重型半掛車(chē)CHTC-TT 和C-WTVC 工況能耗排放比對(duì)研究

張?jiān)狼?李 博 馬居宇 李騰騰

（1-北京市機(jī)動(dòng)車(chē)排放管理事務(wù)中心 北京 100176 2-中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（天津）有限公司）

引言

汽車(chē)行駛工況研究是車(chē)輛測(cè)試研究領(lǐng)域的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，當(dāng)前歐洲、美國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家均已采用了自己的車(chē)輛行駛工況進(jìn)行車(chē)輛的標(biāo)定和認(rèn)證工作。而我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的車(chē)輛行駛工況的構(gòu)成，其車(chē)速按照行駛時(shí)間的分布比例與車(chē)輛在實(shí)際道路上的行駛工況不相符[1]。在2015～2018 年間，受工業(yè)和信息化部委托，由中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司牽頭，組織汽車(chē)行業(yè)開(kāi)展了中國(guó)工況的項(xiàng)目研究工作，該項(xiàng)目前后歷經(jīng)3 年，總共對(duì)國(guó)內(nèi)41 個(gè)代表城市的5 048 輛車(chē)進(jìn)行實(shí)際道路行駛工況的數(shù)據(jù)采集工作，累計(jì)采集5 539×104km 的車(chē)輛行駛數(shù)據(jù)和21×108條對(duì)應(yīng)城市的GIS 低頻交通動(dòng)態(tài)大數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)完成輕型和重型車(chē)輛共8 條行駛工況曲線，發(fā)布了重型車(chē)行駛工況國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38146.2-2019《中國(guó)汽車(chē)行駛工況第二部分：重型商用車(chē)輛》。標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)客車(chē)、貨車(chē)、自卸汽車(chē)和半掛牽引車(chē)輛共四類(lèi)車(chē)輛分別建立了符合中國(guó)城市道路狀況的重型車(chē)輛行駛工況（CHTC）曲線。

在此之前，重型商用車(chē)輛的燃料消耗量和排放污染物在重型車(chē)輛底盤(pán)測(cè)功機(jī)上按照GB27840-2011《重型商用車(chē)燃料消耗量測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的世界重型商用車(chē)輛瞬態(tài)循環(huán)（C-WTVC）進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，該循環(huán)適用于最大總質(zhì)量大于3 500 kg 的燃用汽油和柴油商用車(chē)輛，C-WTVC 循環(huán)由市區(qū)、市郊和高速工況組成。不同類(lèi)型的重型商用車(chē)在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上均使用該循環(huán)進(jìn)行排放和能耗測(cè)試，不同之處在于市區(qū)、公路和高速工況里程分配系數(shù)會(huì)因車(chē)而異。對(duì)于最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量大于27 000 kg 的半掛牽引車(chē)輛，其市區(qū)特征里程分配比例占比為0%，公路比例為10%，高速比例為90%[2]。

隨著GB/T 38146.2-2019《中國(guó)汽車(chē)行駛工況第二部分：重型商用車(chē)輛》標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，重型車(chē)輛的中國(guó)工況（CHTC）與C-WTVC 工況對(duì)車(chē)輛油耗與排放結(jié)果的影響差異性值得我們研究與分析，該問(wèn)題不僅關(guān)系到重型商用車(chē)生產(chǎn)企業(yè)在車(chē)輛開(kāi)發(fā)標(biāo)定上的研究，還涉及到重型商用車(chē)輛下一階段油耗限值標(biāo)準(zhǔn)，因此本文的研究目的是比對(duì)重型半掛牽引車(chē)輛在新舊行駛工況下的油耗和排放結(jié)果差異性大小，從而對(duì)重型車(chē)輛生產(chǎn)企業(yè)在第四階段油耗標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前的開(kāi)發(fā)和準(zhǔn)備工作具有一定幫助作用。

1 工況及試驗(yàn)

1.1 工況比對(duì)

重型半掛牽引車(chē)的C-WTVC 循環(huán)由公路和高速部分組成。如下圖1 所示，900 s 之后的虛線工況曲線為牽引車(chē)輛的C-WTVC 循環(huán)，其中公路循環(huán)900～1 368 s，運(yùn)行距離5.687 km，最高車(chē)速73.5 km/h。高速循環(huán)為1 368～1 800 s，運(yùn)行距離9.093 km，最高車(chē)速87.8 km/h[2]。中國(guó)半掛牽引車(chē)行駛工況（CHTC-TT）包括低速和高速2 個(gè)速度區(qū)間，工況時(shí)長(zhǎng)1 800 s，總行駛里程23.22 km，低速部分為473 s，行駛距離1.92 km，最高車(chē)速42.2 km/h，高速部分1 327 s，行駛距離21.30 km，最高車(chē)速88 km/h[3]。從C-WTVC 工況和CHTC-TT 工況曲線的對(duì)比可以看出，在中國(guó)工況中，重型牽引車(chē)輛適當(dāng)增加了市區(qū)工況，僅1.92 km，主要是模擬車(chē)輛實(shí)際行駛上高速前的低速行駛工況，相比C-WTVC 循環(huán)，CHTC-TT 工況的高速行駛距離大幅提高，是其2.34 倍，這也符合我國(guó)大多數(shù)重型半掛牽引車(chē)的實(shí)際行駛工況。因此，按照該循環(huán)進(jìn)行的重型車(chē)輛轉(zhuǎn)轂油耗排放試驗(yàn)工況將更加貼合其實(shí)際使用工況，從而其排放與油耗結(jié)果和實(shí)際使用情況更加接近。

圖1 工況曲線

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)使用一輛6×4 重型半掛牽引車(chē)作為測(cè)試研究對(duì)象，在一臺(tái)重型四驅(qū)底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行轉(zhuǎn)轂油耗排放聯(lián)合測(cè)試，該試驗(yàn)采用日本HORIBA 生產(chǎn)的全流稀釋排放測(cè)試設(shè)備CVS 對(duì)車(chē)輛的排氣污染物瞬時(shí)濃度、排氣流量等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，試驗(yàn)過(guò)程分別采集了CO、CO2、THC 和NOx等排氣污染物，試驗(yàn)設(shè)備采樣頻率設(shè)置為1 Hz，試驗(yàn)前后均對(duì)排放分析儀進(jìn)行零漂、泄露檢查和量程標(biāo)定，均滿足使用要求。試驗(yàn)結(jié)束后采用碳平衡的計(jì)算方法進(jìn)行整個(gè)循環(huán)工況的燃料消耗量計(jì)算。轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)前車(chē)輛按照最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量在試驗(yàn)場(chǎng)地的長(zhǎng)直線性能路進(jìn)行滿載負(fù)荷行駛阻力測(cè)試工作，經(jīng)過(guò)行駛阻力測(cè)定計(jì)算后，將該車(chē)輛的實(shí)際道路行駛阻力系數(shù)輸入底盤(pán)測(cè)功機(jī)控制系統(tǒng)，模擬車(chē)輛在實(shí)際道路上的滿載行駛阻力。經(jīng)過(guò)充分熱車(chē)等準(zhǔn)備工作之后，先依據(jù)GB/T 27840-2011重型商用車(chē)燃料消耗量測(cè)量方法進(jìn)行3 次完整CWTVC 循環(huán)測(cè)試并采集記錄瞬時(shí)排放數(shù)據(jù)，后依據(jù)GB/T 38146.2-2019 中國(guó)汽車(chē)行駛工況第二部分：重型商用車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)再進(jìn)行3 次CHTC-TT 循環(huán)測(cè)試并記錄瞬時(shí)排放數(shù)據(jù)。車(chē)輛參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 車(chē)輛參數(shù)

1.3 碳平衡法

式中：Q 為燃料消耗量，L/100 km；HC 為碳?xì)浠衔锱欧帕浚琯/km；CO 為一氧化碳排放量，g/km；CO2為二氧化碳排放量，g/km；ρg為15 ℃下燃料密度，kg/L。

2 結(jié)果分析

2.1 油耗和比排放結(jié)果對(duì)比

如表2 所示，公路工況油耗CHTC-TT 為52.70 L/100 km，C-WTVC 為52.14 L/100 km，CHTC-TT 工況的百公里油耗增加1.1%。高速工況油耗CHTC-TT為31.69 L/100 km，C-WTVC 為32.31 L/100 km，CHTC-TT 工況降低1.9%。CHTC-TT 和C-WTVC 的綜合油耗分別為33.38 L/100 km 和34.29 L/100 km，由于CHTC-TT 高速工況整體占比大，因而其最終綜合油耗比C-WTVC 工況降低2.7%，降幅明顯。

表2 油耗和排放結(jié)果

從排放結(jié)果比對(duì)可以看出，CHTC-TT 工況的NOx和CO 比排放分別為221.9 mg/（kW·h）、83.3 mg/（kW·h），較C-WTVC 工況分別增加163.9%和24.7%，PN 比排放為5.10 × 1010#/（kW·h），較CWTVC 工況降低41.2%。CO2比排放為576 618 mg/（kW·h），較C-WTVC 工況降低2.5%，這與綜合油耗的降幅幾乎相當(dāng)。

2.2 工況分布對(duì)比

圖2 為該車(chē)輛在C-WTVC 和CHTC-TT 工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行散點(diǎn)圖，可以看出兩種車(chē)輛行駛工況的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行區(qū)間基本一致，均主要分布在1 000～1 300 r/min 之間，且發(fā)動(dòng)機(jī)也都達(dá)到了最大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行點(diǎn)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行散點(diǎn)圖

圖3 為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線，可以看出1 200 s 至1 800 s 時(shí)間內(nèi)，CHTC-TT 工況的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速均低于C-WTVC 工況，這與圖1 的車(chē)速差異情況相符，說(shuō)明牽引車(chē)輛的CHTC-TT 工況在高速段車(chē)速整體低于C-WTVC 工況，因而高速工況的油耗比C-WTVC 降低1.9%。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分布

圖4 和圖5 為車(chē)輛兩種行駛工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速占比分布直方圖，可以看出C-WTVC 工況在1 285r/min的工況點(diǎn)占比高達(dá)30.3%，1 000～1 250 r/min之間的運(yùn)行區(qū)域占比在4%～11.3%，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速占比9.4%。CHTC-TT 工況的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也主要集中在1 000～1 250 r/min 之間，該區(qū)域的轉(zhuǎn)速分布占比在2.9%～10.2%，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速占比13.2%。因此可知C-WTVC 工況下發(fā)動(dòng)機(jī)在中高速的運(yùn)行占比高于CHTC-TT 工況，而怠速工況占比CHTC-TT 工況則比C-WTVC 高出3.8%，怠速占比較高。

圖4 C-WTVC 工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速占比

圖5 CHTC-TT 工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速占比

該發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為2 600 N·m，圖6 和圖7為車(chē)輛在C-WTVC 和CHTC-TT 行駛工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分布直方圖，可以看出C-WTVC 工況的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩從0～2 600 N·m 全覆蓋，除怠速輸出凈轉(zhuǎn)矩0之外，發(fā)動(dòng)機(jī)凈輸出轉(zhuǎn)矩953 N·m 的占比最大，為12.3%，其余轉(zhuǎn)矩均在5.3%以?xún)?nèi)。CHTC-TT 工況的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也從0～2 600 N·m 全覆蓋，除怠速輸出轉(zhuǎn)矩0 以外，發(fā)動(dòng)機(jī)的所有凈輸出轉(zhuǎn)矩占比均在5.5%以?xún)?nèi)。因而，CHTC-TT 工況的各轉(zhuǎn)矩占比較C-WTVC 更為均衡，主要分布在中高負(fù)荷及以下。C-WTVC 工況整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)總凈轉(zhuǎn)矩為759 000 N·m，CHTC-TT 工況發(fā)動(dòng)機(jī)總凈轉(zhuǎn)矩為1 071 000 N·m，因此牽引車(chē)的中國(guó)工況比C-WTVC 工況總輸出轉(zhuǎn)矩更大。

圖6 C-WTVC 工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩占比

圖7 CHTC-TT 工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩占比

2.3 瞬時(shí)排放對(duì)比

圖8 和圖9 分別為C-WTVC 和CHTC-TT 工況的牽引車(chē)輛的實(shí)際CO2濃度分布占比，可以看出，CWTVC 工況的CO2瞬時(shí)濃度在203×10-6和6 108×10-6附近占比最高，分別為24.9%和15.3%，其余濃度占比大多在5%及以下。CHTC-TT 工況的CO2瞬時(shí)濃度在602×10-6附近的占比最高，為23.2%，其余濃度占比在6.8%及以下。

圖8 C-WTVC 工況CO2 濃度占比

圖9 CHTC-TT 工況CO2 濃度占比

圖10 和圖11 分別為C-WTVC 和CHTC-TT 工況的牽引車(chē)輛的實(shí)際CO 濃度分布占比，可以看出，兩種工況的瞬時(shí)CO 濃度大部分都分布在14×10-6～15×10-6之間，其中C-WTVC 工況的CO 濃度區(qū)間更窄，C-WTVC 工況的CO 瞬時(shí)濃度在該濃度區(qū)間的總占比為99.8%，CHTC-TT 工況則為100%，因而CHTCTT 工況的CO 比排放較C-WTVC 工況增加24.7%。

圖10 C-WTVC 工況CO 濃度占比

圖11 CHTC-TT 工況CO 濃度占比

從碳平衡公式可以看出，燃料消耗量與THC、CO 和CO2的排放因子呈正相關(guān)。由于柴油車(chē)THC排放幾乎為0，因此本試驗(yàn)并未采集THC 排放。從2.1 節(jié)油耗和排放比對(duì)結(jié)果及上述CO2和CO 排放瞬時(shí)差異性分析可知，CHTC-TT 工況的CO2和CO的比排放和濃度均高于C-WTVC 工況，然而整體百公里油耗卻降低2.7%。具體原因應(yīng)有以下兩點(diǎn)，其一，牽引車(chē)輛的CHTC-TT 工況行駛里程是C-WTVC工況行駛里程的1.57 倍，整體行駛距離較長(zhǎng)，計(jì)算百公里油耗的分母較大。其二，CHTC-TT 工況中的高速工況行駛距離是C-WTVC 工況的2.34 倍，高速工況油耗較公路工況油耗降低較多。

圖12 和圖13 分別為C-WTVC 和CHTC-TT 工況下?tīng)恳?chē)輛的實(shí)際NOx濃度分布占比，可以看出該車(chē)的整體NOx排放濃度極低，C-WTVC 工況下的NOx瞬時(shí)排放濃度均在24×10-6以?xún)?nèi)，（2～4）×10-6濃度占比87.9%。CHTC-TT 工況下的NOx瞬時(shí)排放濃度在54×10-6以?xún)?nèi)，（2～4）×10-6濃度占比92.0%。因而，CHTC-TT 工況的整體NOx比排放較C-WTVC 工況增加163.9%。

圖12 C-WTVC 工況NOx 濃度占比

圖13 CHTC-TT 工況NOx 濃度占比

圖14 和圖15 分別為C-WTVC 和CHTC-TT 工況下?tīng)恳?chē)輛的實(shí)際顆粒物數(shù)量濃度分布占比，可以看出C-WTVC 工況下的PN 瞬時(shí)排放濃度在379#/cm3附近的占比最高，為71.6%。CHTC-TT 工況下的PN瞬時(shí)排放濃度在202#/cm3附近的占比最高，為74.9%。因而CHTC-TT 工況的PN 整體排放較C-WTVC 更低，降幅41.2%。

圖14 C-WTVC 工況PN 濃度占比

圖15 CHTC-TT 工況PN 濃度占比

3 結(jié)論

1）重型牽引車(chē)輛的CHTC 工況高速行駛距離大幅提高，是C-WTVC 高速工況的2.34 倍，比較符合我國(guó)大多數(shù)重型牽引車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行工況。

2）本試驗(yàn)車(chē)輛的CHTC-TT 和C-WTVC 工況的百公里綜合油耗分別為33.38 L 和34.29 L，CHTC-TT比C-WTVC 工況降低2.7%，降幅明顯。

3）本試驗(yàn)車(chē)輛的CHTC-TT 工況NOx比排放和CO比排放分別為221.9 mg/（kW·h）、83.3 mg/（kW·h），相比C-WTVC 工況分別增加163.9%和24.7%，而PN比排放為5.10×1010#/（kW·h），比C-WTVC 工況降低41.2%。

4）關(guān)于中國(guó)工況與C-WTVC 循環(huán)對(duì)重型商用車(chē)輛的油耗和排放的影響應(yīng)該因車(chē)輛類(lèi)型而異，并非所有車(chē)輛的油耗使用中國(guó)工況一定比C-WTVC會(huì)更低。因此對(duì)于其他類(lèi)型車(chē)輛的中國(guó)工況與CWTVC 工況能耗和排放比對(duì)也值得探討。