CHTC与C-WTVC工况油耗和排放的试验研究

宋子钰 陶云飞 张晖 刘大鹏 姜琳琳

（1.长春汽车检测中心有限责任公司，长春 130011；2.中国第一汽车股份有限公司研发总院，长春 130013）

主题词：重型商用车 工况 C-WTVC 中国重型商用车辆行驶工况 燃油消耗量 排放

1 前言

我国重型商用车保有量仅占汽车总保有量的4.6%左右，但其NOx和颗粒物排放量分别占汽车NOx和颗粒物总排放量的78.5%和80.5%以上，CO2排放量占汽车CO2总排放量的25%以上，因此，重型商用车的污染物排放量和燃料消耗量是今后机动车节能减排的控制重点[1]。油耗和排放法规的升级是加强重型商用车节能减排监管的重要途径，而测试工况对油耗与排放测试结果以及车辆控制技术的发展有重要影响。

现阶段，我国重型商用车油耗与排放测试均采用C-WTVC 工况[2]，该工况针对不同类型重型商用车确定了不同的特征里程分配比例，综合燃料消耗量与污染物排放量由车辆在各区间的测试结果加权计算得到。

2019年11月发布的《中国汽车行驶工况》系列标准分为中国轻型汽车行驶工况（China Light-duty Vehicle Test Cycle，CLTC）和中国重型商用车辆行驶工况（China Heavy-duty Commercial Vehicle Test Cycle，CHTC）。CHTC 综合燃料消耗量与污染物排放量则直接由整个工况下的测试结果计算得到。

本文对CHTC与C-WTVC工况进行对比，在底盘测功机上分别进行2种工况下的油耗与排放试验，并对测试过程和结果进行分析。

2 CHTC与C-WTVC工况对比分析

C-WTVC工况采用同一测试曲线，而CHTC工况共有6 条工况曲线，分别是中国城市客车行驶工况（CHTC-B）、中国普通客车行驶工况（CHTC-C）、中国货车（车辆总质量≤5 500 kg）行驶工况（CHTC-LT）、中国货车（车辆总质量＞5 500 kg）行驶工况（CHTC-HT）、中国自卸汽车行驶工况（CHTC-D）和中国半挂牵引车列车行驶工况（CHTC-TT）。

CHTC较C-WTVC工况对特征参数有更多的描述，为了分析二者的差异，本文基于GB/T 38146.2—2019《中国汽车行驶工况第2部分：重型商用车辆》规定的术语和定义[3]，对C-WTVC工况特征参数进行补充计算。

加速度a为：

式中，i为采样时刻；vi为i时刻车辆速度；T为工况总时长。

里程x为：

平均速度vave为：

运行平均车速ve,ave为：

相对正加速度arp为：

在行驶过程中，根据国家标准的规定[3]：加速过程的加速度≥0.15 m/s2；减速过程的加速度≤-0.15 m/s2；匀速过程的加速度绝对值＜0.15 m/s2，且行驶速度≥0.5 km/h；怠速过程的加速度绝对值＜0.15 m/s2，且行驶速度＜0.5 km/h。

2.1 城市客车

城市客车在CHTC-B 和C-WTVC 工况下的速度曲线和特征参数分别如图1、表1 所示。CHTC-B 与CWTVC工况相比，运行时间增加，最大速度、平均速度与运行平均速度降低，加速比例降低，怠速比例增加。上述结果充分反映了城市客车平均速度低、怠速比例高、频繁起停的使用特点。

2.2 普通客车

普通客车在CHTC-C 和C-WTVC 工况下的速度曲线和特征参数分别如图2、表2 所示。CHTC-C 与CWTVC工况相比，怠速比例增加，匀速及加、减速比例减少。CHTC-C 高速段的相对正加速度较C-WTVC 工况更大，CHTC-C的高速段工况具有更大的动态波动性。

图1 城市客车在CHTC-B和C-WTVC工况下的速度曲线

表1 城市客车CHTC-B和C-WTVC工况特征参数

图2 普通客车在CHTC-C和C-WTVC工况下的速度曲线

2.3 货车（车辆总质量≤5 500 kg）

货车（车辆总质量≤5 500 kg）在CHTC-LT 和CWTVC 工况下的速度曲线和特征参数分别如图3、表3所示。CHTC-LT 与C-WTVC 工况相比，运行时间有所减少，怠速比例增加，平均车速和运行平均车速降低，最大速度与最大加、减速度提高。

表2 客车CHTC-C（含高速部分）和C-WTVC工况特征参数

图3 货车在CHTC-LT和C-WTVC工况下的速度曲线

表3 货车CHTC-LT和C-WTVC工况特征参数

2.4 货车（车辆总质量＞5 500 kg）

货车（车辆总质量＞5 500 kg）在CHTC-HT 和CWTVC 工况下的速度曲和特征参数分别如图4、表4 所示。CHTC-HT 与C-WTVC 工况相比，最大加、减速度提高，加速和减速比例减少，怠速和匀速比例增加，平均速度和运行平均速度降低。高速段的相对正加速度较大，说明高速段加、减速较多，曲线波动程度大。

图4 货车在CHTC-HT和C-WTVC工况下的速度曲线

表4 货车CHTC-HT（含高速部分）和C-WTVC工况特征参数

2.5 自卸汽车

自卸汽车在CHTC-D和C-WTVC工况下的速度曲线和特征参数分别如图5、表5所示。CHTC-D与C-WTVC工况相比，运行时间和里程大幅增加，覆盖了更多的发动机负荷区域，平均速度大幅降低，怠速比例增加。

2.6 半挂牵引车列车

半挂牵引车列车在CHTC-TT 和C-WTVC 工况下的速度曲线和特征参数分别如图6、表6 所示。CHTCTT与C-WTVC相比，工况运行时间和里程大幅增加，平均速度降低，CHTC-TT 工况高速段最大加速度大幅提高，曲线波动性较大，在第1 000 s 时刻前、后加速度差异较大。

图5 自卸汽车在CHTC-D和C-WTVC工况下的速度曲线

表5 自卸汽车CHTC-D和C-WTVC工况特征参数

图6 半挂牵引车在CHTC-TT和C-WTVC工况下的速度曲线

2.7 分析

CHTC 怠速比例增加，平均车速降低。因此，采用CHTC后，传统动力汽车油耗会增加，怠速、低速时间段内车辆的排气温度较低，保温措施较差的车辆排放表现会较为恶劣。

CHTC 最大加、减速度和相对正加速度提高，使车辆的负荷增加，油耗增加，同时，负荷增加在一定程度上会导致燃烧不充分，排放恶化。

表6 半挂牵引车CHTC-TT（含高速部分）和C-WTVC工况特征参数

与C-WTVC 工况相比，CHTC 高速段的加、减速度提高，有利于大排量、大比功率、多挡化车辆，动力性较差的车辆油耗会增加。

3 CHTC对油耗与排放的影响

3.1 试验车辆

选择6 辆在市场中具有代表性的重型商用车按相关法规[2-4]进行油耗与排放测试，车辆参数如表7所示。

表7 试验车辆参数

3.2 试验设备

试验过程中，道路阻力通过Burke-9248 底盘测功机模拟，燃料消耗量与排气污染物通过ONO SOKKIFP2000/200 油耗仪与Sensors-SEMTECH 便携式排放分析仪测量。

3.3 油耗分析

样车在CHTC和C-WTVC工况下的油耗结果如图7所示，考虑到现行标准中油耗和排放的计算是按比例对各速度区间进行加权，为了对比整体工况的测试结果，分别给出了每个车型的C-WTVC 工况未加权油耗值。CHTC较C-WTVC工况油耗增加1.0%～15.1%，其中增加最多的是样车1城市客车。

图7 CHTC和C-WTVC工况油耗测试结果

以样车1 为例，2 种工况下的MAP 图如图8 所示。与C-WTVC工况相比，CHTC工况下发动机多数工作于中、低转速及负荷区域，燃油经济性不佳。

图8 城市客车CHTC-B和C-WTVC工况MAP图

2 种工况下驾驶挡位曲线如图9 所示。由图9可知，CHTC 较C-WTVC 工况更频繁地采用低挡位驾驶。

图9 城市客车CHTC-B和C-WTVC工况驾驶挡位曲线

导致油耗增加的原因主要有：CHTC 怠速比例增加；CHTC最大加速度高于C-WTVC工况，加、减速较大的区域需要采用较为激烈的驾驶方式；CHTC在高速段的加速度变化范围更宽，以样车4 为例，如图10 所示，CHTC速度曲线起伏明显，不能使用与C-WTVC工况相同的挡位，在驾驶时需要多次降挡提速，导致油耗增加。高速段加速度和相对正加速度增加，所以高速段是改善燃油经济性的研究重点。

图10 货车CHTC-HT和C-WTVC工况加速度

3.4 排放分析

3.4.1 CO排放量

CHTC 和C-WTVC 工况CO 排放量如图11 所示，2种工况的CO 排放量略有差异，与C-WTVC 工况相比，CHTC 工况下样车2 普通客车和样车3 货车（车辆总质量≤5 500 kg）CO 排放量略有减少，其他类型车辆的CO排放量增加。

图11 CHTC和C-WTVC工况CO排放量

CO 主要产生于接近冒烟界限的大负荷工况和小负荷工况[5]。CHTC 工况下，怠速比例增加，柴油机负荷很小，燃烧室内温度过低导致燃烧不充分，容易产生CO，这一点在城市客车CHTC-B 工况中体现较为明显。测试车辆均采用涡轮增压柴油机，当负荷急剧增加时，喷油量增加，而涡轮增压器存在响应滞后[6]，会造成进气量不足，并且气体的可压缩性和增压器的机械惯性也会造成进气量不足，导致发动机燃烧恶化，产生较多的CO。样车4 的CHTC-HT 和C-WTVC工况油耗、CO 排放量与转速和功率的关系如图12、图13 所示。在小负荷工况下油耗较低时，CO 排放量较高，在大负荷工况下油耗较高时，CO 排放量也明显增加。

样车2的CHTC-C 和C-WTVC 工况MAP 图如图14所示。由图14 可知，其在C-WTVC 工况下的低速高扭矩点较多，此时发动机负荷大，燃烧恶化，产生较多的CO。同样，样车3 在C-WTVC 工况下低速高扭矩点较多，导致C-WTVC工况CO排放量较多。

图12 货车CHTC-HT和C-WTVC工况油耗与转速和功率的关系

图13 货车CHTC-HT和C-WTVC工况CO排放量与转速和功率的关系

图14 普通客车CHTC-C和C-WTVC工况MAP图

3.4.2 NOx排放量

CHTC 和C-WTVC 工况NOx排放量如图15 所示。由图15可知，CHTC工况的NOx排放量较C-WTVC工况显著增加。

以样车2 为例，CHTC-C 和C-WTVC 工况NOx排放量、排气温度、车速曲线如图16 所示，对于后处理使用选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）技术的车辆而言，在CHTC工况下，怠速比例与中、低速工况比例增加，此时发动机工作负荷小，导致后处理温度较低，SCR 转化效率降低，且加速度较大时的排气流量大幅增加，NOx排放量随之增加。所以有必要为后处理做好保温措施。

图15 CHTC和C-WTVC工况NOx排放量

图16 普通客车CHTC-C和C-WTVC工况NOx排放量、排气温度和车速曲线

CHTC-C 工况各速度段NOx排放比例如图17 所示。仍以样车2为例分析CHTC工况各速度段对NOx排放量的贡献，由图17 可知，CHTC 工况[30,40) km/h 和[40,50) km/h 速度段的NOx排放量分别占NOx总排放量的27.6%和32.4%，CHTC 工况的中、低速段中急加速工况是今后降低NOx排放量的研究重点。

图17 普通客车CHTC-C工况各速度段NOx排放量占比

3.4.3 颗粒物排放量

CHTC和C-WTVC工况颗粒物排放量如图18所示，2 种工况的颗粒物排放量略有差异。与C-WTVC 工况相比，CHTC工况下样车2普通客车和样车3货车（车辆总质量≤5 500 kg）的颗粒物排放量减少，其他类型车辆的颗粒物排放量增加。

图18 CHTC和C-WTVC工况颗粒物排放量

尾气中颗粒物排放量与车辆的瞬态运行工况之间存在着紧密的关联[7]。CHTC-HT 和C-WTVC 工况颗粒物排放量与速度和加速度的关系如图19所示。以样车4 为例，车辆在匀速和减速时，颗粒物排放量会保持在较低水平，在怠速时，颗粒物排放量较高，这是因为低负荷的燃烧温度偏低，导致燃烧不完全。当车辆处于急加速时，颗粒物排放量突增，此时由于发动机负荷变大，供油量突然变化，混合气变浓，导致颗粒物排放量大幅度增加，此时柴油颗粒过滤器（Diesel Particulate Filter，DPF）未能捕获的颗粒物较多，导致颗粒物排放量升高。

图19 货车CHTC-HT和C-WTVC工况下颗粒物排放量与速度和加速度的关系

样车2 普通客车和样车3 货车（车辆总质量≤5 500 kg）在CHTC工况下颗粒物排放量优于C-WTVC工况，由图14可知，C-WTVC工况下的低速高扭矩点较多，此时发动机负荷大，燃烧恶化，产生较多的颗粒物。

3.4.4 CO2排放量

CHTC 和C-WTVC 工况CO2排放量如图20 所示。由图20 可知，CO2的排放量与油耗一般呈正相关关系，试验中所有样车的CHTC工况CO2排放量与油耗均大于C-WTVC工况，试验具有较好的一致性。

图20 CHTC和C-WTVC工况CO2排放量

4 结束语

本文针对工况特征参数分析了CHTC 与C-WTVC工况的差异，并在底盘测功机上对6个车型的样车进行了试验研究，结合工况特征参数分析2种工况下各车型的油耗和排放表现，试验结果表明，CHTC具有怠速多、运行速度低的特点，反映了我国重型商用车低速、低负荷比重高的特点。速度、加速度与工况比例是影响机动车油耗与排放的重要因素。中国工况的中、低速段中急加速工况是今后降低NOx排放的研究重点，高速段是改善燃油经济性的研究重点。