基于VECTO的商用車中國工況碳排放仿真

施佳能, 李粟，張佑源*，汪曉偉，高濤

1.東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545500；2.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300

0 引言

重型商用車一直以來都是我國機動車節能減排的重點防治對象[1]。目前，加強對重型商用車節能減排監管的主要途徑為升級油耗和排放標準。文獻[2]是當前實施的重型商用車油耗標準，采用文獻[3]的測試方法，使用中國重型商用車測試循環(Chinese version world transient vehicle cycle，C-WTVC)。而重型商用車四階段油耗標準正在起草中，采用的循環將由C-WTVC轉化成中國重型商用車輛行駛工況(China heavy-duty commercial vehicle test cycle,CHTC)[4-5]。工況改變對油耗測試將產生非常大的影響，因此對商用車企業未來的技術路線起著至關重要的作用[6-8]。

歐盟的重型商用車碳排放標準已經實施，采用整車能量消耗計算工具VECTO軟件模擬計算重型商用車的碳排放，從而計算油耗，國外關于VECTO軟件的研究已經逐步展開[9-11]。目前中國采用重型轉轂測試油耗，也有應用模擬計算法對商用車油耗開展研究[12-15]，但對VECTO模擬計算方法的研究很少。

本文中詳細介紹VECTO軟件的模擬計算過程，對比C-WTVC和CHTC的差異，采用VECTO軟件模擬計算半掛牽引車、重型貨車、城市客車和客車4種類型的重型商用車在2種測試循環下的碳排放，對比分析2種測試循環下的碳排放差異，幫助商用車企業更細致地了解2類工況的特性，為企業應對四階段油耗標準要求提供參考。

1 基于VECTO的碳排放模擬計算

VECTO碳排放模擬計算采用組件測試和整車模擬相結合的方式,組件測試主要包括發動機、傳動系統、變速箱、減速器、空氣阻力以及輪胎測試，其中發動機和空氣阻力的測試數據應經VECTO Engine 和 VECTO Airdrag子模塊處理后，與其他表據同時輸入到VECTO主軟件中仿真計算整車碳排放[5]。組件的測試數據可應用于不同的車型，整車模擬計算能夠有效消除駕駛員行為和環境條件等對測試結果的影響，節約試驗成本，且具有良好的重復性和靈活性。

1.1 VECTO Engine模塊

VECTO Engine模塊用來檢驗發動機測試數據并計算整車模擬需要的參數。首先，根據發動機怠速和外特性曲線，計算確定發動機油耗萬有特性測試點；隨后，按照圖1中的順序從額定功率開始依次測試，得到發動機油耗萬有特性曲線。進行冷、熱態瞬態循環(world harmonized transient cycle,WHTC)測試，得到冷、熱態WHTC的比油耗以及市區、公路和高速路況的比油耗。最后，將發動機相關技術參數及測試數據輸入VECTO Engine模塊中，計算得到WHTC修正因子。VECTO Engine所需的輸入參數包括源機怠速轉速(r/min)，發動機怠速轉速(r/min)，發動機額定功率(kW)，燃料類型，燃料凈熱值(MJ/kg)，WHTC冷起動、熱起動、市區、公路和高速的比油耗(g/(kW·h))以及循環再生修正系數；需輸入的文件包括源機油耗map、源機滿載曲線、發動機滿載曲線、源機倒拖曲線，文件格式均為.csv。

圖1 發動機測試點的測量順序

1.2 VECTO Airdrag模塊

VECTO Airdrag模塊是通過恒定車速測試數據計算整車空氣阻力的工具。恒定車速測試道路包括循環式和往復式，如圖2所示。

a)循環式測試道路 b)往復式測試道路

恒速測試包括車速為15 km/h的低速測試和車速為90 km/h的高速測試。恒速測試期間需要測量實際風速、輪邊轉矩、發動機轉速、車速等?？諝庾枇y試參數及設備如圖3所示。

圖3 空氣阻力測試參數及設備

將所有的測試數據輸入到VECTO Airdrag中進行檢驗并生成計算整車空氣阻力所需的數據文件，與整車數據文件和環境數據文件一起輸入到VECTO Airdrag中，計算得到風阻因數和迎風面積等參數。VECTO Airdrag所需的數據文件及類型如表1所示。

表1 VECTO Airdrag所需的輸入文件及類型

1.3 VECTO主模塊

VECTO主模塊是整合組件數據參數計算整車油耗的工具，主要包括整車、發動機、變速箱和工作文件等模塊。計算碳排放時，將整車、發動機和變速箱參數輸入到對應的模塊中，計算得到對應格式的數據文件。隨后，將以上數據與測試工況文件一同輸入到工作文件模塊，計算得到用于油耗計算的數據文件，所需數據文件及類型如表2所示。最終得到的油耗結果，乘以表3中的a得到整車的碳排放。

表2 VECTO 主模塊所需的輸入文件及類型

表3 油耗和碳排放相關參數

2 油耗模擬計算參數設置

2.1 樣車參數

本文中選擇城市客車、客車、重型貨車和半掛牽引車4種不同類型的重型商用車作為樣車，并通過VECTO軟件對商用車碳排放進行模擬計算，車輛的主要參數如表4所示。

表4 車輛主要參數

2.2 循環工況

對4臺樣車分別按照文獻[3]中的C-WTVC以及文獻[4]中的CHTC進行仿真。C-WTVC采用統一的測試曲線，由市區、公路和高速3部分組成，其中市區行駛900 s，公路行駛468 s，高速行駛432 s，總計1800 s。針對不同類型的重型商用車確定其在3個循環區間的特征里程分配比例，如表5所示。重型商用車的綜合油耗由各循環區間的測試結果進行加權計算得到。

表5 重型商用車的分類及其特征里程分布比例

CHTC共有6條測試曲線，分別為城市客車行駛工況(CHTC-B)、客車行駛工況(CHTC-C)、輕型貨車(最大設計質量不超過5 500 kg)行駛工況(CHTC-LT)、重型貨車(最大設計質量大于5 500 kg)行駛工況(CHTC-HT)、自卸貨車行駛工況(CHTC-D)和半掛牽引車行駛工況(CHTC-TT)。重型商用車CHTC下的綜合油耗直接由相應測試曲線下的測量結果計算得到，不需要進行額外的加權[8]。

3 結果分析

利用VECTO軟件分別對4種樣車在C-WTVC和CHTC下的碳排放進行模擬計算，使用燃料為B7柴油，碳排放轉換因數為3.13，載荷設置均為滿載(總質量)，其中C-WTVC的碳排放按照表5的特征里程系數進行加權。

3.1 模擬計算結果

4種車輛在C-WTVC和CHTC下的碳排放結果如表6所示。由表6可知：CHTC下，車輛的碳排放與車輛總質量不完全正相關，半掛牽引車的質量明顯高于客車，但碳排放低于客車；與C-WTVC相比，城市客車、客車、重型貨車和半掛牽引車在CHTC下的碳排放均增加，增加比例分別為19.09%、19.03%、1.51%和5.23%。城市客車和客車的增加幅度較大，半掛牽引車增加幅度較小，重型貨車增加幅度最小。

表6 4種車型在C-WTVC和CHTC下碳排放結果 g/km

3.2 數據分析

3.2.1 城市客車

城市客車在CHTC-B和C-WTVC時循環特性參數對比如表7所示。

由表7可知：與C-WTVC相比，城市客車在CHTC-B運行時間更長，最大加速度和平均加速度更高，平均速度更低，怠速比例更高。

表7 城市客車在CHTC-B和C-WTVC下的特征參數

工況行駛時間/s距離/km最大速度/(m·s-1)最大加速度/(m·s-2)最大減速度/(m·s-2)平均速度/(m·s-1)平均行駛速度/(m·s-1)CHTC-B1 3105.4945.601.26-1.3215.0819.43C-WTVC 9005.7366.200.88-1.0022.9027.21 工況平均加速度/(m·s-2)平均減速度/(m·s-2)相對正加速度/(m·s-2)加速比例/%減速比例/%勻速比例/%怠速比例/%CHTC-B0.48-0.540.1729.1625.8822.6022.37C-WTVC0.39-0.550.1535.1825.8623.0915.87

城市客車碳排放隨加速度的變化如圖4所示。由圖4可知：城市客車的碳排放隨加速度增大呈明顯快速增加的趨勢，簡單線性擬合的斜率為5.18。CHTC-B的最大加速度比C-WTVC高38.6%，CHTC-B的平均加速度比C-WTVC高23.1%，因此CHTC-B的碳排放增加明顯。

圖4 城市客車碳排放隨加速度的變化

城市客車在CHTC-B和C-WTVC的各擋位時間占比如表8所示。由表8可知：由于CHTC-B平均行駛速度更低，怠速比例更高，因此更多在低擋位運行。CHTC-B直接擋(6擋)的時間占比僅為16.3%，而C-WTVC為59.7%，導致CHTC-B的碳排放較高。

表8 城市客車在CHTC-B和C-WTVC下的各擋位時間占比 %

3.2.2 客車和重型貨車

客車CHTC-C、重型貨車CHTC-HT和C-WTVC特性參數對比如表9所示。由表9可知：與C-WTVC相比，CHTC-C和CHTC-HT循環的怠速比例和最大加速度更高，平均加速度和平均行駛速度CHTC-C最高，C-WTVC次之，CHTC-HT最低。

表9 CHTC-C、CHTC-HT和C-WTVC下的特征參數

客車碳排放隨加速度的變化如圖5所示。由圖5可知：客車的碳排放也呈現比城市客車更為明顯地隨加速度增加快速增加的趨勢，其簡單線性擬合的斜率達18.4。而CHTC-C的最大加速度和平均加速度分別比C-WTVC高42%和19.4%，因此CHTC-C的碳排放增加明顯。

圖5 客車碳排放隨加速度的變化

客車在CHTC-C和C-WTVC的各擋位時間占比如表10所示。由表10可知，由于CHTC-C的平均行駛車速高于C-WTVC，因此CHTC-C直接擋(6擋)的時間占比為27.6%，比C-WTVC更多，抵消了一部分加速度帶來的碳排放影響。因此中國工況下的客車和城市客車碳排放增加幅度都在19%左右。

表10 客車在CHTC-C和C-WTVC下的各擋位時間占比 %

重型貨車碳排放隨加速度的變化如圖6所示。由圖6可知：重型貨車的碳排放隨加速度增大呈現快速增加的趨勢，其簡單線性擬合的斜率為7.08。CHTC-HT的最大加速度比C-WTVC高29.5%，但平均加速度低13.9%。兩者相互制約，因此CHTC-HT下碳排放增加很小。

圖6 重型貨車碳排放隨加速度的變化

重型貨車在CHTC-HT和C-WTVC的各擋位時間占比如表11所示。由表11可知：由于CHTC-HT的平均行駛車速低于C-WTVC，因此CHTC-C直接擋(6擋)的時間占比為15.2%，少于C-WTVC。

表11 重型貨車在CHTC-HT和C-WTVC下的各擋位時間占比 %

3.2.3 半掛牽引車

半掛牽引車在CHTC-TT和C-WTVC的特性參數如表12所示。由表12可知：與C-WTVC相比，半掛牽引車在CHTC-TT時最大加速度略有增加，平均加速度略有降低，平均速度大幅降低。并且，CHTC-TT也包括一部分城市工況，而C-WTVC只計算公路和高速部分。

表12 半掛牽引車在CHTC-TT和C-WTVC下的特征參數

半掛牽引車碳排放隨加速度的變化如圖7所示。由圖7可知，半掛牽引車的碳排放呈現明顯地隨加速度增加快速增加的趨勢，簡單線性擬合的斜率為28.96。雖然半掛牽引車在CHTC-TT的最大加速度比C-WTVC高8.0%，但平均加速度低9.7%，理論上CHTC-TT的碳排放應該比C-WTVC低。分析擋位變化情況，CHTC-TT最高擋(12擋)的時間占比為41.3%，而C-WTVC最高擋占比達到50.6%；而且由于CHTC-TT有市區工況，需要頻繁換擋，也會導致碳排放增加。這些因素綜合導致CHTC-TT的碳排放高于C-WTVC。

圖7 半掛牽引車碳排放隨加速度的變化

4 結語

介紹了目前歐盟CO2排放標準中采用的重型商用車油耗模擬計算軟件VECTO，使用VECTO軟件模擬計算了半掛牽引車、重型貨車、城市客車和客車4種類型的重型商用車在C-WTVC和CHTC下的碳排放，對比分析了C-WTVC和4種CHTC循環的特征參數。

1)與C-WTVC相比，城市客車、客車、重型貨車和半掛牽引車在CHTC下的碳排放均增加；城市客車和客車的增加幅度最高，半掛牽引車增加幅度較低，重型貨車增加幅度最低。

2)重型車碳排放隨汽車加速度增加而上升，且隨總質量的增加，上升趨勢更加明顯。此外，隨著重型車行駛工況的變化，駕駛策略相應變化，也會引起車輛碳排放的變化。

3)后續將在CHTC特征參數分析的基礎上，通過發動機油耗標定優化以及整車速比配置優化等方式，探尋降低CHTC油耗的方法，為應對四階段油耗標準要求做好準備。