LNG-电混合动力公交车发动机实际运行工况分析

彭美春，曾隆隆，张伟伦

(广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006)

LNG-电混合动力公交车发动机实际运行工况分析

彭美春，曾隆隆，张伟伦

(广东工业大学机电工程学院，广东 广州 510006)

重型汽车实际运行排放与发动机排放型式核准台架测试结果间的差异主要在于二者的测试工况不同。以广州市在用的一款LNG-电混合动力公交车为研究对象，在公交线路上开展整车实际道路测试，通过PEMS,CAN总线实时采集测试车辆车速、发动机转速和扭矩等数据，统计分析该车辆发动机实际工况的分布特征，并与ETC工况和WHTC工况进行比较分析。结果表明，因受动力控制策略、限速、公交车运行规律等影响，该混合动力公交车发动机实际运行工况主要分布在中小转速区，在中小扭矩区时间占比较大，不同于排放型式核准发动机台架测试瞬态工况ETC主要分布在中高转速与中高扭矩区，也不同于WHTC工况主要分布在中等转速区、在中等与偏小的扭矩区分布较均匀。相比于ETC工况，WHTC工况在发动机平均转速、平均功率和怠速比例等工况特征参数与该公交车发动机实际运行工况较为接近。

公交车；混合动力；液化天然气(LNG)；运行工况；WHTC；ETC

近年来，世界上重型车用发动机排放法规或标准不断更新，呈现出测试项目增加、测试工况变更、测试环境拓展、排放限值加严等特点。如欧盟第六阶段排放标准重型车发动机排放台架瞬态试验工况从ETC循环变更为WHTC循环，继美国之后在室内发动机台架试验基础上增加了车辆实际道路运行排放的测试评价。

我国跟随欧美等发达国家与地区排放标准的走势，重型车辆排放标准也不断更新与加严。

我国国家标准GB 17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》，规定了国Ⅲ、国Ⅳ和国Ⅴ阶段重型车用柴油发动机和燃气发动机型式核准试验的稳态ESC工况法和瞬态ETC工况法下的排放测量方法与排气污染物排放限值。

国家环保部于2014年发布了HJ 689—2014《城市车辆用柴油发动机排气污染物排放限值及测量方法(WHTC工况法)》[1]，该标准规定了国Ⅳ和国Ⅴ阶段城市车辆用柴油发动机WHTC 工况法的排气污染物排放测量方法和排放限值。

作为对GB 17691—2005的补充，2015年国家出台了《重型车用发动机与汽车车载测量方法与排放限值》(征求意见稿)[2]，规定了重型车辆实际运行排放(Real Driving Emission，简称RDE)测试的车载法，采用车载排放测试系统(Portable Emission Measurement System,简称PEMS)测试车辆实际道路运行状态下的排放，规定了车辆发动机排气污染物基于ETC或者WHTC循环功的功基窗口比排放限值。

我国于2016年10月出台了《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(征求意见稿)[3]，该标准规定了国Ⅵ阶段重型车用柴油发动机和燃气发动机型式核准台架排放测试工况为WHSC 工况和WHTC 工况，分别替代了ESC工况与ETC工况；也规定了采用车载排放测试方法测试车辆RDE的方法与限值，规定了基于发动机WHTC功的功基窗口法排放限值。

综上，我国重型车发动机排放型式核准台架瞬态试验工况正从ETC循环向WHTC循环过渡，排放评价在室内发动机台架试验基础上，增加了车辆实际道路运行排放的测试评价，基于发动机台架瞬态试验循环功规定功基窗口比排放限值，将台架排放测试与实际道路运行排放测试结果联系在一起。

ETC与WHTC有较大差异。ETC工况规定瞬态测试循环在城市工况、乡间工况和高速工况的时间占比均为1/3，而WHTC循环三者则分别为49.6%，26.1%与24.3%。不同用途车辆运行工况差异较大，无论是ETC还是WHTC，台架测试瞬态循环工况与车辆实际运行工况间均存在差异。基于某种循环工况得出的发动机排放结果是否反映车辆实际运行排放水平，近年来一直被国内外学者专家及相关部门所关注。李孟良等[4]采用PEMS研究了重型柴油车在实际行驶工况下发动机负荷分布及排放特性，研究表明，车辆实际运行工况分布特征与型式核准ESC及ETC循环工况存在较大差异，导致实际运行工况下的排放和型式核准循环工况下的排放存在差异。Velders等[5]对比分析了不同排放标准货车在实际道路的排放水平，研究表明，卡车实际道路NOx排放并没有随排放标准的加严而得到相应改善。高继东等[6]对比分析了城市客车在实际道路驾驶循环BJCBC工况下的排放和发动机在ETC循环工况下的排放，研究表明，BJCBC循环排放测试结果与ETC循环排放测试结果存在明显差异。

大型城市公交车辆大多行驶在城市人口密集区域，平均车速低、频繁起停，其运行工况具有特殊性，其排放对城市大气污染贡献不容忽视。近年来我国混合动力公交车保有量增长较快，其发动机运行工况范围有别于传统燃料发动机的车辆，目前对这类车辆发动机运行工况特点研究成果偏少。本研究以一辆在用国Ⅴ排放标准的LNG-电混合动力公交车为研究对象，按照国家标准《重型车用发动机与汽车车载测量方法及排放限值》(征求意见稿)规定，选取广州市典型公交线路开展RDE测试，通过PEMS,CAN总线实时采集测试车辆行驶车速、发动机转速与扭矩等数据。基于RDE测试有效数据，结合国家标准中WHTC循环与ETC循环相关定义，统计分析测试城市公交车辆发动机实际工况、ETC循环工况和WHTC循环工况的分布特征并进行比较，分析城市公交车辆发动机实际运行工况、ETC循环工况与WHTC循环工况的差异等，分析导致差异的原因。本研究结果可以为开展城市公交车RDE测试与研究提供参考。

1 试验方案

1.1 测试车辆

选取广州市保有量较大的某品牌大型LNG-电混合动力城市公交车辆为测试车辆，该车辆配置超级电容电辅助式混联动力系统，无变速器，因缺少充电设施不外接充电运行。该试验样车符合国Ⅴ排放标准，主要技术参数见表1。

表1 测试车辆主要技术参数

试验样车按照车辆使用说明正常使用并按照制造企业的规定进行定期维护保养，确保污染物排放控制装置能够正常工作，符合国家标准《重型车用发动机与汽车车载测量方法及排放限值》(征求意见稿)测试规范的要求。

采用配重方式为测试车辆加载，以模拟公交车日常载客负载。11条轮胎(含轮辋，128 kg/条)作为配重，均匀布置在车厢中，包括测试设备、试验人员(14人)在内总配重质量约2.5 t，约为测试车辆额定装载质量的49%，符合国家标准《重型车用发动机与汽车车载测量方法及排放限值》(征求意见稿)中关于测试车辆加载质量为装载质量50%±10%的要求。

1.2 测试线路

测试线路选取广州市番禺区大学城外环路上一段典型公交营运线路(见图1)。该公交线路限速50 km/h，车流量较为稳定，单圈线路总长约10.2 km。测试线路包含上坡路段、下坡路段和平坦路段。测试线路上共有6个公交站点、4个交通信号交叉路口。本次RDE测试行车最高车速为48.1 km/h，符合国家标准《重型车用发动机与汽车车载测量方法及排放限值》(征求意见稿)中关于市区道路车辆行驶速度在0～50 km/h的测试要求。RDE测试时，测试车辆从测试起点起动，沿着测试路线行驶，最终回到测试终点。测试车辆在测试线路上往返运行6圈。

经验丰富的驾驶员按照公交车日常运行规律驾驶试验车辆沿着测试路线行驶，正常停靠公交车站并开启车门，但不上下乘客，每个站点停靠约10 s，模拟公交车在公交线路上日常运行规律。逐秒采集测试公交车运行数据，在车辆起动前1～2 s开始记录数据，在车辆停车后1～2 s停止记录数据，以确保采集到全部试验数据。测试时间在夏季，大气环境温度在26～37 ℃范围内，公交车在开启空调状态下行驶,车舱内温度控制在23 ℃左右。该试验样车空调动力来自发动机，因此测试过程中发动机较少熄火。

图1 测试线路图

1.3 数据采集设备

数据采集设备主要包括SEMTECH系统、CAN接口卡及便携式电脑等。SEMTECH系统用于实时采集试验样车行驶速度等数据，CAN接口卡用于实时采集试验样车发动机转速及扭矩等数据。测试数据可以实时显示、记录并保存在便携式计算机上。在测试线路开展LNG-电混合动力公交车RDE测试时，各数据采集设备在测试车辆上的布置及连接示意见图2。

图2 车载测试设备安装连接示意

本研究对象LNG-电混合动力公交车RDE测试累计运行里程为61.2 km，累计运行时长为8 438 s，共获得8 438组测试车辆行驶速度、发动机转速与扭矩等有效数据。

2 ETC循环和WHTC循环

2.1 试验转速定义

ETC循环和WHTC循环中均包含 “低转速”nlo、“高转速”nhi和“基准转速”nref(或npref)等试验转速，但这些试验转速的具体定义在ETC循环和WHTC循环中存在差异。ETC循环中“基准转速”nref是指发动机测功机规范所规定的100%相对转速点的实际转速值。WHTC循环“基准转速”npref是指在发动机瞬态性能曲线上，从怠速转速nidle到95%最大功率对应转速n95h这一区间的扭矩最大值进行积分，整个区间积分值的51%所对应的发动机转速。ETC循环中各试验转速的定义见图3，WHTC循环中各试验转速的定义、基准转速的确定分别见图4和图5。

图3 ETC循环试验转速的定义

图4 WHTC循环试验转速的定义

图5 WHTC循环基准转速的确定

2.2 实际转速计算方法

国家标准GB 17691—2005附件BB给出了将转速、扭矩规范百分值转换为转速、扭矩实际值的计算方法，国家环保标准HJ 689—2014《城市车辆用柴油发动机排气污染物排放限值及测量方法(WHTC工况法)》附件A给出了将转速、扭矩规范百分值转换为转速和扭矩实际值的计算方法。分析可知，ETC循环和WHTC循环的转速规范百分值转换为转速实际值的计算方法存在差异，详见式(1)、式(2)和式(3)；ETC循环和WHTC循环的扭矩规范百分值转换为扭矩实际值的计算方法相同，详见式(4)。

ETC循环的转速规范百分值转换成转速实际值的关系式见式(1)。

(1)

式中：n为该工况点实际转速；nb为转速规范百分值；nidle为发动机怠速转速；nref为基准转速。

ETC循环基准转速由式(2)确定。

(2)

式中：nhi为70%最大净功率所对应的最高发动机转速；nlo为50%最大净功率对应的最低发动机转速。

WHTC循环转速规范百分值转换成转速实际值的关系式见式(3)。

n=nb×[0.45×(nlo+npref)+
0.1×nhi-nidle]×2.032 7+nidle。

(3)

式中：n为该工况点实际转速；nb为转速规范百分值；nidle为发动机怠速转速；nlo为55%最大功率所对应的最低发动机转速；nhi为70%最大功率所对应的最高发动机转速；npref为基准转速。

ETC循环和WHTC循环的扭矩规范百分值转换成扭矩实际值的计算式相同，见式(4)。

(4)

式中：T为该工况点实际扭矩；Tb为扭矩规范百分值；Tmax为最大扭矩，即瞬态性能测定曲线上，发动机在某转速下的最大扭矩值。

测试车辆发动机的外特性功率和扭矩特性曲线见图6。发动机WHTC循环和ETC循环的转速、扭矩规范百分值分别见图7和图8。按式(1)至式(4)计算，可得到ETC循环和WHTC循环中各1 800 s瞬态工况点的发动机转速实际值、扭矩实际值。

图6 测试车辆燃气发动机外特性曲线

图7 WHTC循环和ETC循环发动机转速规范百分值

图8 WHTC循环和ETC循环发动机扭矩规范百分值

3 试验结果与分析

3.1 车辆行驶工况特征分析

本研究将车辆行驶工况划分为匀速、加速、减速与怠速4类典型工况，将v=0 m/s定义为怠速工况，将v≠0 m/s且a≥0.05 m/s2定义为加速工况，将v≠0 m/s且a≤-0.05 m/s2定义为减速工况，将v≠0 m/s且-0.05 m/s2

测试公交车速度和加速度散点分布见图10。该图显示，当速度分布在0～10 km/h范围内时，加减速度较大，分布范围为-1.90～1.43 m/s2；随着速度的提高，加减速度逐渐集中到0 m/s2附近。统计得到，速度主要分布在10～40 km/h范围内，加速度集中分布在-0.5～0.5 m/s2范围内，时间占比分别为76.1%和91.4%。数据表明，公交车起停时加减速度较大，行车过程中加减速度较小，公交车运行较为平稳。

图9 车辆行驶工况时间占比

图10 车辆速度-加速度散点分布图

3.2 发动机运行工况分布特征比较

3.2.1发动机运行工况散点图

测试获得的该公交车辆发动机实际运行正扭矩区域的工况点分布见图11，同时示出了该发动机ETC工况与WHTC正扭矩区域工况点分布。

图11 发动机实际工况、ETC与WHTC工况散点图

由图11可知：测试的对象LNG-电混合动力公交车发动机实际运行工况点主要集中分布在600～1 400 r/min转速区间内；WHTC循环工况点主要分布在1 000～1 500 r/min转速区间内，少量工况点落在1 500～1 700 r/min转速区间内；ETC循环工况点主要集中分布在1 300～1 700 r/min转速区

间内，少量工况点落1 700～2 100 r/min转速区间内。

3.2.2发动机运行转速分布

从图12测试发动机实际运行工况转速时间占比分布看出，实际运行工况主要分布在中低转速区，在600～1 400 r/min转速区间内的时间占比高达92.9%，在1 400～1 600 r/min转速区间和高于1 600 r/min转速区间内的时间占比分别只占3.0%和0.1%。研究对象混合动力公交车辆无变速器，主减速比为6.14，因广州市公交车市内运行一般限速在45 km/h以下，因此发动机实际运行在小于1 400 r/min的中低转速区。

图12示出了WHTC工况转速在600～1 400 r/min中低转速范围内较均匀分布，时间占比为80.5%，在1 400～1 600 r/min转速区间和高于1 600 r/min转速区间内的时间占比分别为17.2%和2.3%。

由图12可见，ETC循环工况转速工况点主要分布在中高转速范围内，在1 400～1 600 r/min转速区间和高于1 600 r/min转速区间内的时间占比分别为55.0%和18.1%，在低于1 400 r/min转速区间内的时间占比为26.5%。

图12 发动机实际工况、ETC与WHTC工况转速分布比较

3.2.3发动机运行扭矩分布

图13示出测试车辆发动机实际运行工况正扭矩工况点在小、中、大扭矩区均有分布。在>0～200 N·m扭矩区间内的时间占比最高，超过40%，在0扭矩的时间占比为11.8%，而分布在高于800 N·m区域内的时间极少，占比仅为0.4%。

图13 发动机实际工况、ETC与WHTC工况扭矩分布比较

测试的LNG-电混合动力公交车动力系统为超级电容电辅助式混联式混合动力系统，控制策略为车速低于23.5 km/h时车辆由电机驱动，但因车辆为非独立空调，因此低速工况下发动机还需要供给空调需要的能量，另如果超级电容的SOC值低于下限值时，发动机还需给超级电容充电。车速高于23.5 km/h时发动机单独驱动车辆，或者与电机一起驱动车辆。

WHTC循环工况点扭矩在低、中、高扭矩区均有分布，且较实际运行工况分布均匀。分布在低于400 N·m区域内的时间占比为79.7%，其中0扭矩时间占比为21.7%，分布在高于800 N·m区域内的时间占比为2.0%。

ETC循环工况点扭矩在各个扭矩区间的时间占比分布相比发动机实际运行工况较为均匀，分布在0～200 N·m区域内的时间占比为31.94%，其中0扭矩占比为9.33%，分布在600～800 N·m区间内和高于800 N·m区域的时间占比分别为8.9%和14.67%。

总体而言，测试车辆发动机实际运行工况扭矩主要集中分布在中等和小扭矩区；而ETC循环工况高扭矩区时间占比明显高于测试车辆发动机实际运行工况，也高于WHTC循环工况。WHTC工况在小、中、高扭矩区均有分布，相比发动机实际工况分布均匀。

本研究的公交车辆实际运行工况分布特征基本体现了城市公交车辆实际道路行驶时怠速比例大、平均速度低的特点，也体现了混合动力车辆动力控制策略特点。公交车辆发动机实际运行工况在低转速与低扭矩区的占比明显高于ETC循环，而在高转速与大扭矩区的占比明显低于ETC循环。相比于ETC工况，WHTC工况的转速和扭矩在中小转速与中小扭矩区分布要多。

3.3 发动机工况特征参数比较

测试LNG-电混合动力城市公交车发动机实际运行工况、ETC工况和WHTC工况特征参数见表2。

表2 发动机实际运行工况、ETC与WHTC工况特征参数

由表2可见，测试城市公交车辆发动机ETC工况平均转速最高，实际工况平均转速最低，WHTC位于ETC与实际运行工况之间，WHTC工况平均转速值是ETC循环的78.8%。

ETC工况平均功率最高，较测试公交车实际工况平均功率高41.9%。WHTC工况平均功率最低，较测试城市公交车实际工况平均功率低21.1%。

ETC怠速时间占比最低，WHTC与实际工况相当。WHTC怠速时间占比是ETC循环的2.4倍。

WHTC工况发动机怠速时间占比与发动机实际运行工况相近，平均转速高23.5%，平均扭矩低21.0%。ETC工况发动机怠速时间占比较发动机实际运行工况低58.4%，平均转速高56.8%，平均功率高41.9%。

综上所述，测试LNG-电混合动力城市公交车发动机的实际运行工况与ETC循环工况在工况分布、发动机平均转速、平均功率和怠速时间占比等工况特征参数方面差异较大。相对于ETC循环，发动机实际运行工况与WHTC较为接近。

4 结论

a) 公交车行驶时以加减速变工况为主，合计时间占比高达65.8%，车速主要分布在10～40 km/h范围内，加速度主要分布在-0.5～0.5 m/s2范围内；

b) LNG-电混合动力公交车运行工况主要分布在中小转速与中小扭矩区，不同于ETC工况主要分布在中高转速与中高扭矩区，也不同于WHTC工况主要分布在中等转速、在中低扭矩区分布较均匀；发动机实际运行工况与ETC，WHTC工况差异较大；

c) 相比于ETC，WHTC在发动机平均转速、平均功率和怠速比例等工况特征参数方面与测试的LNG-电混合动力公交车运行工况较为接近。

[1] 中华人民共和国环境保护部.HJ 689—2014 城市车辆用柴油发动机排气污染物排放限值及测量方法(WHTC工况法)[S].北京：中国环境科学出版社，2014.

[2] 中华人民共和国环境保护部.重型车用发动机与汽车车载测量方法及排放限值(征求意见稿)[S].北京：中华人民共和国环境保护部，2015.

[3] 中华人民共和国环境保护部.《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(征求意见稿)[S].北京：中华人民共和国环境保护部，2016.

[4] 李孟良，苏茂辉，秦孔建，等.实际行驶工况下柴油车发动机负荷分布及排放[J] .江苏大学学报(自然科学版)，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] 高继东，秦孔建，梁荣亮，等.实际道路工况和法规工况下中型柴油机排放特性的对比分析[J] .吉林大学学报(工学版)，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

姜晓博]

2017-07-14；

2017-09-26

彭美春(1963—)，女，教授，博士，主要研究方向为发动机节能与排放研究；mcpeng@gdut.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.06.007

U469.72

B

1001-2222(2017)06-0036-07