LNG-電混合動力公交車發動機實際運行工況分析

彭美春，曾隆隆，張偉倫

(廣東工業大學機電工程學院，廣東 廣州 510006)

LNG-電混合動力公交車發動機實際運行工況分析

彭美春，曾隆隆，張偉倫

(廣東工業大學機電工程學院，廣東 廣州 510006)

重型汽車實際運行排放與發動機排放型式核準臺架測試結果間的差異主要在于二者的測試工況不同。以廣州市在用的一款LNG-電混合動力公交車為研究對象，在公交線路上開展整車實際道路測試，通過PEMS,CAN總線實時采集測試車輛車速、發動機轉速和扭矩等數據，統計分析該車輛發動機實際工況的分布特征，并與ETC工況和WHTC工況進行比較分析。結果表明，因受動力控制策略、限速、公交車運行規律等影響，該混合動力公交車發動機實際運行工況主要分布在中小轉速區，在中小扭矩區時間占比較大，不同于排放型式核準發動機臺架測試瞬態工況ETC主要分布在中高轉速與中高扭矩區，也不同于WHTC工況主要分布在中等轉速區、在中等與偏小的扭矩區分布較均勻。相比于ETC工況，WHTC工況在發動機平均轉速、平均功率和怠速比例等工況特征參數與該公交車發動機實際運行工況較為接近。

公交車；混合動力；液化天然氣(LNG)；運行工況；WHTC；ETC

近年來，世界上重型車用發動機排放法規或標準不斷更新，呈現出測試項目增加、測試工況變更、測試環境拓展、排放限值加嚴等特點。如歐盟第六階段排放標準重型車發動機排放臺架瞬態試驗工況從ETC循環變更為WHTC循環，繼美國之后在室內發動機臺架試驗基礎上增加了車輛實際道路運行排放的測試評價。

我國跟隨歐美等發達國家與地區排放標準的走勢，重型車輛排放標準也不斷更新與加嚴。

我國國家標準GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》，規定了國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ階段重型車用柴油發動機和燃氣發動機型式核準試驗的穩態ESC工況法和瞬態ETC工況法下的排放測量方法與排氣污染物排放限值。

國家環保部于2014年發布了HJ 689—2014《城市車輛用柴油發動機排氣污染物排放限值及測量方法(WHTC工況法)》[1]，該標準規定了國Ⅳ和國Ⅴ階段城市車輛用柴油發動機WHTC 工況法的排氣污染物排放測量方法和排放限值。

作為對GB 17691—2005的補充，2015年國家出臺了《重型車用發動機與汽車車載測量方法與排放限值》(征求意見稿)[2]，規定了重型車輛實際運行排放(Real Driving Emission，簡稱RDE)測試的車載法，采用車載排放測試系統(Portable Emission Measurement System,簡稱PEMS)測試車輛實際道路運行狀態下的排放，規定了車輛發動機排氣污染物基于ETC或者WHTC循環功的功基窗口比排放限值。

我國于2016年10月出臺了《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(征求意見稿)[3]，該標準規定了國Ⅵ階段重型車用柴油發動機和燃氣發動機型式核準臺架排放測試工況為WHSC 工況和WHTC 工況，分別替代了ESC工況與ETC工況；也規定了采用車載排放測試方法測試車輛RDE的方法與限值，規定了基于發動機WHTC功的功基窗口法排放限值。

綜上，我國重型車發動機排放型式核準臺架瞬態試驗工況正從ETC循環向WHTC循環過渡，排放評價在室內發動機臺架試驗基礎上，增加了車輛實際道路運行排放的測試評價，基于發動機臺架瞬態試驗循環功規定功基窗口比排放限值，將臺架排放測試與實際道路運行排放測試結果聯系在一起。

ETC與WHTC有較大差異。ETC工況規定瞬態測試循環在城市工況、鄉間工況和高速工況的時間占比均為1/3，而WHTC循環三者則分別為49.6%，26.1%與24.3%。不同用途車輛運行工況差異較大，無論是ETC還是WHTC，臺架測試瞬態循環工況與車輛實際運行工況間均存在差異。基于某種循環工況得出的發動機排放結果是否反映車輛實際運行排放水平，近年來一直被國內外學者專家及相關部門所關注。李孟良等[4]采用PEMS研究了重型柴油車在實際行駛工況下發動機負荷分布及排放特性，研究表明，車輛實際運行工況分布特征與型式核準ESC及ETC循環工況存在較大差異，導致實際運行工況下的排放和型式核準循環工況下的排放存在差異。Velders等[5]對比分析了不同排放標準貨車在實際道路的排放水平，研究表明，卡車實際道路NOx排放并沒有隨排放標準的加嚴而得到相應改善。高繼東等[6]對比分析了城市客車在實際道路駕駛循環BJCBC工況下的排放和發動機在ETC循環工況下的排放，研究表明，BJCBC循環排放測試結果與ETC循環排放測試結果存在明顯差異。

大型城市公交車輛大多行駛在城市人口密集區域，平均車速低、頻繁起停，其運行工況具有特殊性，其排放對城市大氣污染貢獻不容忽視。近年來我國混合動力公交車保有量增長較快，其發動機運行工況范圍有別于傳統燃料發動機的車輛，目前對這類車輛發動機運行工況特點研究成果偏少。本研究以一輛在用國Ⅴ排放標準的LNG-電混合動力公交車為研究對象，按照國家標準《重型車用發動機與汽車車載測量方法及排放限值》(征求意見稿)規定，選取廣州市典型公交線路開展RDE測試，通過PEMS,CAN總線實時采集測試車輛行駛車速、發動機轉速與扭矩等數據。基于RDE測試有效數據，結合國家標準中WHTC循環與ETC循環相關定義，統計分析測試城市公交車輛發動機實際工況、ETC循環工況和WHTC循環工況的分布特征并進行比較，分析城市公交車輛發動機實際運行工況、ETC循環工況與WHTC循環工況的差異等，分析導致差異的原因。本研究結果可以為開展城市公交車RDE測試與研究提供參考。

1 試驗方案

1.1 測試車輛

選取廣州市保有量較大的某品牌大型LNG-電混合動力城市公交車輛為測試車輛，該車輛配置超級電容電輔助式混聯動力系統，無變速器，因缺少充電設施不外接充電運行。該試驗樣車符合國Ⅴ排放標準，主要技術參數見表1。

表1 測試車輛主要技術參數

試驗樣車按照車輛使用說明正常使用并按照制造企業的規定進行定期維護保養，確保污染物排放控制裝置能夠正常工作，符合國家標準《重型車用發動機與汽車車載測量方法及排放限值》(征求意見稿)測試規范的要求。

采用配重方式為測試車輛加載，以模擬公交車日常載客負載。11條輪胎(含輪輞，128 kg/條)作為配重，均勻布置在車廂中，包括測試設備、試驗人員(14人)在內總配重質量約2.5 t，約為測試車輛額定裝載質量的49%，符合國家標準《重型車用發動機與汽車車載測量方法及排放限值》(征求意見稿)中關于測試車輛加載質量為裝載質量50%±10%的要求。

1.2 測試線路

測試線路選取廣州市番禺區大學城外環路上一段典型公交營運線路(見圖1)。該公交線路限速50 km/h，車流量較為穩定，單圈線路總長約10.2 km。測試線路包含上坡路段、下坡路段和平坦路段。測試線路上共有6個公交站點、4個交通信號交叉路口。本次RDE測試行車最高車速為48.1 km/h，符合國家標準《重型車用發動機與汽車車載測量方法及排放限值》(征求意見稿)中關于市區道路車輛行駛速度在0～50 km/h的測試要求。RDE測試時，測試車輛從測試起點起動，沿著測試路線行駛，最終回到測試終點。測試車輛在測試線路上往返運行6圈。

經驗豐富的駕駛員按照公交車日常運行規律駕駛試驗車輛沿著測試路線行駛，正常停靠公交車站并開啟車門，但不上下乘客，每個站點停靠約10 s，模擬公交車在公交線路上日常運行規律。逐秒采集測試公交車運行數據，在車輛起動前1～2 s開始記錄數據，在車輛停車后1～2 s停止記錄數據，以確保采集到全部試驗數據。測試時間在夏季，大氣環境溫度在26～37 ℃范圍內，公交車在開啟空調狀態下行駛,車艙內溫度控制在23 ℃左右。該試驗樣車空調動力來自發動機，因此測試過程中發動機較少熄火。

圖1 測試線路圖

1.3 數據采集設備

數據采集設備主要包括SEMTECH系統、CAN接口卡及便攜式電腦等。SEMTECH系統用于實時采集試驗樣車行駛速度等數據，CAN接口卡用于實時采集試驗樣車發動機轉速及扭矩等數據。測試數據可以實時顯示、記錄并保存在便攜式計算機上。在測試線路開展LNG-電混合動力公交車RDE測試時，各數據采集設備在測試車輛上的布置及連接示意見圖2。

圖2 車載測試設備安裝連接示意

本研究對象LNG-電混合動力公交車RDE測試累計運行里程為61.2 km，累計運行時長為8 438 s，共獲得8 438組測試車輛行駛速度、發動機轉速與扭矩等有效數據。

2 ETC循環和WHTC循環

2.1 試驗轉速定義

ETC循環和WHTC循環中均包含 “低轉速”nlo、“高轉速”nhi和“基準轉速”nref(或npref)等試驗轉速，但這些試驗轉速的具體定義在ETC循環和WHTC循環中存在差異。ETC循環中“基準轉速”nref是指發動機測功機規范所規定的100%相對轉速點的實際轉速值。WHTC循環“基準轉速”npref是指在發動機瞬態性能曲線上，從怠速轉速nidle到95%最大功率對應轉速n95h這一區間的扭矩最大值進行積分，整個區間積分值的51%所對應的發動機轉速。ETC循環中各試驗轉速的定義見圖3，WHTC循環中各試驗轉速的定義、基準轉速的確定分別見圖4和圖5。

圖3 ETC循環試驗轉速的定義

圖4 WHTC循環試驗轉速的定義

圖5 WHTC循環基準轉速的確定

2.2 實際轉速計算方法

國家標準GB 17691—2005附件BB給出了將轉速、扭矩規范百分值轉換為轉速、扭矩實際值的計算方法，國家環保標準HJ 689—2014《城市車輛用柴油發動機排氣污染物排放限值及測量方法(WHTC工況法)》附件A給出了將轉速、扭矩規范百分值轉換為轉速和扭矩實際值的計算方法。分析可知，ETC循環和WHTC循環的轉速規范百分值轉換為轉速實際值的計算方法存在差異，詳見式(1)、式(2)和式(3)；ETC循環和WHTC循環的扭矩規范百分值轉換為扭矩實際值的計算方法相同，詳見式(4)。

ETC循環的轉速規范百分值轉換成轉速實際值的關系式見式(1)。

(1)

式中：n為該工況點實際轉速；nb為轉速規范百分值；nidle為發動機怠速轉速；nref為基準轉速。

ETC循環基準轉速由式(2)確定。

(2)

式中：nhi為70%最大凈功率所對應的最高發動機轉速；nlo為50%最大凈功率對應的最低發動機轉速。

WHTC循環轉速規范百分值轉換成轉速實際值的關系式見式(3)。

n=nb×[0.45×(nlo+npref)+
0.1×nhi-nidle]×2.032 7+nidle。

(3)

式中：n為該工況點實際轉速；nb為轉速規范百分值；nidle為發動機怠速轉速；nlo為55%最大功率所對應的最低發動機轉速；nhi為70%最大功率所對應的最高發動機轉速；npref為基準轉速。

ETC循環和WHTC循環的扭矩規范百分值轉換成扭矩實際值的計算式相同，見式(4)。

(4)

式中：T為該工況點實際扭矩；Tb為扭矩規范百分值；Tmax為最大扭矩，即瞬態性能測定曲線上，發動機在某轉速下的最大扭矩值。

測試車輛發動機的外特性功率和扭矩特性曲線見圖6。發動機WHTC循環和ETC循環的轉速、扭矩規范百分值分別見圖7和圖8。按式(1)至式(4)計算，可得到ETC循環和WHTC循環中各1 800 s瞬態工況點的發動機轉速實際值、扭矩實際值。

圖6 測試車輛燃氣發動機外特性曲線

圖7 WHTC循環和ETC循環發動機轉速規范百分值

圖8 WHTC循環和ETC循環發動機扭矩規范百分值

3 試驗結果與分析

3.1 車輛行駛工況特征分析

本研究將車輛行駛工況劃分為勻速、加速、減速與怠速4類典型工況，將v=0 m/s定義為怠速工況，將v≠0 m/s且a≥0.05 m/s2定義為加速工況，將v≠0 m/s且a≤-0.05 m/s2定義為減速工況，將v≠0 m/s且-0.05 m/s2

測試公交車速度和加速度散點分布見圖10。該圖顯示，當速度分布在0～10 km/h范圍內時，加減速度較大，分布范圍為-1.90～1.43 m/s2；隨著速度的提高，加減速度逐漸集中到0 m/s2附近。統計得到，速度主要分布在10～40 km/h范圍內，加速度集中分布在-0.5～0.5 m/s2范圍內，時間占比分別為76.1%和91.4%。數據表明，公交車起停時加減速度較大，行車過程中加減速度較小，公交車運行較為平穩。

圖9 車輛行駛工況時間占比

圖10 車輛速度-加速度散點分布圖

3.2 發動機運行工況分布特征比較

3.2.1發動機運行工況散點圖

測試獲得的該公交車輛發動機實際運行正扭矩區域的工況點分布見圖11，同時示出了該發動機ETC工況與WHTC正扭矩區域工況點分布。

圖11 發動機實際工況、ETC與WHTC工況散點圖

由圖11可知：測試的對象LNG-電混合動力公交車發動機實際運行工況點主要集中分布在600～1 400 r/min轉速區間內；WHTC循環工況點主要分布在1 000～1 500 r/min轉速區間內，少量工況點落在1 500～1 700 r/min轉速區間內；ETC循環工況點主要集中分布在1 300～1 700 r/min轉速區

間內，少量工況點落1 700～2 100 r/min轉速區間內。

3.2.2發動機運行轉速分布

從圖12測試發動機實際運行工況轉速時間占比分布看出，實際運行工況主要分布在中低轉速區，在600～1 400 r/min轉速區間內的時間占比高達92.9%，在1 400～1 600 r/min轉速區間和高于1 600 r/min轉速區間內的時間占比分別只占3.0%和0.1%。研究對象混合動力公交車輛無變速器，主減速比為6.14，因廣州市公交車市內運行一般限速在45 km/h以下，因此發動機實際運行在小于1 400 r/min的中低轉速區。

圖12示出了WHTC工況轉速在600～1 400 r/min中低轉速范圍內較均勻分布，時間占比為80.5%，在1 400～1 600 r/min轉速區間和高于1 600 r/min轉速區間內的時間占比分別為17.2%和2.3%。

由圖12可見，ETC循環工況轉速工況點主要分布在中高轉速范圍內，在1 400～1 600 r/min轉速區間和高于1 600 r/min轉速區間內的時間占比分別為55.0%和18.1%，在低于1 400 r/min轉速區間內的時間占比為26.5%。

圖12 發動機實際工況、ETC與WHTC工況轉速分布比較

3.2.3發動機運行扭矩分布

圖13示出測試車輛發動機實際運行工況正扭矩工況點在小、中、大扭矩區均有分布。在>0～200 N·m扭矩區間內的時間占比最高，超過40%，在0扭矩的時間占比為11.8%，而分布在高于800 N·m區域內的時間極少，占比僅為0.4%。

圖13 發動機實際工況、ETC與WHTC工況扭矩分布比較

測試的LNG-電混合動力公交車動力系統為超級電容電輔助式混聯式混合動力系統，控制策略為車速低于23.5 km/h時車輛由電機驅動，但因車輛為非獨立空調，因此低速工況下發動機還需要供給空調需要的能量，另如果超級電容的SOC值低于下限值時，發動機還需給超級電容充電。車速高于23.5 km/h時發動機單獨驅動車輛，或者與電機一起驅動車輛。

WHTC循環工況點扭矩在低、中、高扭矩區均有分布，且較實際運行工況分布均勻。分布在低于400 N·m區域內的時間占比為79.7%，其中0扭矩時間占比為21.7%，分布在高于800 N·m區域內的時間占比為2.0%。

ETC循環工況點扭矩在各個扭矩區間的時間占比分布相比發動機實際運行工況較為均勻，分布在0～200 N·m區域內的時間占比為31.94%，其中0扭矩占比為9.33%，分布在600～800 N·m區間內和高于800 N·m區域的時間占比分別為8.9%和14.67%。

總體而言，測試車輛發動機實際運行工況扭矩主要集中分布在中等和小扭矩區；而ETC循環工況高扭矩區時間占比明顯高于測試車輛發動機實際運行工況，也高于WHTC循環工況。WHTC工況在小、中、高扭矩區均有分布，相比發動機實際工況分布均勻。

本研究的公交車輛實際運行工況分布特征基本體現了城市公交車輛實際道路行駛時怠速比例大、平均速度低的特點，也體現了混合動力車輛動力控制策略特點。公交車輛發動機實際運行工況在低轉速與低扭矩區的占比明顯高于ETC循環，而在高轉速與大扭矩區的占比明顯低于ETC循環。相比于ETC工況，WHTC工況的轉速和扭矩在中小轉速與中小扭矩區分布要多。

3.3 發動機工況特征參數比較

測試LNG-電混合動力城市公交車發動機實際運行工況、ETC工況和WHTC工況特征參數見表2。

表2 發動機實際運行工況、ETC與WHTC工況特征參數

由表2可見，測試城市公交車輛發動機ETC工況平均轉速最高，實際工況平均轉速最低，WHTC位于ETC與實際運行工況之間，WHTC工況平均轉速值是ETC循環的78.8%。

ETC工況平均功率最高，較測試公交車實際工況平均功率高41.9%。WHTC工況平均功率最低，較測試城市公交車實際工況平均功率低21.1%。

ETC怠速時間占比最低，WHTC與實際工況相當。WHTC怠速時間占比是ETC循環的2.4倍。

WHTC工況發動機怠速時間占比與發動機實際運行工況相近，平均轉速高23.5%，平均扭矩低21.0%。ETC工況發動機怠速時間占比較發動機實際運行工況低58.4%，平均轉速高56.8%，平均功率高41.9%。

綜上所述，測試LNG-電混合動力城市公交車發動機的實際運行工況與ETC循環工況在工況分布、發動機平均轉速、平均功率和怠速時間占比等工況特征參數方面差異較大。相對于ETC循環，發動機實際運行工況與WHTC較為接近。

4 結論

a) 公交車行駛時以加減速變工況為主，合計時間占比高達65.8%，車速主要分布在10～40 km/h范圍內，加速度主要分布在-0.5～0.5 m/s2范圍內；

b) LNG-電混合動力公交車運行工況主要分布在中小轉速與中小扭矩區，不同于ETC工況主要分布在中高轉速與中高扭矩區，也不同于WHTC工況主要分布在中等轉速、在中低扭矩區分布較均勻；發動機實際運行工況與ETC，WHTC工況差異較大；

c) 相比于ETC，WHTC在發動機平均轉速、平均功率和怠速比例等工況特征參數方面與測試的LNG-電混合動力公交車運行工況較為接近。

[1] 中華人民共和國環境保護部.HJ 689—2014 城市車輛用柴油發動機排氣污染物排放限值及測量方法(WHTC工況法)[S].北京：中國環境科學出版社，2014.

[2] 中華人民共和國環境保護部.重型車用發動機與汽車車載測量方法及排放限值(征求意見稿)[S].北京：中華人民共和國環境保護部，2015.

[3] 中華人民共和國環境保護部.《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(征求意見稿)[S].北京：中華人民共和國環境保護部，2016.

[4] 李孟良，蘇茂輝，秦孔建，等.實際行駛工況下柴油車發動機負荷分布及排放[J] .江蘇大學學報(自然科學版)，2007，28(3)：213-215．

[5] Velders G,Geilenkirchen G,Lange D.Higher than expected NOxemission from trucks may affect attainability of NO2limit values in the Netherlands[J] .Atmospheric Environment，2011，45(18)：3025-3033．

[6] 高繼東，秦孔建，梁榮亮，等.實際道路工況和法規工況下中型柴油機排放特性的對比分析[J] .吉林大學學報(工學版)，2012，42(1)：33-38．

[7] Peng M，Zheng Y，Jiang X，et al.An experimental study on fuel consumption and emission characteristics of LPG-HEV city transit buses[C].SAE Paper 2015-01-2797.

AnalysisofRealDrivingConditionsforLNG-ElectricityHybridBusEngine

PENG Meichun,ZENG Longlong,ZHANG Weilun

(School of Electro-mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006,China)

The difference between real driving emissions of heavy-duty vehicle and the approval emission results of engine bench test was caused mainly by the discrepancy of both test conditions. Taking a LNG-electricity hybrid bus in Guangzhou as the research object, the operation data such as vehicle speed, engine speed and torque were collected in real time by PEMS and CAN-bus when the bus ran along a typical bus line. The distribution characteristics of actual working conditions for the bus engine were analyzed statistically and compared with those of ETC and WHTC conditions. Due to the power control strategy, speed limit, bus running rules and so on, actual operating conditions of this hybrid-bus engine were mainly in the low and middle speed region with a long duration at the small and medium torque, which was different from the distribution of medium and high speed and torque for ETC set conditions. In addition, the distribution was also different from that of medium speed and medium and small torque for WHTC set conditions. Compared with ETC, the characteristic parameters such as average engine speed, average power and idling ratio for WHTC were more close to those of actual operating conditions in Guangzhou.

city bus;hybrid;LNG;operating condition;WHTC;ETC

姜曉博]

2017-07-14；

2017-09-26

彭美春(1963—)，女，教授，博士，主要研究方向為發動機節能與排放研究；mcpeng@gdut.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.007

U469.72

B

1001-2222(2017)06-0036-07