冷啟動(dòng)對(duì)重型混動(dòng)車實(shí)際道路行駛排放的影響研究

許丹丹 高東志 李 剛 景曉軍 包俊江

(1.中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司，天津 300300；2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012)

混動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在高效區(qū)間，確保了車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，因此混動(dòng)系統(tǒng)憑借低排放和強(qiáng)動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)，有效解決了傳統(tǒng)重型車高油耗、高排放的問題[1-2]。在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)推動(dòng)下，重型混動(dòng)車將成為傳統(tǒng)車向純電動(dòng)車轉(zhuǎn)型過(guò)渡的產(chǎn)品選擇，也是未來(lái)實(shí)現(xiàn)減排降碳目標(biāo)的中短期技術(shù)路線之一[3]。但重型混動(dòng)車由于自身的技術(shù)特性，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)，導(dǎo)致車輛停機(jī)再啟動(dòng)時(shí)的污染物排放波動(dòng)明顯，發(fā)動(dòng)機(jī)冷態(tài)工況排放應(yīng)得到重視[4-5]。

歐洲在重型車的型式認(rèn)證與在用符合性測(cè)試中，通過(guò)對(duì)冷啟動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，發(fā)現(xiàn)冷啟動(dòng)排放的大量NOx及其他污染物均被排除在整車排放分析之外。2019年歐盟委員會(huì)發(fā)布的(EU)No 582/2011法規(guī)修訂稿(歐六E階段)中新增了關(guān)于重型車的冷啟動(dòng)排放測(cè)試要求，由此引來(lái)了諸多國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)于冷啟動(dòng)對(duì)重型車排放的影響研究。劉剛等[6]針對(duì)不同車型開展便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)(PEMS)的實(shí)車測(cè)試，發(fā)現(xiàn)冷啟動(dòng)以4.27%的時(shí)間占比，產(chǎn)生了9.59%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的排放物占比，冷啟動(dòng)是影響車輛排放的一個(gè)不容忽視的重要因素；張靳杰等[7]基于PEMS對(duì)不同質(zhì)量的重型車開展了冷啟動(dòng)狀態(tài)下的污染物排放特性研究，通過(guò)對(duì)比冷啟動(dòng)期間污染物的累計(jì)排放、比排放以及排放濃度的變化，發(fā)現(xiàn)重型柴油車?yán)鋯?dòng)階段的NOx和CO排放較高；崔煥星等[8]針對(duì)重型柴油車開展冷啟動(dòng)排放測(cè)試研究，發(fā)現(xiàn)依據(jù)有效功基窗口計(jì)算的冷啟動(dòng)排放高于熱機(jī)狀態(tài)，但是由于有效功基窗口功率閾值限制，多數(shù)冷啟動(dòng)數(shù)據(jù)作為無(wú)效窗口被剔除，因此未參與到整車排放評(píng)估中。目前，我國(guó)現(xiàn)行的重型車排放標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于冷啟動(dòng)排放未作明確要求，且冷啟動(dòng)數(shù)據(jù)也未參與排放結(jié)果計(jì)算，重型混動(dòng)車作為新技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品，在重型車排放測(cè)試研究中，關(guān)于混動(dòng)車的排放尤其是冷啟動(dòng)排放影響的研究鮮有報(bào)道。

因此，本研究以一輛重型柴油混動(dòng)自卸車為研究對(duì)象，分別考察了車輛冷啟動(dòng)和熱機(jī)狀態(tài)下的污染物排放變化，并開展冷啟動(dòng)對(duì)重型混動(dòng)車的排放影響研究，研究結(jié)果可為國(guó)家重型混動(dòng)車排放監(jiān)管和標(biāo)準(zhǔn)制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)選用一輛國(guó)六重型柴油混動(dòng)自卸車，車輛類別屬于N3類非城市車輛，按混動(dòng)類型歸為非外接充電型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，車輛后處理系統(tǒng)采用柴油機(jī)氧化型催化器(DOC)、柴油顆粒過(guò)濾器(DPF)和選擇性催化還原(SCR)技術(shù)。試驗(yàn)車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)的基本信息見表1。

表1 試驗(yàn)車輛基本信息

試驗(yàn)車輛采用發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)并聯(lián)混動(dòng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)電池電量飽滿，汽車起步或低速行駛(車速低于30 km/h)時(shí)，車輛由電動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)行駛；當(dāng)電池電量不足，車輛高速平穩(wěn)行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止工作，車輛由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)；當(dāng)車輛處于急加速或者大負(fù)荷工況時(shí)，車輛由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)。試驗(yàn)車輛的混動(dòng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 混動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用日本HORBIA公司的PEMS設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，該設(shè)備主要由氣體測(cè)量模塊、顆粒數(shù)(PN)測(cè)量模塊、排氣流量計(jì)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、電子控制單元(ECU)讀取設(shè)備、主機(jī)單元和電源等部分組成，可實(shí)時(shí)測(cè)量和收集試驗(yàn)過(guò)程中車輛的排氣流量、污染物濃度、環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、車輛行駛速度、經(jīng)緯度及海拔等相關(guān)參數(shù)。

1.3 試驗(yàn)方案

混動(dòng)車的運(yùn)行模式主要包含電量消耗模式、電量調(diào)整模式和電量平衡模式。其中，電量消耗模式主要由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，屬于純電模式，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不做功，無(wú)污染物排放。電量調(diào)整模式是發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)交替運(yùn)行驅(qū)動(dòng)車輛行駛，其中發(fā)動(dòng)機(jī)做功的一部分能量用于驅(qū)動(dòng)車輛行駛，另一部分能量轉(zhuǎn)化為電能輸入到電量存儲(chǔ)系統(tǒng)(REESS)，此時(shí)電池荷電狀態(tài)(SOC)基本維持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，有污染物排放產(chǎn)生。電量平衡模式主要由發(fā)動(dòng)機(jī)提供能量驅(qū)動(dòng)車輛行駛，此時(shí)電動(dòng)機(jī)停止工作，混動(dòng)車與傳統(tǒng)燃油車工作模式相似，有污染物排放。

與傳統(tǒng)車輛PEMS測(cè)試規(guī)程不同，混動(dòng)車PEMS測(cè)試增加了放電預(yù)處理。由于電量消耗模式下，車輛主要由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，無(wú)排放產(chǎn)生，為準(zhǔn)確測(cè)量混動(dòng)車實(shí)際污染物排放，試驗(yàn)前讓測(cè)試車輛在車速低于55 km/h的市區(qū)工況下行車，直至REESS達(dá)到電量平衡狀態(tài)，表明放電結(jié)束。

充分浸車后，安裝PEMS設(shè)備，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢漏、標(biāo)零和預(yù)熱等準(zhǔn)備工作。車輛切換至混動(dòng)模式，在50%載荷以及發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)條件下開始測(cè)試并采集數(shù)據(jù)。車輛在預(yù)先選定好的測(cè)試路段，按照20%市區(qū)工況、25%市郊工況和55%高速工況比例行駛，直至滿足發(fā)動(dòng)機(jī)累積功達(dá)到4～7倍瞬態(tài)駕駛循環(huán)功(WHTC)時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)車輛運(yùn)行工況及工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分別見圖2、表2。

圖2 試驗(yàn)車輛運(yùn)行工況

表2 工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2 數(shù)據(jù)處理方法

鑒于《重型汽車實(shí)際行駛污染物排放測(cè)試技術(shù)規(guī)范》(T/CSAE 237—2021)取消了重型混動(dòng)車功基窗口法功率閾值限制，本研究利用PEMS采集的逐秒數(shù)據(jù)進(jìn)行功基窗口劃分并判定窗口有效性，同時(shí)對(duì)所有功基窗口進(jìn)行污染物比排放計(jì)算，然后依據(jù)式(1)計(jì)算功基窗口相應(yīng)的污染物符合性因子(CF)。歐六E階段標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于冷啟動(dòng)的排放評(píng)估方法規(guī)定，冷卻水溫低于70 ℃的冷啟動(dòng)階段，在所有功基窗口中尋找CF最大值，記為CFcold；從冷卻水溫首次達(dá)到70 ℃的熱機(jī)狀態(tài)開始，在所有有效窗口中尋找滿足CF限值的第90個(gè)累積百分位值，記為CFwarm，并將其作為剔除冷啟動(dòng)后車輛在熱機(jī)狀態(tài)下的污染物排放符合性因子。參考(EU) 2019/1939法規(guī)，綜合排放評(píng)估以冷啟動(dòng)、熱機(jī)狀態(tài)權(quán)重分別為0.14、0.86對(duì)CFcold、CFwarm進(jìn)行加權(quán)，得到包含冷啟動(dòng)的污染物綜合符合性因子(CFfinal)，計(jì)算見式(2)。

(1)

式中：e為污染物窗口比排放，g/(kW·h)或個(gè)/(kW·h)；L為發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放限值，g/(kW·h)或個(gè)/(kW·h)。

CFfinal=CFcold×0.14+CFwarm×0.86

(2)

根據(jù)《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》(GB 17691—2018)中關(guān)于整車和發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放限值的規(guī)定，分別計(jì)算得到NOx、CO、PN的CF限值分別為1.5、1.5、2.0。將各污染物CFfinal與其CF限值相比較，即可判定車輛排放水平。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 冷啟動(dòng)對(duì)車輛總排放的影響

由于測(cè)試在混動(dòng)模式下進(jìn)行，車輛行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)間歇工作，采用比排放或排放因子不能準(zhǔn)確評(píng)估車輛排放水平，因此本研究采用總排放量分析冷啟動(dòng)對(duì)污染物排放的影響。根據(jù)PEMS采集數(shù)據(jù)，得到試驗(yàn)車輛剔除冷啟動(dòng)與包含冷啟動(dòng)的NOx、CO、PN和CO2的排放變化，結(jié)果見表3。

表3 車輛總排放結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表3可見，將冷啟動(dòng)排放納入車輛排放測(cè)算對(duì)NOx影響最大，對(duì)CO2影響最小，與剔除冷啟動(dòng)的排放測(cè)算結(jié)果相比，包含冷啟動(dòng)的NOx總排放可達(dá)20.76 g，與剔除冷啟動(dòng)的NOx排放相比增長(zhǎng)20余倍，而納入冷啟動(dòng)后CO2排放增幅僅為4.4%，CO和PN排放增幅相當(dāng)，分別為9.0%、10.8%。綜上可知，雖然冷啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間僅352 s，占總運(yùn)行時(shí)間不到7%，但車輛在冷啟動(dòng)階段產(chǎn)生的排放不容小覷，尤其是NOx排放。因此將冷啟動(dòng)排放引入到整車排放結(jié)果評(píng)估中，加嚴(yán)重型混動(dòng)車排放限值，將是未來(lái)重型混動(dòng)車排放法規(guī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

3.2 冷啟動(dòng)對(duì)車輛瞬時(shí)排放的影響

圖3為車輛測(cè)試期間NOx、CO、CO2、PN的瞬時(shí)排放特性?？梢钥闯?，NOx、CO、PN在冷啟動(dòng)前后的排放變化明顯，而CO2排放變化較小，基本無(wú)差別。其中，NOx排放主要集中在冷啟動(dòng)階段，排放速率最大在0.2 g/s以上，排放量為19.78 g，占總排放量95%以上，PN在冷啟動(dòng)階段排放速率達(dá)到峰值，約為1.01×1011個(gè)/s；冷啟動(dòng)對(duì)CO2排放影響不明顯，冷啟動(dòng)前后CO2平均排放速率分別為10.56、16.79 g/s，冷啟動(dòng)階段CO2排放僅占總排放的4%左右，CO在冷啟動(dòng)階段排放速率達(dá)到峰值，約為0.40 g/s。

圖3 瞬時(shí)排放特性

在冷啟動(dòng)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速完成后，隨著車速升高，水溫和排氣溫度也隨之增加(見圖2)，導(dǎo)致NOx、PN和CO排放明顯升高且出現(xiàn)峰值。其中，NOx排放隨車速變化升高最明顯，雖然冷啟動(dòng)階段發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度較低不宜形成NOx的生成環(huán)境，但排氣溫度較低引起SCR處理轉(zhuǎn)化效率下降，造成車輛冷啟動(dòng)后發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的大量NOx泄露排出。PN在冷啟動(dòng)階段的排放主要發(fā)生在車速增加時(shí)，隨著噴油量增加，發(fā)動(dòng)機(jī)在冷啟動(dòng)因素影響下燃燒惡化，導(dǎo)致顆粒物排放增加。CO是一種不完全燃燒產(chǎn)物，在冷啟動(dòng)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度低，混合氣霧化效果差，導(dǎo)致此階段不完全燃燒產(chǎn)生的CO偏高。CO2排放受冷啟動(dòng)因素影響較小，而與行駛車速有較強(qiáng)的相關(guān)性。

3.3 包含冷啟動(dòng)的污染物排放評(píng)估結(jié)果

本研究參考冷啟動(dòng)排放評(píng)估方法將包含冷啟動(dòng)的污染物CF測(cè)算結(jié)果與CF限值進(jìn)行對(duì)比，綜合評(píng)估了車輛NOx、CO、PN這3種法規(guī)污染物的排放水平。根據(jù)PEMS采集數(shù)據(jù)進(jìn)行功基窗口劃分，結(jié)果見圖4，功基窗口的NOx、CO、PN的CF測(cè)算結(jié)果見圖5。

由圖4可見，所有功基窗口的平均功率與發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率的功率比均大于20%的閾值，表明該試驗(yàn)的有效窗口比例達(dá)100%；由圖5可以看出，除NOx外，CO和PN的所有功基窗口CF均低于限值86%以上，且整體變化較平穩(wěn)，其中CO的CF基本保持在0.10～0.20，PN的CF基本保持在0.14～0.27。NOx由于冷啟動(dòng)階段排放較高，窗口形成初期的CF較大，約有3%的功基窗口CF超出了1.5的限值，但隨著窗口移動(dòng)，NOx的CF逐漸減小，直至冷啟動(dòng)結(jié)束，CF下降至0.03左右，并保持平穩(wěn)，表明冷啟動(dòng)期間的NOx排放影響不容忽視。

圖4 功基窗口分析結(jié)果

圖5 功基窗口污染物的CF

本研究將冷啟動(dòng)排放數(shù)據(jù)引入到整車排放水平評(píng)估中，對(duì)本次測(cè)試的NOx、CO、PN 3種污染物進(jìn)行CFfinal加權(quán)計(jì)算。從表4可以看出，NOx的CFfinal與CFwarm相比增加了92.3倍，而CO、PN的CFfinal與其CFwarm相比幾乎不變?？傮w看來(lái)，NOx、CO、PN排放的最終評(píng)估結(jié)果均滿足限值要求，其中NOx和CO排放的CFfinal均低于其CF限值80%以上，PN排放的CFfinal低于其CF限值90%以上。

表4 污染物排放評(píng)估結(jié)果

4 結(jié) 論

對(duì)一輛重型柴油混動(dòng)自卸車進(jìn)行PEMS冷啟動(dòng)排放測(cè)試評(píng)估，并得出如下結(jié)論：(1)將冷啟動(dòng)納入排放測(cè)算后，NOx、PN、CO、CO2總排放有不同程度的上升，其中NOx排放增加最明顯，增長(zhǎng)約20倍，CO、PN排放增幅相當(dāng)，分別為9.0%、10.8%；CO2排放增幅較小，僅為4.4%，建議未來(lái)重型混動(dòng)車排放測(cè)試中考慮引入冷啟動(dòng)數(shù)據(jù)，更加真實(shí)地評(píng)價(jià)出車輛的實(shí)際排放水平；(2)污染物瞬態(tài)排放結(jié)果顯示，NOx排放主要集中在冷啟動(dòng)階段，CO、PN在冷啟動(dòng)階段排放速率達(dá)到峰值，CO2排放受冷啟動(dòng)因素影響最小，冷啟動(dòng)前后排放變化不明顯；(3)排放評(píng)估結(jié)果顯示，引入冷啟動(dòng)后的車輛整體排放雖然有所升高，但排放結(jié)果依然達(dá)標(biāo)，其中包含冷啟動(dòng)的NOx、CO排放的CFfinal均低于其CF限值80%以上，PN排放的CFfinal低于其CF限值90%以上。