侯獻(xiàn)軍，蘇 達(dá)，劉志恩，管 煒，葉心雨，江 華

（1.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430070；2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢430070；3.武漢理工大學(xué) 湖北省新能源與智能網(wǎng)聯(lián)車工程技術(shù)中心，武漢430070；4.武漢菱電汽車電控系統(tǒng)股份有限公司，武漢430070）

0 概述

近年來(lái)，隨著汽車日益普及，中國(guó)汽車保有量由2000年的1 680.9 萬(wàn)輛迅速增長(zhǎng)到2020年的2.81億輛，汽車保有量的不斷增加帶來(lái)了嚴(yán)重的尾氣污染，給人們生活及身體健康造成威脅，成為政府環(huán)境保護(hù)工作中重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題［1］。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)外汽車排放法規(guī)也在不斷修訂加嚴(yán)，以更好地契合不同道路條件下的汽車排放性能測(cè)試，達(dá)到嚴(yán)格控制汽車污染物排放的目的［2］。汽車工況循環(huán)測(cè)試是涉及汽車研發(fā)、檢測(cè)和認(rèn)證的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)，與汽車排放和油耗測(cè)試方法及限值標(biāo)準(zhǔn)直接相關(guān)，是評(píng)價(jià)汽車經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性能的基礎(chǔ)［3］。

在國(guó)五階段，國(guó)內(nèi)一直采用新歐洲駕駛循環(huán)（new European driving cycle，NEDC）工況來(lái)進(jìn)行輕型汽車排放測(cè)試，但由于中國(guó)地勢(shì)地形復(fù)雜，道路實(shí)際行駛情況多變，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與實(shí)際值偏差較大，為此在國(guó)六階段引入世界輕型汽車測(cè)試循環(huán)（worldwide harmonized light vehicle test cycle，WLTC）工況來(lái)取代之前的NEDC 工況［4］。2019年10月發(fā)布了更加契合中國(guó)道路實(shí)際行駛情況的中國(guó)汽車行駛循環(huán)（China automotive test cycle，CATC），包括中國(guó)輕型汽車行駛循環(huán)（China light-duty vehicle test cycle，CLTC）和中國(guó)重型商用車行駛循環(huán)，其中CLTC 工況又包含乘用車行駛工況（China light-duty vehicle test cycle-passenger，CLTC-P）和輕型商用車行駛工況（China light-duty vehicle test cycle-commercial，CLTC-C），并且計(jì)劃2025年后對(duì)所有車型采用CATC 標(biāo)準(zhǔn)，即目前中國(guó)輕型車排放性能與油耗測(cè)試處在NEDC 和WLTC并行而CLTC 逐漸導(dǎo)入的階段［5］。

對(duì)于汽車在循環(huán)工況下的排放性能與油耗分析，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究多集中于NEDC、美國(guó)整車測(cè)試工況（federal test procedure，F(xiàn)TP75）及WLTC 等循環(huán)工況，且多聚焦于乘用車方面。文獻(xiàn)［6］中采用排氣顆粒數(shù)量及粒徑分析儀對(duì)裝載進(jìn)氣道噴射（port fuel injection，PFI）發(fā)動(dòng)機(jī)的乘用車在NEDC循環(huán)下的顆粒物排放特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)車輛加速時(shí)排放的核模態(tài)、聚集態(tài)顆粒數(shù)量濃度均明顯增加；文獻(xiàn)［7］研究了NEDC、FTP75 和WLTC 工況下汽車氣態(tài)和固態(tài)污染物排放情況，發(fā)現(xiàn)相比于NEDC，WLTC 工況下顆粒物和氮氧化物（NOx）排放較多而全碳?xì)浠衔铮╰otal hydrocarbon，THC）及一氧化碳（carbonic oxide，CO）排放量則明顯減少，F(xiàn)TP75 下所有氣態(tài)污染物排放量均相對(duì)較低，但顆粒物排放卻顯著增加；文獻(xiàn)［8］中對(duì)汽油直噴（gasoline direct injection，GDI）和PFI發(fā)動(dòng)機(jī)在NEDC冷起動(dòng)工況下的顆粒物排放進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)冷起動(dòng)階段產(chǎn)生的顆粒物占據(jù)了整個(gè)NEDC 循環(huán)顆粒物排放總量的一半以上，且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷、溫度升高，顆粒物排放由聚集態(tài)成主導(dǎo)向核模態(tài)成主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)有研究中，對(duì)WLTC、CLTC 這兩種循環(huán)測(cè)試工況下的汽車排放和油耗涉及較少，尤其在輕型商用車方面，因而本文選取了3 輛滿足國(guó)六b標(biāo)準(zhǔn)的商用車輕卡來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，對(duì)WLTC和CLTC-C 工況下的汽車排放性能和油耗特性進(jìn)行對(duì)比分析，完善不同測(cè)試循環(huán)下的輕型商用車排放與油耗特征研究，為后續(xù)整車開(kāi)發(fā)和標(biāo)定提供工程參考。

1 測(cè)試循環(huán)工況對(duì)比分析

本次試驗(yàn)采用的循環(huán)工況為WLTC 和CLTC-C工況，下面從持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、最大速度、循環(huán)階段等方面對(duì)這兩種工況作簡(jiǎn)要的介紹與對(duì)比。兩循環(huán)工況的速度曲線如圖1 和圖2 所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際測(cè)試WLTC 工況速度曲線

圖2 CLTC-C 工況速度曲線

WLTC 工況包含低速、中速、高速及超高速四部分，每部分持續(xù)時(shí)長(zhǎng)分別為589 s、433 s、455 s、323 s，共計(jì)1 800 s，分別對(duì)應(yīng)市區(qū)、市郊、高速及超高速行駛工況，工況速度曲線較復(fù)雜，怠速和勻速工況較少，低速工況占比較低，加速度波動(dòng)變化大［9］。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，由于3 款車型的最高車速均在100 km/h 附近，低于WLTC 超高速工況的最高車速，因而依據(jù)國(guó)六排放測(cè)試法規(guī)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)WLTC 超高速段中超過(guò)車輛實(shí)際最高車速的速度均用車輛最高實(shí)際速度代替，對(duì)超高速階段進(jìn)行相應(yīng)的修正，低于車輛實(shí)際最高車速的速度不變，遵循標(biāo)準(zhǔn)WLTC速度曲線，具體計(jì)算如下。

循環(huán)里程dexhighx按式（1）計(jì)算，其中x取1 和2分別表示基本循環(huán)超高速里程和臨時(shí)修正循環(huán)里程，用以確認(rèn)修正前后超高速階段里程差異。

式中，vi為第i秒的速度；ti表示第is，i取值范圍為1 479～1 800。

再通過(guò)公式（2）計(jì)算因測(cè)試?yán)锍滩町惗栊拚黾拥臏y(cè)試時(shí)間Δtexhigh。

式中，vcap為車輛實(shí)際最高車速。代入相應(yīng)數(shù)據(jù)，計(jì)算得Δtexhigh≈32.85 s，取整后為33 s，因而實(shí)際測(cè)試WLTC 時(shí)長(zhǎng)為1 833 s，超高速階段為356 s，其余速度段時(shí)長(zhǎng)保持不變。

CLTC-C 工況為輕型商用車行駛工況，包含低速、中速及高速三部分，分別對(duì)應(yīng)市區(qū)、市郊及高速行駛工況，由于其相比WLTC 工況少了超高速區(qū)間，因而其低速和中速時(shí)長(zhǎng)相對(duì)延長(zhǎng)，3 個(gè)速度區(qū)間時(shí)長(zhǎng)分別為735 s、615 s 及450 s，共計(jì)1 800 s，駕駛工況曲線整體波動(dòng)較大，運(yùn)行工況較復(fù)雜［10］。

實(shí)際測(cè)試采用的WLTC 及CLTC-C 工況曲線統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)見(jiàn)表1。由表1 可知，CLTC-C 總里程相比WLTC 縮短約30%，平均車速相較WLTC降低約29.4%，最高車速、最大加速度和最大減速度均比WLTC 低，但其怠速比例相比WLTC 提升近62%，因而也更加契合國(guó)內(nèi)復(fù)雜多變的道路行駛狀況。

表1 循環(huán)工況特征參數(shù)

2 試驗(yàn)設(shè)備與方案

2.1 試驗(yàn)車型與參數(shù)

為分析WLTC 和CLTC-C 兩循環(huán)工況下汽車的排放性能和油耗特性，測(cè)試選取3 輛輕型商用車輕卡作為測(cè)試車輛，分別標(biāo)記為A、B、C，其中車輛B 為壓縮天然氣（compressed natural gas，CNG）/汽油兩用燃料輕卡（為方便行文，稱為CNG 車），在試驗(yàn)中以CNG 作為燃料。3 款車型具體參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 3 款試驗(yàn)車參數(shù)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用底盤(pán)測(cè)功機(jī)模擬道路實(shí)時(shí)運(yùn)行工況，排氣管排出的尾氣一部分通過(guò)相應(yīng)管路直接與粒徑分析儀DMS500 連接，其余連接排氣稀釋系統(tǒng)，對(duì)尾氣進(jìn)行稀釋后進(jìn)入定容取樣器（constant volume sampler，CVS）。CVS 連有相應(yīng)的管路通向HORIBA 尾氣排放分析儀和顆粒物計(jì)數(shù)系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)尾氣中成分進(jìn)行分析，通過(guò)軟件實(shí)時(shí)顯示在電腦屏幕上，從而獲取循環(huán)工況下汽車尾氣污染物排放情況，整體測(cè)試簡(jiǎn)圖如圖3 所示［11］。

圖3 循環(huán)工況測(cè)試簡(jiǎn)圖

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)具體測(cè)試方案如表3 所示。

表3 試驗(yàn)測(cè)試方案

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 THC 排放結(jié)果與分析

3 款車在兩種循環(huán)工況下的THC 平均排放量如圖4 所示?？梢?jiàn)汽油車A 和C 在WLTC 工況下的THC 排放略低于CLTC-C 工況，而燃用CNG的B 車無(wú)論在冷起動(dòng)還是熱起動(dòng)狀態(tài)，其WLTC工況下THC 平均排放量均高于CLTC-C 工況。

圖4 不同循環(huán)工況下THC 平均排放量

為進(jìn)一步分析上述現(xiàn)象，繪制不同循環(huán)下的THC 累積排放曲線，如圖5 所示。從累積曲線可以明顯看出汽油車A 和C 在兩種循環(huán)工況下的THC排放主要集中在冷起動(dòng)階段初始5 min 內(nèi)，此階段發(fā)動(dòng)機(jī)壁面溫度較低，汽油液滴蒸發(fā)不完全，易在進(jìn)氣道上形成油膜，該部分燃油不能快速進(jìn)入燃燒室而存在一定時(shí)間的推遲，同時(shí)燃燒室壁面溫度較低，火焰觸碰壁面容易出現(xiàn)猝熄現(xiàn)象，因而汽油不完全燃燒現(xiàn)象嚴(yán)重，造成THC 排放大量增加［12］。溫度上升后，汽油霧化良好使燃燒更充分；另外三效催化劑逐漸達(dá)到工作溫度，工作效率提升，凈化效果改善，因而后續(xù)測(cè)試中THC 排放很低，累積曲線幾乎保持水平。在整體排放累積量方面，車輛A 和C 在WLTC 循環(huán)工況下累積量大于CLTC-C 工況，但WLTC 循環(huán)行駛里程超過(guò)CLTC-C 循環(huán)工況約30%，因而WLTC 工況的平均THC 排放略小于CLTC-C 工況。

圖5 不同循環(huán)工況下的THC 累積排放曲線

此外，從圖5 可以看出以CNG 為燃料的車輛B的THC 累積排放曲線與汽油車A 和C 明顯不同，高速階段THC 排放量急劇增加，而低速階段THC排放量反而較低，占整體排放總量比例不足40%，這可能與CNG 燃料特性有關(guān)。CNG 燃料為氣態(tài)，沸點(diǎn)較低，與空氣霧化混合效果更好，受溫度影響相對(duì)較小，燃燒相對(duì)穩(wěn)定，因而冷起動(dòng)前期THC 排放量相對(duì)較低。在循環(huán)工況中后期，一方面發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷高，尤其在WLTC 工況下的超高速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)幾乎滿負(fù)荷工作，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快，進(jìn)排氣頻率高，同時(shí)天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣容^汽油慢，使得燃燒過(guò)程滯后，混合氣燃燒不充分，另一方面由于CNG 燃料主要成分為甲烷，化學(xué)成分較為穩(wěn)定，不易被三效催化劑催化氧化，因而THC 排放量劇烈增加［13］。也正是由于WLTC 超高速階段排放的CH4氣體較多，使得THC 污染物累積量遠(yuǎn)高于CLTC-C 工況，因而車輛B 在WLTC 工況下平均THC 排放量大于CLTC-C 工況。

車輛B 在兩循環(huán)工況下冷熱起動(dòng)時(shí)的THC 排放累積曲線整體走勢(shì)相同，但冷起動(dòng)狀態(tài)下的曲線整體相對(duì)偏上，累積量偏高，兩者偏差主要體現(xiàn)在低速階段的THC 排放量上。為進(jìn)一步解釋該現(xiàn)象，繪制車輛B 在WLTC 工況時(shí)不同起動(dòng)狀態(tài)下的進(jìn)氣溫度、冷卻液溫度變化曲線，如圖6 所示?？捎蓤D6看出，熱機(jī)下初始階段進(jìn)氣溫度和冷卻液溫度高于冷機(jī)約30 ℃，混合氣燃燒速率較冷機(jī)快，整體燃燒質(zhì)量較冷機(jī)狀態(tài)高，因而THC 排放量相對(duì)較少［14］。

圖6 車輛B在WLTC 工況下冷熱起動(dòng)進(jìn)氣和冷卻液溫度曲線

3.2 NOx 排放結(jié)果與分析

不同循環(huán)下的NOx平均排放量見(jiàn)圖7，可以看出汽油車A 和C 在WLTC 工況下的平均NOx排放遠(yuǎn)大于CLTC-C 工況，而車輛B 在兩種工況下的NOx排放結(jié)果恰恰相反，其WLTC 工況的平均NOx排放量明顯小于CLTC-C 工況。同時(shí)在同等工況循環(huán)下，車輛B 冷機(jī)的NOx平均排放量比熱機(jī)起動(dòng)工況高20%～35%。為對(duì)上述現(xiàn)象進(jìn)行探討，繪制NOx累積排放曲線，如圖8 所示。

圖7 不同循環(huán)下的NOx平均排放量

由圖8 可見(jiàn)，汽油車A 和C 在兩工況下NOx累積曲線受速度波動(dòng)影響較為明顯，在急加速和急減速下呈小幅度增加的趨勢(shì)，同時(shí)CLTC-C 工況下的NOx累積曲線較WLTC 工況更為平滑，整體累積量?jī)H為后者工況的20%～50%。當(dāng)車輛急加速時(shí)，節(jié)氣門(mén)開(kāi)度增大，循環(huán)供油量增加，混合氣過(guò)濃，缸內(nèi)燃燒溫度提升；當(dāng)車輛急減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)斷油，此時(shí)三效催化器內(nèi)氧氣增多，隨后恢復(fù)供油時(shí)催化器內(nèi)混合氣成分偏稀，催化效率降低，因而在急加速和急減速時(shí)NOx排放會(huì)出現(xiàn)遞增的現(xiàn)象［15］。

圖8 不同循環(huán)工況下的NOx 累積排放曲線

發(fā)動(dòng)機(jī)NOx生成機(jī)理主要有澤爾多維奇機(jī)理和費(fèi)尼莫爾機(jī)理，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、氧氣濃度及燃料條件應(yīng)用不同的機(jī)理，前者主要發(fā)生在高溫、富氧及較長(zhǎng)停留時(shí)間的條件下，后者主要發(fā)生在低溫、富燃料及較短停留時(shí)間的情況下［16］。由于WLTC 工況平均速度較高，怠速工況占比較少，同時(shí)高速階段時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率偏大，缸內(nèi)溫度較高，滿足澤爾多維奇機(jī)理生成NOx的條件，產(chǎn)生大量NOx污染物，使得整體NOx排放累積量較大，因此車輛A和C 在WLTC 工況下NOx累積排放量顯著高于CLTC-C 工況。

圖9 為測(cè)試方案1 和方案2 的油門(mén)踏板開(kāi)度曲線。由圖9 可見(jiàn)，WLTC 低速階段油門(mén)踏板開(kāi)度很大，初始起動(dòng)時(shí)能達(dá)到滿開(kāi)的程度，以滿足瞬時(shí)加速度要求較高、變化速率快的需求，瞬時(shí)NO 和NO2生成較多，同時(shí)由于溫度較低，三效催化劑未起燃，因而低速階段初期NOx排放量高。

圖9 測(cè)試方案1 和方案2 的油門(mén)踏板開(kāi)度

對(duì)比車輛B 在冷機(jī)和熱機(jī)不同起動(dòng)狀態(tài)下的NOx累積曲線可以看出，兩曲線在整個(gè)測(cè)試循環(huán)內(nèi)走勢(shì)幾乎一致，區(qū)別主要在于低速階段的NOx排放量。結(jié)合圖6 分析，這可能是由于熱起動(dòng)狀態(tài)下初期冷卻液溫度和機(jī)油溫度較高，發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)好，混合氣燃燒速率相對(duì)較快，三效催化劑催化效率高，因而NOx排放量較冷機(jī)狀態(tài)低。

3.3 CO 排放結(jié)果與分析

不同循環(huán)工況下的CO 平均排放量如圖10 所示?？梢钥闯? 款車在WLTC 下的CO 平均排放量均略大于CLTC-C 循環(huán)工況，同時(shí)也可觀察到冷熱起動(dòng)狀態(tài)對(duì)車輛B 在兩種循環(huán)工況下的CO 平均排放量影響很小。為進(jìn)一步探討CO 在循環(huán)工況測(cè)試中的排放情況，繪制CO 累積排放曲線圖，如圖11所示。

圖10 不同循環(huán)下的CO 平均排放量

圖11 不同循環(huán)下CO 累積排放曲線

由圖11 可以觀察到汽油車A 和C 的CO 累積排放曲線走勢(shì)基本一致，在整個(gè)工況測(cè)試中CO 排放均出現(xiàn)明顯的激增現(xiàn)象。不同的是相比于CLTC-C 工況，WLTC 工況下的CO 累積排放量曲線在冷起動(dòng)及高速和超高速3 個(gè)階段出現(xiàn)階躍式的上升，而CLTC-C 工況下CO 排放絕大部分集中在冷起動(dòng)階段，約占總排放量的80%～90%，循環(huán)后期排放量較少。這可能是由于兩循環(huán)工況的不同特征參數(shù)造成的。CO 是碳?xì)淙剂显谌紵^(guò)程中生成的重要中間產(chǎn)物，其生成速率取決于氧濃度、工質(zhì)溫度及化學(xué)反應(yīng)時(shí)間。在冷起動(dòng)階段，由于缸內(nèi)溫度較低，燃料揮發(fā)不良，汽油燃燒不充分，再加上催化劑工作效率低，從而造成CO 排放量劇增；在急加速階段，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷上升，噴油量短時(shí)間大量增加，燃燒時(shí)間縮短，局部缺氧情況加劇，進(jìn)而產(chǎn)生大量CO，因此車輛A 和C 的CO 累積排放曲線在上述階段出現(xiàn)階躍式上升的現(xiàn)象［17］。

圖12 為C 車在兩循環(huán)工況下的空氣過(guò)量系數(shù)（λ）分布圖，可以看出CLTC-C 工況下的λ分布相比WLTC 工況更集中于λ=1 處，說(shuō)明在整體循環(huán)測(cè)試過(guò)程中，前者空燃比更接近于理論空燃比，三效催化劑工作效率較高，對(duì)尾氣催化凈化能力效能好，再加上WLTC 工況速度和加速度波動(dòng)起伏大，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷率偏高，混合氣局部缺氧情況嚴(yán)重，因而WLTC 工況下 CO 平均排放量高于 CLTC-C工況。

圖12 不同循環(huán)下車輛C 的λ

此外，根據(jù)圖11 還可以看出兩種循環(huán)工況下，車輛B 的CO 累積排放曲線整體趨勢(shì)與汽油車A和C 有著顯著區(qū)別，其在冷起動(dòng)階段幾乎無(wú)CO 排放，從前中期開(kāi)始CO 排放量呈波浪形緩慢上升，在加速度波動(dòng)較大處出現(xiàn)小幅度增加的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诶淦饎?dòng)階段，由于CNG 燃料進(jìn)氣道噴射后能夠很快與空氣混合形成可燃混合氣，受溫度影響小，因而相比汽油燃料，燃燒更為充分，中間產(chǎn)物CO 生成量低；在加速階段，CNG 噴射量增加，混合氣偏濃，反應(yīng)時(shí)間較短，同時(shí)尾氣中大量低活性組份CH4對(duì)三效催化劑催化效率產(chǎn)生負(fù)面影響，使得中間產(chǎn)物CO 排放量小幅度增加；在高速階段，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高，單位時(shí)間內(nèi)做功次數(shù)增加，每沖程時(shí)間短，燃燒時(shí)間縮短，再加上天然氣火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，反應(yīng)滯后，因而CO 排放量大大增加［18］。

3.4 顆粒物排放結(jié)果分析

3.4.1 顆粒物數(shù)量排放結(jié)果分析

不同循環(huán)下的顆粒物數(shù)量（particle numbers，PN）平均排放結(jié)果見(jiàn)圖13。由圖13 可知，3 款車PN 平均排放量均遠(yuǎn)低于國(guó)六b 標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)WLTC循環(huán)工況下的PN 平均排放量遠(yuǎn)大于CLTC-C 循環(huán)工況，分析其原因可能是WLTC 工況速度波動(dòng)大，平均速度較高，加速度變化劇烈，混合氣燃燒不充分。

圖13 不同循環(huán)下的PN 平均排放結(jié)果

圖14 為各循環(huán)內(nèi)不同速度區(qū)間下PN 排放曲線。由圖14 可見(jiàn)，汽油車A 和C 的PN 排放主要集中在低速冷起動(dòng)階段，在其他速度區(qū)間PN 排放量較低，這與冷起動(dòng)階段缸內(nèi)溫度較低，油氣混合不均，部分未蒸發(fā)的液滴發(fā)生擴(kuò)散燃燒有關(guān)［19］。同時(shí)，由圖14 可知，以CNG 為燃料的車輛B 在不同速度區(qū)間上的PN 排放情況與A 和C 明顯不同，其在高速階段PN 平均排放量最高，在冷起動(dòng)低速階段反而排放較低，這與前述的THC 和CO 排放現(xiàn)象具有一致性。此外，CNG 可燃混合氣熱值較汽油低且充量系數(shù)小，相比燃用汽油燃料，汽油—CNG 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性下降12%～16%［20］。在高速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷高，為獲得足夠的動(dòng)力需噴射更多的CNG，導(dǎo)致催化器處的排氣空速增加，催化效果減弱，再加上車輛B 未裝配汽油機(jī)顆粒捕集器（gasoline particle filter，GPF），因而顆粒物排放會(huì)劇烈增加［21］。

圖14 不同循環(huán)內(nèi)不同速度區(qū)間下PN 排放

3.4.2 顆粒物粒徑分布特性

顆粒物按照形態(tài)不同可分為核模態(tài)、聚集態(tài)和粗糙態(tài)3 類，從其分布特征上看主要呈現(xiàn)雙峰形態(tài)，其中顆粒的數(shù)量排放主要集中在核模態(tài)，質(zhì)量排放主要集中在聚集態(tài)，如圖15 所示［22］。粒徑在5 nm～50 nm 范圍內(nèi)的顆粒被稱為核模態(tài)顆粒，一般由缸內(nèi)燃燒不完全的碳?xì)浼昂蚧衔飿?gòu)成；粒徑在50 nm～1 000 nm 范圍內(nèi)的顆粒物被稱為聚集態(tài)顆粒，一般由核模態(tài)粒子聚集成團(tuán)并吸附一些半揮發(fā)性物質(zhì)形成，質(zhì)量一般占總質(zhì)量的80% 以上；粒徑大于1 000 nm 的顆粒物被稱為粗糙態(tài)顆粒，主要來(lái)自于燃燒室內(nèi)的積炭掉落，占比不多，本研究中不予討論［23］。WLTC 循環(huán)工況下車輛A 和車輛B 的顆粒物粒徑分布見(jiàn)圖16。

圖15 顆粒物模態(tài)分布

圖16 車輛A 和車輛B在WLTC 冷起動(dòng)工況下的粒徑分布圖

由圖16 可見(jiàn)，車輛A、B 排放的顆粒物數(shù)量濃度在粒徑為8 nm 和75 nm 左右都出現(xiàn)了峰值，且車輛A 粒徑分布曲線雙峰特征更為突出。其原因可能是在冷起動(dòng)階段混合氣燃燒相對(duì)不充分，催化劑未達(dá)到起燃溫度，碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化效率低，使得核模態(tài)顆粒生成量高，另一方面在加速過(guò)程中燃料燃燒時(shí)間短，局部缺氧嚴(yán)重，增加了生成碳煙的趨勢(shì)，使得聚集態(tài)顆粒物增多［24］。同時(shí)還可看出，車輛A 聚集態(tài)顆粒物峰值濃度約為車輛B 的4 倍，這可能是由于相比CNG 燃料，汽油燃料元素成分更復(fù)雜，含金屬元素、硫、苯等物質(zhì)，燃燒過(guò)程受工況影響大，局部缺氧現(xiàn)象頻繁發(fā)生，增加顆粒聚集的趨勢(shì)，同時(shí)易吸附其他揮發(fā)性有機(jī)物，因而聚集態(tài)顆粒物濃度相對(duì)更高［25］。

為進(jìn)一步研究顆粒物排放情況，將圖16 曲線峰值處粒徑對(duì)應(yīng)的顆粒物排放數(shù)據(jù)單獨(dú)抽取出來(lái)，繪制8 nm 和75 nm 兩種粒徑處顆粒物數(shù)量濃度隨時(shí)間的瞬態(tài)排放曲線，見(jiàn)圖17。

圖17 車輛A、B 的8 nm 和75 nm 粒徑顆粒物瞬態(tài)排放及WLTC 速度曲線

由圖17 可見(jiàn)，對(duì)于車輛A，粒徑8 nm 的顆粒物排放幾乎集中在冷起動(dòng)階段且集中度較高，粒徑75 nm的顆粒物排放除了在冷起動(dòng)階段產(chǎn)生峰值外，在高速階段也出現(xiàn)了較為密集的低峰；對(duì)于車輛B，兩種粒徑下的顆粒物排放量在冷起動(dòng)階段均無(wú)明顯的峰值，反而在中高速階段出現(xiàn)較高的峰值，這與圖14 描述的現(xiàn)象一致。

圖18 為車輛B 在不同循環(huán)工況下的粒徑分布圖。由圖18 可見(jiàn)，4 條曲線雙峰對(duì)應(yīng)的粒徑值與圖16 具有良好的一致性，且WLTC 工況下的聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度遠(yuǎn)高于CLTC-C 工況。這可能是由于WLTC 工況相比于CLTC-C 工況包含了更多的加速工況，平均速度相對(duì)較高，混合氣燃燒局部缺氧頻繁，燃料氧化不完全，顆粒物易碰撞聚集，使得排放的顆粒物中聚集態(tài)顆粒物數(shù)量濃度更高。

圖18 車輛B 在不同循環(huán)工況下的粒徑分布圖

4 油耗結(jié)果分析

由于汽油—CNG 兩用燃料汽車B 在試驗(yàn)測(cè)試中使用的燃料為CNG，燃料消耗量一般按m3/100 km計(jì)量，而汽油車A 和C 燃料消耗量一般采用L/100 km計(jì)量，為統(tǒng)一燃料消耗量單位，利用標(biāo)準(zhǔn)參比條件下天然氣與汽油低位發(fā)熱量的等價(jià)關(guān)系進(jìn)行換算，從而將CNG 消耗量換算為汽油消耗量［26］。換算后的3 款車不同工況循環(huán)下的平均燃油消耗量（L/100 km，即10-2·L/km）如圖19 所示。

圖19 不同循環(huán)工況下的平均油耗量

由圖19 可見(jiàn)，WLTC 工況下的油耗均略高于CLTC-C 工況，且熱機(jī)起動(dòng)狀態(tài)下的平均油耗略低于冷機(jī)起動(dòng)。

圖20 示出循環(huán)工況下各速度區(qū)間平均油耗量。由圖20 可見(jiàn)，3 款車在兩種循環(huán)工況下均為低速階段平均油耗最高，而且CLTC-C 工況在該階段下的平均油耗約為WLTC 工況下的1.2 倍。這是因?yàn)槔淦饎?dòng)階段可燃混合氣過(guò)濃，汽車頻繁起停，燃料燃燒不充分，而且CLTC-C 工況相比WLTC 而言低速階段時(shí)長(zhǎng)更長(zhǎng)，速度偏低，怠速占比更高，因而該階段的油耗量明顯更高。WLTC 中高速階段及CLTC-C 中速階段模擬的是市郊工況，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和功率提升，工作在高效區(qū)，因而該部分油耗相比低速段低。

圖20 不同循環(huán)工況下各速度段平均油耗

同時(shí)，可以觀察到WLTC 工況下超高速階段平均油耗比CLTC-C 工況下高速階段平均油耗高約15%。這是由于WLTC 下該階段平均速度及最高速度相對(duì)較高，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，根據(jù)空氣阻力與速度平方成正比的關(guān)系，此時(shí)空氣阻力明顯增加，占行駛阻力的主導(dǎo)地位，因而燃油消耗量會(huì)顯著增加［27］。

此外，由圖20 可知，車輛B 在冷熱起動(dòng)狀態(tài)下的油耗量差別主要在于低速階段。結(jié)合圖6 分析，這是因?yàn)闊釞C(jī)起動(dòng)狀態(tài)下前期冷卻液溫度較高，潤(rùn)滑油流動(dòng)潤(rùn)滑效果優(yōu)，零件間摩擦損失小，混合氣燃燒相比冷機(jī)更為充分，使得低速階段平均油耗量相對(duì)降低。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)同一試驗(yàn)車輛，WLTC 和CLTC-C 兩種工況下污染物排放測(cè)試結(jié)果顯著不同。汽油車在CLTC-C 工況下的NOx、CO 和顆粒物排放低于WLTC 工況，THC 排放略高于WLTC 工況；CNG車在CLTC-C 工況下的THC 和顆粒物排放低于WLTC 工況，NOx和CO 排放略高于WLTC 工況。

（2）汽油車和CNG 車氣態(tài)排放污染物主要生成階段有明顯差異。前者THC、NOx和CO 氣態(tài)污染物在WLTC 工況中主要產(chǎn)生于低速和高速階段，在CLTC-C 中主要產(chǎn)生于低速階段；而CNG 車氣態(tài)污染物（THC、NOx和CO）在兩種循環(huán)工況下低速階段生成量較低，主要產(chǎn)生于中高速階段。

（3）兩種類型車輛的顆粒物粒徑分布均呈現(xiàn)雙峰特征，峰值粒徑在8 nm 和75 nm 左右。同時(shí)，受燃料特性及后處理裝置影響，汽油車聚集態(tài)顆粒物濃度顯著高于CNG 車。

（4）CNG 車在冷熱起動(dòng)狀態(tài)下的氣態(tài)污染物、顆粒物排放量及油耗量差距較小，區(qū)別主要集中于低速階段。

（5）針對(duì)同一試驗(yàn)車輛，WLTC 工況下的平均油耗均高于CLTC-C 工況，且在各循環(huán)工況的不同速度段中，低速階段的平均油耗量最高。