運動模式下車輛排放和燃油經(jīng)濟性分析

溫溢 羅佳鑫 田冬蓮 朱慶功

摘? 要：按照輕型車國五和國六標準中常溫冷啟動排放和實際行駛污染物排放（Real Driving Emission）試驗規(guī)程，使用定容稀釋排放測試系統(tǒng)和便攜式車載排放設(shè)備（PEMS）對9輛樣車進行了運動模式和普通模式下排放和油耗測試。結(jié)果表明：運動模式下THC排放結(jié)果要低于普通模式;NOx在兩種模式下排放結(jié)果無規(guī)律性;NEDC工況下CO的結(jié)果變化不大，WLTC工況下運動模式明顯大于普通模式，且一些車輛會出現(xiàn)運動模式下CO排放劇烈增加的現(xiàn)象;運動模式下油耗結(jié)果均大于普通模式，平均增加30%，NEDC工況比WLTC工況表現(xiàn)明顯，低速工況比高速工況表現(xiàn)明顯;兩種模式在WLTC工況上的差異更接近實際道路。建議重點關(guān)注車輛運動模式下CO排放以及低速工況下的油耗。

關(guān)鍵詞：運動模式;排放;油耗;實際行駛

中圖分類號：U471.23? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2020）03-0002-07

Abstract： In accordance with the test regulation of Real Driving Emission and cold start emission in China 5 and China 6 of Light Vehicles， the emission and fuel consumption of nine prototypes were tested by using constant volume dilution emission testing system and portable vehicle emission equipment （PEMS）. The results show that， in the sport mode， the test result of THC is lower than the normal mode; the result of NOx emission is irregular under the two modes; in NEDC cycle the CO results under the two modes change little， while in WLTC cycle， the CO emission under sport mode is obviously larger than that under the normal mode， and some vehicles had the phenomenon of drastic increase of CO emission under the sport mode; the fuel consumption under the sport mode is larger than that under the normal mode， with an average increase of 30%， and the NEDC cycle is more obvious than the WLTC cycle， the low-speed condition is more obvious than the high-speed condition， and the difference between the two modes in the WLTC condition is closer to the actual road. It is suggested that attention should be paid to CO emission and fuel consumption at low speed under sport mode.

Key Words： Sport Driving Mode; Emission; Fuel Consumption; Actual driving

前? ? 言

為了滿足客戶駕駛時對車輛動力性的追求，越來越多的汽車配備了運動行駛模式（SPORT MODE），運動模式在使用過程中能夠提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速，增大動力輸出，給駕駛者帶來更多的駕駛樂趣[1]。然而運動模式下的環(huán)保及燃油經(jīng)濟性如何，能否滿足現(xiàn)行排放法規(guī)等問題值得人們關(guān)注。

對于主模式外的行駛模式下的排放和油耗結(jié)果，在第五階段及之前的排放標準中并未進行相關(guān)要求，型式核準試驗也只要求在普通模式下進行測試[2]。在2016年12月份頒布的GB18352.6—2016輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）標準中，對排放測試中的行駛模式進行了明確的規(guī)定。C1.2.6.5.2中對自動變速器進行了規(guī)定，關(guān)于排放的要求為：所有換擋模式下污染物排放都應(yīng)該滿足限值要求;關(guān)于燃油經(jīng)濟性的要求為：如果車輛沒有主模式，或者生產(chǎn)企業(yè)提出的主模式?jīng)]有獲得環(huán)境保護主管部門允許，車輛應(yīng)在最好和最差的換擋模式下分別進行污染物排放和CO2排放試驗，CO2排放應(yīng)為兩種模式的算術(shù)平均值。這也就明確要求了包括運動模式測試結(jié)果也需要達到標準要求的限值[3]。

由于這項要求為國六新增，且之前的標準中從未涉及到行駛模式的測試要求，所以對行駛模式方面的系統(tǒng)研究很少，尤其是國六標準中WLTC工況以及RDE試驗的研究更是未見報道。目前行業(yè)內(nèi)對車輛運動行駛模式下排放和油耗關(guān)注度很高，且在今后國六標準即將開始實施，為了全面深入的研究運動行駛模式下的排放及油耗，本文對9輛帶有運動模式的樣車，其中八輛在試驗室按照國五標準的NEDC工況及國六標準的WLTC工況，開展常溫排放及油耗測試，一輛樣車在實際道路行駛下，使用便攜式排放測試系統(tǒng)（portable emission measurement system， PEMS），按RDE規(guī)程進行試驗研究。

1? ? 試驗設(shè)計

1.1? ?試驗車輛與設(shè)備

試驗選取了狀態(tài)穩(wěn)定的樣車共9輛，均達到國五排放水平。所有試驗樣車均可以選用運動模式進行駕駛，具體參數(shù)見表1：

試驗室內(nèi)的排放和油耗試驗均在帶有底盤測功機和尾氣分析儀的試驗室進行，通過定容取樣系統(tǒng)將車輛尾氣稀釋后取樣收集到氣袋里分析污染物濃度[2] [3]。實際道路下的排放和油耗試驗是將PEMS設(shè)備安裝在車輛后備箱，通過實時測量瞬態(tài)濃度和排氣流量進行累積得到[3]。試驗所用排放分析系統(tǒng)設(shè)備如表2所示：

1.2? ?試驗方法

上述9輛樣車在不同工況下，分別采用普通行駛模式和運動模式進行測試，試驗得到每輛樣車在這兩種模式下的排放及油耗試驗結(jié)果。具體試驗計劃如表3所示：

本文中試驗工況主要有三種，分別為國五標準中的NEDC工況、國六標準中的WLTC工況、國六標準中RDE規(guī)程中的實際道路工況。

國五標準中的NEDC（New European Driving Cycle）工況是一種穩(wěn)態(tài)工況，分為ECE（市區(qū)工況）和EUDC（市郊工況）兩部分，市區(qū)工況全長4.052km，時長780s，最高車速50km/h，市郊工況全長6.955km，時長400s，最高車速120km/h[4][5]。

國六標準中的WLTC（World Light Test Cycle）工況為瞬態(tài)循環(huán)，是基于美國、瑞士、印度、歐盟、韓國及日本六個國家或地區(qū)實際路況開發(fā)的，分為四個階段，全長23.27km，時長1800s，最高車速131.3km/h。其中低速段（第一階段）589s，中速段（第二階段）433s，高速段（第三階段）455s，超高速段（第四階段）323s[6]。

國六標準中的RDE試驗是在實際道路中進行測試的一種試驗。本文中的RDE試驗在北京市開展，其中市區(qū)工況：博興六路-舊頭路-博興路-榮昌西街-榮昌東街-宏達中路-興盛街-文昌大道-地盛東街-榮京西街-西環(huán)中路-博興八路-星海路-星海二街-博興路，里程約26公里，行駛時間約60分鐘;

市郊工況：太和橋（六環(huán)路）-新河二橋（京津高速）-于家務(wù)橋，里程約22公里，行駛時間約20分鐘;

高速工況：于家務(wù)橋（京津高速）-新河二橋（六環(huán)路）-太和橋[7]，全程約24公里，行駛時間約20分鐘。

1.3? ?試驗結(jié)果計算方法

（1）試驗室排放污染物結(jié)果計算公式如下[2][3]：

油耗試驗中油耗計算方法為碳平衡法，公式為：

（2）實際行駛污染物排放結(jié)果處理方法

污染物CO、NOx、PN均按移動平均窗口法來處理，數(shù)據(jù)處理中剔除冷啟動。CO2排放和油耗的數(shù)據(jù)處理按照大排放的方式處理，即RDE試驗中從取樣開始到取樣結(jié)束期間總的排放質(zhì)量與總里程的比值，大排放結(jié)果包含冷啟動排放，且數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過擴展系數(shù)處理，能夠反映車輛全部的污染物排放及燃油經(jīng)濟性[8][9]。

2? ? 結(jié)果及分析

2.1? ?排放結(jié)果

2.1.1? CO

圖1是NEDC和WLTC工況下，運動模式和普通模式CO排放結(jié)果對比。從圖中可以看出，兩種工況下運動模式CO排放結(jié)果均高于普通模式，且WLTC工況下的差異要大于NEDC工況，其中6#車在WLTC工況下結(jié)果差異最明顯，在運動模式下CO的排放結(jié)果是普通模式下的14.6倍，且使用運動模式后的結(jié)果超出了國六標準階段a限值。

為進一步分析6#車的試驗結(jié)果，圖2a中給出了WLTC工況前三個階段下兩種駕駛模式的CO瞬態(tài)數(shù)據(jù)?？梢钥闯鰞煞N行駛模式下CO瞬態(tài)排放趨勢較為一致，運動模式下CO整體排放要略高于普通模式，在冷啟動和加速工況下表現(xiàn)的更為明顯。

圖2.2b中給出了超高速工況下兩種駕駛模式的CO瞬態(tài)排放，其中橫坐標表示超高速總時長323s，副縱坐標表示車速，其中超高速最高車速為130.1km/h。從圖中可以看出兩種駕駛模式在超高速階段下的排放差異較大，運動模式下的瞬態(tài)數(shù)據(jù)出現(xiàn)了兩次很明顯的超高排放，瞬態(tài)排放值均超過5000ppm，這也是造成CO排放結(jié)果最終超標的重要原因。

2.1.2 THC

圖3是NEDC和WLTC工況下，運動模式和普通模式THC排放結(jié)果。從圖可以看出，除了6#樣車外，其它7輛樣車運動模式下THC的排放結(jié)果均要低于普通模式。且樣車在NEDC工況下運動模式結(jié)果均低于普通模式，平均低23%，其中1#車THC結(jié)果偏差最大，比普通模式結(jié)果低37.1%。

WLTC工況下3輛車在運動模式下THC的排放結(jié)果低于普通模式，其中8#車THC結(jié)果偏差最大，運動模式下結(jié)果低于普通模式達到34.7%。只有6#車在運動模式下THC結(jié)果高于普通模式，超過比例達到24.5%。

為深入分析原因，選取了偏差較大的4#車帶進行分析，采集每次試驗過程中催化器的溫度變化。圖4為NEDC工況下分別使用兩種模式時的催化器溫度對比，可以明顯看出運動模式下的催化器起燃溫度要明顯高于普通模式，尤其在車輛最容易生成THC污染物的ECE階段，催化器更早的起燃能有效加強尾氣中污染物的氧化反應(yīng)，降低THC污染物排放。

圖5是NEDC工況下，三種行駛模式下排放THC污染物的瞬時濃度數(shù)據(jù)。從前100秒數(shù)據(jù)可以看出，在冷啟動階段運動模式下的THC污染物排放要明顯低于另外兩種模式，這與催化器更早的起燃有很大關(guān)系。從100秒后瞬態(tài)數(shù)據(jù)可以看出，運動模式下THC瞬態(tài)排放最低，ECO模式下瞬態(tài)排放最高，主要原因是因為在工況的前階段，激烈的模式能使得催化器溫度更高，有助于污染物進行充分的氧化反應(yīng)。

2.1.3 NOx

表4是8輛樣車在運動模式與普通模式下的NOx結(jié)果。從表中可以看出，5輛車在運動模式下的結(jié)果更大，其中差異最大的是4#車，在運動模式下結(jié)果比普通模式高出了67.8%。

2.2? ?油耗結(jié)果對比

圖6是NEDC和WLTC工況下，運動模式和普通模式的油耗結(jié)果。從圖中可以看出8輛樣車使用運動模式的油耗均要高于普通模式，其中NEDC工況下使用運動模式后油耗平均增加12.1%，1#樣車變化最大，增加22.6%;WLTC工況下使用運動模式后油耗平均增加7.7%，8#樣車變化最大，增加13.9%?？梢缘贸鯪EDC工況下，使用運動模式的油耗變化更大。

圖7是3#樣車在NEDC工況下，使用運動模式和普通模式的CO2瞬態(tài)排放對比，從中可以看出，在ECE（市區(qū)工況）階段，運動模式下CO2的排放明顯要大于普通模式，在EUDC（市郊工況）下的區(qū)別要小一些。這說明運動模式下油耗的差異主要體現(xiàn)在低速階段，也就是低速段使用運動模式，燃油經(jīng)濟性更差。

圖8是3#樣車在NEDC工況下，使用運動模式和普通模式的發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從圖中可以看出，運動模式下的發(fā)動機轉(zhuǎn)速明顯高于普通模式，所以運動模式下油耗會更高一些。另外，車輛在普通模式下，發(fā)動機的啟停功能都正常工作，出現(xiàn)了發(fā)動機轉(zhuǎn)速為0的情況，但在運動模式下，發(fā)動機的一些節(jié)能裝置不能正常工作，這也造成了運動模式下油耗偏高的原因。

2.3? ?實際道路測試結(jié)果

對9#樣車實際道路行駛排放結(jié)果進行了分析。采用RDE試驗規(guī)程分析得到的試驗結(jié)果中，運動模式與普通模式下結(jié)果差異較大。其中運動模式下CO排放結(jié)果是普通模式的1.7倍，NOx排放結(jié)果是普通模式的0.6倍，油耗是普通模式的1.1倍。

為了對比分析實際道路下結(jié)果與試驗室WLTC、NEDC兩種工況下結(jié)果的差異，將運動模式與普通模式下結(jié)果的變化量（L）結(jié)果進行統(tǒng)計如表2.2所示。

其中，變化量計算公式為：

從表中可以看出，實際道路下車輛使用運動模式后，CO排放量和油耗值都會比普通模式增大，NOx則會降低。這與試驗室中WLTC工況下的測試結(jié)果相吻合，尤其是油耗的變化量，在實際道路與WLTC工況下的變化量都是7%。這也說明了WLTC工況更能反映出真實道路排放。

3? ? 結(jié)論

（1）由于催化器起燃更早，車輛在運動行駛模式下THC排放試驗結(jié)果比普通模式下更低，并且在NEDC和WLTC兩種工況下的結(jié)論一致。但兩種模式下NOx排放試驗結(jié)果無規(guī)律性。

（2）WLTC工況下，運動模式的CO試驗結(jié)果比普通模式更高，最大結(jié)果變大了14倍，主要差異體現(xiàn)在超高速工況。但NEDC工況下兩種行駛模式的CO試驗結(jié)果變化不大。

（3）在燃油經(jīng)濟性方面，車輛在運動模式下的油耗比普通模式高，最高漲幅接近30%。不同工況下也表現(xiàn)出了不同的差異：NEDC工況比WLTC工況更明顯，低速工況比高速工況更明顯。

（4）通過實際道路測試，對比了運動模式與普通模式的排放和油耗變化，其變化趨勢與WLTC工況下的測試結(jié)果更為相近，即運動模式下CO排放和油耗結(jié)果更大，NOx結(jié)果變小。

（5）在國六車型的前期開發(fā)中，車輛運動模式下的CO排放以及低速工況下的燃油經(jīng)濟性應(yīng)該重點關(guān)注。

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