基于NEDC和WLTC工況循環(huán)的混合動(dòng)力汽車(chē)排放特性研究

靖春勝 張鐵臣 于鎰隆

摘要 以一輛先進(jìn)混合動(dòng)力國(guó)Ⅴ汽油車(chē)為試驗(yàn)對(duì)象，研究混合動(dòng)力汽車(chē)在NEDC循環(huán)與WLTC循環(huán)工況下的排放特性，以及混合動(dòng)力汽車(chē)在各速度區(qū)間及各加速度區(qū)間下的排放差異。研究結(jié)果表明：WLTC循環(huán)使混合動(dòng)力汽車(chē)CO和PN排放因子增大，HC和NOx排放因子降低;混合動(dòng)力汽車(chē)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段CO、HC和NOx的排放污染均較為嚴(yán)重，應(yīng)做重點(diǎn)優(yōu)化，高速度階段內(nèi)CO排放較高，PN排放主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停的工況段內(nèi)，其余工況排放污染較低;隨著速度的增加CO排放因子總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，HC排放因子總體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，NOx和PN排放因子總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);隨著加速度的增加CO、NOx和PN排放因子總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)， HC排放因子總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

關(guān) 鍵 詞 混合動(dòng)力汽車(chē);NEDC循環(huán);WLTC循環(huán);國(guó)Ⅵ;排放特性

Abstract Taking an advanced HEV gasoline vehicle as the test object， the emission characteristics of HEV under NEDC and WLTC cycles and the emission differences of HEV at different speeds and acceleration ranges were studied. The results show that WLTC cycle increases CO and PN emission factors of hybrid electric vehicles and decreases HC and NOx emission factors. The emission pollution of CO， HC and NOx of hybrid electric vehicles in engine cold start-up stage is serious and should be optimized. CO emission in high speed stage is higher， PN emission is mainly concentrated in engine frequent start-up and shut-down stage， and the emission pollution in other working conditions is lower. With the increase of acceleration， CO， NOx and PN emission factors generally show an increasing trend， HC emission factors generally show a decreasing trend， and NOx and PN emission factors generally show a trend of first increasing and then decreasing; with the increase of acceleration， CO， NOx and PN emission factors generally show an increasing trend， while HC emission factors generally show a “first increasing and then decreasing” trend.

Key words hybrid electric vehicle; NEDC cycle; WLTC cycle; country VI; emission characteristics

0 引言

隨著工業(yè)化、城市化的不斷加快，人們對(duì)私人汽車(chē)的依賴(lài)程度越來(lái)越高，機(jī)動(dòng)車(chē)的排放污染情況已越來(lái)越多地受到人們的關(guān)注[1]，大量研究結(jié)果表明，汽車(chē)尾氣排放污染已經(jīng)成為中國(guó)城市空氣污染的主要污染來(lái)源，城市地區(qū)出現(xiàn)的空氣污染已由“煤煙型”向“尾氣型”轉(zhuǎn)變，這是造成區(qū)域性光化學(xué)煙霧和灰霾污染的重要原因[2-3]。與此同時(shí)，日益嚴(yán)格的排放法規(guī)同樣對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)輛的排放水平提出了嚴(yán)格要求。據(jù)了解，廣州、深圳、天津等省市紛紛宣布于2019年7月1日開(kāi)始執(zhí)行輕型汽車(chē)“國(guó)Ⅵ”排放標(biāo)準(zhǔn)[4];北京市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布的《關(guān)于北京市實(shí)施第六階段機(jī)動(dòng)車(chē)排放標(biāo)準(zhǔn)的公告（征求意見(jiàn)稿）》顯示，北京將自2019年7月1日起，重型燃?xì)廛?chē)以及公交及環(huán)衛(wèi)行業(yè)重型柴油車(chē)須滿(mǎn)足國(guó)Ⅵb階段標(biāo)準(zhǔn)要求，自2020年1月1日起，輕型汽油車(chē)和其余行業(yè)重型柴油車(chē)須滿(mǎn)足國(guó)Ⅵb階段標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。因此，開(kāi)發(fā)新能源汽車(chē)和低排放汽車(chē)已迫在眉睫。而混合動(dòng)力汽車(chē)具有燃油經(jīng)濟(jì)性高，尾氣排放較低，能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地適應(yīng)當(dāng)前汽車(chē)市場(chǎng)的需求[6]。所以，本課題中針對(duì)混合動(dòng)力汽車(chē)排放特性的研究顯得尤其具有意義。

與輕型車(chē)國(guó)Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)相比，輕型車(chē)國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的污染物限值更低且加入對(duì)顆粒物數(shù)量（PN）的限值，Ⅰ型試驗(yàn)工況也由全球輕型車(chē)統(tǒng)一測(cè)試循環(huán)（Word-wide Harmonized Light Duty Test Cycle，WLTC）代替新歐洲測(cè)試循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）[7]，因此，即將實(shí)施的國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)未來(lái)混合動(dòng)力汽車(chē)的開(kāi)發(fā)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)國(guó)Ⅵ、國(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的研究主要集中在污染物限值與試驗(yàn)工況的對(duì)比分析;WLTC循環(huán)對(duì)汽油機(jī)工作性能的影響等[8- 9]，而對(duì)于新型混合動(dòng)力汽車(chē)NEDC循環(huán)與WLTC循環(huán)的對(duì)比分析和不同速度或加速度工況的排放特性研究還比較少。

本文以一輛先進(jìn)混合動(dòng)力國(guó)Ⅴ汽油車(chē)為試驗(yàn)對(duì)象，研究混合動(dòng)力汽車(chē)在NEDC循環(huán)與WLTC循環(huán)下的排放特性，以及車(chē)輛在不同速度和不同加速度下的排放特性，為今后的國(guó)Ⅵ車(chē)及混合動(dòng)力汽車(chē)的研究開(kāi)發(fā)建立分析基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)樣車(chē)與燃油

試驗(yàn)車(chē)輛為某品牌1.8 L國(guó)Ⅴ排放水平的HEV混合動(dòng)力汽車(chē)，搭載直列四缸、水冷、自然吸氣汽油機(jī)，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用燃油為市售92號(hào)汽油。

1.2 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)采用NEDC循環(huán)工況和WLTC循環(huán)工況對(duì)比測(cè)試，其中NEDC循環(huán)工況由市區(qū)工況ECE（780 s）和市郊工況EUDC（400 s）組成，共持續(xù)1 180 s;WLTC循環(huán)由低速段（Low），中速段（Medium），高速段（High）和超高速段（Extra High）4部分組成，持續(xù)時(shí)間共1 800 s，其中低速段持續(xù)時(shí)間589 s，中速段持續(xù)時(shí)間433 s，高速段的持續(xù)時(shí)間為455 s，超高速段的持續(xù)時(shí)間為323 s[10]。循環(huán)的主要參數(shù)見(jiàn)表2 。循環(huán)工況示意圖如圖1和圖2所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

本課題中所用試驗(yàn)設(shè)備如表3所示。

1.4 試驗(yàn)方案

整車(chē)預(yù)處理后，置于環(huán)境艙（298 K，100 kPa）浸車(chē)8 h后在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行排放循環(huán)測(cè)試（電量保持模式），測(cè)試整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的控制策略，油耗以及排放污染物。

通過(guò)NEDC、WLTC循環(huán)差異，綜合分析整車(chē)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式下的性能及排放表現(xiàn)。

1.5 冷卻水溫控制

NEDC循環(huán)運(yùn)行至市郊工況由于負(fù)荷增大，發(fā)動(dòng)機(jī)熱負(fù)荷較大，當(dāng)運(yùn)行至1 035 s時(shí)節(jié)溫器開(kāi)啟，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度迅速升高至83 ℃左右，并保持穩(wěn)定，整車(chē)散熱器將進(jìn)水溫度控制在25 ℃左右。

WLTC循環(huán)運(yùn)行至中速階段850 s時(shí)節(jié)溫器開(kāi)啟，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度迅速升高至83 ℃，進(jìn)入大循環(huán)后發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度穩(wěn)定在80～90 ℃，整車(chē)散熱器將進(jìn)水溫度控制在20～40 ℃，保證了試驗(yàn)的順利進(jìn)行及試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 污染物循環(huán)排放因子

根據(jù)國(guó)六排放法規(guī)，輕型車(chē)排放試驗(yàn)主要采用排放因子來(lái)衡量車(chē)輛的排放污染情況，即混合動(dòng)力車(chē)輛行駛單位距離的平均排放污染物的質(zhì)量，其具體計(jì)算公式如下：

圖5為混合動(dòng)力汽車(chē)在NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)下的排放性能與國(guó)Ⅵb排放限值的對(duì)比分析，其中，CO排放因子：NEDC

2.2 污染物瞬態(tài)工況排放特性

圖6為混合動(dòng)力汽車(chē)NEDC循環(huán)的污染物瞬態(tài)累積排放，CO排放主要集中在冷啟動(dòng)及郊區(qū)工況段內(nèi);HC排放主要集中在冷啟動(dòng)階段內(nèi);NOx排放在冷啟動(dòng)階段增長(zhǎng)迅速，隨后緩慢增長(zhǎng);PN排放主要與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況有關(guān)，在發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)工況PN排放增加明顯。

圖7為混合動(dòng)力汽車(chē)WLTC循環(huán)的污染物瞬態(tài)累積排放，CO排放主要集中在中速段、高速段及超高速工況段內(nèi);HC排放主要集中在冷啟動(dòng)階段內(nèi);NOx排放在冷啟動(dòng)階段增長(zhǎng)迅速，隨后增長(zhǎng)緩慢;PN排放因子在600～1 200 s時(shí)間段內(nèi)增長(zhǎng)最快，主要是發(fā)動(dòng)機(jī)在此階段內(nèi)頻繁啟停所致。

綜上所述，混合動(dòng)力汽車(chē)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段CO、HC和NOx的排放污染均較為嚴(yán)重，應(yīng)做重點(diǎn)優(yōu)化;高速度階段內(nèi)CO排放較高;PN排放主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停的工況段內(nèi)，其余工況排放污染較低。

2.3 速度對(duì)排放特性的影響

瞬態(tài)排放累積圖可反映混合動(dòng)力汽車(chē)瞬態(tài)排放量的變化，但是不能明確展示具體工況要素（速度、加速度）對(duì)污染物排放量的影響[11]，所以將循環(huán)工況分成7個(gè)速度區(qū)間（不包含怠速）：（0，20]，（20，40]，（40，60]，（60，80]，（80，100]，（100，120]，（120，140]和6個(gè)加速度區(qū)間（不包含怠速）：（<-1），[-1，-0.5），[-0.5，0），（0，0.5]，（0.5，1]，（>1）進(jìn)行分析研究，研究結(jié)果如下所示。

圖8為混合動(dòng)力汽車(chē)在不同速度區(qū)間下的CO排放情況，隨著車(chē)輛速度的增加CO排放因子整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，主要原因?yàn)殡S著車(chē)輛速度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)所需燃料量逐漸加大[12]，導(dǎo)致CO排放濃度增加，其中混合動(dòng)力汽車(chē)在NEDC循環(huán)工況0～20 km/h的速度區(qū)間段內(nèi)CO排放因子較高，主要是發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段對(duì)CO排放影響較大所引起的;在20～40 km/h速度區(qū)間內(nèi)，NEDC循環(huán)CO排放值很低，WLTC循環(huán)CO排放因子遠(yuǎn)大于NEDC循環(huán);NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)CO排放因子均在最大速度區(qū)間內(nèi)達(dá)到峰值。

圖9為混合動(dòng)力汽車(chē)在不同速度區(qū)間下的HC排放情況，NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)HC排放因子的最大值均在0～20 km/h速度區(qū)間內(nèi)，主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段內(nèi)燃料燃燒不完全引起的，而0～20 km/h速度區(qū)間內(nèi)NEDC循環(huán)的排放因子大于WLTC循環(huán)，因?yàn)镹EDC循環(huán)的怠速工況較WLTC循環(huán)更多，故低速區(qū)間的行駛里程較小導(dǎo)致單位里程排放量變高[13];在20～60 km/h速度段內(nèi)，WLTC循環(huán)的排放因子遠(yuǎn)大于NEDC循環(huán);在速度大于60 km/h的工況段內(nèi)，NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)的排放因子相差不多。

圖10為混合動(dòng)力汽車(chē)在不同速度區(qū)間下的NOx排放情況，其中NEDC循環(huán)在0～80 km/h區(qū)間段和WLTC循環(huán)在0～60 km/h區(qū)間段NOx排放因子均增大，主要原因在于隨著速度的提升發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，排氣溫度上升導(dǎo)致NOx排放因子增大;NEDC循環(huán)在80～100 km/h區(qū)間段和WLTC循環(huán)在60～80 km/h區(qū)間段NOx排放因子均下降，主要原因?yàn)樵谠撍俣葏^(qū)間段內(nèi)車(chē)輛的加速工況較多，混合氣加濃導(dǎo)致氧氣含量較少，NOx排放因子降低[14]。

圖11為混合動(dòng)力汽車(chē)在不同速度區(qū)間下的PN排放情況，隨著速度的增加PN排放總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)PN排放主要集中在20～80 km/h區(qū)間段內(nèi)，其中，NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)PN排放峰值均在40～60 km/h區(qū)間內(nèi)。

2.4 加速度對(duì)排放的影響

圖12為各個(gè)加速度區(qū)間段內(nèi)CO的排放情況，由圖可以看出隨著加速度的增加CO排放因子總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，這是由于加速度增加時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，混合氣加濃導(dǎo)致燃油燃燒不完全，所以CO排放因子增加[15];NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)CO排放峰值均在加速度大于1的間段內(nèi)。

圖13為各個(gè)加速度區(qū)間段內(nèi)HC的排放情況，HC排放主要集中在加速階段（加速度大于0），主要由于車(chē)輛在加速階段內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增加，混合氣加濃燃油不完全燃燒所致，在車(chē)輛減速階段內(nèi)，HC排放因子較小且變化不大;NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)CO排放峰值均在（0，0.5]區(qū)間段內(nèi)，結(jié)合圖6和圖7進(jìn)行分析，可能是冷啟動(dòng)階段HC排放過(guò)大所致。

圖14為各個(gè)加速度區(qū)間段內(nèi)HC的排放情況，NOx排放因子隨著加速度的增加整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)的NOx排放峰值均在（0.5，1]區(qū)間段內(nèi)，這可能是因?yàn)樵诩铀俣葏^(qū)間（0.5，1]內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較大排氣溫度較高所導(dǎo)致的;加速度小于0.5的區(qū)間內(nèi)NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)的NOx排放因子相差不多，加速度大于0.5的區(qū)間內(nèi)NEDC循環(huán)NOx排放因子大于WLTC循環(huán)。

圖15為各個(gè)加速度區(qū)間段內(nèi)PN的排放情況，由圖可知，PN排放因子總體上隨著加速度的升高而增大，這是由于車(chē)輛加速度增大，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，噴油量加大燃油混合不均等因素造成的;NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)均在加速度區(qū)間（0.5，1]到達(dá)峰值;加速度大于1的區(qū)間內(nèi)，PN排放因子降低。

3 結(jié)論

1）混合動(dòng)力汽車(chē)NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)對(duì)應(yīng)的HC、CO、NOx均滿(mǎn)足國(guó)Ⅵb，PN超出限值，但滿(mǎn)足現(xiàn)階段（2020年7月1日前）過(guò)渡限值（6×1012 /km）。

2）CO排放因子：NEDC

3）混合動(dòng)力汽車(chē)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)階段CO、HC和NOx的排放污染均較為嚴(yán)重，應(yīng)做重點(diǎn)優(yōu)化;高速度階段內(nèi)CO排放較高;PN排放主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟停的工況段內(nèi)，其余工況排放污染較低。

4）隨著速度的增加CO排放因子總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，HC排放因子總體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，NOx和PN排放因子總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

5）隨著加速度的增加CO、NOx和PN排放因子總體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，HC排放因子總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

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