染物的瞬時排放情況

圖4 WLTC 工況多種污染物的瞬時排放情況

圖5 CLTC 工況多種污染物的瞬時排放情況

圖6 不同循環工況下累計模態污染物排放

2.2 循環工況對排放和油耗的影響

為了研究3 種測試循環對國六輕型車的污染物排放和油耗的影響，本文選取了目前市場主流的3種發動機排量的車輛作為研究對象，3 個車輛分別對應表中的車型1、車型2 和車型三，其發動機排放分別為2.0 L、1.8 L 和1.5 L，同時3 輛車均是采用增壓、直噴、GPF 路線。

2.2.1 不同循環工況下的排放

圖7 不同測試循環下的THC 排放

圖8 不同測試循環下的CO 排放

圖9 不同測試循環下的NOx 排放

圖7～9 分別為3 個車型在NEDC、WLTC 和CLTC 3種測試循環下的THC、CO 和NOx的排放情況。從圖中可以看出，除了車型1 的NOx排放在3 種測試循環下的基本一樣，3 個車型在3 種測試循環下的THC、CO 和NOx排放規律相同，WLTC 循環下的排放量最小，NEDC 循環和CLTC 循環排放量基本相當。這一規律也與圖3～5 的瞬態規律一致，因為THC、CO 和NOx的排放主要受冷啟動影響，而NEDC循環的冷啟動占比較大[4]，并且工況里程較短[5]，導致了NEDC 循環下的3 種污染物排放量最大，WLTC循環的工況里程是最長的，冷啟動階段的污染物瞬態排放量與CLTC 相當，所以WLTC 循環測得的THC、CO 和NOx的污染物排放值較低。

3 個車型中，在3 種測試循環下的THC 和CO排放結果均低于輕型車國六B 的限值，但是車型2在CLTC 循環下的NOx排放大幅度增加，這一測量值是國6B 限值的4.3 倍，是WLTC 循環下的5.3 倍，表明NOx排放對測試循環比較敏感。同時發現，除了車型2 的NOx排放，隨著發動機排放量的減小，3 種循環下測得的污染物排放量的差異也越大，說明循環工況對小排量車型的污染物排放影響比較大。

圖10 為3 個車型在3 種測試循環下的PN 排放情況。從圖中可以看出，3 種測試循環下的PN 排放規律與THC、CO 和NOx相反，WLTC 測試循環下的PN 排放量最大，這是因為PN 排放除了在冷啟動階段大量產生，還在每次加速階段大量生成，而相對于NEDC 和CLTC 循環，WLTC 循環頻繁加速次數最多，最大加速度也是最大，從而導致了大量顆粒數的生成。同時也發現，相對于其他2 個相對小排量發動機車型，2.0 L 車型的PN 排放量最大，表明大排量發動機帶來更大的PN 排放。

圖10 不同測試循環下的PN 排放

2.2.2 不同排放特性下的油耗特性

圖11 為3 個車型在NEDC、WLTC 和CLTC 3種測試循環下的油耗情況。從圖中可以看出，整車油耗隨著發動機排量的減少而逐漸降低，WLTC 測試循環下的油耗最小。這是因為相對于NEDC 循環，WLTC 的啟動影響減弱，停車時間比例縮短，更接近于經濟行駛速度，同時WLTC 循環的行駛里程較大，也促使計算結果減小，Bielaczyc 等人[6]的研究也獲得同樣的結果。由于CLTC 的行駛里程比WLTC 循環要短，平均速度小于WLTC，這些都有利于增加油耗，所以CLTC 循環的油耗比WLTC 循環大。

圖11 不同測試循環下的油耗

同時也發現，大排量發動機車輛的油耗受循環工況的影響較大。對于2.0 L 的車輛（車型1），3 種循環的最大和最小油耗差為2.12 L，對于1.8 L 的車輛（車型2），3 種循環的最大和最小油耗差為1.41 L，對于1.5 L 的車輛（車型3），3 種循環的最大和最小油耗差為0.45 L。

3 結論

1）在NEDC、WLTC 和CLTC 循環等3 種測試循環中，WLTC 循環下的CO、THC 和NOx排放量最小，PN 排放相對較多，但3 種測試循環下的PN 排放量相差不大。

2）CLTC 循環下的CO和THC排放量處于NEDC 和WLTC 循環之間，NOx排放量是3 種測試循環中最多的。

3）相對于NEDC 和CLTC 循環，WLTC 測試循環下的油耗最小，隨著發動機排量的減小，3 種循環間的油耗差異減少，說明大排量發動機車輛的油耗受循環工況的影響較大。