插電式混合動力汽車污染物排放研究

劉文亮， 黃成林， 劉慎微， 張浩然， 藥君威， 來振華

(北京奔馳汽車有限公司 新能源研發(fā)與試驗認(rèn)證部，北京100176)

隨著能源緊缺及環(huán)境污染治理壓力增加，新能源汽車越來越普及、市場占有量大大增加，混合動力車型作為從汽油車向純電動車等清潔能源車型的過渡車型，在市場上出現(xiàn)越來越多的插電式混合動力車型供大家選擇.為得到環(huán)境溫度對插電式混合動力汽車的污染物排放影響，對一輛插電式混合動力汽車分別在常溫和低溫環(huán)境條件下，進(jìn)行WLTC工況駕駛并對尾氣排放進(jìn)行測試.對兩次的測試結(jié)果進(jìn)行分析，得出插電式混合動力車型在低溫條件下的排放污染物增加情況及分布情況，并據(jù)此提出建議，對減少排放及改善環(huán)境提供依據(jù).

1 研究方法和測試設(shè)備

1.1 研究對象和測試工況

研究采用的測試車輛為一輛搭載發(fā)動機(jī)排量為2.0 L，動力電池容量為74 Ah的插電式混合動力汽車.試驗用的燃油采用北京市售第六階段燃油，車輛主要參數(shù)見表1.測試工況采用國六排放標(biāo)準(zhǔn)的WLTC工況循環(huán)[1]，包含低速、中速、高速、超高速4個工況，總共里程為23.3 km，平均速度46.5 km/h，最大車速131.3 km/h，各工況基本情況見表2.

表1 車輛主要參數(shù)

表2 WLTC工況分布情況

1.2 測試方法

測試的這輛插電式混合動力汽車，純電續(xù)駛里程超出WLTC工況的里程，為了在相同的車輛狀態(tài)下進(jìn)行測試，保證車輛在常、低溫試驗前電池電量在相同水平，選擇車輛在電量保持模式下(CS)[1]進(jìn)行排放測試：車輛放電至電量達(dá)到平衡水平后，進(jìn)行WLTC循環(huán)預(yù)處理(預(yù)處理前后電池電量保持平衡)，然后分別在常溫23 ℃和低溫-7 ℃的環(huán)境條件下靜置12 h以上，使車輛水溫、油溫達(dá)到環(huán)境溫度±2 ℃以內(nèi)，第二天進(jìn)行車輛冷起動后的WLTC工況駕駛，對汽車尾氣進(jìn)行連續(xù)稀釋采樣，測量排氣污染物THC、CO、NOx、N2O、顆粒物重量PM、顆粒數(shù)量PN在常溫和低溫下各工況的排放結(jié)果，同時，在測試過程中采集稀釋尾氣的模態(tài)數(shù)據(jù)并分析污染物在各工況的排放分布情況.

1.3 測試設(shè)備

測試設(shè)備采用AVL底盤測功機(jī)和AVL AMA I60、CVS I60等主要排放測試系統(tǒng)，顆粒物測試系統(tǒng)為AVL489，環(huán)境艙為IMTECH環(huán)境艙，設(shè)備參數(shù)見表3.

表3 設(shè)備參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 WLTC工況整體排放結(jié)果

經(jīng)過測試，該插電式混合動力汽車在常溫和低溫環(huán)境條件下的排放結(jié)果如表4所示.與常溫相比，在低溫下，WLTC整個工況的主要污染物排放量增加明顯.其中：THC、NMHC分別增加203.9%、230.3%；CO增加111.3%；NOx增加49.8%；N2O沒有變化；PM增加206.3%；PN增加510.9%；CO2增加29.0%.低溫環(huán)境對污染物排放結(jié)果，尤其是顆粒物排放結(jié)果影響較大.

表4 常、低溫環(huán)境下排放污染物結(jié)果對比

在常溫和低溫試驗前后，動力電池SOC均相同，保持平衡.圖1是在常溫下，WLTC工況的動力電池充放電情況，電流為負(fù)，代表電池放電；電流為正，代表電池充電.可以看到：在加速工況，電池放電參與驅(qū)動車輛；在減速工況，回收能量電池充電.對電流進(jìn)行積分，可以得到整個WLTC工況動力電池總共放電0.13 Ah，占總?cè)萘?74Ah)的比例為0.18%，電池電量幾乎沒有變化，在WLTC工況保持了平衡.

圖1 常溫下WLTC工況動力電池充、放電情況

2.2 各污染物在常、低溫各工況的排放結(jié)果

排放污染物在各工況的分布情況見表5.除CO外，各污染物大部分來自于低速工況.在低溫下，這種趨勢更加明顯，低溫下的低速工況排放污染物占總排放量的比例均達(dá)到90%以上，主要是由于在車輛的啟動及熱機(jī)階段，燃油溫度及發(fā)動機(jī)潤滑油、冷卻液溫度低，汽油燃燒不充分、發(fā)動機(jī)阻力大，催化器達(dá)到工作溫度需要一定時間等因素造成的.在發(fā)動機(jī)熱機(jī)以后的中速、高速、超高速工況，排放污染物大幅降低，低溫與常溫的污染物排放量差異較小，可見，在發(fā)動機(jī)熱機(jī)情況下，環(huán)境溫度對污染物排放影響很小.

表5 常、低溫環(huán)境下各工況排放污染物結(jié)果

下面對各污染物分別分析：

(1)THC、NMHC污染物：在常溫和低溫下，低速工況排放量占比分別為75.6%和95.3%.從圖2所示的THC常、低溫瞬態(tài)排放曲線可以看出，THC的排放主要來自于低速工況的啟動階段.與常溫相比，在低溫下，低速工況的THC排放量增幅為282.3%；NMHC增幅286.7%.主要由于低溫下，燃油溫度低，噴油霧化更差，發(fā)動機(jī)剛啟動時，缸壁溫度低，燃燒不充分造成[2].在中速工況，發(fā)動機(jī)熱機(jī)以后THC排放大大降低.

圖2 THC常、低溫瞬態(tài)排放曲線

(2)CO污染物：CO常、低溫瞬態(tài)排放情況如圖3所示.常溫下，低速、中速工況，CO污染物排放占比為9.0%和11.4%；在高速工況和超高速工況占比更多，分別為30.8%和48.8%.主要是由于在低速和中速工況，車輛在加速工況電池參與助力，使得發(fā)動機(jī)工作的時間及負(fù)荷大大降低，CO排放減少；而在高速、超高速工況的加速階段，由于車輛加速及車速較高時阻力增大、共同導(dǎo)致車輛負(fù)荷增大、進(jìn)而CO排放濃度也升高[2].低溫下，低速工況時，CO排放占比為64.1%，可見，污染物主要來自于低速工況.低溫下，發(fā)動機(jī)啟動時，燃油溫度較低，噴油量大且燃燒不充分，CO大量生成，在低速工況下，低溫下的CO排放量較常溫下增幅為1 394.4%，排放量大大增加.

圖3 CO常、低溫瞬態(tài)排放曲線

(3)NOx，N2O污染物：NOx常、低瞬態(tài)排放曲線圖如圖4所示.在低溫和常溫下，NOx排放主要來自于低速工況的車輛啟動熱機(jī)階段，部分來自于其他工況急加速時的大負(fù)荷工況.常溫和低溫的低速工況NOx排放量占比都在50%左右，在低溫下比常溫增加27%.常溫和低溫環(huán)境下，N2O的排放結(jié)果一樣，且都來自于低速工況[3]，低速工況下的排放量占比都在90%以上，常溫和低溫下N2O的整體排放水平均較低.

圖4 NOx常、低溫瞬態(tài)排放曲線

(4)PN顆粒數(shù)量：在常溫下，PN主要來自于低速工況和中速工況，分別占總排放量的39%和51.9%，由于在中低速工況車輛加速時，動力電池較多的參與驅(qū)動車輛，使發(fā)動機(jī)工作時間大大縮短(從圖1電池充放電情況和圖6的CO2瞬態(tài)排放曲線圖可以看出)，發(fā)動機(jī)承擔(dān)的負(fù)荷降低，發(fā)動機(jī)噴油量較少，顆粒物排放也相應(yīng)減少，從圖5所示的PN的常、低溫瞬態(tài)排放曲線圖可以看到：在常溫下，低速、中速工況PN的排放特點(diǎn)為短暫的尖峰，數(shù)量都在2E+11個/s以下；在低溫下，PN主要來自于低速工況前300 s的發(fā)動機(jī)啟動及熱機(jī)階段，發(fā)動機(jī)啟動后，顆粒物峰值達(dá)到1E+12個/s，低速工況PN占總排放的比例達(dá)到93.3%，相較常溫低速工況增幅為1 359.4%.低溫環(huán)境下車輛的顆粒物大量生成，主要是因為在低溫下燃油和發(fā)動機(jī)缸內(nèi)溫度較低，燃油霧化變差、燃燒不充分，潤滑油溫度低，發(fā)動機(jī)熱機(jī)時間長，發(fā)動機(jī)阻力增大所致[4-5].

圖5 PN常、低溫瞬態(tài)排放曲線

(5)CO2：與常溫相比，在低溫下，整個WLTC工況的CO2排放量增加29.0%，CO2的增加主要來自于低速工況，在低速工況CO2增幅達(dá)245.2%，主要是由于在低溫環(huán)境下，水溫及潤滑油溫度低，發(fā)動機(jī)阻力增大，發(fā)動機(jī)熱機(jī)時間增加，發(fā)動機(jī)工作的時間在低溫下比常溫下工作時間更長，故CO2排放更多.隨著發(fā)動機(jī)溫度升高，在中速、高速、超高速工況下，CO2排放結(jié)果與常溫逐漸接近，差異逐漸縮小，CO2常、低溫瞬態(tài)排放結(jié)果見圖6.

圖6 CO2常、低溫瞬態(tài)排放曲線

3 結(jié) 論

通過對插電式混合動力汽車在常溫和低溫下的WLTC工況污染物排放測試，可以看到在常溫下，除CO外，車輛的污染物排放均主要來自于低速和中速工況；在低溫條件下，污染物排放均主要來自于低速工況.環(huán)境溫度對插電式混合動力車輛污染物排放的影響主要集中在低速工況的發(fā)動機(jī)啟動和熱機(jī)階段，污染物增幅達(dá)數(shù)倍至十倍以上，發(fā)動機(jī)熱機(jī)以后，溫度對污染物排放的影響較小.

在冬季，混合動力車輛的動力電池電量較低時，車輛行駛依然會產(chǎn)生較多排放污染物.在冬季駕駛混合動力車輛出行，保證車輛的動力電池電量充足、盡量在純電模式下駕駛車輛，使車輛更多的用電池作為動力行駛，可以避免排氣污染物及顆粒物的大量生成.目前市場上混合動力車型的純電行駛里程越來越多，加上政府對充電樁的建設(shè)投入持續(xù)增加，小區(qū)、單位停車位的充電樁數(shù)量越來越多，用戶充電越來越方便，在駕駛插電式混合動力車輛時，保證車輛更多的在純電模式下行駛也更容易，這樣可以大大降低城市里的污染物排放水平.