0 引言

测试工况是汽车油耗、排放的评价基础，当前我国采用的测试工况法规是欧盟的新欧洲行驶循环（NEDC）^[1]，但随着环境问题的愈发严重，必须采用更加严格的法规对排放进行控制。欧盟在WP.29框架下提出了全球统一轻型车测试程序（WLTP），拟于2017年采用该工况代替现存的NEDC，而我国作为其协议签署国，根据有关规定，下一阶段法规的制定也可能将采用全球轻型车测试循环（WLTC），因此，对WLTC工况的研究，尤其是NEDC与WLTC相关性研究变得刻不容缓。

目前国内关于WLTC工况的文献主要是对工况本身介绍，R. Suarez-Bertoa等^[2]研究了WLTC下火花点火器中氨气的排放；叶松等^[3]介绍了当前各国所采用的法规工况，并对WLTC、NEDC等工况进行了理论分析；郭红松等^[4]为了研究辛烷值改进剂和工况对GDI车型的影响，对比分析了NEDC、WLTC和FTP75工况下非常规污染物排放情况；Choi等^[5]也在WP.29框架下，研究了韩国关于推动国际标准化模式的轻型汽车排放测试方法；Peter Mock等^[6]研究了WLTC如何影响燃料油耗值；Alessandro Marotta等^[7]研究了从NEDC工况转变到WLTC工况，其尾气排放的变化。在处理方法上，陈桂生等^[8]着重研究了相关性的处理与结果在能力评定中的可靠性；付海超等^[9]对GDI与FPI汽油车颗粒排放特性做了相关试验研究；葛蕴珊等^[10]对在用汽油车瞬态工况排放测试方法进行了研究。通过以上研究可以看出，对于WLTC工况下各污染物的排放情况，以及不同供油方式下各污染物的排放情况，尤其是对整个工况分解后的每一个阶段与排放污染物之间关联还未见报道；因此，本文针对NEDC和WLTC，阐述了其不同，并设计了相应的对比试验研究，采用先进的部分流采样系统（BMD）进行排气取样，通过数据分析，得出WLTC工况对未来法规所带来的影响，为整车厂的技术路线及标定提供参考。

1 工况解析

由NEDC及WLTC工况循环曲线（见图 1）与具体解析对比（见表 1）可知：NEDC工况适用于最大总质量不超过3.5 t的M1、M2和N1类汽车，循环包括两部分，一部模拟低速，低负荷城区工况，时长780 s；二部模拟高速行驶工况，时长400 s；两部分总时长1 180 s，根据法规，加权里程自带权重系数，无调整权重^[1]：

式中：X_NEDC--NEDC工况排放结果；

     X_Ⅰ--NEDC工况第1部分排放结果；

     X_Ⅱ--NEDC工况第2部分排放结果。

WLTC按照功率质量比（PMR）和最高车速将车辆进行分类，主要包括4段，一般情况下，乘用车主要选择WLTC（3）和WLTC（4）^[3]。其对排放的加权只有里程自带权重系数，也无调整权重：

式中：X_WLTC（3）--WLTC（3）段排放结果；

     X_WLTC（4）--WLTC（4）段排放结果；

     X_Ⅰ--WLTC工况第1部分排放结果；

     X_Ⅱ--WLTC工况第2部分排放结果；

     X_Ⅲ--WLTC工况第3部分排放结果；

     X_Ⅳ--WLTC工况第4部分排放结果。

WLTC最高速度131.3 km/h，高于NEDC最高速度（120 km/h）；WLTC（4）耗时1 800 s，长于NEDC耗时（1 180 s），WLTC平均车速46.54 km/h，高于NEDC平均车速（33.68 km/h）。图 1还显示WLTC较NEDC增加了额外的高速段，减少低速段的怠速比例，增加了最大加速度，但加速度强度明显减弱，即处于高加速的时间明显较短，同时其处于高速状态时间明显加长。

2 试验车辆及布置 2.1 试验车辆

根据GB/T 18352.5--2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法》^[1]规定，试验车辆全部选用轻型汽油车，为使所选车辆具有代表性，车辆的选择从供油方式、排放标准、排量等方面进行综合考虑。选用10辆试验车，根据供油方式划分，选取当前主流的两种供油方式GDI和PFI各5辆；根据排放标准划分，选取了具有国Ⅳ和国Ⅴ两种排放水平各5辆；根据排放划分，1.6 L以下车辆4辆，1.6~2.0 L车辆4辆，2.0 L以上车辆2辆。

2.2 测试设备

本试验采用的分析设备是奥地利AVL提供的AMA i60排气采样分析系统，BMD部分流采样系统，PSS i60LD颗粒采样系统，底盘测功机以及德国Intech环境仓等。BMD是受EPA认可的先进部分流采样系统，其原理是基于纯净气体定比稀释，对每个气袋按比例进行采样，相较于CVS可以消除背景空气质量的影响，且具有可选的稀释比例，同时不必对背景空气中的污染物浓度进行补偿^[11]。具体设备参数如表 2所示。

2.3 试验方案

为了测量颗粒物的排放，在试验前15 h对试验车进行预试验，即连续运转NEDC循环，经预试验的车辆还需在环境仓中进行预处理6 h以上直至发动机既有温度和冷却液温度达到室内温度的±2 ℃范围内，即（25±2）℃，然后按照GB/T 18352.5--2013规定进行Ⅰ型试验，由于WLTC相关法规尚不完全，暂按Ⅰ型试验要求。本试验所用燃油为同一批次国Ⅳ和国Ⅴ基准油。为保证试验的重复性，每辆车NEDC和WLTC各运转3次。

3 结果分析 3.1 WLTC工况法与NEDC工况法污染物排放速率的相关性

为了研究供油模式以及燃油对两工况污染物排放速率相关性的影响，处理方法参考类似文献[12]，对其相关性进行处理。

图 2为GDI供油模式下，WLTC工况法与NEDC工况法间污染物排放速率（即每s污染物排放量）的相关试验结果。由图可知，2种方法下THC、CO、CO₂、NO_x和CH₄排放速率的相关性系数（r²）均在0.6以上，其中THC排放速率的r²最大，达到0.915 9，CH₄排放速率的r²次之，达到0.802 5，CO和NO_x排放速率的r²分别为0.742 3，0.763 2，CO₂排放速率的相关性最差，r²为0.638 4。图 3为FPI供油模式下WLTC工况法与NEDC工况法间污染物排放速率（即每s污染物排放量）的相关试验结果。由图可知，2种方法下，THC排放速率的r²为0.933 2，CO₂次之，r²仅为0.659 7，CH₄和NO_x排放速率的r²分别为0.557 7和0.549 2，CO排放速率的相关性最差，r²为0.518 7。导致试验结果差异的主要原因是车辆试验循环工况的不同以及供油模式的不同。

图 4为国Ⅳ燃油下WLTC工况法与NEDC工况法间污染物排放速率（即每s污染物排放量）的相关试验结果。由图可知，2种方法下，THC排放速率的r²为0.977 5，NO_x次之，r²为0.866 7，CH₄和CO₂排放速率的r²分别为0.836 5和0.717 6，CO排放系数的相关性最差，r²为0.664 2。图 5为国Ⅴ燃油下WLTC工况法与NEDC工况法间污染物排放速率（即每s污染物排放量）的相关试验结果。由图可知，2种方法下，THC排放速率的r²为0.986 1，NO_x次之，r²为0.976 1，CH₄和CO排放速率的r²分别为0.955和0.941 3，CO₂排放速率的相关性最差，r²为0.67。导致试验结果差异的主要原因是车辆试验循环工况的不同，所用燃油的不同以及排放水平的不同。

3.2 特征排放段

图 6显示，在两种工况下，冷启动排放占比都较大，THC占94.7%，CH₄占75.1%，CO占63.6%，NO_x占65.1%，CO₂仅占11.47%；针对THC和CO₂，WLTC工况下排放和NEDC工况下排放占比基本相当，而对于CO和NO_x，NEDC工况下排放占比明显高于WLTC工况，产生这一现象的主要原因是冷启动时，温度较低，燃料燃烧所需温度达不到要求，缸内混合气浓度过浓，氧浓度过低，因此大量THC未燃烧以及未充分燃烧，同时导致缸内CO排放增加，CO产生的原因主要是THC的不完全燃烧，NO_x产生的主要原因是氧浓度过低，而在冷启动后的180 s内，WLTC怠速起停次数只有2次，NEDC却有4次。

高加速度段，NEDC工况下THC、CO、CO₂和NO_x的排放占比明显大于WLTC工况下的排放，THC变化较大，CO次之，NO_x和CO₂相当，导致这一现象的主要原因是，虽然WLTC平均加速度和最大加速度大于NEDC，但WLTC加速度强度较弱，即处于高加速的时间明显少于NEDC，而THC对加速度较敏感。

高速度段的各气态排放污染物的排放差异性相对复杂。WLTC工况下THC、NO_x、CH₄、CO和CO₂排放占比均较NEDC工况下THC、NO_x、CH₄、CO和CO₂排放占比大，WLTC工况下CO₂占35.25%，NEDC工况下CO₂占24.47%，造成这一现象的主要原因是WLTC工况较NEDC工况增加了额外的超高速段，处于高速度的时间明显长于NEDC，而CO₂对高速度比较敏感。

4 讨论

根据试验结果不难发现，WLTC工况法与NEDC工况法在不同污染物排放系数之间的差距是不同的。针对THC和CO₂，在两种供油模式以及两种排放水平下，其排放系数的r²均较稳定。而CO和NO_x在两种供油模式以及两种排放水平下，其排放系数的r²均变化较大。导致其相关性差异的主要原因：

1）WLTC工况法相较于NEDC工况法主要是增加了超高速段部分，该速度段主要影响CO以及NO_x的排放，而THC和CH₄排放基本来自冷启动的开始阶段，CO₂在两种工况下排放都较为稳定。

2）GDI供油模式主要采用稀薄燃烧技术，相较于FPI供油模式更易使尾气中氧浓度升高、CO浓度降低；同时GDI模式采用高效的三效催化剂，在富氧条件下会使得NO_x的氧化还原发生较大的变化，降低了WLTC工况较NEDC工况增加的高速度段所带来的影响。因此，GDI供油模式下，各排放污染物排放速率的相关性较FPI模式下好。

3）国Ⅴ排放策略主要技术目的之一是降低NO_x排放，因此会采用高效催化剂，该催化剂对NO_x的影响较大，而国Ⅴ排放水平下所采用技术策略同样能降低WLTC工况较NEDC工况增加的高速度段所带来的影响，因此各排放污染物排放速率的相关性较国Ⅳ排放水平下好。

5 结束语

1）在两种工况法中，THC排放速率相关性最好，r²达到0.95，NO_x次之，r²为0.79，CO和CH₄排放速率的相关系数r²分别为0.72和0.78，CO₂排放速率相关性最差，r²也达0.67以上。

2）在两种工况法中，两种不同供油模式以及两种不同排放水平对不同污染物排放速率相关性的影响是不同的，THC和CO₂基本不受影响，CO和NO_x影响较大。

3）两种工况下，THC、CO和NO_x 3种污染物的排放均集中冷启动段，THC占94.7%，CH₄占75.1%，CO占63.6%，NO_x占65.1%，CO₂仅占11.47%，因此冷启动排放至关重要。

4）高加速段，NEDC工况下THC、CO和NO_x的排放占比明显大于WLTC工况下的排放，CO₂排放占比相当。

5）高速段，WLTC工况下THC、CO、NO_x、CH₄和CO₂排放占比均大于NEDC工况下排放占比，WLTC工况下CO₂占35.25%，NEDC工况下CO₂占24.47%，且WLTC工况处于高速度的时间较长，绝对排放量较多，表明WLTC工况对CO₂的排放监管将会加严，因此未来企业对于汽车排放污染控制也应着重考虑高速状态下CO₂排放的控制以及CO₂和油耗之间的正比关系，现存对CO₂排放的管控还不够成熟，整车厂下一步排放控制技术路线也必须考虑这一点。