重型半挂车CHTC-TT 和C-WTVC 工况能耗排放比对研究

张岳秋 李 博 马居宇 李腾腾

（1-北京市机动车排放管理事务中心 北京 100176 2-中汽研汽车检验中心（天津）有限公司）

引言

汽车行驶工况研究是车辆测试研究领域的一项基础性工作，当前欧洲、美国和日本等发达国家均已采用了自己的车辆行驶工况进行车辆的标定和认证工作。而我国现行标准中的车辆行驶工况的构成，其车速按照行驶时间的分布比例与车辆在实际道路上的行驶工况不相符[1]。在2015～2018 年间，受工业和信息化部委托，由中国汽车技术研究中心有限公司牵头，组织汽车行业开展了中国工况的项目研究工作，该项目前后历经3 年，总共对国内41 个代表城市的5 048 辆车进行实际道路行驶工况的数据采集工作，累计采集5 539×104km 的车辆行驶数据和21×108条对应城市的GIS 低频交通动态大数据，开发完成轻型和重型车辆共8 条行驶工况曲线，发布了重型车行驶工况国家标准GB/T 38146.2-2019《中国汽车行驶工况第二部分：重型商用车辆》。标准中针对客车、货车、自卸汽车和半挂牵引车辆共四类车辆分别建立了符合中国城市道路状况的重型车辆行驶工况（CHTC）曲线。

在此之前，重型商用车辆的燃料消耗量和排放污染物在重型车辆底盘测功机上按照GB27840-2011《重型商用车燃料消耗量测量方法》标准规定的世界重型商用车辆瞬态循环（C-WTVC）进行台架测试，该循环适用于最大总质量大于3 500 kg 的燃用汽油和柴油商用车辆，C-WTVC 循环由市区、市郊和高速工况组成。不同类型的重型商用车在底盘测功机上均使用该循环进行排放和能耗测试，不同之处在于市区、公路和高速工况里程分配系数会因车而异。对于最大设计总质量大于27 000 kg 的半挂牵引车辆，其市区特征里程分配比例占比为0%，公路比例为10%，高速比例为90%[2]。

随着GB/T 38146.2-2019《中国汽车行驶工况第二部分：重型商用车辆》标准的发布，重型车辆的中国工况（CHTC）与C-WTVC 工况对车辆油耗与排放结果的影响差异性值得我们研究与分析，该问题不仅关系到重型商用车生产企业在车辆开发标定上的研究，还涉及到重型商用车辆下一阶段油耗限值标准，因此本文的研究目的是比对重型半挂牵引车辆在新旧行驶工况下的油耗和排放结果差异性大小，从而对重型车辆生产企业在第四阶段油耗标准实施前的开发和准备工作具有一定帮助作用。

1 工况及试验

1.1 工况比对

重型半挂牵引车的C-WTVC 循环由公路和高速部分组成。如下图1 所示，900 s 之后的虚线工况曲线为牵引车辆的C-WTVC 循环，其中公路循环900～1 368 s，运行距离5.687 km，最高车速73.5 km/h。高速循环为1 368～1 800 s，运行距离9.093 km，最高车速87.8 km/h[2]。中国半挂牵引车行驶工况（CHTC-TT）包括低速和高速2 个速度区间，工况时长1 800 s，总行驶里程23.22 km，低速部分为473 s，行驶距离1.92 km，最高车速42.2 km/h，高速部分1 327 s，行驶距离21.30 km，最高车速88 km/h[3]。从C-WTVC 工况和CHTC-TT 工况曲线的对比可以看出，在中国工况中，重型牵引车辆适当增加了市区工况，仅1.92 km，主要是模拟车辆实际行驶上高速前的低速行驶工况，相比C-WTVC 循环，CHTC-TT 工况的高速行驶距离大幅提高，是其2.34 倍，这也符合我国大多数重型半挂牵引车的实际行驶工况。因此，按照该循环进行的重型车辆转毂油耗排放试验工况将更加贴合其实际使用工况，从而其排放与油耗结果和实际使用情况更加接近。

图1 工况曲线

1.2 试验设计

试验使用一辆6×4 重型半挂牵引车作为测试研究对象，在一台重型四驱底盘测功机上进行转毂油耗排放联合测试，该试验采用日本HORIBA 生产的全流稀释排放测试设备CVS 对车辆的排气污染物瞬时浓度、排气流量等数据进行采集，试验过程分别采集了CO、CO2、THC 和NOx等排气污染物，试验设备采样频率设置为1 Hz，试验前后均对排放分析仪进行零漂、泄露检查和量程标定，均满足使用要求。试验结束后采用碳平衡的计算方法进行整个循环工况的燃料消耗量计算。转毂试验前车辆按照最大设计总质量在试验场地的长直线性能路进行满载负荷行驶阻力测试工作，经过行驶阻力测定计算后，将该车辆的实际道路行驶阻力系数输入底盘测功机控制系统，模拟车辆在实际道路上的满载行驶阻力。经过充分热车等准备工作之后，先依据GB/T 27840-2011重型商用车燃料消耗量测量方法进行3 次完整CWTVC 循环测试并采集记录瞬时排放数据，后依据GB/T 38146.2-2019 中国汽车行驶工况第二部分：重型商用车辆标准再进行3 次CHTC-TT 循环测试并记录瞬时排放数据。车辆参数见表1。

表1 车辆参数

1.3 碳平衡法

式中：Q 为燃料消耗量，L/100 km；HC 为碳氢化合物排放量，g/km；CO 为一氧化碳排放量，g/km；CO2为二氧化碳排放量，g/km；ρg为15 ℃下燃料密度，kg/L。

2 结果分析

2.1 油耗和比排放结果对比

如表2 所示，公路工况油耗CHTC-TT 为52.70 L/100 km，C-WTVC 为52.14 L/100 km，CHTC-TT 工况的百公里油耗增加1.1%。高速工况油耗CHTC-TT为31.69 L/100 km，C-WTVC 为32.31 L/100 km，CHTC-TT 工况降低1.9%。CHTC-TT 和C-WTVC 的综合油耗分别为33.38 L/100 km 和34.29 L/100 km，由于CHTC-TT 高速工况整体占比大，因而其最终综合油耗比C-WTVC 工况降低2.7%，降幅明显。

表2 油耗和排放结果

从排放结果比对可以看出，CHTC-TT 工况的NOx和CO 比排放分别为221.9 mg/（kW·h）、83.3 mg/（kW·h），较C-WTVC 工况分别增加163.9%和24.7%，PN 比排放为5.10 × 1010#/（kW·h），较CWTVC 工况降低41.2%。CO2比排放为576 618 mg/（kW·h），较C-WTVC 工况降低2.5%，这与综合油耗的降幅几乎相当。

2.2 工况分布对比

图2 为该车辆在C-WTVC 和CHTC-TT 工况下的发动机运行散点图，可以看出两种车辆行驶工况的发动机转速运行区间基本一致，均主要分布在1 000～1 300 r/min 之间，且发动机也都达到了最大转矩运行点。

图2 发动机运行散点图

图3 为发动机转速随时间的变化曲线，可以看出1 200 s 至1 800 s 时间内，CHTC-TT 工况的发动机运行转速均低于C-WTVC 工况，这与图1 的车速差异情况相符，说明牵引车辆的CHTC-TT 工况在高速段车速整体低于C-WTVC 工况，因而高速工况的油耗比C-WTVC 降低1.9%。

图3 发动机转速分布

图4 和图5 为车辆两种行驶工况下的发动机转速占比分布直方图，可以看出C-WTVC 工况在1 285r/min的工况点占比高达30.3%，1 000～1 250 r/min之间的运行区域占比在4%～11.3%，发动机怠速占比9.4%。CHTC-TT 工况的发动机转速也主要集中在1 000～1 250 r/min 之间，该区域的转速分布占比在2.9%～10.2%，发动机怠速占比13.2%。因此可知C-WTVC 工况下发动机在中高速的运行占比高于CHTC-TT 工况，而怠速工况占比CHTC-TT 工况则比C-WTVC 高出3.8%，怠速占比较高。

图4 C-WTVC 工况发动机转速占比

图5 CHTC-TT 工况发动机转速占比

该发动机的最大转矩为2 600 N·m，图6 和图7为车辆在C-WTVC 和CHTC-TT 行驶工况下的发动机转矩分布直方图，可以看出C-WTVC 工况的发动机转矩从0～2 600 N·m 全覆盖，除怠速输出净转矩0之外，发动机净输出转矩953 N·m 的占比最大，为12.3%，其余转矩均在5.3%以内。CHTC-TT 工况的发动机转矩也从0～2 600 N·m 全覆盖，除怠速输出转矩0 以外，发动机的所有净输出转矩占比均在5.5%以内。因而，CHTC-TT 工况的各转矩占比较C-WTVC 更为均衡，主要分布在中高负荷及以下。C-WTVC 工况整个发动机总净转矩为759 000 N·m，CHTC-TT 工况发动机总净转矩为1 071 000 N·m，因此牵引车的中国工况比C-WTVC 工况总输出转矩更大。

图6 C-WTVC 工况发动机转矩占比

图7 CHTC-TT 工况发动机转矩占比

2.3 瞬时排放对比

图8 和图9 分别为C-WTVC 和CHTC-TT 工况的牵引车辆的实际CO2浓度分布占比，可以看出，CWTVC 工况的CO2瞬时浓度在203×10-6和6 108×10-6附近占比最高，分别为24.9%和15.3%，其余浓度占比大多在5%及以下。CHTC-TT 工况的CO2瞬时浓度在602×10-6附近的占比最高，为23.2%，其余浓度占比在6.8%及以下。

图8 C-WTVC 工况CO2 浓度占比

图9 CHTC-TT 工况CO2 浓度占比

图10 和图11 分别为C-WTVC 和CHTC-TT 工况的牵引车辆的实际CO 浓度分布占比，可以看出，两种工况的瞬时CO 浓度大部分都分布在14×10-6～15×10-6之间，其中C-WTVC 工况的CO 浓度区间更窄，C-WTVC 工况的CO 瞬时浓度在该浓度区间的总占比为99.8%，CHTC-TT 工况则为100%，因而CHTCTT 工况的CO 比排放较C-WTVC 工况增加24.7%。

图10 C-WTVC 工况CO 浓度占比

图11 CHTC-TT 工况CO 浓度占比

从碳平衡公式可以看出，燃料消耗量与THC、CO 和CO2的排放因子呈正相关。由于柴油车THC排放几乎为0，因此本试验并未采集THC 排放。从2.1 节油耗和排放比对结果及上述CO2和CO 排放瞬时差异性分析可知，CHTC-TT 工况的CO2和CO的比排放和浓度均高于C-WTVC 工况，然而整体百公里油耗却降低2.7%。具体原因应有以下两点，其一，牵引车辆的CHTC-TT 工况行驶里程是C-WTVC工况行驶里程的1.57 倍，整体行驶距离较长，计算百公里油耗的分母较大。其二，CHTC-TT 工况中的高速工况行驶距离是C-WTVC 工况的2.34 倍，高速工况油耗较公路工况油耗降低较多。

图12 和图13 分别为C-WTVC 和CHTC-TT 工况下牵引车辆的实际NOx浓度分布占比，可以看出该车的整体NOx排放浓度极低，C-WTVC 工况下的NOx瞬时排放浓度均在24×10-6以内，（2～4）×10-6浓度占比87.9%。CHTC-TT 工况下的NOx瞬时排放浓度在54×10-6以内，（2～4）×10-6浓度占比92.0%。因而，CHTC-TT 工况的整体NOx比排放较C-WTVC 工况增加163.9%。

图12 C-WTVC 工况NOx 浓度占比

图13 CHTC-TT 工况NOx 浓度占比

图14 和图15 分别为C-WTVC 和CHTC-TT 工况下牵引车辆的实际颗粒物数量浓度分布占比，可以看出C-WTVC 工况下的PN 瞬时排放浓度在379#/cm3附近的占比最高，为71.6%。CHTC-TT 工况下的PN瞬时排放浓度在202#/cm3附近的占比最高，为74.9%。因而CHTC-TT 工况的PN 整体排放较C-WTVC 更低，降幅41.2%。

图14 C-WTVC 工况PN 浓度占比

图15 CHTC-TT 工况PN 浓度占比

3 结论

1）重型牵引车辆的CHTC 工况高速行驶距离大幅提高，是C-WTVC 高速工况的2.34 倍，比较符合我国大多数重型牵引车辆的实际运行工况。

2）本试验车辆的CHTC-TT 和C-WTVC 工况的百公里综合油耗分别为33.38 L 和34.29 L，CHTC-TT比C-WTVC 工况降低2.7%，降幅明显。

3）本试验车辆的CHTC-TT 工况NOx比排放和CO比排放分别为221.9 mg/（kW·h）、83.3 mg/（kW·h），相比C-WTVC 工况分别增加163.9%和24.7%，而PN比排放为5.10×1010#/（kW·h），比C-WTVC 工况降低41.2%。

4）关于中国工况与C-WTVC 循环对重型商用车辆的油耗和排放的影响应该因车辆类型而异，并非所有车辆的油耗使用中国工况一定比C-WTVC会更低。因此对于其他类型车辆的中国工况与CWTVC 工况能耗和排放比对也值得探讨。