混合動力轎車和汽油轎車的市區(qū)排放對比研究

孫龍林，賀 萍，黃文偉

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，廣東 深圳 518055)

混合動力轎車和汽油轎車的市區(qū)排放對比研究

孫龍林，賀 萍，黃文偉

(深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，廣東 深圳 518055)

基于車載排放測試技術(shù)，對混合動力轎車和汽油轎車在城市主干道行駛工況下的尾氣排放進(jìn)行了測試試驗(yàn)，并對比分析了試驗(yàn)車輛的排放特征。結(jié)果表明：在城市主干道條件下，由于混合動力轎車采用起動-停止控制模式，發(fā)動機(jī)工作時間較短，電動機(jī)在大負(fù)荷工況參與驅(qū)動來減小發(fā)動機(jī)負(fù)荷，HC總排放因子降低了48%，同時發(fā)動機(jī)燃燒室的溫度大幅度降低，NOx總排放因子下降了86.7%；但是在城市主干道上進(jìn)行頻繁的停車再起動時，由于可燃混合氣過濃，導(dǎo)致嚴(yán)重的不完全燃燒，全路段的CO總排放因子并無明顯改善。

混合動力轎車；汽油轎車；車載排放測試系統(tǒng)；尾氣排放；對比試驗(yàn)

2013年11月26日，深圳市入選全國第一批新能源汽車推廣城市。據(jù)深圳市人居環(huán)境委員會的數(shù)據(jù)顯示，截止2014年2月深圳市共推廣新能源汽車6 650輛。深圳市發(fā)改委規(guī)劃在2013—2015年間推廣新能源汽車3.5萬輛，其中1.6萬輛為私家車，1.9萬輛為公共用車。目前，深圳市推廣使用的新能源汽車主要為純電動轎車、混合動力轎車、純電動大巴、混合動力大巴和LNG大巴。

混合動力技術(shù)對減少汽車尾氣排放和改善空氣質(zhì)量的效果，國內(nèi)外都已有一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究[1-4]。但是深圳市混合動力轎車的投入使用，在市區(qū)行駛時是否相對于家用汽油轎車有效減少了尾氣排放污染和提升了市區(qū)空氣質(zhì)量，目前還沒有具體的量化研究。鑒于此，本文將通過對深圳市典型的混合動力轎車和汽油轎車的市區(qū)尾氣排放進(jìn)行對比測試，分析了混合動力技術(shù)可以帶來哪些方面的尾氣排放改善，在哪些方面還存在問題，以為交通環(huán)保部門的決策和生產(chǎn)廠家的性能優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 車輛尾氣排放測試試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 測試系統(tǒng)

本研究采用美國Sensors公司生產(chǎn)的SEMTECH-DS車載氣體排放分析儀，在深圳市區(qū)主干道上對混合動力轎車和汽油轎車的尾氣排放進(jìn)行測試試驗(yàn)，并對比分析了試驗(yàn)車輛的排放特性。車載排放測試系統(tǒng)(Portable Emission Measurement System,PEMS)的測試原理如圖1所示。測試車輛排放的尾氣由連接在排氣管上的連接管道全部輸送進(jìn)入廢氣流量計(jì)(EFM)，廢氣流量計(jì)測量出尾氣排放的總流量和排氣溫度；同時安裝在廢氣流量計(jì)內(nèi)部的取樣管開始對尾氣進(jìn)行取樣，并將采集的尾氣樣品傳遞給車載氣體排放分析儀進(jìn)行CO、NOx、HC分析，計(jì)算出

對應(yīng)的瞬時排放速率。車載氣體排放分析儀內(nèi)部集成了測量CO和CO2的不分光紅外分析儀(NDIR)、測量NOx的不分光紫外分析儀(NDUV)和測量HC的加熱型氫火焰離子化分析儀(HFID)[5-6]；同時溫濕度計(jì)和GPS分別被安裝到測試車輛上，用來測量環(huán)境空氣的溫度、濕度以及測試車輛的行駛速度，并將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給車載氣體排放分析儀；控制電腦通過無線網(wǎng)絡(luò)與車載氣體排放分析儀進(jìn)行通信，進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)零、標(biāo)定和監(jiān)控，并可以將測試數(shù)據(jù)上傳到控制電腦并轉(zhuǎn)化為EXCEL文件輸出。

1.2 測試車輛

本研究選用的測試車輛為一款深圳市示范推廣的混合動力轎車，1.0 L排量的發(fā)動機(jī)額定功率為50 kW，驅(qū)動電機(jī)最大功率為37 kW；測試對比車輛選擇一款面市時間相同、市場保有量大、驅(qū)動功率相當(dāng)、車身尺寸接近的同級別汽油發(fā)動機(jī)轎車，1.6 L排量的發(fā)動機(jī)額定功率為82 kW。測試車輛的具體參數(shù)見表1。

表1 測試車輛的具體參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法

本研究的試驗(yàn)方法采用道路工況法進(jìn)行車輛實(shí)際行駛工況下尾氣排放測試，試驗(yàn)城市主干道選擇深圳市最為著名的深南大道，該干道為深圳市早期建設(shè)的交通主干道，車輛繁忙，且橫貫深圳市區(qū)中心地帶的南山區(qū)、福田區(qū)和羅湖區(qū)，是深圳市中心區(qū)域的重要交通主干道。具體試驗(yàn)路線西起深南沙河立交，東止上步路，全長約15 km。為了減少外界因素對測試數(shù)據(jù)的影響，測試過程中采用同一司機(jī)駕駛車輛以減少人為操作差異的影響，在相同的非高峰通行時段進(jìn)行測試以減少交通流量差異的影響，采用固定的道路起始點(diǎn)進(jìn)行測試以避免道路工況差異的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 測試車輛在城市主干道行駛工況下的速度和CO、NOx、HC瞬時排放速率分析

試驗(yàn)過程中對測試車輛進(jìn)行了城市主干道行駛工況下的尾氣排放測試，混合動力轎車(F3DM)選擇混合動力驅(qū)動模式，利用包括GPS、廢氣流量計(jì)、車載排放分析儀在內(nèi)的車載排放測試系統(tǒng)采集了測試車輛包括速度(v)和CO、NOx、HC排放等在內(nèi)的數(shù)據(jù)，并計(jì)算出其相應(yīng)的瞬時排放速率，其結(jié)果見圖2。

由圖2可以看出：測試車輛的CO、NOx、HC瞬時排放高峰值主要出現(xiàn)在速度上升階段(加速過程)，而在減速階段和怠速階段相對較低，國內(nèi)外相關(guān)研究也表明加速階段的CO、NOx和HC排放量占道路工況下總排放量的比重較大[7-11]；混合動力轎車的CO瞬時排放速率峰值主要分布在0.2～0.6 g/s區(qū)間內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出汽油轎車(其峰值主要分布在0.2 g/s以下)，且CO瞬時排放速率峰值出現(xiàn)頻繁；混合動力轎車的HC瞬時排放速率峰值主要分布在0.005～0.040 g/s區(qū)間內(nèi)，也相對超出汽油轎車(其峰值基本都在0.005 g/s以下)；但是汽油轎車的NOx瞬時排放速率峰值主要分布在0.004～0.032 g/s區(qū)間內(nèi)，明顯高于混合動力轎車(其峰值基本都在0.004 g/s以下)。

分析原因認(rèn)為：CO是燃料不完全燃燒的產(chǎn)物，空燃比對CO排放的影響最大，起步和加速階段發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)的可燃混合氣偏濃，導(dǎo)致嚴(yán)重的不完全燃燒會使得CO排放出現(xiàn)峰值；HC排放主要來自于內(nèi)燃機(jī)中未燃燒和不完全燃燒的燃料，空燃比過低或過高都會導(dǎo)致HC排放量的增加，在起步和加速階段會有部分燃料直接排出發(fā)動機(jī)外，HC排放明顯偏高；內(nèi)燃機(jī)中排放的氮氧化物中的主要成分為NO，其比例超過90%以上[12]，NO的生成主要與燃燒室內(nèi)的溫度有關(guān)，溫度升高時NO的生成量會隨之迅速增加，加速工況的高負(fù)荷也會使發(fā)動機(jī)燃燒室溫度上升，從而導(dǎo)致NOx排放的增加。

2.2 測試車輛在城市主干道行駛工況下的排放特征分析

2.2.1 速度特征

對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)間統(tǒng)計(jì)，以速度5 km/h為間隔，將數(shù)據(jù)劃分為怠速(速度為0)，(0，5]，(5,10],…,(60，65]，>65共15個區(qū)間，并以Q0，Q1,…，Q14表示，求取區(qū)間內(nèi)的CO、NOx、HC的排放速率(即單位時間內(nèi)的排放量，g/s)和排放因子(即單位里程內(nèi)的排放量，g/km)，混合動力轎車和汽油轎車在城市主干道行駛工況下CO、NOx、HC排放的速率特征經(jīng)過統(tǒng)計(jì)整理后見圖3。

由圖3(a)可見，汽油轎車的CO排放速率在低速區(qū)間相對較高，而中高速區(qū)間相對較低，這主要是由于起步階段的大腳油門和可能的發(fā)動機(jī)冷機(jī)狀態(tài)導(dǎo)致，隨著車速的上升，汽油轎車的CO排放因子逐漸下降，這說明提高城市主干道的通行速度有助于降低CO排放量；混合動力轎車由于在行駛速度超過50 km/h時發(fā)動機(jī)突然起動介入工作，而驅(qū)動功率較大時驅(qū)動電機(jī)可以起到功率分擔(dān)作用，因而并不像汽油轎車那樣具有明顯隨車速上升而排放下降的規(guī)律，其起動-停止控制模式減少了發(fā)動機(jī)排放CO的時間，但是再起動階段的CO排放峰值更加頻繁而且惡劣，所以CO排放整體沒有明顯改善。

由圖3(b)可見，汽油轎車的NOx排放速率在所有速度區(qū)間都高于混合動力轎車，這是因?yàn)樗俣鹊陀?0 km/h時，混合動力轎車處于純電動驅(qū)動狀態(tài)，沒有NOx排放。在城市主干道行駛時，紅綠燈較多，使得紅燈停車后車輛起動并加速到50 km/h以上需要一定的時間，因而混合動力轎車整體上發(fā)動機(jī)工作時間較少，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)溫度相對較低，而NOx排放主要與發(fā)動機(jī)燃燒室的溫度有關(guān)，因而混合動力轎車較低的溫度和較少的工作時間，使得其NOx排放速率與排放因子都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于汽油轎車。

由圖3(c)可見，測試車輛的HC排放在規(guī)律上與CO排放相似：汽油轎車的HC排放因子隨著車速的上升逐漸下降，這說明提高城市主干道的通行速度也有助于降低HC排放；混合動力轎車的HC排放因子也不如汽油汽車那樣具有明顯隨車速上升而排放量下降的規(guī)律，這是由于發(fā)動機(jī)停機(jī)后可能導(dǎo)致冷機(jī)再起動，以及發(fā)動機(jī)介入工作后與驅(qū)動電機(jī)匹配的復(fù)雜性，混合動力轎車在多數(shù)發(fā)動機(jī)工作區(qū)間的排放速率和排放因子都高于汽油轎車，但兩者在HC排放速率上的差值明顯小于在CO排放速率上的差值。

2.2.2 比功率特征

機(jī)動車比功率(Vehicle Specific Power,VSP)最早應(yīng)用于遙測數(shù)據(jù)的分析中，后來經(jīng)進(jìn)一步地完善并得到廣泛的應(yīng)用[13]。機(jī)動車比功率(PVSP)定義為瞬態(tài)的機(jī)動車輸出功率與機(jī)動車質(zhì)量的比值(單位為kW/t)，其綜合考慮了速度、加速度、坡度以及風(fēng)阻等參數(shù)的影響，其最終簡化后的計(jì)算公式為

PVSP=v[1.1a+9.81(atan(sinθ))+0.132]+0.000 302v3

(1)

式中：v為機(jī)動車車速(m/s)；a為機(jī)動車加速度(m/s2)；θ為道路坡度(rad)。

對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算出對應(yīng)的機(jī)動車比功率，并進(jìn)行區(qū)間統(tǒng)計(jì)，以3 kW/t為間隔，將數(shù)據(jù)劃分為<-10，[-10，-7)，[-7，-4)，[-4，-1)，[-1，1]，(1，4]，(4，7]，(7，10]，>10共9個區(qū)間，并以N4，…，N1，Z，P1，…，P4表示，求取區(qū)間內(nèi)的CO、NOx、HC的排放速率(g/s)和排放因子(g/km)，混合動力轎車和汽油轎車在城市主干道行駛工況下CO、NOx、HC排放的比功率特性經(jīng)過統(tǒng)計(jì)整理后見圖4。

由圖4(a)可見，在機(jī)動車比功率為正值時，CO排放速率都隨著比功率上升而增加，混合動力轎車CO排放速率增加得更為迅速，這可能是由于混合動力轎車為小排量發(fā)動機(jī)、更大的整車質(zhì)量以及發(fā)動機(jī)和電機(jī)驅(qū)動匹配控制的復(fù)雜性所致；在機(jī)動車比功率為負(fù)值時，意味著車輛處于減速階段，汽油轎車的CO排放速率相對穩(wěn)定，而混合動力轎車的排放速率并不平穩(wěn)，在N4區(qū)間數(shù)值較大。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在超車過程中大腳油門后的減速階段，混合動力轎車的發(fā)動機(jī)CO排放轉(zhuǎn)換到排放較低的減速狀態(tài)有明顯延遲，此時機(jī)動車比功率為負(fù)值而CO排放速率仍較高，這是因?yàn)闇y試的混合動力轎車采用起動-停止控制模式，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明車速超過50 km/h時發(fā)動機(jī)才起動參與工作，因而發(fā)動機(jī)應(yīng)該不可能由油門踏板直接控制，而是需要采集油門踏板信號并經(jīng)過控制模塊進(jìn)行邏輯結(jié)算后來決定發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，控制復(fù)雜性帶來了發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)上的延遲。

由圖4(b)可見，在機(jī)動車比功率為負(fù)值的區(qū)間內(nèi)，測試車輛NOx排放基本穩(wěn)定；在機(jī)動車比功率為正值的區(qū)間內(nèi)，汽油轎車的NOx排放隨著比功率的上升而迅速增加，這是由于比功率上升，汽油轎車發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加，燃燒室燃燒加劇，溫度迅速上升，導(dǎo)致NOx排放快速增加。而混合動力轎車在比功率增加時，由于驅(qū)動電機(jī)會在負(fù)荷很大時分擔(dān)驅(qū)動功率，而且起動-停止控制模式頻繁地進(jìn)行使發(fā)動機(jī)停機(jī)冷卻，因而發(fā)動機(jī)燃燒室溫度在全路段整體偏低，導(dǎo)致NOx排放在整個比功率區(qū)間內(nèi)偏低而且相對平穩(wěn)。

由圖4(c)可見，機(jī)動車比功率為正值時，混合動力轎車的HC排放速率在規(guī)律上與汽油轎車非常相似，都是隨著比功率的增加而逐漸上升；機(jī)動車比功率為負(fù)值時，汽油轎車的HC排放速率相對穩(wěn)定，而混合動力轎車的排放速率并不平穩(wěn)，在N4區(qū)間數(shù)值較大，與CO排放情況類似。

此外，汽油轎車的CO和HC排放因子在Z區(qū)間都出現(xiàn)峰值，Z區(qū)間比功率接近于零，包含較多超低速的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)計(jì)算出的單位里程排放值相對較大，最終導(dǎo)致這個區(qū)間出現(xiàn)峰值；混合動力轎車的排放數(shù)據(jù)對應(yīng)的車速都在50 km/h以上，計(jì)算出的單位里程排放沒有極高的數(shù)值，因而沒有類似的峰值。

2.2.3 總排放因子特征

在整個測試期間內(nèi)，汽油轎車全路段CO總排放因子為1.68 g/km，NOx總排放因子為0.17 g/km， HC總排放因子為0.10 g/km;混合動力轎車全路段NOx總排放因子為0.023 g/km，相當(dāng)于汽油轎車的13.3%，HC總排放因子為0.052 g/km，大約為汽油轎車的52%，CO總排放因子為1.68 g/km，基本與汽油轎車持平。測試數(shù)據(jù)分析表明，采用起動-停止控制模式時，混合動力轎車的CO總排放因子沒有明顯改善，但NOx和HC兩者的總排放因子都較汽油轎車有明顯降低。

3 結(jié) 論

基于車載排放測試技術(shù)，對混合動力轎車和汽油轎車在城市主干道行駛工況下的尾氣排放進(jìn)行測試試驗(yàn)，并對比分析了測試車輛的排放特征，得到如下結(jié)論：

(1) 在城市主干道上，測試車輛的CO、NOx、HC瞬時排放速率峰值都出現(xiàn)在加速階段，在減速和怠速階段很少出現(xiàn)排放速率峰值。在整個測試路段，混合動力轎車的NOx總排放因子大幅度降低，HC總排放因子也明顯降低，而CO總排放因子沒有明顯改善。

(2) 在全部速度區(qū)間下，混合動力轎車NOx排放速率和排放因子都低于汽油轎車，而混合動力轎車的CO和HC排放速率在發(fā)動機(jī)起動后的大多數(shù)速度區(qū)間內(nèi)高于汽油轎車，CO排放速率的差值大幅度超出HC排放速率的差值。

(3) 在負(fù)比功率區(qū)間內(nèi)，汽油轎車的CO、NOx和HC排放速率相對穩(wěn)定，而混合動力轎車的CO和HC排放速率則并不平穩(wěn)；在正比功率區(qū)間內(nèi)，測試車輛的CO和HC排放速率都隨著比功率的增加而逐漸上升，但是汽油轎車的NOx排放速率隨比功率上升而快速增加，而混合動力轎車NOx排放速率基本保持不變；在比功率接近零的Z區(qū)間內(nèi)，汽油轎車的CO和HC排放因子出現(xiàn)峰值。

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Emission Research of a Hybrid Electric Car and a Gasoline Car on City Roads

SUN Longlin，HE Ping，HUANG Wenwei

(SchoolofAutomotiveandTransportation,ShenzhenPolytechnic,Shenzhen518055,China)

Based on the Portable Emission Measurement System(PEMS),this paper carries out emission experiments of a hybrid electric car and a gasoline car on city roads.Then the paper analyzes the emission characteristics of them.The study shows that the start-stop control mode on city roads shortens the engine’s operating time;the motor works together with the engine to reduce the engine peak load;and then the HC emission factor decreases by 48% as a result;the engine temperature is low,which reduces the NOxemission factor by 86.7%;when the engine starts after stopping,the ignitable mixture is thick,which leads to serious incomplete combustion;the CO emission factor doesn’t decrease obviously.

hybrid electric car;gasoline car;portable emission measurement system；tailpipe exhaust;comparative experiment

1671-1556(2015)04-0034-06

2014-12-30

2015-03-02

廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(S2013010013931);深圳市科技創(chuàng)新委員會項(xiàng)目(JCYJ20120617140820889)

孫龍林(1977—)，男，碩士，講師，主要從事機(jī)動車排放污染與控制方面的研究。E-mail:sunlonglin@szpt.edu.cn

X51；X734

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.006