全球轻型车统一测试程序对乘用车CO2排放的影响分析

截至2017年，欧盟轻型车排放污染物和油耗的型式核准程序是新欧洲行驶测试循环(NEDC)。该测试在底盘测功机上进行。然而，诸多研究表明，由于型式核准测试程序的工况有限性，导致其CO₂排放和实际行驶过程中的差异很大。为此，欧盟决定采用1种更能代表实际行驶的新试验工况，即全球轻型车统一测试程序(WLTP)。通过试验和仿真研究分析WLTP测试程序对CO₂排放的影响，试验在2款不同的欧5车辆上进行，1辆为柴油车，1辆为汽油车，以代表欧洲乘用车的平均排放水平。同时研究了发动机暖机和起停技术在新型式核准程序中对CO₂排放的影响。WLTP测试程序的测试质量和道路负荷要求更高，行驶动态性也更高。汽油车循环能量需求增加44%，柴油车循环能量需求增加23%。然而，柴油车CO₂排放以相同比例增加，而汽油车CO₂排放只增加10%，这是因为WLTP测试程序下的发动机平均效率提高了。最后，对2辆车进行起停技术的实际节油效果的NEDC和WLTP测试。    

在欧盟，运输行业的温室气体排放量占总温室气体排放量的20%，为第二大排放行业。而在运输行业内，轻型汽车的温室气体排放量占总量的94%。2009年，欧盟颁布了针对新乘用车的强制性CO₂法规，采用新欧洲行驶测试循环(NEDC)，旨在推进车企加大对降低CO₂排放新技术的投入和研发，同时提高欧洲汽车行业的竞争力。经过汽车行业的节能减排工作，NEDC测试循环下的CO₂排放由2006年的160 g/km降到2012年的132 g/km，下降了17%。

大量研究表明，型式核准和实际行驶的CO₂排放有很大差异。2014年相关研究表明，型式核准和实际行驶的CO₂排放差异呈增大趋势，传统动力总成的CO₂排放差异由2001年的8%增大到2014年的37%。欧盟委员会的研究指出了型式核准和实际行驶CO₂排放差异产生的原因：(1)NEDC测试循环由适度的瞬态工况和诸多稳态工况组成，不能代表实际行驶工况；(2)欧洲型式核准协议规定的测试程序灵活性较大，诸如可以忽略循环中传统动力总成的电池电量(SOC)差异，可以采用特殊的测试驾驶技巧和非量产件进行测试，与量产车不符；(3)在型式核准程序中，在测试跑道上进行道路负荷测量时，轮胎的选择和准备、环境测试条件、车辆预处理等方面具有较大的灵活性和公差，甚至允许使用最轻质量的车型，并且不考虑车载选配装备的影响；(4)空调压缩机、娱乐设备等辅助设备的使用会增加实际行驶时的燃油消耗，而这些设备在型式核准试验时处于关闭状态，导致了较低CO₂排放，不切实际行驶工况；(5)对于起停技术、混动车辆的优化控制策略、自动变速器的换档策略和发动机小型化等技术的运用，其在实验室型式核准测试时的降低排放效果比实际行驶时更加有效。

为了缩小型式核准测试和实际行驶的CO₂排放差异，减少型式核准测试时车企的测试费用和政府的工作，2007年联合国技术工作组开发了轻型车的全球轻型车统一测试程序(WLTP)。2017年9月，在欧盟实施WLTP新测试程序，采用全球轻型车统一测试循环(WLTC)。WLTP测试程序的引入相较于NEDC测试循环有诸多测试和程序的变化。将NEDC测试循环切换为WLTP测试程序，对传统汽车的CO₂排放影响有诸多不同的研究结果。然而，这些研究主要集中在识别WLTP测试程序下汽车能量消耗和CO₂排放的基本变化趋势。WLTP 测试程序对发动机运行工况点、效率、冷起动效果、特定技术组合(如起停、发动机热管理等)带来的CO₂排放效果等影响，基本上没有开展深入研究。

本研究分析了不同行驶循环和发动机技术对CO₂排放的影响，分别在2台不同的欧5车辆上进行，1辆配置点燃式发动机，另外1辆配置压燃式发动机。主要研究了测试程序对发动机运行工况点、效率的影响，以及不同行驶循环(如加速度、速度等)和程序设定车辆参数(如车重等)的效果差异。也研究了冷起动和起停技术对降低CO₂排放的影响。本研究分别从试验测试和数值仿真方面进行了分析。

1.1 测试车辆

表1列出了2款测试车辆的主要参数。1辆满足欧5排放法规的C级乘用车配装1.4 L涡轮增压点燃式发动机，额定功率为119.36 kW，匹配六速手动变速器(MT)，下文称之为车辆1；另外1辆满足欧5排放法规的C级乘用车配装1.6 L涡轮增压压燃式发动机，额定功率为100.71 kW，匹配六速手动变速器。

表1 车辆参数

1.2 测试循环

2辆车在底盘测功机上按照特定条件进行测试。在测试过程中，分别记录了WLTC测试循环和NEDC测试循环下的CO₂排放物。就WLTC测试循环而言，采用3级的原因是车辆特性与比功率(功率质量比)有关。图1示出了2种测试循环:NEDC测试循环由市区运转循环和市郊运转循环组成。WLTC测试循环由4部分组成:低速段、中速段、高速段和超高速段。表2列出了2种测试循环的主要特点。NEDC测试循环的道路负荷和测试质量遵守相关法规规定。WLTC测试循环的道路负荷和测试质量按照WLTP测试程序进行加载。WLTP和NEDC测试程序的差异增加了能量需求，表3列出了单位里程能耗(即测试循环下行驶距离内所需正牵引能量的积分)。相较于NEDC测试循环，WLTC测试循环的测试质量和道路负荷增加，以及动态性提高，导致车辆1和车辆2的循环能量需求分别增加了44%和23%。车辆1和车辆2的能量需求差异主要是测试质量不同所致。

图1 NEDC(a)和WLTC(b)3级测试循环的车速曲线

表2 NEDC和WLTC3级测试循环参数

表3 NEDC和WLTP测试循环单位测试里程能耗需求

1.3 试验规程

2辆车测试时的初始冷却液温度不同，目的是为了评估冷起动对CO₂排放的影响。初始冷却液温度不同，而测试程序则相同。冷起动工况的循环初始冷却液温度设定为25 ℃，热起动工况的循环初始冷却液温度设定为90 ℃。

1.4 仿真方法

试验获得的所有数据用于建立和验证数值模型，这些模型将用于分析测试工况(行驶循环、整车质量和道路负荷)和起停对CO₂排放的影响。在GT-Suite软件中建立车辆模型，采用“准静态”方法，发动机和变速器性能曲线为稳态工况下的测试数据。虽然这种方法忽略了涡轮迟滞等瞬态工况，但其对分析适度的瞬态行驶循环是有效的。

2.1 WLTP测试程序的影响

将NEDC测试循环切换为WLTP测试程序，测试要求的变化明显提高了循环能量需求。车辆1的循环能量需求增加44%，车辆2增加23%。车辆2的CO₂排放以相同比例增加，而车辆1的CO₂排放只增加了10%。如表4所示，WLTC测试循环下发动机平均效率提高了，CO₂排放降低了。在NEDC测试循环下，2款发动机运行在平均有效压力(BMEP)小于12 Pa的低效率区域(如图2和图3所示)，点燃式发动机的平均效率为25%，压燃式发动机的平均效率为27.5%。

另一方面，WLTP测试程序下平均效率的提高是因为2款发动机都运行在中高负荷区域，点燃式发动机的平均效率约为30%，压燃式发动机的平均效率约为32%，与NEDC测试循环相比平均水平提高了5%。

如图4和图5所示，对发动机运行工况点进行了分析，图中发动机提供的能量根据负荷进行分组。从图中可以清楚地看出NEDC测试循环下2种动力总成提供的能量大部分都在低效率区域，而在WLTP测试程序下能量分布的重心向最高效率区域靠近。值得注意的是，在WLTC测试循环中，车辆1的大部分分组都位于高效率区域。整个循环下驱动车辆1的能量增加44%，而CO₂排放仅仅增加约10%。

表4 在冷起动工况下NEDC和WLTP测试时的CO₂排放和单位里程能耗

图2 车辆1在NEDC和WLTP测试时的发动机运行工况点

图3 车辆2在NEDC和WLTP测试时的发动机运行工况点

为了解NEDC测试循环切换为WLTP测试程序时CO₂排放增加的主要原因，通过车辆仿真分析了车辆惯量和道路负荷的影响。此分析未考虑冷起动的影响，仿真仅在热机工况下进行。如图6所示，对2辆车进行WLTC测试循环仿真时，采用NEDC测试循环所规定的质量和道路负荷，用“EU”标签标记。图中三角形标记代表车辆2，行驶循环变化只增加5%的CO₂排放，而测试质量和道路负荷的变化，则增加了20%的CO₂排放。图中方形标记代表车辆1，WLTC测试循环下采用NEDC测试循环的道路负荷CO₂排放与NEDC测试循环相比减小1.5%。这是因为WLTC测试循环相较于NEDC测试循环提高了发动机平均效率，如图7所示。

图4 车辆1在NEDC和WLTP测试循环下热起动时发动机提供的能量和发动机效率与发动机负荷的关系

图5 车辆2在NEDC和WLTP测试循环下热起动时发动机提供的能量和发动机效率与发动机负荷的关系

图6 CO₂排放与循环单位里程能耗的关系

图7 车辆1采用NEDC测试循环和WLTP测试程序的道路负荷和测试质量在WLTC测试循环下的发动机运行工况点

2.2 冷起动对CO₂排放的影响分析

从NEDC测试循环切换为WLTP测试程序，冷起动对CO₂排放的影响(即型式核准程序中冷起动工况相较于热起动工况CO₂排放增加)有所减小。首先，冷起动的影响变小是因为整个循环的行驶距离和时间变长；其次，WLTP测试程序下需求的发动机能量相较于NEDC测试循环增加，从而加速了发动机暖机。为了解WLTP测试程序中发动机暖机的重要性，在NEDC测试循环和WLTP测试程序下都进行了冷起动(即发动机冷却液温度25 ℃)和热起动(即发动机冷却液温度90 ℃)工况试验，表5列出了试验结果。当NEDC测试循环切换为WLTP测试程序，冷起动降低CO₂排放的效果大大降低(2辆车的减排效果几乎都降低约50%)。对于车辆1，NEDC测试循环下冷起动较热起动的CO₂排放增加约9.5%，WLTP 循环下仅仅为5%。对于车辆2，NEDC 测试循环下增加约2.5%，WLTP循环下仅仅约为1.0%。

表5 NEDC测试循环和WLTP测试程序下冷起动对CO₂排放的影响

2.3 起停技术对降低CO₂排放的效果分析

对于冷起动，WLTP测试程序规定的行驶循环对于起停等发动机技术降低市区工况CO₂排放的效果有很大影响。本研究用数值模型分析了起停技术对降低CO₂排放的效果。为了只了解行驶循环的影响，数值仿真只对热机工况进行研究，数值仿真结果如表6所示。可以看出，从NEDC测试循环切换为WLTP测试程序，2辆车的起停效果都降低了约50%。对于车辆1，在NEDC测试循环下起停技术降低CO₂排放约5%，而在WLTP测试程序下仅仅约为2%。同样，对于车辆2，在NEDC测试循环下起停技术降低CO₂排放约4%，而WLTP测试程序下约为2%。如表2所示，因为停车工况占比从23.7%降低为12.6%，所以在降低CO₂排放方面，起停效果有所降低。

表6 在NEDC测试循环和WLTP测试程序下，起停技术对车辆1和车辆2降低CO₂排放的效果分析(热起动工况)

通过试验测试和仿真研究分析了新型式核准程序WLTP对CO₂排放的影响，并与NEDC测试循环进行了对比。试验在2款不同的欧5车辆上进行，分别为汽油车和柴油车，代表着欧洲乘用车的平均排放水平。WLTP测试程序的质量和道路负荷等试验条件更为苛刻，汽油车的循环能量需求增加44%，柴油车的循环能量需求增加23%。柴油车的CO₂排放增加与能量需求的增加比例相同，而汽油车只增加10%。这是由于WLTP测试程序下发动机平均效率提高的缘故。当NEDC测试循环切换为WLTP测试程序，点燃式发动机的平均效率从25%提高到30%，压燃式发动机的平均效率从27.5%提高到32%。当NEDC测试循环切换为WLTP测试程序，导致CO₂排放增加的主要因素是更为苛刻的试验条件(测试质量和道路负荷)，而不是更加动态的行驶循环。对于配装压燃式发动机的车辆2，行驶循环只增加了5%的CO₂排放。当NEDC测试循环切换为WLTP测试程序，冷起动降低CO₂排放的效果大大降低(2辆车的减排效果几乎都减半)，2辆车的起停效果几乎也都减半。

本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第5期

作者：[意]G.DIPIERRO

整理：陈佳

编辑：虞展