彭美春，曾隆隆，張偉倫

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

LNG-電混合動(dòng)力公交車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況分析

彭美春，曾隆隆，張偉倫

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

重型汽車實(shí)際運(yùn)行排放與發(fā)動(dòng)機(jī)排放型式核準(zhǔn)臺(tái)架測試結(jié)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(dòng)力公交車為研究對(duì)象，在公交線路上開展整車實(shí)際道路測試，通過PEMS,CAN總線實(shí)時(shí)采集測試車輛車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩等數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析該車輛發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況的分布特征，并與ETC工況和WHTC工況進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明，因受動(dòng)力控制策略、限速、公交車運(yùn)行規(guī)律等影響，該混合動(dòng)力公交車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況主要分布在中小轉(zhuǎn)速區(qū)，在中小扭矩區(qū)時(shí)間占比較大，不同于排放型式核準(zhǔn)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測試瞬態(tài)工況ETC主要分布在中高轉(zhuǎn)速與中高扭矩區(qū)，也不同于WHTC工況主要分布在中等轉(zhuǎn)速區(qū)、在中等與偏小的扭矩區(qū)分布較均勻。相比于ETC工況，WHTC工況在發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速、平均功率和怠速比例等工況特征參數(shù)與該公交車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況較為接近。

公交車；混合動(dòng)力；液化天然氣(LNG)；運(yùn)行工況；WHTC；ETC

近年來，世界上重型車用發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)不斷更新，呈現(xiàn)出測試項(xiàng)目增加、測試工況變更、測試環(huán)境拓展、排放限值加嚴(yán)等特點(diǎn)。如歐盟第六階段排放標(biāo)準(zhǔn)重型車發(fā)動(dòng)機(jī)排放臺(tái)架瞬態(tài)試驗(yàn)工況從ETC循環(huán)變更為WHTC循環(huán)，繼美國之后在室內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)基礎(chǔ)上增加了車輛實(shí)際道路運(yùn)行排放的測試評(píng)價(jià)。

我國跟隨歐美等發(fā)達(dá)國家與地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)的走勢，重型車輛排放標(biāo)準(zhǔn)也不斷更新與加嚴(yán)。

我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(guī)定了國Ⅲ、國Ⅳ和國Ⅴ階段重型車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)型式核準(zhǔn)試驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)ESC工況法和瞬態(tài)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(huán)保部于2014年發(fā)布了HJ 689—2014《城市車輛用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法(WHTC工況法)》[1]，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了國Ⅳ和國Ⅴ階段城市車輛用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC 工況法的排氣污染物排放測量方法和排放限值。

作為對(duì)GB 17691—2005的補(bǔ)充，2015年國家出臺(tái)了《重型車用發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車車載測量方法與排放限值》(征求意見稿)[2]，規(guī)定了重型車輛實(shí)際運(yùn)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(tǒng)(Portable Emission Measurement System,簡稱PEMS)測試車輛實(shí)際道路運(yùn)行狀態(tài)下的排放，規(guī)定了車輛發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物基于ETC或者WHTC循環(huán)功的功基窗口比排放限值。

我國于2016年10月出臺(tái)了《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了國Ⅵ階段重型車用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)型式核準(zhǔn)臺(tái)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(guī)定了采用車載排放測試方法測試車輛RDE的方法與限值，規(guī)定了基于發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC功的功基窗口法排放限值。

綜上，我國重型車發(fā)動(dòng)機(jī)排放型式核準(zhǔn)臺(tái)架瞬態(tài)試驗(yàn)工況正從ETC循環(huán)向WHTC循環(huán)過渡，排放評(píng)價(jià)在室內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加了車輛實(shí)際道路運(yùn)行排放的測試評(píng)價(jià)，基于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架瞬態(tài)試驗(yàn)循環(huán)功規(guī)定功基窗口比排放限值，將臺(tái)架排放測試與實(shí)際道路運(yùn)行排放測試結(jié)果聯(lián)系在一起。

ETC與WHTC有較大差異。ETC工況規(guī)定瞬態(tài)測試循環(huán)在城市工況、鄉(xiāng)間工況和高速工況的時(shí)間占比均為1/3，而WHTC循環(huán)三者則分別為49.6%，26.1%與24.3%。不同用途車輛運(yùn)行工況差異較大，無論是ETC還是WHTC，臺(tái)架測試瞬態(tài)循環(huán)工況與車輛實(shí)際運(yùn)行工況間均存在差異?；谀撤N循環(huán)工況得出的發(fā)動(dòng)機(jī)排放結(jié)果是否反映車輛實(shí)際運(yùn)行排放水平，近年來一直被國內(nèi)外學(xué)者專家及相關(guān)部門所關(guān)注。李孟良等[4]采用PEMS研究了重型柴油車在實(shí)際行駛工況下發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷分布及排放特性，研究表明，車輛實(shí)際運(yùn)行工況分布特征與型式核準(zhǔn)ESC及ETC循環(huán)工況存在較大差異，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行工況下的排放和型式核準(zhǔn)循環(huán)工況下的排放存在差異。Velders等[5]對(duì)比分析了不同排放標(biāo)準(zhǔn)貨車在實(shí)際道路的排放水平，研究表明，卡車實(shí)際道路NOx排放并沒有隨排放標(biāo)準(zhǔn)的加嚴(yán)而得到相應(yīng)改善。高繼東等[6]對(duì)比分析了城市客車在實(shí)際道路駕駛循環(huán)BJCBC工況下的排放和發(fā)動(dòng)機(jī)在ETC循環(huán)工況下的排放，研究表明，BJCBC循環(huán)排放測試結(jié)果與ETC循環(huán)排放測試結(jié)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(qū)域，平均車速低、頻繁起停，其運(yùn)行工況具有特殊性，其排放對(duì)城市大氣污染貢獻(xiàn)不容忽視。近年來我國混合動(dòng)力公交車保有量增長較快，其發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況范圍有別于傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛，目前對(duì)這類車輛發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況特點(diǎn)研究成果偏少。本研究以一輛在用國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)的LNG-電混合動(dòng)力公交車為研究對(duì)象，按照國家標(biāo)準(zhǔn)《重型車用發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車車載測量方法及排放限值》(征求意見稿)規(guī)定，選取廣州市典型公交線路開展RDE測試，通過PEMS,CAN總線實(shí)時(shí)采集測試車輛行駛車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩等數(shù)據(jù)?；赗DE測試有效數(shù)據(jù)，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)中WHTC循環(huán)與ETC循環(huán)相關(guān)定義，統(tǒng)計(jì)分析測試城市公交車輛發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況、ETC循環(huán)工況和WHTC循環(huán)工況的分布特征并進(jìn)行比較，分析城市公交車輛發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況、ETC循環(huán)工況與WHTC循環(huán)工況的差異等，分析導(dǎo)致差異的原因。本研究結(jié)果可以為開展城市公交車RDE測試與研究提供參考。

1 試驗(yàn)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(dòng)力城市公交車輛為測試車輛，該車輛配置超級(jí)電容電輔助式混聯(lián)動(dòng)力系統(tǒng)，無變速器，因缺少充電設(shè)施不外接充電運(yùn)行。該試驗(yàn)樣車符合國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 測試車輛主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)樣車按照車輛使用說明正常使用并按照制造企業(yè)的規(guī)定進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)，確保污染物排放控制裝置能夠正常工作，符合國家標(biāo)準(zhǔn)《重型車用發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車車載測量方法及排放限值》(征求意見稿)測試規(guī)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(fù)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(shè)備、試驗(yàn)人員(14人)在內(nèi)總配重質(zhì)量約2.5 t，約為測試車輛額定裝載質(zhì)量的49%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)《重型車用發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車車載測量方法及排放限值》(征求意見稿)中關(guān)于測試車輛加載質(zhì)量為裝載質(zhì)量50%±10%的要求。

1.2 測試線路

測試線路選取廣州市番禺區(qū)大學(xué)城外環(huán)路上一段典型公交營運(yùn)線路(見圖1)。該公交線路限速50 km/h，車流量較為穩(wěn)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(gè)公交站點(diǎn)、4個(gè)交通信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)《重型車用發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車車載測量方法及排放限值》(征求意見稿)中關(guān)于市區(qū)道路車輛行駛速度在0～50 km/h的測試要求。RDE測試時(shí)，測試車輛從測試起點(diǎn)起動(dòng)，沿著測試路線行駛，最終回到測試終點(diǎn)。測試車輛在測試線路上往返運(yùn)行6圈。

經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員按照公交車日常運(yùn)行規(guī)律駕駛試驗(yàn)車輛沿著測試路線行駛，正常?？抗卉囌静㈤_啟車門，但不上下乘客，每個(gè)站點(diǎn)停靠約10 s，模擬公交車在公交線路上日常運(yùn)行規(guī)律。逐秒采集測試公交車運(yùn)行數(shù)據(jù)，在車輛起動(dòng)前1～2 s開始記錄數(shù)據(jù)，在車輛停車后1～2 s停止記錄數(shù)據(jù)，以確保采集到全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)。測試時(shí)間在夏季，大氣環(huán)境溫度在26～37 ℃范圍內(nèi)，公交車在開啟空調(diào)狀態(tài)下行駛,車艙內(nèi)溫度控制在23 ℃左右。該試驗(yàn)樣車空調(diào)動(dòng)力來自發(fā)動(dòng)機(jī)，因此測試過程中發(fā)動(dòng)機(jī)較少熄火。

圖1 測試線路圖

1.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括SEMTECH系統(tǒng)、CAN接口卡及便攜式電腦等。SEMTECH系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)樣車行駛速度等數(shù)據(jù)，CAN接口卡用于實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)樣車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩等數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)顯示、記錄并保存在便攜式計(jì)算機(jī)上。在測試線路開展LNG-電混合動(dòng)力公交車RDE測試時(shí)，各數(shù)據(jù)采集設(shè)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(shè)備安裝連接示意

本研究對(duì)象LNG-電混合動(dòng)力公交車RDE測試?yán)塾?jì)運(yùn)行里程為61.2 km，累計(jì)運(yùn)行時(shí)長為8 438 s，共獲得8 438組測試車輛行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與扭矩等有效數(shù)據(jù)。

2 ETC循環(huán)和WHTC循環(huán)

2.1 試驗(yàn)轉(zhuǎn)速定義

ETC循環(huán)和WHTC循環(huán)中均包含 “低轉(zhuǎn)速”nlo、“高轉(zhuǎn)速”nhi和“基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速”nref(或npref)等試驗(yàn)轉(zhuǎn)速，但這些試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的具體定義在ETC循環(huán)和WHTC循環(huán)中存在差異。ETC循環(huán)中“基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速”nref是指發(fā)動(dòng)機(jī)測功機(jī)規(guī)范所規(guī)定的100%相對(duì)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的實(shí)際轉(zhuǎn)速值。WHTC循環(huán)“基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速”npref是指在發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)性能曲線上，從怠速轉(zhuǎn)速nidle到95%最大功率對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速n95h這一區(qū)間的扭矩最大值進(jìn)行積分，整個(gè)區(qū)間積分值的51%所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。ETC循環(huán)中各試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的定義見圖3，WHTC循環(huán)中各試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的定義、基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的確定分別見圖4和圖5。

圖3 ETC循環(huán)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的定義

圖4 WHTC循環(huán)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速的定義

圖5 WHTC循環(huán)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的確定

2.2 實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算方法

國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17691—2005附件BB給出了將轉(zhuǎn)速、扭矩規(guī)范百分值轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速、扭矩實(shí)際值的計(jì)算方法，國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)HJ 689—2014《城市車輛用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)速、扭矩規(guī)范百分值轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速和扭矩實(shí)際值的計(jì)算方法。分析可知，ETC循環(huán)和WHTC循環(huán)的轉(zhuǎn)速規(guī)范百分值轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速實(shí)際值的計(jì)算方法存在差異，詳見式(1)、式(2)和式(3)；ETC循環(huán)和WHTC循環(huán)的扭矩規(guī)范百分值轉(zhuǎn)換為扭矩實(shí)際值的計(jì)算方法相同，詳見式(4)。

ETC循環(huán)的轉(zhuǎn)速規(guī)范百分值轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速實(shí)際值的關(guān)系式見式(1)。

(1)

式中：n為該工況點(diǎn)實(shí)際轉(zhuǎn)速；nb為轉(zhuǎn)速規(guī)范百分值；nidle為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速；nref為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。

ETC循環(huán)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速由式(2)確定。

(2)

式中：nhi為70%最大凈功率所對(duì)應(yīng)的最高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；nlo為50%最大凈功率對(duì)應(yīng)的最低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

WHTC循環(huán)轉(zhuǎn)速規(guī)范百分值轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速實(shí)際值的關(guān)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(diǎn)實(shí)際轉(zhuǎn)速；nb為轉(zhuǎn)速規(guī)范百分值；nidle為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速；nlo為55%最大功率所對(duì)應(yīng)的最低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；nhi為70%最大功率所對(duì)應(yīng)的最高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；npref為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速。

ETC循環(huán)和WHTC循環(huán)的扭矩規(guī)范百分值轉(zhuǎn)換成扭矩實(shí)際值的計(jì)算式相同，見式(4)。

(4)

式中：T為該工況點(diǎn)實(shí)際扭矩；Tb為扭矩規(guī)范百分值；Tmax為最大扭矩，即瞬態(tài)性能測定曲線上，發(fā)動(dòng)機(jī)在某轉(zhuǎn)速下的最大扭矩值。

測試車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性功率和扭矩特性曲線見圖6。發(fā)動(dòng)機(jī)WHTC循環(huán)和ETC循環(huán)的轉(zhuǎn)速、扭矩規(guī)范百分值分別見圖7和圖8。按式(1)至式(4)計(jì)算，可得到ETC循環(huán)和WHTC循環(huán)中各1 800 s瞬態(tài)工況點(diǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)際值、扭矩實(shí)際值。

圖6 測試車輛燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線

圖7 WHTC循環(huán)和ETC循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速規(guī)范百分值

圖8 WHTC循環(huán)和ETC循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩規(guī)范百分值

3 試驗(yàn)結(jié)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(diǎn)分布見圖10。該圖顯示，當(dāng)速度分布在0～10 km/h范圍內(nèi)時(shí)，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(tǒng)計(jì)得到，速度主要分布在10～40 km/h范圍內(nèi)，加速度集中分布在-0.5～0.5 m/s2范圍內(nèi)，時(shí)間占比分別為76.1%和91.4%。數(shù)據(jù)表明，公交車起停時(shí)加減速度較大，行車過程中加減速度較小，公交車運(yùn)行較為平穩(wěn)。

圖9 車輛行駛工況時(shí)間占比

圖10 車輛速度-加速度散點(diǎn)分布圖

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況分布特征比較

3.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況散點(diǎn)圖

測試獲得的該公交車輛發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行正扭矩區(qū)域的工況點(diǎn)分布見圖11，同時(shí)示出了該發(fā)動(dòng)機(jī)ETC工況與WHTC正扭矩區(qū)域工況點(diǎn)分布。

圖11 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況、ETC與WHTC工況散點(diǎn)圖

由圖11可知：測試的對(duì)象LNG-電混合動(dòng)力公交車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況點(diǎn)主要集中分布在600～1 400 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)；WHTC循環(huán)工況點(diǎn)主要分布在1 000～1 500 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，少量工況點(diǎn)落在1 500～1 700 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)；ETC循環(huán)工況點(diǎn)主要集中分布在1 300～1 700 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)

間內(nèi)，少量工況點(diǎn)落1 700～2 100 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)。

3.2.2發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速分布

從圖12測試發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況轉(zhuǎn)速時(shí)間占比分布看出，實(shí)際運(yùn)行工況主要分布在中低轉(zhuǎn)速區(qū)，在600～1 400 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的時(shí)間占比高達(dá)92.9%，在1 400～1 600 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間和高于1 600 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的時(shí)間占比分別只占3.0%和0.1%。研究對(duì)象混合動(dòng)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(nèi)運(yùn)行一般限速在45 km/h以下，因此發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行在小于1 400 r/min的中低轉(zhuǎn)速區(qū)。

圖12示出了WHTC工況轉(zhuǎn)速在600～1 400 r/min中低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)較均勻分布，時(shí)間占比為80.5%，在1 400～1 600 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間和高于1 600 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的時(shí)間占比分別為17.2%和2.3%。

由圖12可見，ETC循環(huán)工況轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)主要分布在中高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在1 400～1 600 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間和高于1 600 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的時(shí)間占比分別為55.0%和18.1%，在低于1 400 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)的時(shí)間占比為26.5%。

圖12 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況、ETC與WHTC工況轉(zhuǎn)速分布比較

3.2.3發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行扭矩分布

圖13示出測試車輛發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況正扭矩工況點(diǎn)在小、中、大扭矩區(qū)均有分布。在>0～200 N·m扭矩區(qū)間內(nèi)的時(shí)間占比最高，超過40%，在0扭矩的時(shí)間占比為11.8%，而分布在高于800 N·m區(qū)域內(nèi)的時(shí)間極少，占比僅為0.4%。

圖13 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況、ETC與WHTC工況扭矩分布比較

測試的LNG-電混合動(dòng)力公交車動(dòng)力系統(tǒng)為超級(jí)電容電輔助式混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)，控制策略為車速低于23.5 km/h時(shí)車輛由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但因車輛為非獨(dú)立空調(diào)，因此低速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)還需要供給空調(diào)需要的能量，另如果超級(jí)電容的SOC值低于下限值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)還需給超級(jí)電容充電。車速高于23.5 km/h時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛，或者與電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)車輛。

WHTC循環(huán)工況點(diǎn)扭矩在低、中、高扭矩區(qū)均有分布，且較實(shí)際運(yùn)行工況分布均勻。分布在低于400 N·m區(qū)域內(nèi)的時(shí)間占比為79.7%，其中0扭矩時(shí)間占比為21.7%，分布在高于800 N·m區(qū)域內(nèi)的時(shí)間占比為2.0%。

ETC循環(huán)工況點(diǎn)扭矩在各個(gè)扭矩區(qū)間的時(shí)間占比分布相比發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況較為均勻，分布在0～200 N·m區(qū)域內(nèi)的時(shí)間占比為31.94%，其中0扭矩占比為9.33%，分布在600～800 N·m區(qū)間內(nèi)和高于800 N·m區(qū)域的時(shí)間占比分別為8.9%和14.67%。

總體而言，測試車輛發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況扭矩主要集中分布在中等和小扭矩區(qū)；而ETC循環(huán)工況高扭矩區(qū)時(shí)間占比明顯高于測試車輛發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，也高于WHTC循環(huán)工況。WHTC工況在小、中、高扭矩區(qū)均有分布，相比發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工況分布均勻。

本研究的公交車輛實(shí)際運(yùn)行工況分布特征基本體現(xiàn)了城市公交車輛實(shí)際道路行駛時(shí)怠速比例大、平均速度低的特點(diǎn)，也體現(xiàn)了混合動(dòng)力車輛動(dòng)力控制策略特點(diǎn)。公交車輛發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況在低轉(zhuǎn)速與低扭矩區(qū)的占比明顯高于ETC循環(huán)，而在高轉(zhuǎn)速與大扭矩區(qū)的占比明顯低于ETC循環(huán)。相比于ETC工況，WHTC工況的轉(zhuǎn)速和扭矩在中小轉(zhuǎn)速與中小扭矩區(qū)分布要多。

3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)工況特征參數(shù)比較

測試LNG-電混合動(dòng)力城市公交車發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況、ETC工況和WHTC工況特征參數(shù)見表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況、ETC與WHTC工況特征參數(shù)

由表2可見，測試城市公交車輛發(fā)動(dòng)機(jī)ETC工況平均轉(zhuǎn)速最高，實(shí)際工況平均轉(zhuǎn)速最低，WHTC位于ETC與實(shí)際運(yùn)行工況之間，WHTC工況平均轉(zhuǎn)速值是ETC循環(huán)的78.8%。

ETC工況平均功率最高，較測試公交車實(shí)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(shí)際工況平均功率低21.1%。

ETC怠速時(shí)間占比最低，WHTC與實(shí)際工況相當(dāng)。WHTC怠速時(shí)間占比是ETC循環(huán)的2.4倍。

WHTC工況發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)間占比與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況相近，平均轉(zhuǎn)速高23.5%，平均扭矩低21.0%。ETC工況發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)間占比較發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況低58.4%，平均轉(zhuǎn)速高56.8%，平均功率高41.9%。

綜上所述，測試LNG-電混合動(dòng)力城市公交車發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況與ETC循環(huán)工況在工況分布、發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速、平均功率和怠速時(shí)間占比等工況特征參數(shù)方面差異較大。相對(duì)于ETC循環(huán)，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況與WHTC較為接近。

4 結(jié)論

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

b) LNG-電混合動(dòng)力公交車運(yùn)行工況主要分布在中小轉(zhuǎn)速與中小扭矩區(qū)，不同于ETC工況主要分布在中高轉(zhuǎn)速與中高扭矩區(qū)，也不同于WHTC工況主要分布在中等轉(zhuǎn)速、在中低扭矩區(qū)分布較均勻；發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況與ETC，WHTC工況差異較大；

c) 相比于ETC，WHTC在發(fā)動(dòng)機(jī)平均轉(zhuǎn)速、平均功率和怠速比例等工況特征參數(shù)方面與測試的LNG-電混合動(dòng)力公交車運(yùn)行工況較為接近。

[1] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.HJ 689—2014 城市車輛用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測量方法(WHTC工況法)[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2014.

[2] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.重型車用發(fā)動(dòng)機(jī)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(huán)境保護(hù)部，2015.

[3] 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.《車用壓燃式、氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)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(huán)境保護(hù)部，2016.

[4] 李孟良，蘇茂輝，秦孔建，等.實(shí)際行駛工況下柴油車發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷分布及排放[J] .江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)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(shí)際道路工況和法規(guī)工況下中型柴油機(jī)排放特性的對(duì)比分析[J] .吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)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?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)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