许丹丹 高东志 赵健福 包俊江 景晓军
（中汽研汽车检验中心（天津） 有限公司 天津 300300）
重型车作为移动污染源的主要贡献者，其排放一直是环保部门重点监管的对象。近年来，随着重型车保有量持续增加，国家针对重型车排放管控出台的政策及标准越来越多，可见重型车污染物排放治理仍是大气污染治理的重点。国际清洁交通委员会（ICCT）长期跟踪并记录美国重型车实际道路条件下的污染物排放情况，结果表明，市区（车速为0～25 mph）工况下，NOx排放约为EPA（美国环保署）2010 限值的7倍；
市郊（车速为25～50 mph）工况下，NOx排放约为EPA 2010 限值的3 倍；
高速（车速＞50 mph）工况下，NOx排放基本与EPA 2010 限值相当[1]。表明美国现行重型车排放监管方法并不能有效管控市区和市郊行驶条件下的污染物排放。分析数据发现，发动机在低负荷工况运行时，排气温度较低，后处理系统性能较差，致使车辆在该工况下的排放超标。这表示现有的发动机测试及整车实际道路排放测试程序中遗漏了车辆在低负荷工况下的排放测试要求。基于此，美国加州联合美国西南研究院开发并制定了重型发动机及重型车的补充测试循环—LLC（Low Load Cycle），用于控制重型车低负荷工况下的污染物排放。
我国现行的重型车测试方法主要为GB/T 27840-2011《重型商用车辆燃料消耗量测量方法》中的C-WTVC 循环[2]和GB/T 38146.2-2019《中国汽车行驶工况第2 部分：重型商用车辆》中的中国重型商用车辆行驶工况（CHTC 循环）[3]。该2 种循环均未对低负荷测试方面提出相应要求。因此，研究美国的LLC循环与我国的C-WTVC 和CHTC 循环之间排放特性的差异是必要的，该研究可为低负荷测试循环在国内适用的可行性提供预研。
本文基于底盘测功机，使用同一辆重型货车开展LLC、C-WTVC[4-5]和CHTC-HT（中国重型货车行驶工况）3 种测试循环的排放对比试验，通过比功率（Vehicle Specific Power，VSP）[6-9]分析车辆在3 种测试循环下的行驶特征及排放特性。
1.1 试验样车
试验选用一辆N3 类重型国六载货柴油车，满载条件下进行底盘测功机排气污染物测量试验，车辆及发动机基本信息如表1 所示。
1.2 试验设备及测试循环
试验依据GB/T 27840-2011《重型商用车辆燃料消耗量测量方法》标准要求，在底盘测功机上使用HORIBA EXA-7200DTR 全流稀释尾气分析仪进行污染物排放测试，在冷却水温度达到70 ℃以上的热车条件下，基于C-WTVC、CHTC-HT、LLC 3 种测试循环分别进行CO2、NOx及PN 的采样分析，采集频率为1 Hz。3 种测试循环曲线分别如图1、图2、图3所示，测试循环的数据统计特征如表2 所示。试验过程中，平均环境温度约为24 ℃，平均大气压力约为102.5 kPa。
图1 重型商用车行驶工况C-WTVC 曲线
图2 中国重型货车行驶工况CHTC-HT 曲线
图3 美国加州低负荷行驶工况LLC 曲线
对比分析3 种行驶工况测试循环曲线及测试循环的数据统计特征可知，LLC 循环的运行时间最长，总时长达5 505 s。该循环的行驶特征表现为车辆的平均车速及加、减速比例均偏低，而怠速比例偏高，约为C-WTVC 和CHTC-HT 循环的3.7 倍和6 倍。该数据特征反映出LLC 循环主要覆盖重型车的低速、低负荷工况，侧重考核车辆在低速、低负荷工况下的行驶特性。可见，LLC 循环对未来重型车在低速、低负荷工况下的排放监管具有重要意义。
1.3 数据处理
机动车比功率（VSP）是表征发动机克服车辆在行驶过程中所受到的滚动阻力、空气阻力、坡道阻力及加速阻力等输出的功率。其以车速为基础，综合考虑了车辆行驶过程中风阻、道路坡度、加速度、环境条件等多种因素对车辆排放的影响。利用VSP 分析车辆的排放特性，不仅能有效避免车辆载重状态变化对排放结果的影响，而且更能真实地反映车辆的实际道路行驶特征[10]。VSP 是一个矢量，VSP ＞0 表征车辆处于加速工况，VSP ＜0 表征车辆处于减速工况，VSP=0 表征车辆处于怠速工况。根据VSP 的定义，VSP 的计算公式如下：
式中：Ff为滚动阻力，N；
Fi为空气阻力，N；
Fw为坡道阻力，N；
Fj为加速阻力，N；
m 为车辆试验总质量，kg；
v 为车辆行驶速度，km/h。
转化为VSP 与加速度、车速的关系式如下：
式中：g 为重力加速度，取值9.8 m/s2；
f 为滚动阻力系数；
α 为坡路角度，°；
ε 为质量因子，取值0.1；
a 为车辆行驶加速度，m/s2；
ρ 为试验环境下的空气密度，g/m3；
τ 为空气阻力系数；
A 为车辆迎风面积，m2；
vm为试验环境下风速，m/s。
试验开始前，利用气压表、密度计等测量设备，依据GB 27840-2011《重型商用车辆燃料消耗量测量方法》附录C 标准规定，对车辆进行VSP 参数的静态测量试验，根据静态试验测量结果得出公式（2）中所需的VSP 各参数取值如表3 所示。
表3 VSP 参数取值
将表3 中的VSP 各参数取值代入公式（2），得出简化的VSP 计算公式如下：
利用公式（3）分别计算车辆在3 种测试循环的瞬时VSP 值，并采用区间划分的方法对VSP 数据进行聚类处理。以2 kW/t 为单位对VSP 进行区间划分，结果发现，3 种测试循环的运行工况主要集中在VSP∈[-8，8]kW/t 范围内，分布情况如图4 所示。
图4 VSP 区间分布
图4 显示，3 种测试循环下，VSP ＞0 区间的行驶时间大多比VSP ＜0 区间长，即VSP ＞0 区间的车辆加速比例大多比VSP ＜0 区间高。对比分析可知，LLC 循环的VSP 区间分布呈正态分布，VSP∈[-2，2]kW/t 区间的总行驶时间占比高达80%，其中VSP=0区间，即怠速工况的行驶时间占比最大，约为35.2%。而C-WTVC 循环VSP∈[-2，2]kW/t 区间的总行驶时间占比约为45.7%，CHTC-HT 循环VSP∈[-2，2]kW/t 区间的总行驶时间占比约为62.4%。该结果表明，3 种测试循环在车辆低速、低负荷工况行驶时的分布存在差异，其中LLC 循环最符合低速、低负荷工况的测试要求。
2.1 车辆行驶特征分析
图5、图6、图7 分别为LLC、C-WTVC、CHTCHT 3 种测试循环下车辆的行驶特征。
图5 LLC 循环行驶特征
图6 C-WTVC 循环行驶特征
图7 CHTC-HT 循环行驶特征
分析结果均显示，车辆的低速工况较多且分布范围广，高速工况较少且分布集中，且加速度主要集中在-1～1 m/s2范围内。
图5 显示，LLC 循环约有88%的工况集中分布在v ＜50 km/h 范围内，该特征反映LLC 循环侧重考查车辆的低速工况，且低速行驶时间较长。
图6 显示，C-WTVC 循环车辆的低速与高速工况分布均相对分散，其中约有63%的工况分布在v ＜50 km/h 范围内，该特征反映C-WTVC 循环对车辆在低速工况行驶时的考查比LLC 循环少。
图7 显示，CHTC-HT 循环约有70%的工况分布在v ＜50 km/h 范围内，与C-WTVC 循环相比，CHTC-HT 循环的工况分布较为集中，分布范围主要集中在-0.25 ＜a ＜0.25 m/s2。
综上所述，3 种测试循环对车辆实际行驶工况考查的侧重点不同，LLC 循环与国内现行的2 种测试循环存在一定差异。
2.2 排放特性分析
计算3 种测试循环在各VSP 区间的CO2、NOx及PN 平均排放速率，分析车辆在3 种测试循环下的CO2、NOx及PN 排放特性。
图8 为NOx排放随VSP 区间的分布情况。
图8 NOx 排放分布
图8 显示，车辆在VSP=0 区间，3 种测试循环的NOx平均排放速率均最低。主要原因是VSP=0时，车辆处于怠速工况，此时发动机不做功，混合气燃烧较少，NOx排放较少。对比分析可知，LLC 循环，各VSP 区间的NOx平均排放速率较其他2 种测试循环均高出1 个数量级，表明LLC 循环的NOx排放量最多。
图9 为CO2排放随VSP 区间的分布情况。
图9 CO2 排放分布
图9 显示，3 种测试循环的CO2排放整体趋势均表现出中间少、两端多的变化规律，该现象反映了CO2排放与车辆燃料消耗量直接相关的特征，即VSP=0时，怠速工况车辆的燃料消耗量最少，随着VSP 绝对值不断增加，车速以及加、减速度不断增加，喷油量增加，CO2排放升高。对比分析可知，LLC 循环的CO2总排放量最多，但其CO2平均排放速率最低，约为3.4 g/s，CHTC-HT 循环的CO2平均排放速率次之，约为5.7 g/s，C-WTVC 循环的CO2平均排放速率最高，约为7.1 g/s。
图10 为C-WTVC 和CHTC-HT 循环PN 排放随VSP 区间的分布情况，图11 为LLC 循环PN 排放随VSP 区间的分布情况。
图10 C-WTVC 和CHTC-HT 循环PN 排放分布
图11 LLC 循环PN 排放分布
图10 和图11 显示，PN 排放主要集中在VSP 较大的分布区间，VSP ＞0 时的PN 排放比VSP ＜0 高。对比分析可知，LLC 循环在各VSP 区间的PN 排放偏高，其中在VSP ＜-8 kW/t 区间的PN 平均排放速率最高，比其他2 种测试循环均高出3 个数量级，其PN 平均排放速率为（2.78E+12）#/s。主要是因为VSP绝对值较大时，车辆急加速、急减速工况较多，缸内混合气局部偏浓，导致PN 排放升高。
本文对一辆重型国六货车，基于底盘测功机方法开展LLC 循环与国内现行的C-WTVC 和CHTCHT 循环在行驶特征和排放特性2 方面的对比试验研究，得出如下结论：
1）3 种测试循环对车辆的低速、低负荷工况考查程度不同，其中，LLC 循环的VSP 区间分布呈正态分布，且在VSP∈[-2，2]kW/t 区间的总行驶时间占比高达80%，VSP=0 的怠速工况行驶时间比例最高，约为35.2%。
2）分析结果显示，车辆在LLC 循环的NOx平均排放速率比其他2 种测试循环均高出1 个数量级。LLC 循环的CO2总排放量虽然最多，但其CO2平均排放速率最低，约为3.7 g/s；
CHTC-HT 循环的CO2平均排放速率次之，约为5.7 g/s；
C-WTVC 循环的CO2平均排放速率最高，约为7.1 g/s；
LLC 循环在各VSP 区间的PN 排放均偏高，其中在VSP ＜-8 kW/t区间的PN 平均排放速率最高，比其他2 种测试循环均高出3 个数量级。