施佳能, 李粟，張佑源*，汪曉偉，高濤

1.東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545500；2.中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300300

0 引言

重型商用車一直以來(lái)都是我國(guó)機(jī)動(dòng)車節(jié)能減排的重點(diǎn)防治對(duì)象[1]。目前，加強(qiáng)對(duì)重型商用車節(jié)能減排監(jiān)管的主要途徑為升級(jí)油耗和排放標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[2]是當(dāng)前實(shí)施的重型商用車油耗標(biāo)準(zhǔn)，采用文獻(xiàn)[3]的測(cè)試方法，使用中國(guó)重型商用車測(cè)試循環(huán)(Chinese version world transient vehicle cycle，C-WTVC)。而重型商用車四階段油耗標(biāo)準(zhǔn)正在起草中，采用的循環(huán)將由C-WTVC轉(zhuǎn)化成中國(guó)重型商用車輛行駛工況(China heavy-duty commercial vehicle test cycle,CHTC)[4-5]。工況改變對(duì)油耗測(cè)試將產(chǎn)生非常大的影響，因此對(duì)商用車企業(yè)未來(lái)的技術(shù)路線起著至關(guān)重要的作用[6-8]。

歐盟的重型商用車碳排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)實(shí)施，采用整車能量消耗計(jì)算工具VECTO軟件模擬計(jì)算重型商用車的碳排放，從而計(jì)算油耗，國(guó)外關(guān)于VECTO軟件的研究已經(jīng)逐步展開[9-11]。目前中國(guó)采用重型轉(zhuǎn)轂測(cè)試油耗，也有應(yīng)用模擬計(jì)算法對(duì)商用車油耗開展研究[12-15]，但對(duì)VECTO模擬計(jì)算方法的研究很少。

本文中詳細(xì)介紹VECTO軟件的模擬計(jì)算過(guò)程，對(duì)比C-WTVC和CHTC的差異，采用VECTO軟件模擬計(jì)算半掛牽引車、重型貨車、城市客車和客車4種類型的重型商用車在2種測(cè)試循環(huán)下的碳排放，對(duì)比分析2種測(cè)試循環(huán)下的碳排放差異，幫助商用車企業(yè)更細(xì)致地了解2類工況的特性，為企業(yè)應(yīng)對(duì)四階段油耗標(biāo)準(zhǔn)要求提供參考。

1 基于VECTO的碳排放模擬計(jì)算

VECTO碳排放模擬計(jì)算采用組件測(cè)試和整車模擬相結(jié)合的方式,組件測(cè)試主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、變速箱、減速器、空氣阻力以及輪胎測(cè)試，其中發(fā)動(dòng)機(jī)和空氣阻力的測(cè)試數(shù)據(jù)應(yīng)經(jīng)VECTO Engine 和 VECTO Airdrag子模塊處理后，與其他表?yè)?jù)同時(shí)輸入到VECTO主軟件中仿真計(jì)算整車碳排放[5]。組件的測(cè)試數(shù)據(jù)可應(yīng)用于不同的車型，整車模擬計(jì)算能夠有效消除駕駛員行為和環(huán)境條件等對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，節(jié)約試驗(yàn)成本，且具有良好的重復(fù)性和靈活性。

1.1 VECTO Engine模塊

VECTO Engine模塊用來(lái)檢驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)并計(jì)算整車模擬需要的參數(shù)。首先，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速和外特性曲線，計(jì)算確定發(fā)動(dòng)機(jī)油耗萬(wàn)有特性測(cè)試點(diǎn)；隨后，按照?qǐng)D1中的順序從額定功率開始依次測(cè)試，得到發(fā)動(dòng)機(jī)油耗萬(wàn)有特性曲線。進(jìn)行冷、熱態(tài)瞬態(tài)循環(huán)(world harmonized transient cycle,WHTC)測(cè)試，得到冷、熱態(tài)WHTC的比油耗以及市區(qū)、公路和高速路況的比油耗。最后，將發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)及測(cè)試數(shù)據(jù)輸入VECTO Engine模塊中，計(jì)算得到WHTC修正因子。VECTO Engine所需的輸入?yún)?shù)包括源機(jī)怠速轉(zhuǎn)速(r/min)，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速(r/min)，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率(kW)，燃料類型，燃料凈熱值(MJ/kg)，WHTC冷起動(dòng)、熱起動(dòng)、市區(qū)、公路和高速的比油耗(g/(kW·h))以及循環(huán)再生修正系數(shù)；需輸入的文件包括源機(jī)油耗map、源機(jī)滿載曲線、發(fā)動(dòng)機(jī)滿載曲線、源機(jī)倒拖曲線，文件格式均為.csv。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)量順序

1.2 VECTO Airdrag模塊

VECTO Airdrag模塊是通過(guò)恒定車速測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算整車空氣阻力的工具。恒定車速測(cè)試道路包括循環(huán)式和往復(fù)式，如圖2所示。

a)循環(huán)式測(cè)試道路 b)往復(fù)式測(cè)試道路

恒速測(cè)試包括車速為15 km/h的低速測(cè)試和車速為90 km/h的高速測(cè)試。恒速測(cè)試期間需要測(cè)量實(shí)際風(fēng)速、輪邊轉(zhuǎn)矩、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速等?？諝庾枇y(cè)試參數(shù)及設(shè)備如圖3所示。

圖3 空氣阻力測(cè)試參數(shù)及設(shè)備

將所有的測(cè)試數(shù)據(jù)輸入到VECTO Airdrag中進(jìn)行檢驗(yàn)并生成計(jì)算整車空氣阻力所需的數(shù)據(jù)文件，與整車數(shù)據(jù)文件和環(huán)境數(shù)據(jù)文件一起輸入到VECTO Airdrag中，計(jì)算得到風(fēng)阻因數(shù)和迎風(fēng)面積等參數(shù)。VECTO Airdrag所需的數(shù)據(jù)文件及類型如表1所示。

表1 VECTO Airdrag所需的輸入文件及類型

1.3 VECTO主模塊

VECTO主模塊是整合組件數(shù)據(jù)參數(shù)計(jì)算整車油耗的工具，主要包括整車、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱和工作文件等模塊。計(jì)算碳排放時(shí)，將整車、發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱參數(shù)輸入到對(duì)應(yīng)的模塊中，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)格式的數(shù)據(jù)文件。隨后，將以上數(shù)據(jù)與測(cè)試工況文件一同輸入到工作文件模塊，計(jì)算得到用于油耗計(jì)算的數(shù)據(jù)文件，所需數(shù)據(jù)文件及類型如表2所示。最終得到的油耗結(jié)果，乘以表3中的a得到整車的碳排放。

表2 VECTO 主模塊所需的輸入文件及類型

表3 油耗和碳排放相關(guān)參數(shù)

2 油耗模擬計(jì)算參數(shù)設(shè)置

2.1 樣車參數(shù)

本文中選擇城市客車、客車、重型貨車和半掛牽引車4種不同類型的重型商用車作為樣車，并通過(guò)VECTO軟件對(duì)商用車碳排放進(jìn)行模擬計(jì)算，車輛的主要參數(shù)如表4所示。

表4 車輛主要參數(shù)

2.2 循環(huán)工況

對(duì)4臺(tái)樣車分別按照文獻(xiàn)[3]中的C-WTVC以及文獻(xiàn)[4]中的CHTC進(jìn)行仿真。C-WTVC采用統(tǒng)一的測(cè)試曲線，由市區(qū)、公路和高速3部分組成，其中市區(qū)行駛900 s，公路行駛468 s，高速行駛432 s，總計(jì)1800 s。針對(duì)不同類型的重型商用車確定其在3個(gè)循環(huán)區(qū)間的特征里程分配比例，如表5所示。重型商用車的綜合油耗由各循環(huán)區(qū)間的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行加權(quán)計(jì)算得到。

表5 重型商用車的分類及其特征里程分布比例

CHTC共有6條測(cè)試曲線，分別為城市客車行駛工況(CHTC-B)、客車行駛工況(CHTC-C)、輕型貨車(最大設(shè)計(jì)質(zhì)量不超過(guò)5 500 kg)行駛工況(CHTC-LT)、重型貨車(最大設(shè)計(jì)質(zhì)量大于5 500 kg)行駛工況(CHTC-HT)、自卸貨車行駛工況(CHTC-D)和半掛牽引車行駛工況(CHTC-TT)。重型商用車CHTC下的綜合油耗直接由相應(yīng)測(cè)試曲線下的測(cè)量結(jié)果計(jì)算得到，不需要進(jìn)行額外的加權(quán)[8]。

3 結(jié)果分析

利用VECTO軟件分別對(duì)4種樣車在C-WTVC和CHTC下的碳排放進(jìn)行模擬計(jì)算，使用燃料為B7柴油，碳排放轉(zhuǎn)換因數(shù)為3.13，載荷設(shè)置均為滿載(總質(zhì)量)，其中C-WTVC的碳排放按照表5的特征里程系數(shù)進(jìn)行加權(quán)。

3.1 模擬計(jì)算結(jié)果

4種車輛在C-WTVC和CHTC下的碳排放結(jié)果如表6所示。由表6可知：CHTC下，車輛的碳排放與車輛總質(zhì)量不完全正相關(guān)，半掛牽引車的質(zhì)量明顯高于客車，但碳排放低于客車；與C-WTVC相比，城市客車、客車、重型貨車和半掛牽引車在CHTC下的碳排放均增加，增加比例分別為19.09%、19.03%、1.51%和5.23%。城市客車和客車的增加幅度較大，半掛牽引車增加幅度較小，重型貨車增加幅度最小。

表6 4種車型在C-WTVC和CHTC下碳排放結(jié)果 g/km

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 城市客車

城市客車在CHTC-B和C-WTVC時(shí)循環(huán)特性參數(shù)對(duì)比如表7所示。

由表7可知：與C-WTVC相比，城市客車在CHTC-B運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，最大加速度和平均加速度更高，平均速度更低，怠速比例更高。

表7 城市客車在CHTC-B和C-WTVC下的特征參數(shù)

工況行駛時(shí)間/s距離/km最大速度/(m·s-1)最大加速度/(m·s-2)最大減速度/(m·s-2)平均速度/(m·s-1)平均行駛速度/(m·s-1)CHTC-B1 3105.4945.601.26-1.3215.0819.43C-WTVC 9005.7366.200.88-1.0022.9027.21 工況平均加速度/(m·s-2)平均減速度/(m·s-2)相對(duì)正加速度/(m·s-2)加速比例/%減速比例/%勻速比例/%怠速比例/%CHTC-B0.48-0.540.1729.1625.8822.6022.37C-WTVC0.39-0.550.1535.1825.8623.0915.87

城市客車碳排放隨加速度的變化如圖4所示。由圖4可知：城市客車的碳排放隨加速度增大呈明顯快速增加的趨勢(shì)，簡(jiǎn)單線性擬合的斜率為5.18。CHTC-B的最大加速度比C-WTVC高38.6%，CHTC-B的平均加速度比C-WTVC高23.1%，因此CHTC-B的碳排放增加明顯。

圖4 城市客車碳排放隨加速度的變化

城市客車在CHTC-B和C-WTVC的各擋位時(shí)間占比如表8所示。由表8可知：由于CHTC-B平均行駛速度更低，怠速比例更高，因此更多在低擋位運(yùn)行。CHTC-B直接擋(6擋)的時(shí)間占比僅為16.3%，而C-WTVC為59.7%，導(dǎo)致CHTC-B的碳排放較高。

表8 城市客車在CHTC-B和C-WTVC下的各擋位時(shí)間占比 %

3.2.2 客車和重型貨車

客車CHTC-C、重型貨車CHTC-HT和C-WTVC特性參數(shù)對(duì)比如表9所示。由表9可知：與C-WTVC相比，CHTC-C和CHTC-HT循環(huán)的怠速比例和最大加速度更高，平均加速度和平均行駛速度CHTC-C最高，C-WTVC次之，CHTC-HT最低。

表9 CHTC-C、CHTC-HT和C-WTVC下的特征參數(shù)

客車碳排放隨加速度的變化如圖5所示。由圖5可知：客車的碳排放也呈現(xiàn)比城市客車更為明顯地隨加速度增加快速增加的趨勢(shì)，其簡(jiǎn)單線性擬合的斜率達(dá)18.4。而CHTC-C的最大加速度和平均加速度分別比C-WTVC高42%和19.4%，因此CHTC-C的碳排放增加明顯。

圖5 客車碳排放隨加速度的變化

客車在CHTC-C和C-WTVC的各擋位時(shí)間占比如表10所示。由表10可知，由于CHTC-C的平均行駛車速高于C-WTVC，因此CHTC-C直接擋(6擋)的時(shí)間占比為27.6%，比C-WTVC更多，抵消了一部分加速度帶來(lái)的碳排放影響。因此中國(guó)工況下的客車和城市客車碳排放增加幅度都在19%左右。

表10 客車在CHTC-C和C-WTVC下的各擋位時(shí)間占比 %

重型貨車碳排放隨加速度的變化如圖6所示。由圖6可知：重型貨車的碳排放隨加速度增大呈現(xiàn)快速增加的趨勢(shì)，其簡(jiǎn)單線性擬合的斜率為7.08。CHTC-HT的最大加速度比C-WTVC高29.5%，但平均加速度低13.9%。兩者相互制約，因此CHTC-HT下碳排放增加很小。

圖6 重型貨車碳排放隨加速度的變化

重型貨車在CHTC-HT和C-WTVC的各擋位時(shí)間占比如表11所示。由表11可知：由于CHTC-HT的平均行駛車速低于C-WTVC，因此CHTC-C直接擋(6擋)的時(shí)間占比為15.2%，少于C-WTVC。

表11 重型貨車在CHTC-HT和C-WTVC下的各擋位時(shí)間占比 %

3.2.3 半掛牽引車

半掛牽引車在CHTC-TT和C-WTVC的特性參數(shù)如表12所示。由表12可知：與C-WTVC相比，半掛牽引車在CHTC-TT時(shí)最大加速度略有增加，平均加速度略有降低，平均速度大幅降低。并且，CHTC-TT也包括一部分城市工況，而C-WTVC只計(jì)算公路和高速部分。

表12 半掛牽引車在CHTC-TT和C-WTVC下的特征參數(shù)

半掛牽引車碳排放隨加速度的變化如圖7所示。由圖7可知，半掛牽引車的碳排放呈現(xiàn)明顯地隨加速度增加快速增加的趨勢(shì)，簡(jiǎn)單線性擬合的斜率為28.96。雖然半掛牽引車在CHTC-TT的最大加速度比C-WTVC高8.0%，但平均加速度低9.7%，理論上CHTC-TT的碳排放應(yīng)該比C-WTVC低。分析擋位變化情況，CHTC-TT最高擋(12擋)的時(shí)間占比為41.3%，而C-WTVC最高擋占比達(dá)到50.6%；而且由于CHTC-TT有市區(qū)工況，需要頻繁換擋，也會(huì)導(dǎo)致碳排放增加。這些因素綜合導(dǎo)致CHTC-TT的碳排放高于C-WTVC。

圖7 半掛牽引車碳排放隨加速度的變化

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了目前歐盟CO2排放標(biāo)準(zhǔn)中采用的重型商用車油耗模擬計(jì)算軟件VECTO，使用VECTO軟件模擬計(jì)算了半掛牽引車、重型貨車、城市客車和客車4種類型的重型商用車在C-WTVC和CHTC下的碳排放，對(duì)比分析了C-WTVC和4種CHTC循環(huán)的特征參數(shù)。

1)與C-WTVC相比，城市客車、客車、重型貨車和半掛牽引車在CHTC下的碳排放均增加；城市客車和客車的增加幅度最高，半掛牽引車增加幅度較低，重型貨車增加幅度最低。

2)重型車碳排放隨汽車加速度增加而上升，且隨總質(zhì)量的增加，上升趨勢(shì)更加明顯。此外，隨著重型車行駛工況的變化，駕駛策略相應(yīng)變化，也會(huì)引起車輛碳排放的變化。

3)后續(xù)將在CHTC特征參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)油耗標(biāo)定優(yōu)化以及整車速比配置優(yōu)化等方式，探尋降低CHTC油耗的方法，為應(yīng)對(duì)四階段油耗標(biāo)準(zhǔn)要求做好準(zhǔn)備。