1、试验研究柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）基于发动机性能试验的CO2排放模型分析黄强炜，汤恒雄，郑建（上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 201805）摘要：在“双碳”目标指引下，为确定汽车企业的碳排放水平，对单一发动机CO2排放计算方法开展分析。基于发动机性能曲线，通过插值模拟法构建单一发动机CO2排放模型，实现单一发动机CO2排放的量化计算。以5台某国六重型柴油机为研究样本，采用5种插值模拟法，计算发动机在全球统一稳态循环（WHSC）工况与全球统一瞬态循环（WHTC）工
2、况下的CO2排放量。同时，根据稳态工况与瞬态工况的计算精度差异，分析不同插值模拟法对不同发动机工况的适应性。分析结果表明：在稳态工况下，最近邻插值法的计算偏差最大，不同插值模拟的瞬态工况偏差基本一致，相对偏差均在5%以内；5种插值模拟法都可以很好地应用于CO2排放的量化计算。关键词：柴油机；CO2排放；插值模拟法；稳态工况；瞬态工况Research on CO2 emission model based on engine performance testHUANG Qiangwei，TANG Hengxiong，ZHENG Jian（Shanghai Motor Vehicle Inspec
3、tion Certification&Tech Innovation Center Co.，Ltd.，Shanghai 201805，China）Abstract：Under the guidance of the double carbon target，to determine the overall carbon emission level of the automotive enterprise，a calculation method of CO2 emissions from a single engine was analyzed.Based on the engine per
4、formance curve group，the CO2 mission model of a single engine was constructed by interpolation simulation method to achieve quantitative calculation of engine CO2 emissions.Taking five China heavyduty diesel engines as research samples，five interpolation simulation methods were used to calculate the
5、 CO2 emissions of world harmonized steadystate cycle（WHSC）and world harmonized transient cycle（WHTC）.At the same time，the adaptability of different interpolation simulation methods to different engine operating conditions was analyzed according to the difference of calculation accuracy between stead
6、ystate and transient operating conditions.The analysis results show that the calculation deviation of the nearest neighbor interpolation method is the largest under steadystate conditions，the deviation of transient conditions of different interpolation simulation is close，the relative deviations are
7、 all within 5%，and the five interpolation simulation methods can be well applied to the quantitative calculation of CO2 emissions.Key words：diesel engine；CO2 emission；interpolation simulation method；steadystate condition；transient conditionDOI：10.3969/j.issn.1671-0614.2023.02.005作者简介：黄强炜（1993），男，硕士研
8、究生，工程师，主要研究方向为发动机尾气排放技术。-23柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）0前言基于我国制定的“双碳”目标，如何有效地减少并控制CO2的排放已成为各汽车制造企业亟待解决的热点问题之一。含碳燃料的消耗是大气中CO2的主要来源，其中交通运输领域碳排放量已占据我国碳排放总量的较大份额。根据燃料中的碳元素含量，可以进一步构建CO2排放与燃料消耗的转化模型。目前发动机是汽车的主要动力源，所产生的CO2排放则是由车辆在实际运行工况中燃料燃烧情况决定的。因此，车辆的CO2排放量与发动
9、机性能呈强相关性。为更清晰直观地表征CO2排放水平，要对排放的CO2进行量化计算，但目前CO2排放的量化计算研究仍处于初期阶段。针对燃料消耗量的计算，我国已确定了相关的计算方法1，欧洲和美国已开发出相关模型，并已涵盖CO2排放量计算2-4。现阶段，国内外学者开展的相关研究多集中在燃料消耗量的计算，而直接针对CO2减排的研究较少5。WYSOCKI等6通过神经网络模型分析，提高了整车燃料消耗的计算精度。SARKAN等7通过油门开度和发动机转速计算，对整车油耗进行了预测。李吉安等8基于转鼓试验得到了发动机工况点，采用聚类算法计算出14种稳态工况点及相应权重，模拟计算了整车循环油耗情况，计算偏差为3.
10、16%。付百学等9采用碳平衡法构建整车燃料消耗测试计算模型，计算精度已达3.50%。虽然国内外学者对CO2排放量化计算的研究取得了一定成果，但对CO2排放量化计算内容的研究仍有缺失，尤其是国内相关研究还较为滞后，已有的研究多以整车为主，针对发动机自身燃料消耗模型的研究还不够深入，研究成果较少且研究方法较单一。为解决上述问题，本文基于发动机的全负荷瞬态性能曲线、万有特性曲线、倒拖曲线，采用5 种模拟计算方法，分别构建发动机相应的 CO2排放计算模型，并以此分析不同计算模型的精度，以及在稳态工况与瞬态工况下发动机的仿真性能。1发动机CO2排放计算模型的构建1.1 发动机燃料消耗量计算模块发动机万有
11、特性曲线可基本表征发动机的动力性与经济性，主要性能指标参数包括转速、扭矩和燃料消耗量等。由于整车动力传递特性及车辆行驶中存在急加速、急刹车、部件故障等突发状况，发动机在实际工作中会出现倒拖运行、短时超负荷运转等现象。因此，本文采用发动机的倒拖曲线及全负荷瞬态性能曲线作为发动机万有特性曲线的边界，补充模拟发动机全工况性能。基于发动机全负荷瞬态性能曲线、万有特性曲线和倒拖曲线所具备的数据点，采用插值模拟法进行模拟计算，涉及的参数包括转速、扭矩和燃料消耗量。为分析发动机CO2排放量化计算方法的有效性，本文采用5种三维曲面插值模拟法进行计算：最近邻插值法，该方法是将插值点的值设置为最近数据点的值，且不
12、会生成任何新的数据点10；线性插值法，该方法通过曲面的3个数据点拟合成不同的线性多项式进行求解 11；三次样条插值法，该方法与线性插值法相似，但区别在于该方法采用三次多项式进行计算 12；Biharmonic样条曲面插值法，该方法对控制点的分布和数量没有要求，插值结果整体平滑且局部性能较好 13；薄板样条插值法，该方法常用于图像处理中的形变分析，其对光滑曲面插值及外部插值的适应性良好 14。发动机运行工况可分为稳态工况与瞬态工况，其中瞬态工作特性又可分解为多个相邻准稳态点来近似表征 15-16。基于此，本文将结合燃料中碳元素、氢元素和氧元素的含量，对发动机在稳态工况和瞬态工况下的CO2排放量进
13、行计算。1.2 运行工况输入模块该模块主要用于输入发动机的运行工况信息，即每个时刻对应的发动机转速和扭矩。本文主要针对重型柴油机，根据重型柴油车国六排放标准 17 的相关认证流程可知，全球统一稳态循环（WHSC）工况与全球统一瞬态循环（WHTC）工况能够较好地表征重型柴油机的实际工作情况。因此，选取这2种循环工况构建相关计算模型。-24柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）发动机在WHSC工况和WHTC工况下所对应的相对转速和相对扭矩如图1和图2所示。发动机在基准循环工况中的实际转速、实
14、际扭矩可通过该曲线与全负荷瞬态性能曲线、倒拖曲线进行相关计算所得。2仿真结果与分析2.1 仿真样本与模型计算精度以5台某国六重型柴油机为计算分析样本，样机的主要性能参数见表1和表2。选用样机的额定功率为93486 kW，最大扭矩为3202 620 Nm，能较好地反映重型柴油机模型的计算精度。在不同工况下，采用不同插值模拟法对5台样机的CO2排放量进行模拟计算，计算相对偏差如图3所示。由图3可知：基于WHSC工况与WHTC工况进行的CO2排放量模拟计算，模拟计算值与实测值的相对偏差均在5%以内，模拟计算精度较高，满足工程应用需求。图1发动机在WHSC工况下的运行状况图2发动机在WHTC工况下的运
15、行状况表1发动机动力性能参数样机编号12345额定功率/kW42693486287400额定功率转速/（rmin1）1 8003 2001 6001 9001 800最大扭矩/（Nm）2 6203203 2001 7002 508最大扭矩转速/（rmin1）1 0001 4001 6002 6001 0001 3001 1001 5001 0001 400表2发动机CO2排放水平样机编号12345CO2比排放量/（gkW1h1）WHSC工况617.16707.70571.24622.70598.42WHTC工况652.65725.93611.76632.05618.82图35台样机CO2排放量
16、计算相对偏差-25柴油机设计与制造Design and Manufacture of Diesel Engine2023 年第 2 期 第29 卷（总第183 期）2.2 稳态工况下不同插值模拟法计算精度分析在稳态工况下，采用5种插值模拟法分别对5台样机的CO2排放量进行模拟计算，获得其计算相对偏差的绝对值（以下简称“绝对偏差”）。采用单一插值模拟法，不同样机绝对偏差的均值分别为2.79%（最近邻插值法）、2.06%（线性插值法）、2.02%（三次样条插值法）、1.88%（Biharmonic样条曲面插值法）、1.96%（薄板样条插值法），最近邻插值法所得CO2排放量绝对偏差的均值最大。同时，在单一样机下，以最近邻插值法为基准，结合其余4种插值法的绝对偏差，可得到某样机综合绝对值偏差均值S的计算公式：S=i=14|Xi-X4（1）式中：Xi为样机采用其余4种插值模拟法分别计算所得的绝对偏差；X为样机采用最近邻插值法计算的绝对偏差。根据式（1）可得到样机采用其余4种插值模拟法计算精度偏差，并可初步表征每台样机采用不同插值模拟法的稳态计算精度差异，见表3。考虑采用4种插值模拟法与采用最近邻
