怠速起停控制模式重型氣電混合動力客車的能耗與排放特征*

許廣舉，李銘迪，陳慶樟，李學智，王 忠，何 仁

(1.常熟理工學院汽車工程學院，常熟 215500； 2.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013)

2016127

怠速起?？刂颇Ｊ街匦蜌怆娀旌蟿恿蛙嚨哪芎呐c排放特征*

許廣舉1,2，李銘迪1，陳慶樟1，李學智1，王 忠2，何 仁2

(1.常熟理工學院汽車工程學院，常熟 215500； 2.江蘇大學汽車與交通工程學院，鎮(zhèn)江 212013)

采用天然氣公交車和氣電混合動力公交車(配怠速起停系統(tǒng))作為樣車，通過整車轉(zhuǎn)鼓試驗，考察了中國典型城市公交循環(huán)(CCBC)工況下，怠速起?？刂颇Ｊ綄θ細庀牧考芭欧盘卣鞯挠绊?。結(jié)果表明，與LNG樣車相比，氣電混合動力樣車每100km可節(jié)約能源成本17.39元，采用怠速起停系統(tǒng)后，可節(jié)約能源成本51.8元；采用怠速起停模式HEV車輛總碳氫排放降低約32%，NOx排放降低44%，顆粒物質(zhì)量排放下降36%。

混合動力電動車；怠速起停系統(tǒng)；能耗；排放

前言

與油電混合動力相比，氣電混合動力具有更加清潔、更加節(jié)能的優(yōu)勢。在出租車、城市公交車等領(lǐng)域有廣泛的應用前景[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)氣電混合動力客車的年增長量約1萬輛，年均增速在50%以上。然而，城市混合動力公交車的常用工況集中在中、高轉(zhuǎn)速的大負荷附近，典型城市道路譜中怠速工況可達20%以上，怠速排放也高于正常行駛工況。

圍繞氣電混合動力汽車的驅(qū)動模式、排放性能和燃氣經(jīng)濟性等方面已開展大量研究。文獻[4]中建立了適用于開發(fā)整車控制策略的三元催化器動力學模型，分析了電加熱能量對電池荷電狀態(tài)、整車油耗和排放的影響。文獻[5]中通過臺架試驗，研究了不同拖動轉(zhuǎn)速下快速起動過程的瞬態(tài)特性和排放特性。文獻[6]中采用生命周期評價(LCA)方法，核算了天然氣公交車、混合動力公交車和純電動公交車等新能源公交車的節(jié)能及溫室氣體減排效果。文獻[7]中提出：頻繁起動-停機是混合動力汽車一個重要瞬態(tài)工況，應重點對起動-停機過程發(fā)動機的控制策略和排放特性進行優(yōu)化。

國內(nèi)外學者在混合動力汽車的怠速控制模式、排放控制策略等方面形成了較為統(tǒng)一的認識，然而，有關(guān)怠速起停控制模式對中國典型城市公交循環(huán)工況下整車的能耗和排放特征影響相關(guān)的文獻較少，缺少試驗數(shù)據(jù)參考。本文中采用天然氣公交車和氣電混合動力公交車(配怠速起停系統(tǒng))作為研究樣車，通過整車轉(zhuǎn)鼓試驗，考察了中國典型城市公交循環(huán)(CCBC)工況下，怠速起?？刂颇Ｊ綄榆嚾細庀牧?、排氣溫度和排放特征的影響。

1 試驗設備與方案

1.1 試驗設備

試驗設備包括Burke Dynamometer 7349型底盤測功機、AVL CVS i60型定容取樣系統(tǒng)、AVL AMAi60 型分析儀、AVL GEM201排放測試系統(tǒng)和FLUKE 數(shù)據(jù)采集器。

1.2 測試樣車參數(shù)

測試樣車基本參數(shù)見表1。

表1 測試車輛的基本信息

1.3 樣車與傳感器的安裝

圖1為測試樣車、溫度傳感器和三元催化器的安裝情況。被測樣車通過鏈條固定在底盤測功機上，采用保溫的防吸附不銹鋼管連接排氣尾管，運用CVS系統(tǒng)進行全流定容稀釋采樣。排溫傳感器安裝在三元催化器之前，距離三元催化器20cm的位置，能夠真實反映三元催化器附近的發(fā)動機排氣溫度。

1.4 測試方案

測試按照GB/T 19754—2015《重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》規(guī)定的循環(huán)和流程進行，超級電容荷電狀態(tài)(SOC)、動力蓄電池電壓和凈能量的改變(NEC)不在本次試驗測量范圍內(nèi)。底盤測功機按照GB/T 27840—2011《重型商用車燃料消耗量測量方法》設置，排放測試按照GB 17691—2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》進行。

試驗時分別測量天然氣公交車、氣電混合動力公交車(怠速起停關(guān)閉)、氣電混合動力公交車(怠速起停開啟)3種狀態(tài)下，樣車按照中國典型城市公交循環(huán)(CCBC)工況下的排放特性，每個工況重復測量兩次。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 駕駛曲線

根據(jù)GB/T 19754—2015《重型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》的要求，進行預試驗，以便駕駛員熟悉車輛和駕駛曲線。循環(huán)結(jié)束后，點火開關(guān)關(guān)閉20 min，進行車輛預置后，采用中國典型城市公交循環(huán)(CCBC)進行測試。

圖2為試驗設定速度與實際駕駛車速的對比情況。結(jié)果表明，樣車可以很好地跟隨CCBC循環(huán)工況，兩次試驗體現(xiàn)了較好的駕駛重復性。

2.2 燃氣消耗量

CCBC循環(huán)單次時間為1 314s，怠速時間為381s，占循環(huán)總時間的29%。圖3為CCBC循環(huán)工況下被測樣車的燃氣消耗量情況。由圖可見，LNG樣車的100km燃氣消耗量約為33.59m3，怠速起停系統(tǒng)開啟的前提下，HEV樣車的100km燃氣消耗量約為22.57m3。怠速起停系統(tǒng)關(guān)閉時，氣電HEV樣車的100km燃氣消耗量約為29.89m3，CCBC循環(huán)條件下HEV樣車怠速工況的燃氣消耗量約為7.32m3，怠速工況能耗占總能耗的24.5%。按照目前車用天然氣的市場價格4.7元/m3，與LNG樣車相比，氣電混合動力樣車每100km可節(jié)約能源成本17.39元，采用怠速起停系統(tǒng)后，可進一步節(jié)約能源成本51.8元。在中國典型城市公交循環(huán)工況條件下，怠速起停系統(tǒng)可以有效降低能源消耗。

2.3 CCBC循環(huán)的排放特征

城市公交客車的運行工況復雜多變，通過對北京、上海等典型城市公交客車的車速、行駛距離、油耗、發(fā)動機轉(zhuǎn)速和進氣壓力等數(shù)據(jù)采集，得到中國典型城市公交循環(huán)工況點[8-9]。與國內(nèi)常用的美國FTP試驗循環(huán)和歐洲ETC試驗循環(huán)相比，采用該循環(huán)工況測定的公交客車排放數(shù)據(jù)具有代表性，更能真實反映中國城市公交車對城市大氣污染的程度。

圖4為不同樣車及運行模式的排放情況對比。由圖可見，LNG樣車總碳氫排放(THC)量最高，達4.83g/km，怠速起停開啟條件下，HEV樣車的總碳氫排放量為3.26g/km，怠速起停關(guān)閉條件下HEV樣車的總碳氫排放量為3.4g/km，CCBC循環(huán)條件下HEV樣車怠速工況的總碳氫排放量為0.14g/km，HEV樣車怠速工況的總碳氫排放分擔率為4%。LNG樣車的氮氧化物(NOx)排放量最高，達7.98g/km，怠速起停開啟條件下HEV樣車的NOx排放量為4.47g/km，怠速起停關(guān)閉條件下HEV樣車的NOx排放量為6g/km，CCBC循環(huán)條件下HEV樣車怠速工況的NOx排放量為1.53g/km，HEV樣車怠速工況的NOx排放量分擔率為26%。LNG樣車顆粒物質(zhì)量排放量約為0.021 5g/km，怠速起停開啟條件下HEV樣車顆粒物質(zhì)量排放量為0.010 5g/km，怠速起停關(guān)閉條件下HEV樣車顆粒物質(zhì)量排放量為0.016 5g/km，CCBC循環(huán)條件下HEV樣車怠速工況的顆粒物排放量為0.006g/km，HEV樣車怠速工況的顆粒物排放分擔率為36%。

綜上所述，怠速工況對HEV樣車排放的影響主要體現(xiàn)在NOx和顆粒物兩種污染物，怠速工況的顆粒物排放分擔率為36%，NOx排放分擔率為26%，怠速起停控制模式對HEV樣車總碳氫排放的影響較小。

2.4 排氣溫度

圖5為不同樣車及運行模式下的排氣溫度對比。由圖可見，中國典型城市公交循環(huán)下LNG樣車的排氣溫度最高，可達483℃，且排氣溫度的變化幅度較大。怠速起停系統(tǒng)開啟時，HEV樣車的排氣溫度最低，約為295℃。

天然氣發(fā)動機的排氣凈化主要通過三元催化器，起動-停機階段的轉(zhuǎn)化率與催化器溫度和廢氣中的氧氣濃度密切相關(guān)，該階段的廢氣主要以HC和CO為主，與LNG樣車相比，采用怠速起停系統(tǒng)后，大幅降低了公交車頻繁起動-停機階段的HC排放。由于三元催化器的起燃溫度在250～350℃，在此溫度窗口范圍均保持了較高的轉(zhuǎn)化率，因此怠速起停模式對HEV樣車的HC排放影響不大。

2.5 氣體污染物瞬態(tài)排放

圖6為不同樣車及其運行模式的HC和NOx實時排放曲線。由圖可見，LNG樣車與HEV(怠速起停關(guān)閉)的NOx排放差異主要集中在中、低車速區(qū)域，這是由于車輛中、低速運行時，大多采用純電驅(qū)動，發(fā)動機為系統(tǒng)充電，轉(zhuǎn)速較低，排放相對較少。

高速階段，HEV樣車主要由發(fā)動機驅(qū)動，因此與LNG樣車HC排放并無明顯差異；低速階段，怠速起停開啟時HEV樣車的HC排放最低，某些時段怠速起停開啟時HEV車輛的HC排放高于LNG樣車，這是由于系統(tǒng)虧電后，發(fā)動機帶動發(fā)電機進行發(fā)電，補充電能所致。

對于HEV樣車，怠速起停系統(tǒng)對NOx排放的影響主要體現(xiàn)在低速和怠速區(qū)域，怠速起停功能的開啟對降低NOx排放起到了積極作用，可降低NOx排放量約44%。

3 結(jié)論

(1)CCBC循環(huán)工況下，與LNG樣車相比，氣電混合動力樣車每100km可節(jié)約能源成本17.39元，采用怠速起停系統(tǒng)后，可節(jié)約能源成本51.8元。

(2)怠速起停模式可降低HEV車輛約32%的碳氫排放和44%的NOx排放，HEV樣車(怠速起停開啟)的顆粒物質(zhì)量排放僅為0.010 5g/km。怠速起?？刂颇Ｊ娇梢越档?6%的顆粒物質(zhì)量排放。

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Energy Consumption and Emission Characteristics of Heavy Duty Gas Hybrid Electric Bus with Idle Start-stop Control Mode

Xu Guangju1,2,Li Mingdi1,Chen Qingzhang1,Li Xuezhi1,Wang Zhong2& He Ren2

1.DepartmentofAutomobileEngineering,ChangshuInstituteofTechnology,Changshu215500；2.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013

With a natural gas bus and a gas hybrid electric bus (with idle start-stop system) as sample vehicles, the effects of control mode for idle start-stop system on the gas consumption and emission characteristics of vehicle under China City Bus Cycle (CCBC) are investigated. The results show that compared with LNG sample vehicle, the gas HEV sample vehicle can save energy cost by 17.39 RMB Yuan per 100 km, which will increases to 51.8 RMB Yuan for gas HEV sample vehicle with idle start-stop system. The adoption of idle start-stop mode can reduce THC emission of HEV vehicle by 32%, NOxemission by 44% and PM emission by 36 %.

HEV; idle start-stop system; energy consumption; emission

*國家自然科學青年基金(51506011)、江蘇省自然科學基金(BK20151259)、江蘇省高校自然科學研究面上項目(15KJB470001)和蘇州市應用基礎(chǔ)研究項目(SYG201515)資助。

原稿收到日期為2015年5月25日，修改稿收到日期為2015年7月29日。