全球輕型車統一測試程序對乘用車CO2排放的影響分析

G.DIPIERRO F.MILLO C.CUBITO B.CIUFFO F.GEORGIOS

截至2017年，歐盟輕型車排放污染物和油耗的型式核準程序是新歐洲行駛測試循環（NEDC）。該測試在底盤測功機上進行。然而，諸多研究表明，由于型式核準測試程序的工況有限性，導致其CO2排放和實際行駛過程中的差異很大。為此，歐盟決定采用1種更能代表實際行駛的新試驗工況，即全球輕型車統一測試程序（WLTP）。通過試驗和仿真研究分析WLTP測試程序對CO2排放的影響，試驗在2款不同的歐5車輛上進行，1輛為柴油車，1輛為汽油車，以代表歐洲乘用車的平均排放水平。同時研究了發動機暖機和起停技術在新型式核準程序中對CO2排放的影響。WLTP測試程序的測試質量和道路負荷要求更高，行駛動態性也更高。汽油車循環能量需求增加44%，柴油車循環能量需求增加23%。然而，柴油車CO2排放以相同比例增加，而汽油車CO2排放只增加10%，這是因為WLTP測試程序下的發動機平均效率提高了。最后，對2輛車進行起停技術的實際節油效果的NEDC和WLTP測試。

全球輕型車統一測試程序;新歐洲行駛測試循環;道路負荷;起停技術;冷起動

0?前言

在歐盟，運輸行業的溫室氣體排放量占總溫室氣體排放量的20%，為第二大排放行業。而在運輸行業內，輕型汽車的溫室氣體排放量占總量的94%[1-2]。2009年，歐盟頒布了針對新乘用車的強制性CO2法規，采用新歐洲行駛測試循環（NEDC），旨在推進車企加大對降低CO2排放新技術的投入和研發[3]，同時提高歐洲汽車行業的競爭力。經過汽車行業的節能減排工作，NEDC測試循環下的CO2排放由2006年的160 g/km降到2012年的132 g/km，下降了17%[4]。

大量研究表明，型式核準和實際行駛的CO2排放有很大差異。2014年相關研究表明，型式核準和實際行駛的CO2排放差異呈增大趨勢，傳統動力總成的CO2排放差異由2001年的8%增大到2014年的37%[5-9]。歐盟委員會的研究指出了型式核準和實際行駛CO2排放差異產生的原因[10]：（1）NEDC測試循環由適度的瞬態工況和諸多穩態工況組成，不能代表實際行駛工況;（2）歐洲型式核準協議規定的測試程序靈活性較大，諸如可以忽略循環中傳統動力總成的電池電量（SOC）差異，可以采用特殊的測試駕駛技巧和非量產件進行測試，與量產車不符;（3）在型式核準程序中，在測試跑道上進行道路負荷測量時，輪胎的選擇和準備、環境測試條件、車輛預處理等方面具有較大的靈活性和公差，甚至允許使用最輕質量的車型，并且不考慮車載選配裝備的影響;（4）空調壓縮機、娛樂設備等輔助設備的使用會增加實際行駛時的燃油消耗，而這些設備在型式核準試驗時處于關閉狀態，導致了較低CO2排放，不切實際行駛工況;（5）對于起停技術、混動車輛的優化控制策略、自動變速器的換檔策略和發動機小型化等技術的運用，其在實驗室型式核準測試時的降低排放效果比實際行駛時更加有效。

為了縮小型式核準測試和實際行駛的CO2排放差異，減少型式核準測試時車企的測試費用和政府的工作，2007年聯合國技術工作組開發了輕型車的全球輕型車統一測試程序（WLTP）。2017年9月，在歐盟實施WLTP新測試程序，采用全球輕型車統一測試循環（WLTC）。WLTP測試程序的引入相較于NEDC測試循環有諸多測試和程序的變化。將NEDC測試循環切換為WLTP測試程序，對傳統汽車的CO2排放影響有諸多不同的研究結果。然而，這些研究主要集中在識別WLTP測試程序下汽車能量消耗和CO2排放的基本變化趨勢。WLTP測試程序對發動機運行工況點、效率、冷起動效果、特定技術組合（如起停、發動機熱管理等）帶來的CO2排放效果等影響，基本上沒有開展深入研究。

本研究分析了不同行駛循環和發動機技術對CO2排放的影響，分別在2臺不同的歐5車輛上進行，1輛配置點燃式發動機，另外1輛配置壓燃式發動機。主要研究了測試程序對發動機運行工況點、效率的影響，以及不同行駛循環（如加速度、速度等）和程序設定車輛參數（如車重等）的效果差異。也研究了冷起動和起停技術對降低CO2排放的影響。本研究分別從試驗測試和數值仿真方面進行了分析。

1?方法

1.1?測試車輛

表1列出了2款測試車輛的主要參數。1輛滿足歐5排放法規的C級乘用車配裝1.4 L渦輪增壓點燃式發動機，額定功率為119.36 kW，匹配六速手動變速器（MT），下文稱之為車輛1;另外1輛滿足歐5排放法規的C級乘用車配裝1.6 L渦輪增壓壓燃式發動機，額定功率為100.71 kW，匹配六速手動變速器。

1.2?測試循環

2輛車在底盤測功機上按照特定條件進行測試。在測試過程中，分別記錄了WLTC測試循環和NEDC測試循環下的CO2排放物。就WLTC測試循環而言，采用3級的原因是車輛特性與比功率（功率質量比）有關。圖1示出了2種測試循環：NEDC測試循環由市區運轉循環和市郊運轉循環組成。WLTC測試循環由4部分組成：低速段、中速段、高速段和超高速段。表2列出了2種測試循環的主要特點。NEDC測試循環的道路負荷和測試質量遵守相關法規規定。WLTC測試循環的道路負荷和測試質量按照WLTP測試程序進行加載。WLTP和NEDC測試程序的差異增加了能量需求，表3列出了單位里程能耗（即測試循環下行駛距離內所需正牽引能量的積分）。相較于NEDC測試循環，WLTC測試循環的測試質量和道路負荷增加，以及動態性提高，導致車輛1和車輛2的循環能量需求分別增加了44%和23%。車輛1和車輛2的能量需求差異主要是測試質量不同所致。

1.3?試驗規程

2輛車測試時的初始冷卻液溫度不同，目的是為了評估冷起動對CO2排放的影響。初始冷卻液溫度不同，而測試程序則相同。冷起動工況的循環初始冷卻液溫度設定為25 ℃，熱起動工況的循環初始冷卻液溫度設定為90 ℃。

1.4?仿真方法

試驗獲得的所有數據用于建立和驗證數值模型，這些模型將用于分析測試工況（行駛循環、整車質量和道路負荷）和起停對CO2排放的影響。在GT-Suite軟件中建立車輛模型，采用“準靜態”方法，發動機和變速器性能曲線為穩態工況下的測試數據。雖然這種方法忽略了渦輪遲滯等瞬態工況，但其對分析適度的瞬態行駛循環是有效的。

2?試驗結果和討論

2.1?WLTP測試程序的影響

將NEDC測試循環切換為WLTP測試程序，測試要求的變化明顯提高了循環能量需求。車輛1的循環能量需求增加44%，車輛2增加23%。車輛2的CO2排放以相同比例增加，而車輛1的CO2排放只增加了10%。如表4所示，WLTC測試循環下發動機平均效率提高了， CO2排放降低了。 在NEDC測試循環下，2款發動機運行在平均有效壓力（BMEP）小于12 Pa的低效率區域（如圖2和圖3所示），點燃式發動機的平均效率為25%，壓燃式發動機的平均效率為27.5%。

另一方面，WLTP測試程序下平均效率的提高是因為2款發動機都運行在中高負荷區域，點燃式發動機的平均效率約為30%，壓燃式發動機的平均效率約為32%，與NEDC測試循環相比平均水平提高了5%。

如圖4和圖5所示，對發動機運行工況點進行了分析，圖中發動機提供的能量根據負荷進行分組。從圖中可以清楚地看出NEDC測試循環下2種動力總成提供的能量大部分都在低效率區域，而在WLTP測試程序下能量分布的重心向最高效率區域靠近。值得注意的是，在WLTC測試循環中，車輛1的大部分分組都位于高效率區域。整個循環下驅動車輛1的能量增加44%，而CO2排放僅僅增加約10%。

為了解NEDC測試循環切換為WLTP測試程序時CO2排放增加的主要原因，通過車輛仿真分析了車輛慣量和道路負荷的影響。此分析未考慮冷起動的影響，仿真僅在熱機工況下進行。如圖6所示，對2輛車進行WLTC測試循環仿真時，采用NEDC測試循環所規定的質量和道路負荷，用“EU”標簽標記。圖中三角形標記代表車輛2，行駛循環變化只增加5%的CO2排放，而測試質量和道路負荷的變化，則增加了20%的CO2排放。圖中方形標記代表車輛1，WLTC測試循環下采用NEDC測試循環的道路負荷CO2排放與NEDC測試循環相比減小1.5%。這是因為WLTC測試循環相較于NEDC測試循環提高了發動機平均效率，如圖7所示。

2.2?冷起動對CO2排放的影響分析

從NEDC測試循環切換為WLTP測試程序，冷起動對CO2排放的影響（即型式核準程序中冷起動工況相較于熱起動工況CO2排放增加）有所減小。首先，冷起動的影響變小是因為整個循環的行駛距離和時間變長;其次，WLTP測試程序下需求的發動機能量相較于NEDC測試循環增加，從而加速了發動機暖機。為了解WLTP測試程序中發動機暖機的重要性，在NEDC測試循環和WLTP測試程序下都進行了冷起動（即發動機冷卻液溫度25 ℃）和熱起動（即發動機冷卻液溫度90 ℃）工況試驗，表5列出了試驗結果。當NEDC測試循環切換為WLTP測試程序，冷起動降低CO2排放的效果大大降低（2輛車的減排效果幾乎都降低約50%）。對于車輛1，NEDC測試循環下冷起動較熱起動的CO2排放增加約9.5%，WLTP循環下僅僅為5%。對于車輛2，NEDC測試循環下增加約2.5%，WLTP循環下僅僅約為1.0%。

2.3?起停技術對降低CO2排放的效果分析

對于冷起動，WLTP測試程序規定的行駛循環對于起停等發動機技術降低市區工況CO2排放的效果有很大影響。本研究用數值模型分析了起停技術對降低CO2排放的效果。為了只了解行駛循環的影響，數值仿真只對熱機工況進行研究，數值仿真結果如表6所示。可以看出，從NEDC測試循環切換為WLTP測試程序，2輛車的起停效果都降低了約50%。對于車輛1，在NEDC測試循環下起停技術降低CO2排放約5%，而在WLTP測試程序下僅僅約為2%。同樣，對于車輛2，在NEDC測試循環下起停技術降低CO2排放約4%，而WLTP測試程序下約為2%。如表2所示，因為停車工況占比從23.7%降低為12.6%，所以在降低CO2排放方面，起停效果有所降低。

3?結論

通過試驗測試和仿真研究分析了新型式核準程序WLTP對CO2排放的影響，并與NEDC測試循環進行了對比。試驗在2款不同的歐5車輛上進行，分別為汽油車和柴油車，代表著歐洲乘用車的平均排放水平。WLTP測試程序的質量和道路負荷等試驗條件更為苛刻，汽油車的循環能量需求增加44%，柴油車的循環能量需求增加23%。柴油車的CO2排放增加與能量需求的增加比例相同，而汽油車只增加10%。這是由于WLTP測試程序下發動機平均效率提高的緣故。當NEDC測試循環切換為WLTP測試程序，點燃式發動機的平均效率從25%提高到30%，壓燃式發動機的平均效率從27.5%提高到32%。當NEDC測試循環切換為WLTP測試程序，導致CO2排放增加的主要因素是更為苛刻的試驗條件（測試質量和道路負荷），而不是更加動態的行駛循環。對于配裝壓燃式發動機的車輛2，行駛循環只增加了5%的CO2排放。當NEDC測試循環切換為WLTP測試程序，冷起動降低CO2排放的效果大大降低（2輛車的減排效果幾乎都減半），2輛車的起停效果幾乎也都減半。

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