許丹丹 高東志 趙健福 包俊江 景曉軍

（中汽研汽車檢驗中心（天津） 有限公司 天津 300300）

引言

重型車作為移動污染源的主要貢獻者，其排放一直是環(huán)保部門重點監(jiān)管的對象。近年來，隨著重型車保有量持續(xù)增加，國家針對重型車排放管控出臺的政策及標(biāo)準越來越多，可見重型車污染物排放治理仍是大氣污染治理的重點。國際清潔交通委員會（ICCT）長期跟蹤并記錄美國重型車實際道路條件下的污染物排放情況，結(jié)果表明，市區(qū)（車速為0～25 mph）工況下，NOx排放約為EPA（美國環(huán)保署）2010 限值的7倍；市郊（車速為25～50 mph）工況下，NOx排放約為EPA 2010 限值的3 倍；高速（車速＞50 mph）工況下，NOx排放基本與EPA 2010 限值相當(dāng)[1]。表明美國現(xiàn)行重型車排放監(jiān)管方法并不能有效管控市區(qū)和市郊行駛條件下的污染物排放。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，發(fā)動機在低負荷工況運行時，排氣溫度較低，后處理系統(tǒng)性能較差，致使車輛在該工況下的排放超標(biāo)。這表示現(xiàn)有的發(fā)動機測試及整車實際道路排放測試程序中遺漏了車輛在低負荷工況下的排放測試要求。基于此，美國加州聯(lián)合美國西南研究院開發(fā)并制定了重型發(fā)動機及重型車的補充測試循環(huán)—LLC（Low Load Cycle），用于控制重型車低負荷工況下的污染物排放。

我國現(xiàn)行的重型車測試方法主要為GB/T 27840-2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》中的C-WTVC 循環(huán)[2]和GB/T 38146.2-2019《中國汽車行駛工況第2 部分：重型商用車輛》中的中國重型商用車輛行駛工況（CHTC 循環(huán)）[3]。該2 種循環(huán)均未對低負荷測試方面提出相應(yīng)要求。因此，研究美國的LLC循環(huán)與我國的C-WTVC 和CHTC 循環(huán)之間排放特性的差異是必要的，該研究可為低負荷測試循環(huán)在國內(nèi)適用的可行性提供預(yù)研。

本文基于底盤測功機，使用同一輛重型貨車開展LLC、C-WTVC[4-5]和CHTC-HT（中國重型貨車行駛工況）3 種測試循環(huán)的排放對比試驗，通過比功率（Vehicle Specific Power，VSP）[6-9]分析車輛在3 種測試循環(huán)下的行駛特征及排放特性。

1 試驗方案

1.1 試驗樣車

試驗選用一輛N3 類重型國六載貨柴油車，滿載條件下進行底盤測功機排氣污染物測量試驗，車輛及發(fā)動機基本信息如表1 所示。

1.2 試驗設(shè)備及測試循環(huán)

試驗依據(jù)GB/T 27840-2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》標(biāo)準要求，在底盤測功機上使用HORIBA EXA-7200DTR 全流稀釋尾氣分析儀進行污染物排放測試，在冷卻水溫度達到70 ℃以上的熱車條件下，基于C-WTVC、CHTC-HT、LLC 3 種測試循環(huán)分別進行CO2、NOx及PN 的采樣分析，采集頻率為1 Hz。3 種測試循環(huán)曲線分別如圖1、圖2、圖3所示，測試循環(huán)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征如表2 所示。試驗過程中，平均環(huán)境溫度約為24 ℃，平均大氣壓力約為102.5 kPa。

圖1 重型商用車行駛工況C-WTVC 曲線

圖2 中國重型貨車行駛工況CHTC-HT 曲線

圖3 美國加州低負荷行駛工況LLC 曲線

對比分析3 種行駛工況測試循環(huán)曲線及測試循環(huán)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征可知，LLC 循環(huán)的運行時間最長，總時長達5 505 s。該循環(huán)的行駛特征表現(xiàn)為車輛的平均車速及加、減速比例均偏低，而怠速比例偏高，約為C-WTVC 和CHTC-HT 循環(huán)的3.7 倍和6 倍。該數(shù)據(jù)特征反映出LLC 循環(huán)主要覆蓋重型車的低速、低負荷工況，側(cè)重考核車輛在低速、低負荷工況下的行駛特性?？梢姡琇LC 循環(huán)對未來重型車在低速、低負荷工況下的排放監(jiān)管具有重要意義。

1.3 數(shù)據(jù)處理

機動車比功率（VSP）是表征發(fā)動機克服車輛在行駛過程中所受到的滾動阻力、空氣阻力、坡道阻力及加速阻力等輸出的功率。其以車速為基礎(chǔ)，綜合考慮了車輛行駛過程中風(fēng)阻、道路坡度、加速度、環(huán)境條件等多種因素對車輛排放的影響。利用VSP 分析車輛的排放特性，不僅能有效避免車輛載重狀態(tài)變化對排放結(jié)果的影響，而且更能真實地反映車輛的實際道路行駛特征[10]。VSP 是一個矢量，VSP ＞0 表征車輛處于加速工況，VSP ＜0 表征車輛處于減速工況，VSP=0 表征車輛處于怠速工況。根據(jù)VSP 的定義，VSP 的計算公式如下：

式中：Ff為滾動阻力，N；Fi為空氣阻力，N；Fw為坡道阻力，N；Fj為加速阻力，N；m 為車輛試驗總質(zhì)量，kg；v 為車輛行駛速度，km/h。

轉(zhuǎn)化為VSP 與加速度、車速的關(guān)系式如下：

式中：g 為重力加速度，取值9.8 m/s2；f 為滾動阻力系數(shù)；α 為坡路角度，°；ε 為質(zhì)量因子，取值0.1；a 為車輛行駛加速度，m/s2；ρ 為試驗環(huán)境下的空氣密度，g/m3；τ 為空氣阻力系數(shù)；A 為車輛迎風(fēng)面積，m2；vm為試驗環(huán)境下風(fēng)速，m/s。

試驗開始前，利用氣壓表、密度計等測量設(shè)備，依據(jù)GB 27840-2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》附錄C 標(biāo)準規(guī)定，對車輛進行VSP 參數(shù)的靜態(tài)測量試驗，根據(jù)靜態(tài)試驗測量結(jié)果得出公式（2）中所需的VSP 各參數(shù)取值如表3 所示。

表3 VSP 參數(shù)取值

將表3 中的VSP 各參數(shù)取值代入公式（2），得出簡化的VSP 計算公式如下：

利用公式（3）分別計算車輛在3 種測試循環(huán)的瞬時VSP 值，并采用區(qū)間劃分的方法對VSP 數(shù)據(jù)進行聚類處理。以2 kW/t 為單位對VSP 進行區(qū)間劃分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3 種測試循環(huán)的運行工況主要集中在VSP∈[-8，8]kW/t 范圍內(nèi)，分布情況如圖4 所示。

圖4 VSP 區(qū)間分布

圖4 顯示，3 種測試循環(huán)下，VSP ＞0 區(qū)間的行駛時間大多比VSP ＜0 區(qū)間長，即VSP ＞0 區(qū)間的車輛加速比例大多比VSP ＜0 區(qū)間高。對比分析可知，LLC 循環(huán)的VSP 區(qū)間分布呈正態(tài)分布，VSP∈[-2，2]kW/t 區(qū)間的總行駛時間占比高達80%，其中VSP=0區(qū)間，即怠速工況的行駛時間占比最大，約為35.2%。而C-WTVC 循環(huán)VSP∈[-2，2]kW/t 區(qū)間的總行駛時間占比約為45.7%，CHTC-HT 循環(huán)VSP∈[-2，2]kW/t 區(qū)間的總行駛時間占比約為62.4%。該結(jié)果表明，3 種測試循環(huán)在車輛低速、低負荷工況行駛時的分布存在差異，其中LLC 循環(huán)最符合低速、低負荷工況的測試要求。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 車輛行駛特征分析

圖5、圖6、圖7 分別為LLC、C-WTVC、CHTCHT 3 種測試循環(huán)下車輛的行駛特征。

圖5 LLC 循環(huán)行駛特征

圖6 C-WTVC 循環(huán)行駛特征

圖7 CHTC-HT 循環(huán)行駛特征

分析結(jié)果均顯示，車輛的低速工況較多且分布范圍廣，高速工況較少且分布集中，且加速度主要集中在-1～1 m/s2范圍內(nèi)。

圖5 顯示，LLC 循環(huán)約有88%的工況集中分布在v ＜50 km/h 范圍內(nèi)，該特征反映LLC 循環(huán)側(cè)重考查車輛的低速工況，且低速行駛時間較長。

圖6 顯示，C-WTVC 循環(huán)車輛的低速與高速工況分布均相對分散，其中約有63%的工況分布在v ＜50 km/h 范圍內(nèi)，該特征反映C-WTVC 循環(huán)對車輛在低速工況行駛時的考查比LLC 循環(huán)少。

圖7 顯示，CHTC-HT 循環(huán)約有70%的工況分布在v ＜50 km/h 范圍內(nèi)，與C-WTVC 循環(huán)相比，CHTC-HT 循環(huán)的工況分布較為集中，分布范圍主要集中在-0.25 ＜a ＜0.25 m/s2。

綜上所述，3 種測試循環(huán)對車輛實際行駛工況考查的側(cè)重點不同，LLC 循環(huán)與國內(nèi)現(xiàn)行的2 種測試循環(huán)存在一定差異。

2.2 排放特性分析

計算3 種測試循環(huán)在各VSP 區(qū)間的CO2、NOx及PN 平均排放速率，分析車輛在3 種測試循環(huán)下的CO2、NOx及PN 排放特性。

圖8 為NOx排放隨VSP 區(qū)間的分布情況。

圖8 NOx 排放分布

圖8 顯示，車輛在VSP=0 區(qū)間，3 種測試循環(huán)的NOx平均排放速率均最低。主要原因是VSP=0時，車輛處于怠速工況，此時發(fā)動機不做功，混合氣燃燒較少，NOx排放較少。對比分析可知，LLC 循環(huán)，各VSP 區(qū)間的NOx平均排放速率較其他2 種測試循環(huán)均高出1 個數(shù)量級，表明LLC 循環(huán)的NOx排放量最多。

圖9 為CO2排放隨VSP 區(qū)間的分布情況。

圖9 CO2 排放分布

圖9 顯示，3 種測試循環(huán)的CO2排放整體趨勢均表現(xiàn)出中間少、兩端多的變化規(guī)律，該現(xiàn)象反映了CO2排放與車輛燃料消耗量直接相關(guān)的特征，即VSP=0時，怠速工況車輛的燃料消耗量最少，隨著VSP 絕對值不斷增加，車速以及加、減速度不斷增加，噴油量增加，CO2排放升高。對比分析可知，LLC 循環(huán)的CO2總排放量最多，但其CO2平均排放速率最低，約為3.4 g/s，CHTC-HT 循環(huán)的CO2平均排放速率次之，約為5.7 g/s，C-WTVC 循環(huán)的CO2平均排放速率最高，約為7.1 g/s。

圖10 為C-WTVC 和CHTC-HT 循環(huán)PN 排放隨VSP 區(qū)間的分布情況，圖11 為LLC 循環(huán)PN 排放隨VSP 區(qū)間的分布情況。

圖10 C-WTVC 和CHTC-HT 循環(huán)PN 排放分布

圖11 LLC 循環(huán)PN 排放分布

圖10 和圖11 顯示，PN 排放主要集中在VSP 較大的分布區(qū)間，VSP ＞0 時的PN 排放比VSP ＜0 高。對比分析可知，LLC 循環(huán)在各VSP 區(qū)間的PN 排放偏高，其中在VSP ＜-8 kW/t 區(qū)間的PN 平均排放速率最高，比其他2 種測試循環(huán)均高出3 個數(shù)量級，其PN 平均排放速率為（2.78E+12）#/s。主要是因為VSP絕對值較大時，車輛急加速、急減速工況較多，缸內(nèi)混合氣局部偏濃，導(dǎo)致PN 排放升高。

3 結(jié)論

本文對一輛重型國六貨車，基于底盤測功機方法開展LLC 循環(huán)與國內(nèi)現(xiàn)行的C-WTVC 和CHTCHT 循環(huán)在行駛特征和排放特性2 方面的對比試驗研究，得出如下結(jié)論：

1）3 種測試循環(huán)對車輛的低速、低負荷工況考查程度不同，其中，LLC 循環(huán)的VSP 區(qū)間分布呈正態(tài)分布，且在VSP∈[-2，2]kW/t 區(qū)間的總行駛時間占比高達80%，VSP=0 的怠速工況行駛時間比例最高，約為35.2%。

2）分析結(jié)果顯示，車輛在LLC 循環(huán)的NOx平均排放速率比其他2 種測試循環(huán)均高出1 個數(shù)量級。LLC 循環(huán)的CO2總排放量雖然最多，但其CO2平均排放速率最低，約為3.7 g/s；CHTC-HT 循環(huán)的CO2平均排放速率次之，約為5.7 g/s；C-WTVC 循環(huán)的CO2平均排放速率最高，約為7.1 g/s；LLC 循環(huán)在各VSP 區(qū)間的PN 排放均偏高，其中在VSP ＜-8 kW/t區(qū)間的PN 平均排放速率最高，比其他2 種測試循環(huán)均高出3 個數(shù)量級。