不同運行模式及測試循環(huán)下重型混合動力汽車排放特性試驗研究*

李騰騰 趙健福 高東志 景曉軍 呂恒緒

（1.天津大學(xué)，天津 300072；2.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300）

主題詞：重型混合動力汽車 C-WTVC 中國重型商用車輛行駛工況 排放特性

1 前言

目前，重型混合動力汽車排放型式認(rèn)證按照GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》，在發(fā)動機臺架上采用瞬態(tài)循環(huán)（World Harmonised Transient Cycle，WHTC）、穩(wěn)態(tài)循環(huán)（World Harmonised Steady State Cycle，WHSC）開展測試，但重型混合動力汽車在實際行駛過程中，發(fā)動機存在間歇性起停、實際運行工況與測試工況存在較大差距的問題。因此，沿用傳統(tǒng)重型發(fā)動機測試方法來評價重型混合動力汽車性能容易造成測試結(jié)果偏離實際行駛結(jié)果[1-3]，有必要開展面向重型混合動力整車的排放特性研究。

車輛測試工況對能耗與排放測試結(jié)果有著重要影響[4-5]。現(xiàn)階段，中國重型柴油車底盤測功機測試采用C-WTVC循環(huán)，該測試循環(huán)是在世界重型商用車輛瞬態(tài)循環(huán)（World Transient Vehicle Cycle，WTVC）基礎(chǔ)上調(diào)整后生成的，并不能完全代表中國實際道路行駛狀況。該測試循環(huán)使用一條通用的車速-時間曲線，并為不同類型車輛設(shè)計了不同的特征里程分配比例，用以加權(quán)計算綜合燃油消耗量和排放量。但是，研究表明，各類車型在不同速度段的運行特征存在明顯差異，即便加入了特征里程分配比例，采用同一條車速-時間曲線也無法同時反映各類車型的運行特點[6]。

GB/T 38146.2—2019《中國汽車行駛工況 第2 部分：重型商用車輛》中針對不同類型重型車輛共有6條工況曲線，能夠合理反映我國實際道路行駛狀況。開展中國重型商用車輛行駛工況（China Heavy-duty commercial vehicle Test Cycle，CHTC）下的排放特性研究，對未來CHTC工況在排放標(biāo)準(zhǔn)中的導(dǎo)入以及車輛減排技術(shù)的開發(fā)有著重要意義。

本文基于一臺重型混合動力自卸車，采用底盤測功機和便攜式排放測試系統(tǒng)（Portable Emissions Measurement System，PEMS）開展不同運行模式（純發(fā)動機模式和混合動力模式）和不同測試循環(huán)（C-WTVC 和CHTC）下車輛排放特性研究，對比分析C-WTVC和CHTC循環(huán)工況特征參數(shù)，并分析2種工況下車輛的排放表現(xiàn)。

2 試驗方案

2.1 試驗車輛

試驗所用車輛為重型自卸車，該車為N3 類非城市車輛、非外接充電型混合動力電動汽車。車輛配有集成式柴油機氧化型催化器（Diesel Oxidation Catalyst，DOC）、柴油機顆粒捕集器（Diesel Particulate Filter，DPF）、選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）裝置。試驗車輛的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗車輛主要技術(shù)參數(shù)

試驗車輛采用發(fā)動機與電機的并聯(lián)混合動力結(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，車輛由電動機單獨驅(qū)動行駛；當(dāng)電池電量不足、車輛高速平穩(wěn)行駛時，電動機停止工作，車輛由發(fā)動機直接驅(qū)動；當(dāng)車輛處于急加速或者大負(fù)荷工況時，車輛由發(fā)動機和電機共同驅(qū)動。

2.2 測試設(shè)備

試驗在整車底盤測功機上開展，采用PEMS進(jìn)行污染物排放測量。排放測試設(shè)備為HORIBA公司的OBSONE便攜式車載排放分析儀，主要由采樣預(yù)處理模塊、氣體測量模塊、粒子數(shù)量（Particle Number，PN）測量模塊、排氣流量計（Emission gas Flow Meter，EFM）、GPS 接收機、主機、電源等部分組成。該設(shè)備采用不分光紅外線吸收型分析儀（Non-Dispersive Infra-Red，NDIR）測量CO 排放量，采用化學(xué)發(fā)光分析儀（Chemiluminescent Detector，CLD）測量NOx排放量。

2.3 試驗方法

通過調(diào)整混合動力控制單元（Hybrid Control Unit，HCU）參數(shù)，可以控制車輛在純發(fā)動機模式或混合動力模式下運行。試驗采用C-WTVC 測試循環(huán)和中國自卸汽車行駛工況（China Heavy-duty commercial vehicle Test Cycle for Dumper，CHTC-D）測試循環(huán)。根據(jù)GB/T 27840—2011《重型商用車輛燃料消耗量測量方法》，C-WTVC 工況時長共1 800 s，包括市區(qū)循環(huán)（第0～900 s）、公路循環(huán)（第900～1 368 s）和高速循環(huán)（第1 368～1 800 s）3個速度區(qū)間。根據(jù)特征里程分配比例，自卸汽車公路比例為100%，市區(qū)和高速比例均為0%。根據(jù)GB/T 38146.2—2019，CHTC 測試循環(huán)中，CHTC-D測試循環(huán)時長共1 300 s，包括低速部分（第0～540 s）和高速部分（第540～1 300 s）2個速度區(qū)間。

試驗根據(jù)GB 17691—2018 中規(guī)定的能耗-排放聯(lián)測方法進(jìn)行測試與污染物排放量計算。試驗測試工況如表2所示。

表2 試驗工況

3 數(shù)據(jù)處理

發(fā)動機循環(huán)功W由車載排放診斷系統(tǒng)讀取不同時刻的發(fā)動機轉(zhuǎn)速ni和扭矩Ti計算得到：

式中，m為采樣次數(shù)；f為采樣頻率。

污染物排放量由PEMS 設(shè)備讀取的排放量瞬時值積分得到，該設(shè)備可以實時讀取NOx、CO、顆粒物及CO2的排放量瞬時值，采樣頻率為1 Hz。

污染物最終的比排放為：

式中，M為某種污染物排放總質(zhì)量。

4 試驗結(jié)果

4.1 NOx排放量分析

該混合動力自卸車在純發(fā)動機模式及混合動力模式下采用C-WTVC 或CHTC-D 測試循環(huán)的NOx排放結(jié)果如圖1所示。根據(jù)GB/T 27840—2011，測試結(jié)果按照特征里程分配比例加權(quán)計算得到，其中自卸車市區(qū)、公路、高速比例分別為0%、100%、0%?！癈-WTVC-加權(quán)”和“C-WTVC-總體”分別代表加權(quán)和未加權(quán)的NOx排放量結(jié)果。

圖1 C-WTVC與CHTC-D循環(huán)下NOx排放量對比

由圖1可知：在純發(fā)動機模式下，CHTC-D循環(huán)NOx排放量明顯較C-WTVC 循環(huán)高，且C-WTVC 未加權(quán)結(jié)果明顯高于加權(quán)結(jié)果；在混合動力模式下，CHTC-D 循環(huán)NOx排放量較C-WTVC循環(huán)低，C-WTVC未加權(quán)結(jié)果與加權(quán)結(jié)果相近。此外，相同的測試循環(huán)下，混合動力模式下的NOx排放量結(jié)果明顯較純發(fā)動機模式高。

為了明確導(dǎo)致CHTC-D 和C-WTVC 循環(huán)下NOx排放結(jié)果差異的原因，首先對比2 種循環(huán)的工況特征參數(shù)，如表3和圖2所示。對比發(fā)現(xiàn)：相比C-WTVC循環(huán)，CHTC-D 循環(huán)最大車速和平均車速較低，怠速比例較高；相比C-WTVC-總體循環(huán)，C-WTVC-加權(quán)工況車輛平均車速較高，怠速比例較低。

表3 CHTC-D和C-WTVC工況特征參數(shù)對比

圖2 CHTC-D與C-WTVC工況特性對比

純發(fā)動機模式下，C-WTVC循環(huán)和CHTC-D循環(huán)的車輛NOx排放量瞬時值、排氣溫度及發(fā)動機轉(zhuǎn)速分別如圖3、圖4 所示。CHTC-D 循環(huán)下排氣溫度明顯較C-WTVC循環(huán)低，這是因為CHTC-D循環(huán)下車輛行駛負(fù)荷較低，怠速比例較高。試驗車采用SCR技術(shù)降低NOx排放量，而SCR轉(zhuǎn)化效率受排氣溫度影響很大，低溫條件下，SCR轉(zhuǎn)化效率較低[7-8]。因此，CHTC-D循環(huán)下NOx排放量明顯較C-WTVC循環(huán)高。

圖3 純發(fā)動機模式下采用C-WTVC循環(huán)的瞬時排放特性

圖4 純發(fā)動機模式下采用CHTC-D循環(huán)的瞬時排放特性

如前所述，C-WTVC-加權(quán)工況下，車輛怠速比例較C-WTVC-總體工況低，車輛排氣溫度較高，有利于SCR轉(zhuǎn)化，因此如圖3 所示，C-WTVC-加權(quán)工況下的NOx排放量較C-WTVC-總體工況低。

如圖4所示，在CHTC-D循環(huán)下，NOx排放量的峰值主要集中于低速部分及高速部分的初始階段。在低速部分，發(fā)動機排氣溫度較低，不利于SCR轉(zhuǎn)化，因此NOx排放量較高。而在由低速過渡至高速時，發(fā)動機負(fù)荷明顯增加，隨著發(fā)動機負(fù)荷增大，可燃混合氣平均空燃比減小，使得燃燒壓力和溫度提高，導(dǎo)致NOx排放量增加。而且此時發(fā)動機排氣溫度仍然較低，SCR轉(zhuǎn)化效率不高，最終導(dǎo)致出現(xiàn)NOx瞬時排放量峰值。

圖5、圖6 所示為混合動力模式下C-WTVC 及CHTC-D 循環(huán)試驗車NOx瞬時排放特性、排氣溫度及發(fā)動機轉(zhuǎn)速情況。在混合動力模式下，由于電池系統(tǒng)參與，發(fā)動機并未一直運轉(zhuǎn)，而是存在間歇性起停的情況。伴隨發(fā)動機間歇性停機，排氣溫度也急劇下降，而這不利于SCR轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致NOx排放量明顯較純發(fā)動機模式高。

圖5 混合動力模式下采用C-WTVC循環(huán)的瞬時排放特性

圖6 混合動力模式下采用CHTC-D循環(huán)的瞬時排放特性

對比圖5和圖6發(fā)現(xiàn)：相比CHTC-D循環(huán)，C-WTVC循環(huán)下發(fā)動機停機更加頻繁，單次停機時間更短，這不利于發(fā)動機排氣溫度的恢復(fù)和穩(wěn)定。因此，C-WTVC循環(huán)下NOx排放量較CHTC-D循環(huán)略高。

4.2 CO排放量分析

該混合動力自卸車在純發(fā)動機模式及混合動力模式下采用C-WTVC 和CHTC-D 測試循環(huán)的CO 排放結(jié)果如圖7 所示。在2 種模式下，CHTC-D 循環(huán)下的CO排放量均較C-WTVC 循環(huán)高，且C-WTVC-總體循環(huán)下的CO 排放量均較C-WTVC-加權(quán)高。此外，對比純發(fā)動機模式與混合動力模式下的CO 排放量發(fā)現(xiàn)：相同的測試循環(huán)下，混合動力模式下CO 排放量均較純發(fā)動機模式低。

圖7 C-WTVC與CHTC-D循環(huán)下CO排放量對比

圖8 所示為純發(fā)動機模式下采用C-WTVC 循環(huán)和CHTC-D循環(huán)時CO排放量瞬時值與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系。CO 的產(chǎn)生是燃油燃燒不充分所致，是由于氧氣不足而生成的中間產(chǎn)物。在柴油機的大部分運轉(zhuǎn)工況下，其過量空氣系數(shù)Φa都在1.5～3.0 范圍內(nèi)，因此其CO 排放量相對較低。只有在接近冒煙界限的大負(fù)荷（Φa=1.2～1.3）和小負(fù)荷工況，CO 的排放量才會急劇增加[9]。

圖8 純發(fā)動機模式下采用不同測試循環(huán)的CO瞬時排放情況

由圖8 可知，在純發(fā)動機模式下，采用2 種循環(huán)時CO排放量瞬時峰值主要集中于低速小負(fù)荷工況。如前所述，相比于C-WTVC 循環(huán)，CHTC-D 循環(huán)下怠速比例較高。在小負(fù)荷工況和怠速工況下，由于柴油機燃料與空氣混合不均勻，其燃燒室中總存在局部缺氧和低溫區(qū)域，以及反應(yīng)物在燃燒區(qū)停留時間較短，導(dǎo)致燃燒不充分而生成大量CO[10]。這就可以解釋純發(fā)動機模式下，CHTC-D循環(huán)下CO排放量較C-WTVC循環(huán)高。

圖9 所示為混合動力模式下采用C-WTVC 循環(huán)及CHTC-D循環(huán)時CO排放量瞬時值與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系。與純發(fā)動機模式不同，在混合動力模式下，2種循環(huán)下CO排放量瞬時峰值主要集中于高速大負(fù)荷工況。在混合動力模式下，電池系統(tǒng)和發(fā)動機系統(tǒng)協(xié)同工作，在車輛低速小負(fù)荷運行區(qū)間，車輛能量由電池供給，發(fā)動機不運轉(zhuǎn)；在車輛高速大負(fù)荷運行區(qū)間，電池能量不足以驅(qū)動車輛運行時，發(fā)動機參與能量供給。在發(fā)動機高速大負(fù)荷運行區(qū)間，其噴油量增加，過量空氣系數(shù)降低，導(dǎo)致燃燒不完全，CO排放量急劇增加。

圖9 混合動力模式下采用不同測試循環(huán)的CO瞬時排放情況

圖10 所示為不同試驗工況下車速-扭矩分布MAP圖。在混合動力模式下，發(fā)動機主要運行在中高轉(zhuǎn)速區(qū)間，避開了容易產(chǎn)生CO的低速小負(fù)荷區(qū)域，故混合動力模式下CO排放量較純發(fā)動機模式低。

圖10 不同試驗工況MAP圖

5 結(jié)束語

本文基于一臺重型混合動力自卸車，采用重型底盤測功機和PEMS 測試設(shè)備，研究其在不同運行模式（純發(fā)動機模式和混合動力模式）和不同測試循環(huán)（C-WTVC 循環(huán)和CHTC-D 循環(huán)）下NOx和CO 排放特性，結(jié)合工況特征參數(shù)分析該混合動力自卸車排放表現(xiàn)，得出以下結(jié)論：

a.純發(fā)動機模式下，相較于C-WTVC 循環(huán)，CHTC-D 循環(huán)下車輛行駛負(fù)荷較低，怠速比例較高，導(dǎo)致車輛排氣溫度低，不利于SCR 轉(zhuǎn)化，最終導(dǎo)致NOx排放量過高。而在混合動力模式下，相較于CHTC-D 循環(huán)，C-WTVC 循環(huán)下發(fā)動機停機更加頻繁，不利于發(fā)動機排氣溫度的恢復(fù)和穩(wěn)定，導(dǎo)致NOx排放量偏高。

b.混合動力模式下，由于電池系統(tǒng)參與供能，發(fā)動機存在間歇性停機，導(dǎo)致排氣溫度低，SCR 轉(zhuǎn)化效率低，最終導(dǎo)致NOx排放量較純發(fā)動機模式偏高。

c.純發(fā)動機模式和混合動力模式下，CHTC-D 循環(huán)CO 排放量均較C-WTVC 循環(huán)高。在純發(fā)動機模式下，CO排放主要集中于低速小負(fù)荷區(qū)域，而在混合動力模式下，CO排放主要集中于高速大負(fù)荷區(qū)域。

d.混合動力模式下，發(fā)動機主要運行在中高轉(zhuǎn)速區(qū)間，避開了容易產(chǎn)生CO的低速小負(fù)荷區(qū)域，所以混合動力模式下CO排放量較純發(fā)動機模式低。