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东风日产 | 中国工况相对WLTC工况的排放差异研究

2021-11-19 12:41:50·  来源：电动学堂  作者：梁洪浩等  
　
文章来源：东风汽车有限公司东风目产乘用车公司技术中心引言目前，中国排放法规已经由国五NEDC工况切换为国六WLTC工况。WLTC工况相对NEDC工况，瞬态工况更多，但
文章来源：东风汽车有限公司东风目产乘用车公司技术中心

引言
目前，中国排放法规已经由国五NEDC工况切换为国六WLTC工况。WLTC工况相对NEDC工况，瞬态工况更多，但仍旧是沿用欧洲法规，和中国特定的实际道路驾驶情形仍有很大的差异。无论使用NEDC工况还是WLTC工况，对应的排放结果均无法准确代表中国的实际道路驾驶情况。

为了使得排放实验结果更加贴合中国实际国情，中汽研通过试验规划、数据采集与处理、权重因子开发、工况合成、工况验证等环节，获取相应城市连续采集车辆运行数据，确定工况特征参数，计算不同速度区间的权重等，确定了具体的运动工况和怠速时长，最终组合作成CLTC工况曲线。且CLTC工况预计在国七排放法规上将正式使用。在节能减排的背景下，排放限值越加严苛，因此针对将来要采用的CLTC工况，必须提前研究，发现可能存在的相关课题并提出解决课题的技术方案。本文在1台满足国6b排放标准的车辆上分别进行WLTC工况和CLTC工况排放实验，通过对实验结果和数据进行解析来把握CLTC工况的排放特性，为将来国七法规对应开发提供参考经验。

1CLTC工况特性分析
CLTC工况曲线如图1蓝线所示。
和国六的WLTC工况对比，CLTC的主要工况特性差异见表l。
其中，对排放影响较大的主要是以下三点：
①CLTC测试循环里程下降约37.6%。
②对起停车辆来说，CLTC工况的起停次数增加了3次。
③CLTC冷起动阶段起步时的需求功率较WLTC低。
本文将结合实验数据和上述工况的主要差异点，来分析CLTC工况的排放特性。

2实验准备和数据解析
本次实验测试设备为奥地利AVL公司的4WD轻型车用底盘测功机、日本HORIBA公司的MEXA7400排气分析仪。车辆在转鼓上进行实验时，车辆尾气经过稀释后，通过取样袋收集，在实验结束后由分析仪自动分析得到结果。排放实验时的测最系统组成如图2所示。

本次实验车辆为中国市场上销售的满足国6h排放法规的某车型A,排放工况为WLTC以及CLTC工况，实验条件对比信息见表2。WLTC工况和CLTC工况的两次实验结果见表3。

从实验结果来看，可以看出CLTC工况下的CO&THC(NMHC)较WLTC工况恶化严重，而NOx&PN则有所下降。
本文重点分析常规排放物COTHC和NOx的情况。三种排放物的总排放量见表4。

WLTC工况和CLTC工况的co和THC的总排放量(g)比较接近，而CLTC的NOx总排放量则较低。下面逐项分析实验里程、冷起动阶段和起停对CLTC排放的影响。
2.1实验里程缩短的影响
因为CLTC的实验里程相对WLTC较短，即使两个工况下的CO&THC的总排放(g)比较接近，CO&THC的最终排放(mg/km)也会出现较大的恶化；而CLTC的NOx的总排放量（g)虽然降低约53%，但最终NOx的实验结果(mg/km)下降只有25％左右。
这个现象最根本的原因是因为内燃机排放主要集中在冷却液温度较低阶段，当发动机充分热机后，排放会逐渐下降，如图3所示。计算测试循环排放结果时，公式为（总排放量／里程），随着冷却液温度升高，里程增加，总排放量的增加比例小于总里程增加比例，因此里程更短的CLTC循环的排放结果(mg/km)较WLTC要高。
2.2冷起动阶段的差异
对于汽油车，常温冷起动状态下，催化剂激活之前的排放在整个排放测试循环中所占的比重较大。从图3的排放趋势也可以看出，无论WLTC还是CLTC工况，这两个工况下的冷起动阶段排放占比都较大。同时二者的冷起动阶段的排放也有所差异，因此重点对冷起动阶段进行分析。
对比0~100s的排放数据，如图4所示。
可以看出，CLTC在0~10队的车速和加速度均较低，导致其需求功率下降，发动机负荷较低。这种情况会导致以下两种变化：

①EOE较低。在0~100s时间段，催化器温度较低，仍在升温阶段，未完全活化，此时催化器的转化效率较低。
②因为CLTC负荷下降导致排气温度下降，催化器的升温速度也会变慢，对催化器转化率不利。从图4可以看出，催化器入口温度在工况20s处相差达50°C左右。
结合以上两点，分别计算两个工况下的EOE、TPE和催化器转化率的差异，结果如图5所示。

以本文研究所使用的车辆来看，该区间的THC&CO的EOE下降约20%，排气温度的下降对其转化率影响较小，对应的TPE也降低了约20%;NO,的EOE下降了约73%，但由于催化器转化效率的下降，导致TPE下降幅度降低到53％左右。
2起停次数的影响
每当车辆起停作动后再起动时，为了确保发动机起动成功，起动阶段都进行加浓控制，如图6所示。可以看出再起动后约3s内当量比系数＞1,空燃比约12.7,远小于理论空燃比14.7,混合气是偏浓的。而混合气偏浓时，对co不利。因此每次起停再起动时，CO均会冒出。

CLTC工况的起停次数增加，意味着这引起的co排放量也会增加。对于HC,从图3的HC变化趋势来看，一般暖车后的HC排放量较小，起停再起动时对HC的影响相比CO要小得多，因此重点考虑co。
分别计算WLTC和CLTC单次起停后再起动时的co恶化量，见表5。

3总结及建议
本文重点分析了上述实验里程缩短、冷起动工况以及起停次数的差异对CLTC工况排放的影响。本文研究的实验车辆由WLTC到CLTC的排放变化如图7所示。结合以上分析，有以下总结及建议：
1)由于内燃机的排放特性，低冷却液温度时的排放占比较大，里程缩短导致的排放结果增加比例是最大的。因此需要探讨有效的降低低冷却液温度阶段排放的手段，或者快速提高发动机冷却液温度等。
2)针对冷起动阶段，CLTC工况的EOE下降是有利的，但排气温度下降是不利的，若需探讨相关降低排放的方法，可以考虑快速提高催化器温度的手段，如提高发动机转速、推迟点火角，或者采用电加热催化器等，但需要综合考虑其他性能的变化。
3)对于起停后再起动时的空燃比波动导致的排放恶化，优先考虑是否还可进一步优化该区域的空燃比控制，使得排放性能和起动性能都能满足各自的目标。
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