混合動(dòng)力城市公交車節(jié)能環(huán)保效益分析與研究＊

李孟良 胡友波 艾 毅 李鐵軍 馮玉橋

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心1） 天津 300162） （武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院2） 武漢 430072）（北京市環(huán)境保護(hù)局機(jī)動(dòng)車排放管理處3） 北京 100044）

在控制機(jī)動(dòng)車排放方面的一個(gè)重要舉措就是大力發(fā)展公共交通，積極發(fā)展低排放公交車.混合動(dòng)力汽車技術(shù)的不斷成熟，為低排放公交車發(fā)展提供了可選的方向.混合動(dòng)力技術(shù)在公交車上的應(yīng)用越來越受到政府部門的關(guān)注，而對(duì)其節(jié)能環(huán)保效益分析仍然沒有形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系.本文采用車載排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）對(duì)6類城市公交車的能耗和排放進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合在北京市121公交線路的實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本，通過混合動(dòng)力與常規(guī)柴油公交車的比較對(duì)混合動(dòng)力公交車節(jié)能環(huán)保效益進(jìn)行評(píng)估，研究混合動(dòng)力公交車較常規(guī)柴油公交車在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢(shì).

1 測(cè)試車輛及試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)設(shè)備采用中國(guó)汽車技術(shù)研究中心的車載排放測(cè)試系統(tǒng)（portable emission measure system，PEMS）［1－2］.

1.1 測(cè)試車輛

本試驗(yàn)測(cè)試的5類混合動(dòng)力城市公交車都是在國(guó)III排放水平發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上研制.另外還提供1輛JNP6120G－1型常規(guī)柴油車作為混合動(dòng)力公交車的對(duì)比車輛，各車輛主要技術(shù)參數(shù)見表1.

1.2 試驗(yàn)方案

在北京交通部公路試驗(yàn)場(chǎng)地，對(duì)混合動(dòng)力公交車的能耗和排放性能同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試大綱參照GB／T 19754－2005《重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 能量消耗量試驗(yàn)方法》［3］.駕駛員根據(jù)車輛行駛工況跟蹤系統(tǒng)對(duì)車速進(jìn)行控制，復(fù)現(xiàn)和跟蹤中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況.利用車載排放測(cè)試系統(tǒng)（OBS－2200 和 ELPI）以 及 能 耗 測(cè) 試 系 統(tǒng)（Flowtronic210油耗儀和 WT1600型數(shù)字電功計(jì)）獲取車輛在該循環(huán)下污染物實(shí)時(shí)排放（HC，CO，NOx和PM）、燃油消耗以及電能消耗數(shù)據(jù).

在測(cè)試前，調(diào)試測(cè)試設(shè)備，按照目標(biāo)工況進(jìn)行一次預(yù)循環(huán)，待測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定后測(cè)試車輛的能耗與排放性能，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù).每輛車重復(fù)測(cè)試3次，最終結(jié)果取算術(shù)平均值.

表1 測(cè)試公交車輛主要技術(shù)參數(shù)

2 數(shù)據(jù)處理及分析

2.1 能量消耗

混合動(dòng)力車輛采用內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為混合動(dòng)力源，其能耗構(gòu)成包括發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和可再充式儲(chǔ)能裝置（RESS）的凈能量消耗，本試驗(yàn)將混合動(dòng)力的能耗測(cè)試分為發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試和RESS電量消耗測(cè)試兩部分.

重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的實(shí)際油耗要考慮電量?jī)?chǔ)能補(bǔ)償?shù)挠绊懀嚓P(guān)文獻(xiàn)給出了電量?jī)?chǔ)能對(duì)燃油消耗計(jì)算的修正.本節(jié)中修正油耗量的計(jì)算正是采用GB／T 19754－2005中的公式和換算系數(shù)，即3.02kW·h的電能相當(dāng)于1L燃油的能量.

對(duì)鎳氫電池組在測(cè)試循環(huán)中瞬時(shí)的電流值進(jìn)行積分，結(jié)合電池組標(biāo)稱電壓計(jì)算RESS的凈能量來修正百公里油耗；對(duì)于超級(jí)電容器，則根據(jù)測(cè)試循環(huán)前后電容電壓的差值來計(jì)算RESS的凈能量并以此來修正百公里油耗［4－5］.將混合動(dòng)力與常規(guī)柴油公交車輛能耗進(jìn)行對(duì)比，見圖1.

圖1 城市公交車能耗對(duì)比

與常規(guī)柴油公交車相比，混合動(dòng)力城市公交車輛平均百公里油耗都有不同程度的降低，而且不同車型混合動(dòng)力城市公交車表現(xiàn)出來的節(jié)油效果不同.混合動(dòng)力車輛發(fā)動(dòng)機(jī)大部分時(shí)間都處在高效區(qū)域，工作區(qū)間較為穩(wěn)定，其能耗水平低于常規(guī)車輛.混合動(dòng)力車輛中HEV－C節(jié)油效果較為顯著，主要得益于其采用了高效的儲(chǔ)能裝置，超級(jí)電容器的充放電效率很高，且具有較大的放電深度，一般在90%以上（而鎳氫蓄電池通常只有70%左右），能夠有效地吸收或釋放瞬時(shí)大電量.

2.2 污染物排放

采用車載排放測(cè)試系統(tǒng)中OBS－2200和ELPI測(cè)試公交車尾氣中HC，CO，NOx和PM的瞬時(shí)排放，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后可以計(jì)算排出各污染物的總量，結(jié)合行駛里程可以測(cè)算出不同污染物的排放因子（g／km）.重復(fù)測(cè)試3次，取算術(shù)平均值.將排放測(cè)試結(jié)果進(jìn)行處理后與常規(guī)柴油車進(jìn)行對(duì)比.

NOx和PM作為柴油車主要污染物排放，存在折衷的關(guān)系.HEV－D和 HEV－E車輛NOx排放分別高出常規(guī)柴油車22.2%和65.3%，但其PM排放分別降低76.1%和55.2%.

3 車輛成本分析

3.1 混合動(dòng)力成本與常規(guī)柴油車成本的比較

5類混合動(dòng)力城市公交車和1輛常規(guī)純柴油公交車在北京市121公交車隊(duì)示范運(yùn)行，時(shí)間從2008年7月截至12月，將混合動(dòng)力與常規(guī)柴油車進(jìn)行對(duì)比研究，分析混合動(dòng)力的總成本增量.

混合動(dòng)力城市公交車總成本增量包括車輛購(gòu)置成本增量、故障成本增量和節(jié)油成本.

車輛購(gòu)置成本增量是指每輛混合動(dòng)力公交車的購(gòu)買成本較常規(guī)柴油車高30萬元.

故障成本增量將在3.2中進(jìn)行分析.

節(jié)油成本指混合動(dòng)力公交車較常規(guī)柴油車節(jié)省燃油的費(fèi)用，按運(yùn)行時(shí)期柴油市場(chǎng)價(jià)格6.23元／L計(jì)算.

混合動(dòng)力公交車與常規(guī)柴油車在統(tǒng)一加油站使用0＃柴油，無需另外增加公交加油站和?？空镜然A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入.

3.2 車輛故障成本分析

車輛故障成本包括人力工時(shí)成本和更換零部件成本.人力工時(shí)成本＝人工維修故障工時(shí)數(shù)×人工小時(shí)費(fèi).

根據(jù)GB／T 13043－2006《客車定型試驗(yàn)規(guī)程》［6］中按照車輛發(fā)生故障的嚴(yán)重程度對(duì)示范運(yùn)行的6輛公交車的故障跟蹤記錄和分類，并按規(guī)程中的當(dāng)量系數(shù)換算成一般故障，如表2所列.

表2 公交車故障分類 次

依據(jù)試驗(yàn)規(guī)程中對(duì)故障嚴(yán)重程度的規(guī)定，排除一般故障大約花費(fèi)30min時(shí)間，而按此標(biāo)準(zhǔn)可計(jì)算各車型人工維修故障工時(shí)數(shù).另外，人工小時(shí)費(fèi)按每小時(shí)40元人民幣進(jìn)行計(jì)算，由此可得出各車型在示范運(yùn)行期間的故障維修所耗費(fèi)的工時(shí)成本.

與混合動(dòng)力公交車相比，常規(guī)柴油車的故障次數(shù)較少，故障總成本較低.由表3可以計(jì)算示范運(yùn)行期間各混合動(dòng)力城市公交車較常規(guī)柴油車多出的故障成本增量.

表3 運(yùn)行期間公交車輛故障成本 元

4 節(jié)能環(huán)保效益分析

在分析不同車型油耗和排放削減的基礎(chǔ)上，根據(jù)車輛購(gòu)置成本、故障成本和節(jié)油成本，分析混合動(dòng)力城市公交車的節(jié)能環(huán)保效益.混合動(dòng)力的節(jié)能效益用燃油節(jié)省量來評(píng)價(jià)；采用混合動(dòng)力單位成本增量（與常規(guī)車輛相比）的污染物排放削減量來分析環(huán)保效益，單位：g／元，也就是混合動(dòng)力車輛較常規(guī)車輛多投入的單位成本所削減的污染物排放的質(zhì)量，公式表示如下.

式中：B為環(huán)保效益，mg／元或g／元；ΔP為混合動(dòng)力排放削減量，g；ΔC為混合動(dòng)力車輛購(gòu)置成本較常規(guī)車增量，元；ΔCg為混合動(dòng)力車輛故障成本較常規(guī)車增量，元；ΔCj為混合動(dòng)力節(jié)省燃油的成本，元.

4.1 油耗和排放削減率

依據(jù)第3節(jié)中采用車載排放測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得HC，CO，NOx和PM的排放與能耗數(shù)據(jù)，將混合動(dòng)力城市公交車測(cè)試結(jié)果與參比常規(guī)車輛進(jìn)行對(duì)比研究，分別計(jì)算各混合動(dòng)力的排放削減率和油耗削減率，如表4所列.

表4 油耗與排放削減率

4.2 運(yùn)行期間油耗和排放效益評(píng)價(jià)

根據(jù)運(yùn)行期間不同車型的行駛里程，結(jié)合油耗削減率和排放削減可計(jì)算各個(gè)混合動(dòng)力城市公交車型的油耗和排放削減總量，如表5所列.

不同車型的油耗和排放削減量差異性較大.只有HEV－B混合動(dòng)力公交車四種污染物的排放均有所減少，其他車型只能減少三種污染物的排放.運(yùn)行期間，5輛混合動(dòng)力車?yán)塾?jì)節(jié)省燃油2 529L，減少污染物排放81.83kg.HEV－C油耗削減量最大，累計(jì)節(jié)油達(dá)1 117L，占累計(jì)節(jié)油的44.2%；HEV－B排放削減量最多，減排達(dá)20 051g，占總污染物削減量的24.5%.

表5 油耗與排放削減量

不同車型污染物排放效益有所差異.HEV－B排放效益較好，較常規(guī)車輛多投入一元的成本，可削減66.87mg的污染物排放量.

根據(jù)式（1）將表5中混合動(dòng)力城市公交車污染物排放削減總量除以混合動(dòng)力最終的成本增量，分析各車型的環(huán)保效益，如表6所列.

表6 排放效益

4.3 車輛生命周期內(nèi)油耗與排放效益分析

一般來說，公交車輛的生命周期為10a，行駛里程為500 000km.依據(jù)上述5.1～5.2運(yùn)行期間油耗和排放效益的計(jì)算方法，結(jié)合車輛生命周期內(nèi)行駛里程（假定混合動(dòng)力城市公交車生命周期內(nèi)行駛里程均能達(dá)到500 000km，可對(duì)生命周期內(nèi)各車型的油耗和污染物排放效益進(jìn)行評(píng)估，如表7所列.

混合動(dòng)力城市公交車具有良好的節(jié)能減排效果.在生命周期內(nèi)，5輛公交車?yán)塾?jì)可節(jié)省燃油14.05萬L，減少污染物的排放量達(dá)5.28t.

假定混合動(dòng)力城市公交車和常規(guī)柴油車的排放劣化一致，并且不考慮混合動(dòng)力更換動(dòng)力電池的成本，按照運(yùn)行期間混合動(dòng)力較常規(guī)柴油車每公里多出的故障成本計(jì)算混合動(dòng)力生命周期內(nèi)的總故障成本增量.依據(jù)式（1）分析不同車型的環(huán)保效益，如表8所列.

表7 生命周期內(nèi)HEB油耗與排放削減量

通過計(jì)算分析，HEV－C混合動(dòng)力公交車在行駛里程達(dá)到49.3萬km的時(shí)候，節(jié)省的燃油成本剛好可以抵消其較常規(guī)車多出的購(gòu)置成本和故障成本增量，同時(shí)可以帶來純的減排效益.而其他車輛在生命周期內(nèi)都不能收回其成本增量，較常規(guī)車輛多出的成本用來減少污染物的排放.

在混合動(dòng)力公交車生命周期內(nèi)沒有收回成本增量的情況下，HEV－D的排放效益最好，較常規(guī)柴油車多投入一元的成本能夠產(chǎn)生減少5.57g污染物的環(huán)保效益.與HEV－D比較HEV－B的減排效益有所下降，主要原因是由于HEV－D的節(jié)油率高，隨著行駛里程的增加，節(jié)油成本較大，使得最終的排放效益增加.

表8 生命周期內(nèi)混合動(dòng)力環(huán)保效益

4.4 排放效益對(duì)比分析

隨著混合動(dòng)力城市公交車行駛里程的增加，將其成本增量與污染物排放效益的變化分別進(jìn)行比較，研究各自的變化趨勢(shì)，如圖2所示.

圖2 HEB成本增量與排放效益對(duì)比

隨著車輛行駛里程數(shù)的增加，混合動(dòng)力城市公交車的成本增量逐漸減少，HEV－C車輛下降的趨勢(shì)最為顯著，主要是由于其節(jié)油率率最大，隨著行駛里程的增加，節(jié)油成本不斷增加，導(dǎo)致最終的成本增量下降.

同時(shí)，隨著行駛里程數(shù)的增加，混合動(dòng)力公交車的污染物排放效益越來越好.HEV－C里程數(shù)達(dá)到46萬km以后，其排放效益急劇升高，這是由于車輛達(dá)到較高的行駛里程數(shù)以后，節(jié)油成本越來越接近車輛購(gòu)置成本增量和故障成本增量之和，使得排放效益公式中的分母值越來越小，導(dǎo)致排放效益急劇增加.

5 結(jié) 論

1）混合動(dòng)力城市公交車具有良好的節(jié)能效果，與常規(guī)柴油車相比平均節(jié)油率在14.5%左右.節(jié)油率最高達(dá)到26.5%.混合動(dòng)力車輛節(jié)油率大小不僅與整車質(zhì)量、車輛控制匹配等有關(guān)，而且與RESS有密切的聯(lián)系.

2）重型柴油機(jī)在NOx和PM排放方面存在折衷的關(guān)系.由于控制策略的約束，混合動(dòng)力公交的各種污染物排放增減趨勢(shì)不同，發(fā)動(dòng)機(jī)仍然沒有達(dá)到預(yù)期的理想的工作區(qū)域，某些污染物排放存在增加的現(xiàn)象.部分車輛PM排放的效果較好，但其NOx排放的控制效果卻較差.

3）與混合動(dòng)力城市公交車相比，常規(guī)柴油公交車的故障次數(shù)較少，故障程度較輕，故障成本也較少.

4）與常規(guī)柴油車相比，混合動(dòng)力城市公交車具有良好節(jié)能環(huán)保效果.在生命周期內(nèi)，5輛混合動(dòng)力車輛累計(jì)可節(jié)省燃油14.05萬L，減少污染物的排放量達(dá)5.28t.而且當(dāng)節(jié)油率達(dá)到了26%，除了產(chǎn)生巨大環(huán)保效益外，在車輛生命周期內(nèi)可以收回全部成本增量.

［1］陳燕濤.車輛道路排放測(cè)試技術(shù)的研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，2006.

［2］Johnson K，Durbin T，Cocker D，et al.On－road evaluation of a PEMS for measuring gaseous in－use emissions from a heavy－duty diesel vehicle ［R］.SAE World Congress ＆ Exhibition：Detroit，MI，2008.

［3］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.GB／T19754－2005重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

［4］劉伏萍，李孟良.混合動(dòng)力燃油經(jīng)濟(jì)性分析，中國(guó)電動(dòng)車輛研究與開發(fā)［R］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

［5］劉伏萍.混合動(dòng)力車輛能量消耗和排放測(cè)試的研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，2006.

［6］國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.GB／T13043－2006客車定型試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.