（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

汽車排氣污染物造成的空氣污染日益成為大城市空氣污染的最主要來源，其中輕型車是機(jī)動(dòng)車CO、HC 排放的主要貢獻(xiàn)者，同時(shí)輕型車行駛在靠近人群區(qū)域，產(chǎn)生的污染物對(duì)人體的健康產(chǎn)生直接影響，其油耗和排放測(cè)量主要在試驗(yàn)室的轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行，并運(yùn)行特定的循環(huán)工況，最后通過尾氣測(cè)量?jī)x器來檢測(cè)尾氣排放和油量消耗情況。

測(cè)試循環(huán)工況直接影響到車輛的排放和油耗，當(dāng)前我國(guó)輕型車測(cè)試循環(huán)采用WLTC（World Light Vehicle Test Cycle））循環(huán)，取代了之前的NEDC（New European Driving Cycle）循環(huán)。WLTC 循環(huán)分為低速段（Low）、中速段（Medium）、高速段（High）和超高速段（Extra High）4 部分，是瞬態(tài)循環(huán)，能夠更好地反映車輛的實(shí)際行駛情況。但研究表明，我國(guó)乘用車以市區(qū)、市郊通行為主（時(shí)間比例約占76%，里程比例約為56%），平均速度較低（29 km/h）、怠速比例較高（約22%），而WLTC 這4 項(xiàng)數(shù)據(jù)為57%、43%、46.5 km/h 和13.2%，明顯偏離中國(guó)實(shí)際情況。急需一種更能代表中國(guó)行駛工況的測(cè)試循環(huán)，在此背景下，CLTC（China Automobile Testing Cycle）循環(huán)應(yīng)運(yùn)而生，在《2019 年第13 號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)公告》中正式發(fā)布，CLTC循環(huán)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了中國(guó)長(zhǎng)期缺少自己的測(cè)試循環(huán)的空白，為測(cè)量更加符合中國(guó)實(shí)際工況下的排放和油耗提供了更多選擇，同時(shí)，為電動(dòng)車的續(xù)航里程測(cè)量提供了更加反映實(shí)際的測(cè)試條件。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于測(cè)試循環(huán)的探索研究從未停止過，其中多集中在NEDC、WLTC 和FTP-75 3 種循環(huán)對(duì)排放和油耗特性的研究。李艷光等人[1]研究發(fā)現(xiàn)，NEDC、WLTC 和FTP-75 3 種排放測(cè)試循環(huán)對(duì)排放影響的差異主要表現(xiàn)在冷啟動(dòng)工況、瞬態(tài)工況、高速工況的差異。張鵬宇等人[2]通過分析NEDC、WLTC和FTP-75 3 種測(cè)試循環(huán)下的瞬態(tài)污染物和測(cè)量污染物的差異，得出由于WLTC 循環(huán)的頻繁變化和較高的平均車速，導(dǎo)致CO 和NOx的排放量最高，NEDC 工況距離較短，HC 排放最高，F(xiàn)TP-75 的瞬態(tài)污染物排放最高，由于其冷熱階段的加權(quán)計(jì)算方式，獲得的污染物排放并不高。但對(duì)NEDC、WLTC和CLTC 3 種測(cè)試循環(huán)對(duì)排放和油耗特性的研究鮮有報(bào)道，為此，本文選擇了3 輛排放控制路線相同的國(guó)六車型，采用相同的加載方式，并分別運(yùn)行3種測(cè)試循環(huán)，對(duì)比分析了3 種循環(huán)下各種污染物的瞬態(tài)排放和測(cè)試排放油耗情況，力求找到NEDC、WLTC 和CLTC 3 種測(cè)試循環(huán)對(duì)各污染物排放和油耗影響的異同點(diǎn)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 測(cè)試循環(huán)

本試驗(yàn)選擇3 種測(cè)試循環(huán)對(duì)國(guó)六輕型車進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試循環(huán)分別是NEDC、WLTC 和CLTC 循環(huán)，3種測(cè)試循環(huán)工況如圖1 所示。

圖1 NEDC、WLTC 和CLTC 3 種測(cè)試循環(huán)工況對(duì)比

從圖1 中可以看出，國(guó)六測(cè)試循環(huán)WLTC 和中國(guó)實(shí)際工況測(cè)試循環(huán)CLTC 循環(huán)都屬于瞬態(tài)多變工況，由不同速度段組成，用于反映實(shí)際道路行駛情況，而NEDC 屬于穩(wěn)態(tài)工況，僅劃分為市區(qū)和市郊2種工況。WLTC 和CLTC-P 循環(huán)的運(yùn)行時(shí)間均為1 800 s，要比NEDC 測(cè)試循環(huán)工況測(cè)試時(shí)間1 180 s長(zhǎng)了620 s。3 種測(cè)試循環(huán)中，WLTC 的最高速度和平均速度都是最大的，其次是NEDC，最后為CLTC，同時(shí)WLTC 的最大加速度是最大的，其次是CLTC，最后是NEDC，具體的參數(shù)如表1 所示。

表1 NEDC、WLTC 和CLTC 3 種測(cè)試循環(huán)的特征對(duì)比[2-3]

1.2 試驗(yàn)車輛

測(cè)試車輛選取3 輛車，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為1.5～2.0 L，覆蓋市場(chǎng)上主流車型排量，3 輛車均采用主流的增壓+GDI+GPF 的國(guó)六技術(shù)控制路線，測(cè)試車輛具體參數(shù)如表2 所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)在試驗(yàn)室的轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行，所用的排放設(shè)備有HORIBA 的氣體分析儀，用于分析測(cè)量THC、CO、NMHC、NOx，AVL 的粒子計(jì)數(shù)器（PNC）用于分析尾氣顆粒的數(shù)量，以及通過尾氣中的碳排放反推獲得，如圖2 所示。試驗(yàn)中，同一車輛采用相同的加載方式，分別采用NEDC、WLTC 和CLTC 3 種測(cè)試循環(huán)進(jìn)行測(cè)試，通過相應(yīng)的尾氣測(cè)量設(shè)備獲得不同循環(huán)工況的污染物排放量以及瞬時(shí)的模態(tài)量。

表2 測(cè)試車輛參數(shù)

圖2 試驗(yàn)設(shè)備連接示意圖

2 循環(huán)工況對(duì)排放特性的影響

2.1 循環(huán)工況對(duì)尾氣污染物模態(tài)排放的影響

為了分析不同循環(huán)工況對(duì)尾氣污染物的瞬時(shí)排放影響情況，試驗(yàn)選取一款增壓直噴GPF 的車型（車型3）。試驗(yàn)均采用國(guó)VI 的加載方式，在3 種測(cè)試循環(huán)工況下完成測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3～5 所示。

在3 種測(cè)試循環(huán)工況下，CO、THC、NOx和PN 4 種污染物在冷啟動(dòng)100s 內(nèi)的排放量急劇增加，在后續(xù)的測(cè)試過程中，CO 和THC 排放處于穩(wěn)定低排放狀態(tài)，而NOx排放量?jī)H在加速階段產(chǎn)生少量排放，其他時(shí)刻排放量基本為零，PN 排放量隨著每次速度的急加速迅速增加，因此在這4 種污染物排放中，PN排放量除了在冷啟動(dòng)階段大量產(chǎn)生外，也與車輛的加速情況相關(guān)性很大。

由圖中可以看出，4 種污染物主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后的100s 時(shí)間內(nèi)大量生成。以CLTC 測(cè)試循環(huán)為例，在冷啟動(dòng)100s 時(shí)間內(nèi)，CO 排放量占到總量的65.2%，THC 排放量占到總量的23.9%，NOx排放量占到總量的53.6%，PN 排放量占到總量的19.8%，由此可看出，在僅占整個(gè)測(cè)試循環(huán)5.5%時(shí)間的冷啟動(dòng)階段，CO 和NOx排放量貢獻(xiàn)了50%以上，THC 和PN排放量貢獻(xiàn)了20%左右，這是因?yàn)樵诶鋯?dòng)階段，三效催化劑的溫度比較低，還沒有達(dá)到三效催化劑的起燃溫度，此階段的催化劑工作效率比較低，尾氣中的污染物CO、THC、NOx和PN 排放量較大。

圖6 為不同循環(huán)工況下累計(jì)模態(tài)污染物排放量?？偰B(tài)污染物排放量通過累計(jì)整個(gè)測(cè)試循環(huán)的模態(tài)數(shù)據(jù)，再除以測(cè)試循環(huán)的行駛里程所得。從圖中可以看出，WLTC 循環(huán)下的CO、THC 和NOx的排放量最少，NEDC 循環(huán)工況的排放量最大，而CLTC 循環(huán)的排放位于NEDC 和WLTC 循環(huán)之間。這是因?yàn)? 種循環(huán)下占總排放量比例較大的冷啟動(dòng)階段的NDEC 循環(huán)的CO、THC 和NOx排放量的峰值時(shí)最大，循環(huán)行駛里程又是最小的，所以導(dǎo)致NEDC 循環(huán)的累計(jì)模態(tài)污染物排放最多，其次WLTC 和CLTC的3 種氣體污染物排放的峰值相差不大，但CLTC循環(huán)的行駛里程小于WLTC，導(dǎo)致CLTC 循環(huán)的累計(jì)模態(tài)污染物排放高于WLTC 循環(huán)。由于PN 排放除了與冷啟動(dòng)階段有關(guān)，也與瞬態(tài)加速度相關(guān)，NEDC的加速時(shí)間較少，多為穩(wěn)態(tài)工況，所以相對(duì)于WLTC和CLTC 循環(huán)，NEDC 循環(huán)的PN 累計(jì)模態(tài)排放量是最小的，而WLTC 循環(huán)和CLTC 循環(huán)的PN 累計(jì)模態(tài)排放相差不大。

圖3 NEDC 工況下多種污染物的瞬時(shí)排放情況

圖4 WLTC 工況多種污染物的瞬時(shí)排放情況

圖5 CLTC 工況多種污染物的瞬時(shí)排放情況

圖6 不同循環(huán)工況下累計(jì)模態(tài)污染物排放

2.2 循環(huán)工況對(duì)排放和油耗的影響

為了研究3 種測(cè)試循環(huán)對(duì)國(guó)六輕型車的污染物排放和油耗的影響，本文選取了目前市場(chǎng)主流的3種發(fā)動(dòng)機(jī)排量的車輛作為研究對(duì)象，3 個(gè)車輛分別對(duì)應(yīng)表中的車型1、車型2 和車型三，其發(fā)動(dòng)機(jī)排放分別為2.0 L、1.8 L 和1.5 L，同時(shí)3 輛車均是采用增壓、直噴、GPF 路線。

2.2.1 不同循環(huán)工況下的排放

圖7 不同測(cè)試循環(huán)下的THC 排放

圖8 不同測(cè)試循環(huán)下的CO 排放

圖9 不同測(cè)試循環(huán)下的NOx 排放

圖7～9 分別為3 個(gè)車型在NEDC、WLTC 和CLTC 3種測(cè)試循環(huán)下的THC、CO 和NOx的排放情況。從圖中可以看出，除了車型1 的NOx排放在3 種測(cè)試循環(huán)下的基本一樣，3 個(gè)車型在3 種測(cè)試循環(huán)下的THC、CO 和NOx排放規(guī)律相同，WLTC 循環(huán)下的排放量最小，NEDC 循環(huán)和CLTC 循環(huán)排放量基本相當(dāng)。這一規(guī)律也與圖3～5 的瞬態(tài)規(guī)律一致，因?yàn)門HC、CO 和NOx的排放主要受冷啟動(dòng)影響，而NEDC循環(huán)的冷啟動(dòng)占比較大[4]，并且工況里程較短[5]，導(dǎo)致了NEDC 循環(huán)下的3 種污染物排放量最大，WLTC循環(huán)的工況里程是最長(zhǎng)的，冷啟動(dòng)階段的污染物瞬態(tài)排放量與CLTC 相當(dāng)，所以WLTC 循環(huán)測(cè)得的THC、CO 和NOx的污染物排放值較低。

3 個(gè)車型中，在3 種測(cè)試循環(huán)下的THC 和CO排放結(jié)果均低于輕型車國(guó)六B 的限值，但是車型2在CLTC 循環(huán)下的NOx排放大幅度增加，這一測(cè)量值是國(guó)6B 限值的4.3 倍，是WLTC 循環(huán)下的5.3 倍，表明NOx排放對(duì)測(cè)試循環(huán)比較敏感。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，除了車型2 的NOx排放，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排放量的減小，3 種循環(huán)下測(cè)得的污染物排放量的差異也越大，說明循環(huán)工況對(duì)小排量車型的污染物排放影響比較大。

圖10 為3 個(gè)車型在3 種測(cè)試循環(huán)下的PN 排放情況。從圖中可以看出，3 種測(cè)試循環(huán)下的PN 排放規(guī)律與THC、CO 和NOx相反，WLTC 測(cè)試循環(huán)下的PN 排放量最大，這是因?yàn)镻N 排放除了在冷啟動(dòng)階段大量產(chǎn)生，還在每次加速階段大量生成，而相對(duì)于NEDC 和CLTC 循環(huán)，WLTC 循環(huán)頻繁加速次數(shù)最多，最大加速度也是最大，從而導(dǎo)致了大量顆粒數(shù)的生成。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于其他2 個(gè)相對(duì)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)車型，2.0 L 車型的PN 排放量最大，表明大排量發(fā)動(dòng)機(jī)帶來更大的PN 排放。

圖10 不同測(cè)試循環(huán)下的PN 排放

2.2.2 不同排放特性下的油耗特性

圖11 為3 個(gè)車型在NEDC、WLTC 和CLTC 3種測(cè)試循環(huán)下的油耗情況。從圖中可以看出，整車油耗隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排量的減少而逐漸降低，WLTC 測(cè)試循環(huán)下的油耗最小。這是因?yàn)橄鄬?duì)于NEDC 循環(huán)，WLTC 的啟動(dòng)影響減弱，停車時(shí)間比例縮短，更接近于經(jīng)濟(jì)行駛速度，同時(shí)WLTC 循環(huán)的行駛里程較大，也促使計(jì)算結(jié)果減小，Bielaczyc 等人[6]的研究也獲得同樣的結(jié)果。由于CLTC 的行駛里程比WLTC 循環(huán)要短，平均速度小于WLTC，這些都有利于增加油耗，所以CLTC 循環(huán)的油耗比WLTC 循環(huán)大。

圖11 不同測(cè)試循環(huán)下的油耗

同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，大排量發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的油耗受循環(huán)工況的影響較大。對(duì)于2.0 L 的車輛（車型1），3 種循環(huán)的最大和最小油耗差為2.12 L，對(duì)于1.8 L 的車輛（車型2），3 種循環(huán)的最大和最小油耗差為1.41 L，對(duì)于1.5 L 的車輛（車型3），3 種循環(huán)的最大和最小油耗差為0.45 L。

3 結(jié)論

1）在NEDC、WLTC 和CLTC 循環(huán)等3 種測(cè)試循環(huán)中，WLTC 循環(huán)下的CO、THC 和NOx排放量最小，PN 排放相對(duì)較多，但3 種測(cè)試循環(huán)下的PN 排放量相差不大。

2）CLTC 循環(huán)下的CO和THC排放量處于NEDC 和WLTC 循環(huán)之間，NOx排放量是3 種測(cè)試循環(huán)中最多的。

3）相對(duì)于NEDC 和CLTC 循環(huán)，WLTC 測(cè)試循環(huán)下的油耗最小，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排量的減小，3 種循環(huán)間的油耗差異減少，說明大排量發(fā)動(dòng)機(jī)車輛的油耗受循環(huán)工況的影響較大。