CHTC與C-WTVC工況油耗和排放的試驗(yàn)研究

宋子鈺 陶云飛 張暉 劉大鵬 姜琳琳

（1.長春汽車檢測(cè)中心有限責(zé)任公司，長春 130011；2.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

主題詞：重型商用車 工況 C-WTVC 中國重型商用車輛行駛工況 燃油消耗量 排放

1 前言

我國重型商用車保有量?jī)H占汽車總保有量的4.6%左右，但其NOx和顆粒物排放量分別占汽車NOx和顆粒物總排放量的78.5%和80.5%以上，CO2排放量占汽車CO2總排放量的25%以上，因此，重型商用車的污染物排放量和燃料消耗量是今后機(jī)動(dòng)車節(jié)能減排的控制重點(diǎn)[1]。油耗和排放法規(guī)的升級(jí)是加強(qiáng)重型商用車節(jié)能減排監(jiān)管的重要途徑，而測(cè)試工況對(duì)油耗與排放測(cè)試結(jié)果以及車輛控制技術(shù)的發(fā)展有重要影響。

現(xiàn)階段，我國重型商用車油耗與排放測(cè)試均采用C-WTVC 工況[2]，該工況針對(duì)不同類型重型商用車確定了不同的特征里程分配比例，綜合燃料消耗量與污染物排放量由車輛在各區(qū)間的測(cè)試結(jié)果加權(quán)計(jì)算得到。

2019年11月發(fā)布的《中國汽車行駛工況》系列標(biāo)準(zhǔn)分為中國輕型汽車行駛工況（China Light-duty Vehicle Test Cycle，CLTC）和中國重型商用車輛行駛工況（China Heavy-duty Commercial Vehicle Test Cycle，CHTC）。CHTC 綜合燃料消耗量與污染物排放量則直接由整個(gè)工況下的測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到。

本文對(duì)CHTC與C-WTVC工況進(jìn)行對(duì)比，在底盤測(cè)功機(jī)上分別進(jìn)行2種工況下的油耗與排放試驗(yàn)，并對(duì)測(cè)試過程和結(jié)果進(jìn)行分析。

2 CHTC與C-WTVC工況對(duì)比分析

C-WTVC工況采用同一測(cè)試曲線，而CHTC工況共有6 條工況曲線，分別是中國城市客車行駛工況（CHTC-B）、中國普通客車行駛工況（CHTC-C）、中國貨車（車輛總質(zhì)量≤5 500 kg）行駛工況（CHTC-LT）、中國貨車（車輛總質(zhì)量＞5 500 kg）行駛工況（CHTC-HT）、中國自卸汽車行駛工況（CHTC-D）和中國半掛牽引車列車行駛工況（CHTC-TT）。

CHTC較C-WTVC工況對(duì)特征參數(shù)有更多的描述，為了分析二者的差異，本文基于GB/T 38146.2—2019《中國汽車行駛工況第2部分：重型商用車輛》規(guī)定的術(shù)語和定義[3]，對(duì)C-WTVC工況特征參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。

加速度a為：

式中，i為采樣時(shí)刻；vi為i時(shí)刻車輛速度；T為工況總時(shí)長。

里程x為：

平均速度vave為：

運(yùn)行平均車速ve,ave為：

相對(duì)正加速度arp為：

在行駛過程中，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[3]：加速過程的加速度≥0.15 m/s2；減速過程的加速度≤-0.15 m/s2；勻速過程的加速度絕對(duì)值＜0.15 m/s2，且行駛速度≥0.5 km/h；怠速過程的加速度絕對(duì)值＜0.15 m/s2，且行駛速度＜0.5 km/h。

2.1 城市客車

城市客車在CHTC-B 和C-WTVC 工況下的速度曲線和特征參數(shù)分別如圖1、表1 所示。CHTC-B 與CWTVC工況相比，運(yùn)行時(shí)間增加，最大速度、平均速度與運(yùn)行平均速度降低，加速比例降低，怠速比例增加。上述結(jié)果充分反映了城市客車平均速度低、怠速比例高、頻繁起停的使用特點(diǎn)。

2.2 普通客車

普通客車在CHTC-C 和C-WTVC 工況下的速度曲線和特征參數(shù)分別如圖2、表2 所示。CHTC-C 與CWTVC工況相比，怠速比例增加，勻速及加、減速比例減少。CHTC-C 高速段的相對(duì)正加速度較C-WTVC 工況更大，CHTC-C的高速段工況具有更大的動(dòng)態(tài)波動(dòng)性。

圖1 城市客車在CHTC-B和C-WTVC工況下的速度曲線

表1 城市客車CHTC-B和C-WTVC工況特征參數(shù)

圖2 普通客車在CHTC-C和C-WTVC工況下的速度曲線

2.3 貨車（車輛總質(zhì)量≤5 500 kg）

貨車（車輛總質(zhì)量≤5 500 kg）在CHTC-LT 和CWTVC 工況下的速度曲線和特征參數(shù)分別如圖3、表3所示。CHTC-LT 與C-WTVC 工況相比，運(yùn)行時(shí)間有所減少，怠速比例增加，平均車速和運(yùn)行平均車速降低，最大速度與最大加、減速度提高。

表2 客車CHTC-C（含高速部分）和C-WTVC工況特征參數(shù)

圖3 貨車在CHTC-LT和C-WTVC工況下的速度曲線

表3 貨車CHTC-LT和C-WTVC工況特征參數(shù)

2.4 貨車（車輛總質(zhì)量＞5 500 kg）

貨車（車輛總質(zhì)量＞5 500 kg）在CHTC-HT 和CWTVC 工況下的速度曲和特征參數(shù)分別如圖4、表4 所示。CHTC-HT 與C-WTVC 工況相比，最大加、減速度提高，加速和減速比例減少，怠速和勻速比例增加，平均速度和運(yùn)行平均速度降低。高速段的相對(duì)正加速度較大，說明高速段加、減速較多，曲線波動(dòng)程度大。

圖4 貨車在CHTC-HT和C-WTVC工況下的速度曲線

表4 貨車CHTC-HT（含高速部分）和C-WTVC工況特征參數(shù)

2.5 自卸汽車

自卸汽車在CHTC-D和C-WTVC工況下的速度曲線和特征參數(shù)分別如圖5、表5所示。CHTC-D與C-WTVC工況相比，運(yùn)行時(shí)間和里程大幅增加，覆蓋了更多的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷區(qū)域，平均速度大幅降低，怠速比例增加。

2.6 半掛牽引車列車

半掛牽引車列車在CHTC-TT 和C-WTVC 工況下的速度曲線和特征參數(shù)分別如圖6、表6 所示。CHTCTT與C-WTVC相比，工況運(yùn)行時(shí)間和里程大幅增加，平均速度降低，CHTC-TT 工況高速段最大加速度大幅提高，曲線波動(dòng)性較大，在第1 000 s 時(shí)刻前、后加速度差異較大。

圖5 自卸汽車在CHTC-D和C-WTVC工況下的速度曲線

表5 自卸汽車CHTC-D和C-WTVC工況特征參數(shù)

圖6 半掛牽引車在CHTC-TT和C-WTVC工況下的速度曲線

2.7 分析

CHTC 怠速比例增加，平均車速降低。因此，采用CHTC后，傳統(tǒng)動(dòng)力汽車油耗會(huì)增加，怠速、低速時(shí)間段內(nèi)車輛的排氣溫度較低，保溫措施較差的車輛排放表現(xiàn)會(huì)較為惡劣。

CHTC 最大加、減速度和相對(duì)正加速度提高，使車輛的負(fù)荷增加，油耗增加，同時(shí)，負(fù)荷增加在一定程度上會(huì)導(dǎo)致燃燒不充分，排放惡化。

表6 半掛牽引車CHTC-TT（含高速部分）和C-WTVC工況特征參數(shù)

與C-WTVC 工況相比，CHTC 高速段的加、減速度提高，有利于大排量、大比功率、多擋化車輛，動(dòng)力性較差的車輛油耗會(huì)增加。

3 CHTC對(duì)油耗與排放的影響

3.1 試驗(yàn)車輛

選擇6 輛在市場(chǎng)中具有代表性的重型商用車按相關(guān)法規(guī)[2-4]進(jìn)行油耗與排放測(cè)試，車輛參數(shù)如表7所示。

表7 試驗(yàn)車輛參數(shù)

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)過程中，道路阻力通過Burke-9248 底盤測(cè)功機(jī)模擬，燃料消耗量與排氣污染物通過ONO SOKKIFP2000/200 油耗儀與Sensors-SEMTECH 便攜式排放分析儀測(cè)量。

3.3 油耗分析

樣車在CHTC和C-WTVC工況下的油耗結(jié)果如圖7所示，考慮到現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中油耗和排放的計(jì)算是按比例對(duì)各速度區(qū)間進(jìn)行加權(quán)，為了對(duì)比整體工況的測(cè)試結(jié)果，分別給出了每個(gè)車型的C-WTVC 工況未加權(quán)油耗值。CHTC較C-WTVC工況油耗增加1.0%～15.1%，其中增加最多的是樣車1城市客車。

圖7 CHTC和C-WTVC工況油耗測(cè)試結(jié)果

以樣車1 為例，2 種工況下的MAP 圖如圖8 所示。與C-WTVC工況相比，CHTC工況下發(fā)動(dòng)機(jī)多數(shù)工作于中、低轉(zhuǎn)速及負(fù)荷區(qū)域，燃油經(jīng)濟(jì)性不佳。

圖8 城市客車CHTC-B和C-WTVC工況MAP圖

2 種工況下駕駛擋位曲線如圖9 所示。由圖9可知，CHTC 較C-WTVC 工況更頻繁地采用低擋位駕駛。

圖9 城市客車CHTC-B和C-WTVC工況駕駛擋位曲線

導(dǎo)致油耗增加的原因主要有：CHTC 怠速比例增加；CHTC最大加速度高于C-WTVC工況，加、減速較大的區(qū)域需要采用較為激烈的駕駛方式；CHTC在高速段的加速度變化范圍更寬，以樣車4 為例，如圖10 所示，CHTC速度曲線起伏明顯，不能使用與C-WTVC工況相同的擋位，在駕駛時(shí)需要多次降擋提速，導(dǎo)致油耗增加。高速段加速度和相對(duì)正加速度增加，所以高速段是改善燃油經(jīng)濟(jì)性的研究重點(diǎn)。

圖10 貨車CHTC-HT和C-WTVC工況加速度

3.4 排放分析

3.4.1 CO排放量

CHTC 和C-WTVC 工況CO 排放量如圖11 所示，2種工況的CO 排放量略有差異，與C-WTVC 工況相比，CHTC 工況下樣車2 普通客車和樣車3 貨車（車輛總質(zhì)量≤5 500 kg）CO 排放量略有減少，其他類型車輛的CO排放量增加。

圖11 CHTC和C-WTVC工況CO排放量

CO 主要產(chǎn)生于接近冒煙界限的大負(fù)荷工況和小負(fù)荷工況[5]。CHTC 工況下，怠速比例增加，柴油機(jī)負(fù)荷很小，燃燒室內(nèi)溫度過低導(dǎo)致燃燒不充分，容易產(chǎn)生CO，這一點(diǎn)在城市客車CHTC-B 工況中體現(xiàn)較為明顯。測(cè)試車輛均采用渦輪增壓柴油機(jī)，當(dāng)負(fù)荷急劇增加時(shí)，噴油量增加，而渦輪增壓器存在響應(yīng)滯后[6]，會(huì)造成進(jìn)氣量不足，并且氣體的可壓縮性和增壓器的機(jī)械慣性也會(huì)造成進(jìn)氣量不足，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒惡化，產(chǎn)生較多的CO。樣車4 的CHTC-HT 和C-WTVC工況油耗、CO 排放量與轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系如圖12、圖13 所示。在小負(fù)荷工況下油耗較低時(shí)，CO 排放量較高，在大負(fù)荷工況下油耗較高時(shí)，CO 排放量也明顯增加。

樣車2的CHTC-C 和C-WTVC 工況MAP 圖如圖14所示。由圖14 可知，其在C-WTVC 工況下的低速高扭矩點(diǎn)較多，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大，燃燒惡化，產(chǎn)生較多的CO。同樣，樣車3 在C-WTVC 工況下低速高扭矩點(diǎn)較多，導(dǎo)致C-WTVC工況CO排放量較多。

圖12 貨車CHTC-HT和C-WTVC工況油耗與轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系

圖13 貨車CHTC-HT和C-WTVC工況CO排放量與轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系

圖14 普通客車CHTC-C和C-WTVC工況MAP圖

3.4.2 NOx排放量

CHTC 和C-WTVC 工況NOx排放量如圖15 所示。由圖15可知，CHTC工況的NOx排放量較C-WTVC工況顯著增加。

以樣車2 為例，CHTC-C 和C-WTVC 工況NOx排放量、排氣溫度、車速曲線如圖16 所示，對(duì)于后處理使用選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技術(shù)的車輛而言，在CHTC工況下，怠速比例與中、低速工況比例增加，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作負(fù)荷小，導(dǎo)致后處理溫度較低，SCR 轉(zhuǎn)化效率降低，且加速度較大時(shí)的排氣流量大幅增加，NOx排放量隨之增加。所以有必要為后處理做好保溫措施。

圖15 CHTC和C-WTVC工況NOx排放量

圖16 普通客車CHTC-C和C-WTVC工況NOx排放量、排氣溫度和車速曲線

CHTC-C 工況各速度段NOx排放比例如圖17 所示。仍以樣車2為例分析CHTC工況各速度段對(duì)NOx排放量的貢獻(xiàn)，由圖17 可知，CHTC 工況[30,40) km/h 和[40,50) km/h 速度段的NOx排放量分別占NOx總排放量的27.6%和32.4%，CHTC 工況的中、低速段中急加速工況是今后降低NOx排放量的研究重點(diǎn)。

圖17 普通客車CHTC-C工況各速度段NOx排放量占比

3.4.3 顆粒物排放量

CHTC和C-WTVC工況顆粒物排放量如圖18所示，2 種工況的顆粒物排放量略有差異。與C-WTVC 工況相比，CHTC工況下樣車2普通客車和樣車3貨車（車輛總質(zhì)量≤5 500 kg）的顆粒物排放量減少，其他類型車輛的顆粒物排放量增加。

圖18 CHTC和C-WTVC工況顆粒物排放量

尾氣中顆粒物排放量與車輛的瞬態(tài)運(yùn)行工況之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)[7]。CHTC-HT 和C-WTVC 工況顆粒物排放量與速度和加速度的關(guān)系如圖19所示。以樣車4 為例，車輛在勻速和減速時(shí)，顆粒物排放量會(huì)保持在較低水平，在怠速時(shí)，顆粒物排放量較高，這是因?yàn)榈拓?fù)荷的燃燒溫度偏低，導(dǎo)致燃燒不完全。當(dāng)車輛處于急加速時(shí)，顆粒物排放量突增，此時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷變大，供油量突然變化，混合氣變濃，導(dǎo)致顆粒物排放量大幅度增加，此時(shí)柴油顆粒過濾器（Diesel Particulate Filter，DPF）未能捕獲的顆粒物較多，導(dǎo)致顆粒物排放量升高。

圖19 貨車CHTC-HT和C-WTVC工況下顆粒物排放量與速度和加速度的關(guān)系

樣車2 普通客車和樣車3 貨車（車輛總質(zhì)量≤5 500 kg）在CHTC工況下顆粒物排放量?jī)?yōu)于C-WTVC工況，由圖14可知，C-WTVC工況下的低速高扭矩點(diǎn)較多，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷大，燃燒惡化，產(chǎn)生較多的顆粒物。

3.4.4 CO2排放量

CHTC 和C-WTVC 工況CO2排放量如圖20 所示。由圖20 可知，CO2的排放量與油耗一般呈正相關(guān)關(guān)系，試驗(yàn)中所有樣車的CHTC工況CO2排放量與油耗均大于C-WTVC工況，試驗(yàn)具有較好的一致性。

圖20 CHTC和C-WTVC工況CO2排放量

4 結(jié)束語

本文針對(duì)工況特征參數(shù)分析了CHTC 與C-WTVC工況的差異，并在底盤測(cè)功機(jī)上對(duì)6個(gè)車型的樣車進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)合工況特征參數(shù)分析2種工況下各車型的油耗和排放表現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，CHTC具有怠速多、運(yùn)行速度低的特點(diǎn)，反映了我國重型商用車低速、低負(fù)荷比重高的特點(diǎn)。速度、加速度與工況比例是影響機(jī)動(dòng)車油耗與排放的重要因素。中國工況的中、低速段中急加速工況是今后降低NOx排放的研究重點(diǎn)，高速段是改善燃油經(jīng)濟(jì)性的研究重點(diǎn)。