混合動(dòng)力系統(tǒng)特殊工況對(duì)NOx 排放的影響研究

寧廷會(huì)， 喬運(yùn)乾， 賈艷艷， 李建東

（濰柴動(dòng)力股份有限公司， 山東 濰坊 261061）

混合動(dòng)力汽車通過(guò)合理的參數(shù)匹配、控制策略制定以及優(yōu)化控制，使車輛在實(shí)際應(yīng)用中不僅具有了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車行駛里程遠(yuǎn)的特點(diǎn)，而且還具有純電動(dòng)汽車高效、清潔的優(yōu)勢(shì)，是目前汽車行業(yè)最具實(shí)際發(fā)展意義的新能源汽車。但發(fā)動(dòng)機(jī)啟停功能因停機(jī)時(shí)對(duì)后處理溫度的影響使行業(yè)上擔(dān)心會(huì)對(duì)車輛實(shí)時(shí)排放帶來(lái)負(fù)面效果，同時(shí)在冷熱態(tài)時(shí)的急加速工況是易產(chǎn)生高排放的特殊工況，因此探索混合動(dòng)力技術(shù)對(duì)車輛排放的影響首先要對(duì)這些特殊工況進(jìn)行評(píng)估。

本文借助項(xiàng)目開發(fā)資源支持，通過(guò)充分的試驗(yàn)對(duì)特殊工況的排放情況進(jìn)行摸底，通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證熱態(tài)急加速、冷態(tài)急加速及不同停機(jī)時(shí)長(zhǎng)對(duì)后處理溫度的變化及對(duì)排放物的影響。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文從發(fā)動(dòng)機(jī)啟停功能、熱態(tài)急加速和冷態(tài)急加速3種特殊工況探索混合動(dòng)力技術(shù)對(duì)排放的影響，為給出定量結(jié)論，需以傳統(tǒng)車輛為對(duì)標(biāo)基準(zhǔn)，所以每種工況都需要有傳統(tǒng)車的同步試驗(yàn)，且需保證試驗(yàn)條件的一致性?；旌蟿?dòng)力的啟停工況對(duì)應(yīng)傳統(tǒng)車的怠速工況模式。

本文試驗(yàn)對(duì)象為8×4單軸并聯(lián)混合動(dòng)力重型商用車，因其具備傳統(tǒng)的純發(fā)動(dòng)機(jī)模式，以此為對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)調(diào)取發(fā)動(dòng)機(jī)排溫、高壓系統(tǒng)狀態(tài)、車輛系統(tǒng)狀態(tài)、當(dāng)前擋位、需求擋位、離合器需求位置、離合器實(shí)際位置、車速、加速踏板開度、離合器氣壓、制動(dòng)開關(guān)狀態(tài)、T15開關(guān)、T50開關(guān)、發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩和實(shí)際扭矩、電機(jī)需求扭矩和實(shí)際扭矩等重要變量，記錄并保存。

1.1 停機(jī)&怠速工況試驗(yàn)對(duì)比

停機(jī)&怠速工況的試驗(yàn)均為熱機(jī)狀態(tài)下，試驗(yàn)初始條件為發(fā)動(dòng)機(jī)水溫≥75℃、SCR上游溫度≥220℃。

車輛以傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)模式工作，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速1min，踩30%油門將SCR上游溫度至≥220℃作為一組試驗(yàn)，若SCR上游溫度降低不到220℃，試驗(yàn)結(jié)束。通過(guò)同樣的方法進(jìn)行不同油門下怠速時(shí)間分別為5min、10min、15min、20min、30min的試驗(yàn)。怠速工況試驗(yàn)項(xiàng)目詳細(xì)工況見(jiàn)表1。

表1 怠速工況試驗(yàn)項(xiàng)目

進(jìn)行停機(jī)工況試驗(yàn)時(shí)車輛為正常混動(dòng)模式，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)1min，踩30%油門將SCR上游溫度至≥220℃作為一組試驗(yàn)，若SCR上游溫度降低不到220℃，試驗(yàn)結(jié)束。通過(guò)同樣的方法進(jìn)行不同油門下停機(jī)時(shí)間分別為5min、10min、15min、20min、30min的試驗(yàn)。停機(jī)工況試驗(yàn)項(xiàng)目詳細(xì)工況見(jiàn)表2。

表2 停機(jī)工況試驗(yàn)項(xiàng)目

1.2 熱態(tài)急加速工況

該工況初始條件為發(fā)動(dòng)機(jī)水溫≥75℃、SCR上游溫度≥220℃，踩油門至100%，分別進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)模式、混動(dòng)模式的排放對(duì)比，試驗(yàn)項(xiàng)目見(jiàn)表3，記錄并保存數(shù)據(jù)。

表3 熱態(tài)急加速工況

1.3 冷態(tài)急加速工況

該工況初始條件為自然環(huán)境下的冷態(tài)，變油門逐步提升，記錄溫度和排放情況。同樣，分別進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)模式、混動(dòng)模式的排放對(duì)比。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 停機(jī)&怠速工況驗(yàn)證

在動(dòng)力總成臺(tái)架及道路上均進(jìn)行了不同停機(jī)&怠速時(shí)長(zhǎng)的溫度變化和排放試驗(yàn)。圖1、圖2分別為道路試驗(yàn)空載和滿載時(shí)不同怠速&停機(jī)時(shí)長(zhǎng)的溫度變化情況。

圖1 道路空載怠速&停機(jī)溫差對(duì)比

圖2 道路滿載怠速&停機(jī)溫差對(duì)比

當(dāng)再次以固定50%油門起動(dòng)加速對(duì)整車進(jìn)行加熱，達(dá)到初始后處理溫度（以SCR上游溫度為參考） 混動(dòng)模式所用時(shí)間比傳統(tǒng)模式短，圖3為滿載時(shí)加速的升溫時(shí)間對(duì)比。

圖3 道路滿載怠速&停機(jī)升溫時(shí)長(zhǎng)對(duì)比

在動(dòng)力總成臺(tái)架上進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)、以不同油門再次起動(dòng)升溫的怠速&停機(jī)驗(yàn)證。圖4～圖6分別為再次起動(dòng)油門50%，80%及100%不同怠速&停機(jī)時(shí)長(zhǎng)的后處理溫度隨時(shí)間的變化曲線。

圖4 怠速&停機(jī)溫度變化 （50%油門）

圖5 怠速&停機(jī)溫度變化 （80%油門）

圖6 怠速&停機(jī)溫度變化 （100%油門）

通過(guò)數(shù)據(jù)可知，在當(dāng)前熱態(tài)試驗(yàn)條件下怠速或停機(jī)的溫度都以某一速率下降，怠速25min后溫度穩(wěn)定在120℃附近。無(wú)論是道路試驗(yàn)還是臺(tái)架試驗(yàn)在不同怠速&停機(jī)時(shí)長(zhǎng)下都反映出停機(jī)溫度下降比怠速慢趨勢(shì)，因此停機(jī)有利于后處理保溫。油門再次啟動(dòng)達(dá)到相同的后處理工作溫度，停機(jī)工況所需時(shí)間明顯短于怠速工況，時(shí)間提升20%～70%。

定義從初始溫度怠速&停機(jī)一定時(shí)長(zhǎng)，油門再次起動(dòng)溫度回升到初始溫度值為一個(gè)完整循環(huán)。在整個(gè)循環(huán)工程中停機(jī)模式的總排放物比怠速模式低，通過(guò)圖7～圖9可知，停機(jī)模式的比排放同樣優(yōu)于怠速模式。

圖7 50%油門開度總比排放

圖8 80%油門開度總比排放

圖9 100%油門開度總比排放

如果只看升溫過(guò)程產(chǎn)生的排放物，排放量上停機(jī)工況明顯低于怠速工況，但比排放并不一直低于怠速工況。具體數(shù)據(jù)可見(jiàn)圖10～圖12。

圖10 50%油門開度升溫比排放

圖11 80%油門開度升溫比排放

圖12 100%油門開度升溫比排放

綜上所述，特定工況循環(huán)下混合動(dòng)力的升溫保溫效果要明顯好于柴油機(jī)，排放物總量和比排放明顯低于柴油機(jī)。

2.2 熱態(tài)急加速工況驗(yàn)證

圖13為傳統(tǒng)與混動(dòng)模式扭矩分布對(duì)比。熱態(tài)急加速工況下，通過(guò)圖14可知混合模式因有電機(jī)助力，加速性好且升溫速率也快。

圖13 傳統(tǒng)與混動(dòng)模式扭矩分布

圖14 急加速工況混動(dòng)&傳統(tǒng)模式對(duì)比

通過(guò)圖15可知，在急加速過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的NOx總量上混動(dòng)模式比傳統(tǒng)模式少0.7g，占總量的8%，兩種模式的瞬態(tài)排放峰值相差不大。因?yàn)榛靹?dòng)模式發(fā)動(dòng)機(jī)的做工少，該模式下的NOx比排放比傳統(tǒng)模式要高。

圖15 急加速工況混動(dòng)&傳統(tǒng)模式對(duì)比

2.3 冷態(tài)急加速工況驗(yàn)證

如圖16所示，冷態(tài)加速過(guò)程加速到相同溫度時(shí)，在升到相同溫度時(shí)混合動(dòng)力比柴油機(jī)模式用時(shí)略長(zhǎng)，兩者做功基本相同，但排放物總量和比排放要明顯高于傳統(tǒng)模式。冷態(tài)加速混動(dòng)模式&傳統(tǒng)模式對(duì)比如圖17所示。

圖16 冷態(tài)加速模式對(duì)比

圖17 冷態(tài)加速混動(dòng)模式&傳統(tǒng)模式對(duì)比

3 結(jié)論

1） 混合動(dòng)力系統(tǒng)的停機(jī)模式相對(duì)于傳統(tǒng)車的怠速對(duì)后處理系統(tǒng)的保溫及排放都有改善。

2） 在低負(fù)荷工況混合動(dòng)力系統(tǒng)用純電動(dòng)行駛，當(dāng)提高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)再次介入時(shí)（傳統(tǒng)模式為發(fā)動(dòng)機(jī)一直工作），溫度可較快速達(dá)到后處理工作溫度。

本文為研究混合動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)排放的影響進(jìn)行了試驗(yàn)探索，為充分發(fā)揮混合動(dòng)力技術(shù)優(yōu)勢(shì)提供了數(shù)據(jù)支撐。