全球輕型車(chē)統(tǒng)一測(cè)試程序?qū)Τ擞密?chē)CO2排放的影響分析

G.DIPIERRO F.MILLO C.CUBITO B.CIUFFO F.GEORGIOS

截至2017年，歐盟輕型車(chē)排放污染物和油耗的型式核準(zhǔn)程序是新歐洲行駛測(cè)試循環(huán)（NEDC）。該測(cè)試在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上進(jìn)行。然而，諸多研究表明，由于型式核準(zhǔn)測(cè)試程序的工況有限性，導(dǎo)致其CO2排放和實(shí)際行駛過(guò)程中的差異很大。為此，歐盟決定采用1種更能代表實(shí)際行駛的新試驗(yàn)工況，即全球輕型車(chē)統(tǒng)一測(cè)試程序（WLTP）。通過(guò)試驗(yàn)和仿真研究分析WLTP測(cè)試程序?qū)O2排放的影響，試驗(yàn)在2款不同的歐5車(chē)輛上進(jìn)行，1輛為柴油車(chē)，1輛為汽油車(chē)，以代表歐洲乘用車(chē)的平均排放水平。同時(shí)研究了發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)和起停技術(shù)在新型式核準(zhǔn)程序中對(duì)CO2排放的影響。WLTP測(cè)試程序的測(cè)試質(zhì)量和道路負(fù)荷要求更高，行駛動(dòng)態(tài)性也更高。汽油車(chē)循環(huán)能量需求增加44%，柴油車(chē)循環(huán)能量需求增加23%。然而，柴油車(chē)CO2排放以相同比例增加，而汽油車(chē)CO2排放只增加10%，這是因?yàn)閃LTP測(cè)試程序下的發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率提高了。最后，對(duì)2輛車(chē)進(jìn)行起停技術(shù)的實(shí)際節(jié)油效果的NEDC和WLTP測(cè)試。

全球輕型車(chē)統(tǒng)一測(cè)試程序;新歐洲行駛測(cè)試循環(huán);道路負(fù)荷;起停技術(shù);冷起動(dòng)

0?前言

在歐盟，運(yùn)輸行業(yè)的溫室氣體排放量占總溫室氣體排放量的20%，為第二大排放行業(yè)。而在運(yùn)輸行業(yè)內(nèi)，輕型汽車(chē)的溫室氣體排放量占總量的94%[1-2]。2009年，歐盟頒布了針對(duì)新乘用車(chē)的強(qiáng)制性CO2法規(guī)，采用新歐洲行駛測(cè)試循環(huán)（NEDC），旨在推進(jìn)車(chē)企加大對(duì)降低CO2排放新技術(shù)的投入和研發(fā)[3]，同時(shí)提高歐洲汽車(chē)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。經(jīng)過(guò)汽車(chē)行業(yè)的節(jié)能減排工作，NEDC測(cè)試循環(huán)下的CO2排放由2006年的160 g/km降到2012年的132 g/km，下降了17%[4]。

大量研究表明，型式核準(zhǔn)和實(shí)際行駛的CO2排放有很大差異。2014年相關(guān)研究表明，型式核準(zhǔn)和實(shí)際行駛的CO2排放差異呈增大趨勢(shì)，傳統(tǒng)動(dòng)力總成的CO2排放差異由2001年的8%增大到2014年的37%[5-9]。歐盟委員會(huì)的研究指出了型式核準(zhǔn)和實(shí)際行駛CO2排放差異產(chǎn)生的原因[10]：（1）NEDC測(cè)試循環(huán)由適度的瞬態(tài)工況和諸多穩(wěn)態(tài)工況組成，不能代表實(shí)際行駛工況;（2）歐洲型式核準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定的測(cè)試程序靈活性較大，諸如可以忽略循環(huán)中傳統(tǒng)動(dòng)力總成的電池電量（SOC）差異，可以采用特殊的測(cè)試駕駛技巧和非量產(chǎn)件進(jìn)行測(cè)試，與量產(chǎn)車(chē)不符;（3）在型式核準(zhǔn)程序中，在測(cè)試跑道上進(jìn)行道路負(fù)荷測(cè)量時(shí)，輪胎的選擇和準(zhǔn)備、環(huán)境測(cè)試條件、車(chē)輛預(yù)處理等方面具有較大的靈活性和公差，甚至允許使用最輕質(zhì)量的車(chē)型，并且不考慮車(chē)載選配裝備的影響;（4）空調(diào)壓縮機(jī)、娛樂(lè)設(shè)備等輔助設(shè)備的使用會(huì)增加實(shí)際行駛時(shí)的燃油消耗，而這些設(shè)備在型式核準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)致了較低CO2排放，不切實(shí)際行駛工況;（5）對(duì)于起停技術(shù)、混動(dòng)車(chē)輛的優(yōu)化控制策略、自動(dòng)變速器的換檔策略和發(fā)動(dòng)機(jī)小型化等技術(shù)的運(yùn)用，其在實(shí)驗(yàn)室型式核準(zhǔn)測(cè)試時(shí)的降低排放效果比實(shí)際行駛時(shí)更加有效。

為了縮小型式核準(zhǔn)測(cè)試和實(shí)際行駛的CO2排放差異，減少型式核準(zhǔn)測(cè)試時(shí)車(chē)企的測(cè)試費(fèi)用和政府的工作，2007年聯(lián)合國(guó)技術(shù)工作組開(kāi)發(fā)了輕型車(chē)的全球輕型車(chē)統(tǒng)一測(cè)試程序（WLTP）。2017年9月，在歐盟實(shí)施WLTP新測(cè)試程序，采用全球輕型車(chē)統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)（WLTC）。WLTP測(cè)試程序的引入相較于NEDC測(cè)試循環(huán)有諸多測(cè)試和程序的變化。將NEDC測(cè)試循環(huán)切換為WLTP測(cè)試程序，對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)的CO2排放影響有諸多不同的研究結(jié)果。然而，這些研究主要集中在識(shí)別WLTP測(cè)試程序下汽車(chē)能量消耗和CO2排放的基本變化趨勢(shì)。WLTP測(cè)試程序?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)、效率、冷起動(dòng)效果、特定技術(shù)組合（如起停、發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理等）帶來(lái)的CO2排放效果等影響，基本上沒(méi)有開(kāi)展深入研究。

本研究分析了不同行駛循環(huán)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)對(duì)CO2排放的影響，分別在2臺(tái)不同的歐5車(chē)輛上進(jìn)行，1輛配置點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，另外1輛配置壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)。主要研究了測(cè)試程序?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)、效率的影響，以及不同行駛循環(huán)（如加速度、速度等）和程序設(shè)定車(chē)輛參數(shù)（如車(chē)重等）的效果差異。也研究了冷起動(dòng)和起停技術(shù)對(duì)降低CO2排放的影響。本研究分別從試驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值仿真方面進(jìn)行了分析。

1?方法

1.1?測(cè)試車(chē)輛

表1列出了2款測(cè)試車(chē)輛的主要參數(shù)。1輛滿(mǎn)足歐5排放法規(guī)的C級(jí)乘用車(chē)配裝1.4 L渦輪增壓點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率為119.36 kW，匹配六速手動(dòng)變速器（MT），下文稱(chēng)之為車(chē)輛1;另外1輛滿(mǎn)足歐5排放法規(guī)的C級(jí)乘用車(chē)配裝1.6 L渦輪增壓壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)，額定功率為100.71 kW，匹配六速手動(dòng)變速器。

1.2?測(cè)試循環(huán)

2輛車(chē)在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上按照特定條件進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試過(guò)程中，分別記錄了WLTC測(cè)試循環(huán)和NEDC測(cè)試循環(huán)下的CO2排放物。就WLTC測(cè)試循環(huán)而言，采用3級(jí)的原因是車(chē)輛特性與比功率（功率質(zhì)量比）有關(guān)。圖1示出了2種測(cè)試循環(huán)：NEDC測(cè)試循環(huán)由市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)和市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)組成。WLTC測(cè)試循環(huán)由4部分組成：低速段、中速段、高速段和超高速段。表2列出了2種測(cè)試循環(huán)的主要特點(diǎn)。NEDC測(cè)試循環(huán)的道路負(fù)荷和測(cè)試質(zhì)量遵守相關(guān)法規(guī)規(guī)定。WLTC測(cè)試循環(huán)的道路負(fù)荷和測(cè)試質(zhì)量按照WLTP測(cè)試程序進(jìn)行加載。WLTP和NEDC測(cè)試程序的差異增加了能量需求，表3列出了單位里程能耗（即測(cè)試循環(huán)下行駛距離內(nèi)所需正牽引能量的積分）。相較于NEDC測(cè)試循環(huán)，WLTC測(cè)試循環(huán)的測(cè)試質(zhì)量和道路負(fù)荷增加，以及動(dòng)態(tài)性提高，導(dǎo)致車(chē)輛1和車(chē)輛2的循環(huán)能量需求分別增加了44%和23%。車(chē)輛1和車(chē)輛2的能量需求差異主要是測(cè)試質(zhì)量不同所致。

1.3?試驗(yàn)規(guī)程

2輛車(chē)測(cè)試時(shí)的初始冷卻液溫度不同，目的是為了評(píng)估冷起動(dòng)對(duì)CO2排放的影響。初始冷卻液溫度不同，而測(cè)試程序則相同。冷起動(dòng)工況的循環(huán)初始冷卻液溫度設(shè)定為25 ℃，熱起動(dòng)工況的循環(huán)初始冷卻液溫度設(shè)定為90 ℃。

1.4?仿真方法

試驗(yàn)獲得的所有數(shù)據(jù)用于建立和驗(yàn)證數(shù)值模型，這些模型將用于分析測(cè)試工況（行駛循環(huán)、整車(chē)質(zhì)量和道路負(fù)荷）和起停對(duì)CO2排放的影響。在GT-Suite軟件中建立車(chē)輛模型，采用“準(zhǔn)靜態(tài)”方法，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器性能曲線為穩(wěn)態(tài)工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)。雖然這種方法忽略了渦輪遲滯等瞬態(tài)工況，但其對(duì)分析適度的瞬態(tài)行駛循環(huán)是有效的。

2?試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1?WLTP測(cè)試程序的影響

將NEDC測(cè)試循環(huán)切換為WLTP測(cè)試程序，測(cè)試要求的變化明顯提高了循環(huán)能量需求。車(chē)輛1的循環(huán)能量需求增加44%，車(chē)輛2增加23%。車(chē)輛2的CO2排放以相同比例增加，而車(chē)輛1的CO2排放只增加了10%。如表4所示，WLTC測(cè)試循環(huán)下發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率提高了， CO2排放降低了。 在NEDC測(cè)試循環(huán)下，2款發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在平均有效壓力（BMEP）小于12 Pa的低效率區(qū)域（如圖2和圖3所示），點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的平均效率為25%，壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的平均效率為27.5%。

另一方面，WLTP測(cè)試程序下平均效率的提高是因?yàn)?款發(fā)動(dòng)機(jī)都運(yùn)行在中高負(fù)荷區(qū)域，點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的平均效率約為30%，壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的平均效率約為32%，與NEDC測(cè)試循環(huán)相比平均水平提高了5%。

如圖4和圖5所示，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)進(jìn)行了分析，圖中發(fā)動(dòng)機(jī)提供的能量根據(jù)負(fù)荷進(jìn)行分組。從圖中可以清楚地看出NEDC測(cè)試循環(huán)下2種動(dòng)力總成提供的能量大部分都在低效率區(qū)域，而在WLTP測(cè)試程序下能量分布的重心向最高效率區(qū)域靠近。值得注意的是，在WLTC測(cè)試循環(huán)中，車(chē)輛1的大部分分組都位于高效率區(qū)域。整個(gè)循環(huán)下驅(qū)動(dòng)車(chē)輛1的能量增加44%，而CO2排放僅僅增加約10%。

為了解NEDC測(cè)試循環(huán)切換為WLTP測(cè)試程序時(shí)CO2排放增加的主要原因，通過(guò)車(chē)輛仿真分析了車(chē)輛慣量和道路負(fù)荷的影響。此分析未考慮冷起動(dòng)的影響，仿真僅在熱機(jī)工況下進(jìn)行。如圖6所示，對(duì)2輛車(chē)進(jìn)行WLTC測(cè)試循環(huán)仿真時(shí)，采用NEDC測(cè)試循環(huán)所規(guī)定的質(zhì)量和道路負(fù)荷，用“EU”標(biāo)簽標(biāo)記。圖中三角形標(biāo)記代表車(chē)輛2，行駛循環(huán)變化只增加5%的CO2排放，而測(cè)試質(zhì)量和道路負(fù)荷的變化，則增加了20%的CO2排放。圖中方形標(biāo)記代表車(chē)輛1，WLTC測(cè)試循環(huán)下采用NEDC測(cè)試循環(huán)的道路負(fù)荷CO2排放與NEDC測(cè)試循環(huán)相比減小1.5%。這是因?yàn)閃LTC測(cè)試循環(huán)相較于NEDC測(cè)試循環(huán)提高了發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率，如圖7所示。

2.2?冷起動(dòng)對(duì)CO2排放的影響分析

從NEDC測(cè)試循環(huán)切換為WLTP測(cè)試程序，冷起動(dòng)對(duì)CO2排放的影響（即型式核準(zhǔn)程序中冷起動(dòng)工況相較于熱起動(dòng)工況CO2排放增加）有所減小。首先，冷起動(dòng)的影響變小是因?yàn)檎麄€(gè)循環(huán)的行駛距離和時(shí)間變長(zhǎng);其次，WLTP測(cè)試程序下需求的發(fā)動(dòng)機(jī)能量相較于NEDC測(cè)試循環(huán)增加，從而加速了發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)。為了解WLTP測(cè)試程序中發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)的重要性，在NEDC測(cè)試循環(huán)和WLTP測(cè)試程序下都進(jìn)行了冷起動(dòng)（即發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度25 ℃）和熱起動(dòng)（即發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度90 ℃）工況試驗(yàn)，表5列出了試驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)NEDC測(cè)試循環(huán)切換為WLTP測(cè)試程序，冷起動(dòng)降低CO2排放的效果大大降低（2輛車(chē)的減排效果幾乎都降低約50%）。對(duì)于車(chē)輛1，NEDC測(cè)試循環(huán)下冷起動(dòng)較熱起動(dòng)的CO2排放增加約9.5%，WLTP循環(huán)下僅僅為5%。對(duì)于車(chē)輛2，NEDC測(cè)試循環(huán)下增加約2.5%，WLTP循環(huán)下僅僅約為1.0%。

2.3?起停技術(shù)對(duì)降低CO2排放的效果分析

對(duì)于冷起動(dòng)，WLTP測(cè)試程序規(guī)定的行駛循環(huán)對(duì)于起停等發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)降低市區(qū)工況CO2排放的效果有很大影響。本研究用數(shù)值模型分析了起停技術(shù)對(duì)降低CO2排放的效果。為了只了解行駛循環(huán)的影響，數(shù)值仿真只對(duì)熱機(jī)工況進(jìn)行研究，數(shù)值仿真結(jié)果如表6所示?？梢钥闯?，從NEDC測(cè)試循環(huán)切換為WLTP測(cè)試程序，2輛車(chē)的起停效果都降低了約50%。對(duì)于車(chē)輛1，在NEDC測(cè)試循環(huán)下起停技術(shù)降低CO2排放約5%，而在WLTP測(cè)試程序下僅僅約為2%。同樣，對(duì)于車(chē)輛2，在NEDC測(cè)試循環(huán)下起停技術(shù)降低CO2排放約4%，而WLTP測(cè)試程序下約為2%。如表2所示，因?yàn)橥＼?chē)工況占比從23.7%降低為12.6%，所以在降低CO2排放方面，起停效果有所降低。

3?結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和仿真研究分析了新型式核準(zhǔn)程序WLTP對(duì)CO2排放的影響，并與NEDC測(cè)試循環(huán)進(jìn)行了對(duì)比。試驗(yàn)在2款不同的歐5車(chē)輛上進(jìn)行，分別為汽油車(chē)和柴油車(chē)，代表著歐洲乘用車(chē)的平均排放水平。WLTP測(cè)試程序的質(zhì)量和道路負(fù)荷等試驗(yàn)條件更為苛刻，汽油車(chē)的循環(huán)能量需求增加44%，柴油車(chē)的循環(huán)能量需求增加23%。柴油車(chē)的CO2排放增加與能量需求的增加比例相同，而汽油車(chē)只增加10%。這是由于WLTP測(cè)試程序下發(fā)動(dòng)機(jī)平均效率提高的緣故。當(dāng)NEDC測(cè)試循環(huán)切換為WLTP測(cè)試程序，點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的平均效率從25%提高到30%，壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的平均效率從27.5%提高到32%。當(dāng)NEDC測(cè)試循環(huán)切換為WLTP測(cè)試程序，導(dǎo)致CO2排放增加的主要因素是更為苛刻的試驗(yàn)條件（測(cè)試質(zhì)量和道路負(fù)荷），而不是更加動(dòng)態(tài)的行駛循環(huán)。對(duì)于配裝壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)輛2，行駛循環(huán)只增加了5%的CO2排放。當(dāng)NEDC測(cè)試循環(huán)切換為WLTP測(cè)試程序，冷起動(dòng)降低CO2排放的效果大大降低（2輛車(chē)的減排效果幾乎都減半），2輛車(chē)的起停效果幾乎也都減半。

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