重型柴油车基于底盘测功机法冷起动油耗及排放研究

徐达 杨聪 金钝 冷浩浩

摘要：为完成我国实现碳中和的目标，贯彻落实“坚持绿水青山就是金山银山理念”，机动车节能减排工作势在必行。研究表明轻型车冷起动排放变差，而重型柴油车冷起动油耗和排放鲜有研究。本文选取三辆重型柴油车，利用底盘测功机及全流稀释定容取样系统（CVS），在冷起动状态下对样车连续开展C-WTVC工况（China-WorldTransientVehicleCycle，中国重型商用车辆瞬态循环），测试油耗及排放，并分析影响因素。结果表明，重型柴油车冷起动NO、CO和PN排放变差，油耗提高，CO，排放变化较小，THC排放规律不明显;冷却液温度对冷起动油耗排放结果具有重要影响;冷起动NO排放与样车

质量有一定相关性，与排量相关性明显;P排放与样车排量有一定相关性，与样车质量无明显相关性;油耗和CO排放与样车质量、排量均不相关。

关键词：重型柴油车冷起动;油耗;排放

中图分类号：U464.11

收稿日期：2021-11-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.03.011

近年来，伴随着我国机动车数量的持续增长，机动车排放问题也越发严峻。据统计，2019年全国机动车的保有量达到3.48亿辆，较2018年增长6.4%。同年，全国机动车一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NO）、颗粒物（PM）四项排放量分别为771.6万t、189.2万t、635.6万t、7.4万t，贡献排放总量90%，其中柴油车的NO和PM占比更是超过汽车排放总量的80%和90%。另外，机动车数量的增长也伴随着机动车能耗的增加。与此同时，我国提出力争2060年实现碳中和的目标2），及习近平总书记在2020年党的十九届五中全会强调的“坚持绿水青山就是金山银山理念”），都对机动车的节能与减排提出更高要求。因此，机动车尤其是柴油车的能耗与排放的研究愈发重要。

研究表明，轻型车底盘测功机法测试冷起动排放浓度有所提高，相比热起动高11～15倍4-。长时间的浸车使机动车的滑油温度趋于室温，润滑效果较差，在此条件下车辆起动克服更大的摩擦阻力，导致排放变差。基于实际道路法的车辆冷起动研究也有一定进展。Faria等研究表明，RDE试验中冷起动的能耗与排放均高于非冷起动工况。Dimaratos等的研究表明，冷起动过程中的NOx、CO和PN排放是RDE试验的市区阶段排放主要贡献者。陈凌建等对轻型汽油车实际排放试验中冷起动排放与冷却液温度和平均车速的相关性进行探究。基于底盘测功机法的重型柴油车冷起动油耗及排放研究相对较少，王谦等1利用底盘测功机法对在用轻型车和重型车进行冷起动排放测试，研究CO，排放因子及对应的油耗，但并未涉及NO，、CO和PN排放研究。

本文选取三台重型柴油车，使用C-WTVC工况进行测试，对比冷起动与热起动阶段油耗与排放，探究形成差异的原因，为重型柴油车节能减排工作提供数据支持。

1材料与方法

1.1测试车辆

本文选取三辆重型柴油车开展试验，试验车辆均满足重型车国VIb阶段要求，且具有一定的行驶里程。车辆具体信息见表1。

1.2测试分析

试验依据GB/T27840-2011《重型商用车燃料消耗量测量方法》开展进行。根据标准要求，重型柴油车采用C-WTVC循环进行试验，循环如图1所示。循环全程时长1800s，分为市区、市郊和高速三个阶段，三阶段运行时间分别为900s、468s和472s，里程占比分别为27.94%、27.73%和44.33%，平均車速分别为22.895km/h、43.746km/h和75.772km/h。C-WTVC是目前我国重型商用车的油耗排放认证循环，具有代表性，并能在一定程度上反映实际道路运行情况。

试验方法流程及使用设备同样按照GB/T27840-2011规定执行。试验流程如图2所示，按照环境条件确认、车辆固定、仪器设备安装、程序设定、预热、循环试验的流程进行。

试验采用的主要设备为重型车底盘测功机系统和全流稀释定容取样系统（CVS），测试系统如图3所示。重型车底盘测功机系统也称重型转鼓，因其安全性及便捷性在车辆排放测试中被广泛应用。本文使用的重型转鼓为德国某公司生产的ECD72H-2MOT型号转鼓，具有两个滚筒，滚筒直径72英寸，最大可模拟60t车辆质量。控制系统控制转鼓电机，并配合车轮转动、车辆运行，便可模拟车辆实际行驶的状态。

本文使用的全流稀释定容取样系统（CVS）为日本某公司生产的，分析仪型号为CVS-ONE-MV-HE。CVS测量精度高，可测量NOCO、HCCO，以及颗粒物等排气污染物。CVS测量原理为通过采样管将车辆尾气引入，经空气滤清器干燥过滤后在稀释通道中与环境空气混合，并被采样系统采样，分析系统分析计算。CVS利用文丘里管控制稀释排气总体积保持不变，最后利用风机将剩余尾气排出。

1.3排放计算

本文采用比排放衡量车辆排放水平，比排放计算采用GB17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）》中的比排放计算方法，公式如下：式中，m.a为循环排气污染物的排放质量，g/test;wa为排气组分密度与稀释排气密度比;c为背景修正后的排气组分平均浓度，ppm;ma为整个循环的总稀释排气质量，kg。其中ua通过查表得到，ca和m.a可通过CVS采样系统采样并经由气体分析仪分析计算得到。

式中，L，为某种污染物比排放结果，gkWh或#/kWh;mga，为某种污染物排放总质量，g或#。

式中，W为发动机循环功，kWh;n为发动机转速，r/min;T为发动机扭矩，N·;为试验时间，s。式中的发动机转速n和发动机扭矩T均由CVS配套的OBD采集发动机ECU数据获取。

本文试验还对颗粒物数量PN进行测量，循环颗粒物数量计算方法如下：

式中，W为试验循环排出的粒子数量;m为循环当量稀释排气质量，kg/test;k为标定系数;c为稀释排气中的粒子平均浓度，每立方厘米的粒子数;为试验时稀释设定的挥发性粒子去除器的平均粒子浓度衰减系数。其中和f均为设备标定确定的常量，m和c，可通过CVS系统测定获得。

PN的评估同样采用比排放的方式，计算方法与污染物相同，即将式（4）中得到的循环数量值与发动机循环功作商得到。

1.4油耗计算

本文采用碳平衡法计算车辆油耗。碳平衡法与排气污染物息息相关，通过各排气污染物质量计算得到，计算方法如下：

式中，2为燃料消耗量，L/100km;HC为测得的碳氢化合物排放量，g/km;CO为测得的一氧化碳排放量，g/km;CO，为测得的二氧化碳排放量，g/km;p为15℃下的燃料密度，kg/L。

式中HC、C0、和CO，的排放量为公式（1）计算得到的排放质量与循环行驶里程之比，行驶里程可通过底盘测功机控制系统根据滚筒转速与时间计算得到。

2结果与讨论

2.1油耗与排放结果

本文对三辆重型车开展试验，记为HT1、HT2和HT3。试验采用1.2中提及的C-WTVC循环，并按照1.2中的试验流程严格进行。每台样车从冷起动状态开始循环试验，即样车在阻力系数模拟前后均不预热。每个循环后CVS主控系统分析计算单循环试验结果，出具结果后立即开展下一循环试验，每台样车总计三个循环。

试验对样车的NO，、CO、PN、CO和THC的排气污染物测量和结果计算，并采用碳平衡法计算油耗。三辆样车的循环试验结果如图4所示。

为更好地呈现和表达图4的试验结果，列举图4中对应的试验数据，即每辆样车三个循环及平均值的油耗排放数据，其中括号内为该循环与平均值的差值百分比，具体见表2。

结合图4和表2，可以看出循环1的油耗值均略高于平均油耗，循环2和循环3均略低于平均油耗;循环1的NO，、CO和PN排放均远高于平均排放，循环2和循环3的NO、CO和PN排放不同程度地低于平均排放;每个循环的CO，排放差异较小，但循环1的CO，排放均略高于平均值;除HT3外，THC排放数值较小，且三辆样车的THC排放表现未呈现明显规律。

由于循环1试验前车辆未进行预热，而循环1的开展为后续循环预热，因此循环1可认为是冷起动循环，循环2和循环3为热车循环。由此可以得出结论：冷起动循环的油耗值略高于热车循环，NO、CO、和PN排放均远高于热车循环;冷起动循环的CO，排放略高于热车循环，但差异较小;冷起动循环的THC排放无明显规律。

2.2温度因素

冷却液温度的高低是冷起动循环与热车循环的重要区别，本文为探究冷却液温度与循环油耗和排放的关系，将样车每个循环的冷却液平均温度与油耗、排放做线性化分析。2.1中指出CO，结果差异较小以及THC的无规律性，因此仅针对油耗、NO、CO和PN进行分析。

如图5所示，车辆的油耗和排放与循环平均冷却液温度均具有较好的相关趋势。三辆样车中，油耗与循环平均冷却液温度最低R为0.833，最高为0.975;N0，与循环平均冷却液温度相关性极高，最低R为0.995，其余两个样车均为0.998;C0排放与循环平均冷却液温度最低R为0.895，最高为0.947;PN排放与循环平均冷却液温度最低R2为0.855，最高为0.998。

由此可见，冷却液温度与车辆油耗排放具有较好的相关性，因此判定冷却液温度为影响车辆冷起动油耗排放的重要因素。

2.3车辆条件因素

质量和排量是车辆的两个关键参数，为探究质量和排量对冷起动油耗排放的影响，本文将质量和排放与车辆的油耗和排放做相关性分析，分析同样仅针对油耗、NO、CO和PN。

车辆质量与车辆油耗排放的相关性分析如图6所示。图中纵坐标为样车冷起动循环的油耗和排放与三个循环平均油耗和排放的差值，横坐标为该样车的最大设计总质量，图中每个数据点即代表一台样车的质量与油耗差或质量与排放差。

由图6可知，样车质量与油耗差和CO排放差的相关性较差，R2值分别为0.0457和0.099;样车质量与N0排放差的相关性最好，其R值为0.611;样车质量与PN排放差的R值为0.346。

由此可见，样车质量对冷起动循环的NO排放具有一定影响，对于油耗和CO排放无影响，对于PN排放影响较小。

车辆的排量与车辆的质量大小息息相关，单独分析排量对车辆油耗排放的影响缺乏说服力。因此，本文为探究排量对冷起动油耗排放的影响，引入排量质量比的概念，即样车的排量与最大设计总质量的比值。排量质量比与油耗差和排放差的相关性分析如图7所示。横坐标为该样车的排量质量比，纵坐标同样为样车冷起动循环的油耗和排放与三个循环平均油耗和排放的差值。

图7表明，排量质量比与油耗差和CO排放差的相关性较差，R值分别为0.045和0.013;排放质量比与N0排放差的相关性极高，其R值为0.945;样车的排量质量比与PN排放差相关性较高，R值为0.765。因此可以得出，排量对冷起动的于油耗和CO排放无影响，对NO排放和PN排放有一定影响，其中对NO排放。

3结语

本试验选取三辆重型柴油车从冷起动状态连续进行三次C-WTVC循环测试，记录、分析并计算得到油耗和排放结果，基于结果与循环冷却液平均温度进行相关性分析。引入排量质量比概念，将首次循环的试验结果与三个循环平均值作差，并与质量和排量质量比做相关性分析，结果表明：

A.三輛样车冷起动循环油耗值分别高于平均油耗值1.83%、1.95%和5.52%，冷起动循环油耗高于热车循环油耗。

b.三辆样车冷起动循环NO排放分别高于平均排放123.40%、89.69%和47.20%，C0排放分别高于平均排放107.08%、167.52%和62.96%，PN排放分别高于平均排放98.10%、63.32%、33.00%，冷起动循环N0、C0和PN排放远高于热车循环。

c.三辆样车冷起动循环CO，排放分别高于平均排放0.36%、0.16%和0.47%，冷起动循环C0，排放略高于热车循环，但差异较小;THC排放无明显规律。

d.样车油耗、NO、CO、和PN排放与循环平均冷却液温度相关性较高，R2最低值分别为0.833、0.995、0.895和0.855，冷却液温度充分影响冷起动循环油耗排放。

e.油耗差，NO、CO和PN排放差与样车质量的相关性分析，R2值分别为0.0457、0.611、0.099和0.346，与排量质量比的R值分别为0.045、0.945、0.013和0.765。冷起动NO排放与车辆质量排量均相关，且排量对NO排放充分影响;冷起动P排放与排量具有一定相关性，与质量相关性小;油耗和CO排放与样车质量、排量相关性差。

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作者简介：

徐达，男，1994年生，工程师，研究方向为重型车排放工作。