運(yùn)行模式對(duì)重型混動(dòng)車污染物及碳排放的影響

景曉軍,許丹丹,李騰騰,高東志,趙健福

(中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司重排部,天津 300300)

重型車是我國交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重要組成部分,但能源消耗高、污染物排放大也是重型車一個(gè)較突出的特點(diǎn),截止2020年,重型車以汽車總量12%的保有量,占據(jù)了汽車能源消耗總量的55%以上[1]。近年來,隨著國家雙碳目標(biāo)的提出和節(jié)能減排、減污降碳工作方案的發(fā)布,重型車電動(dòng)化作為節(jié)能降碳減污協(xié)同增效的重要技術(shù)路線,正在快速發(fā)展。得益于汽車技術(shù)的快速發(fā)展,混動(dòng)技術(shù)在重型車上的應(yīng)用,一方面解決了傳統(tǒng)燃油車能源消耗高的問題,另一方面彌補(bǔ)了純電動(dòng)車充電難、里程焦慮等短板,因此混動(dòng)車或?qū)⒊蔀樾履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要選擇[2-4]。雖然混動(dòng)車節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯,但因?yàn)橛邪l(fā)動(dòng)機(jī)參與工作,頻繁起動(dòng)帶來的污染物排放問題不容忽視[5-6]。

目前,關(guān)于混動(dòng)車排放測(cè)試的研究大多數(shù)以輕型混動(dòng)車作為研究對(duì)象,并且測(cè)試條件僅局限于車輛混動(dòng)模式。如王長卉[7]在轉(zhuǎn)轂臺(tái)架上研究了不同構(gòu)型的混動(dòng)車氣態(tài)排放和PN生成原理及排放特性,結(jié)果表明,混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起停對(duì)氣態(tài)污染物影響較小,但加劇了PN排放。鄭豐等[8]在不同海拔環(huán)境下研究了混動(dòng)車實(shí)際道路污染物排放和CO2排放特征及變化規(guī)律,結(jié)果顯示,高海拔環(huán)境下,混動(dòng)車CO和CO2排放因子均有升高,而NOx和PN排放因子有所下降。劉文亮等[9]利用轉(zhuǎn)轂及環(huán)境倉研究了常溫和低溫環(huán)境對(duì)混動(dòng)車污染物排放的影響,結(jié)果顯示,低溫環(huán)境下混動(dòng)車污染物排放成倍增加。禹文林等[10]針對(duì)混動(dòng)車與同排量汽油車開展了RDE試驗(yàn),結(jié)果表明,大負(fù)荷急加速工況CO易出現(xiàn)排放峰值,負(fù)荷突然增大NOx和PN易出現(xiàn)排放峰值。SONG等[11]針對(duì)混動(dòng)車和汽油車開展PEMS測(cè)試試驗(yàn),結(jié)果顯示,市區(qū)工況混動(dòng)車節(jié)油優(yōu)勢(shì)明顯,怠速排放貢獻(xiàn)率基本為0。但由于輕重型車輛行駛工況和車重范圍的差異性,這些測(cè)試結(jié)果不能完全適應(yīng)和反映出重型混動(dòng)車的實(shí)際排放情況。

本研究選用設(shè)有運(yùn)行模式開關(guān)的重型混動(dòng)車,在試驗(yàn)室重型轉(zhuǎn)轂上,分別選擇混動(dòng)模式和純發(fā)動(dòng)機(jī)模式開展整車排放測(cè)試試驗(yàn),研究了重型混動(dòng)車運(yùn)行模式差異對(duì)污染物排放和碳排放的影響,為未來混動(dòng)技術(shù)健康發(fā)展、完善重型混動(dòng)車環(huán)保監(jiān)管體系提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)車輛

為了減少測(cè)試環(huán)境和測(cè)試條件等隨機(jī)因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響,選擇在試驗(yàn)室重型轉(zhuǎn)轂上,利用PEMS設(shè)備對(duì)一輛重型柴油混動(dòng)自卸汽車開展整車排放測(cè)試試驗(yàn)。車輛具體參數(shù)見表1。

表1 車輛參數(shù)

試驗(yàn)車輛的混動(dòng)控制策略主要依據(jù)車速判定,當(dāng)車速低于20 km/h時(shí),車輛主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛,當(dāng)車速超過20 km/h或車輛處于急加速和高負(fù)荷工況時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng),此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)協(xié)同工作,動(dòng)力總成通過控制電機(jī)的輸出調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài),在保障車輛動(dòng)力需求的前提下,使發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能工作在高效區(qū)間,這也是混動(dòng)車與傳統(tǒng)燃油車相比效率高、油耗低的主要原因。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

車輛在MAHA重型四驅(qū)轉(zhuǎn)轂上進(jìn)行整車排放測(cè)試,轉(zhuǎn)轂的前后軸距可調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)范圍為3.2～8.0 m,載荷模擬范圍為3.5～49.0 t,模擬最高車速可達(dá)130 km/h。轉(zhuǎn)轂可通過功率吸收裝置將車輛實(shí)際行駛時(shí)受到的滾動(dòng)阻力和空氣阻力進(jìn)行準(zhǔn)確模擬和再現(xiàn)。

排放測(cè)試設(shè)備選用HORIBA的OBS-ONE便攜式車載排放測(cè)量系統(tǒng)(PEMS),該設(shè)備主要由氣體測(cè)量模塊、PN測(cè)量模塊、排氣流量計(jì)(EFM)、GPS系統(tǒng)、主機(jī)、電源等部分組成,其中對(duì)NOx氣體的分析測(cè)量主要采用化學(xué)發(fā)光分析儀(CLD),采用不分光紅外線吸收型分析儀(NDIR)對(duì)CO進(jìn)行分析測(cè)量。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)依據(jù)GB/T 27840—2021《重型商用車燃料消耗量測(cè)量方法》測(cè)試規(guī)程進(jìn)行[12],測(cè)試循環(huán)選用中國工況CHTC-D,如圖1所示。為減小測(cè)量誤差,兩次試驗(yàn)均選擇同一位駕駛經(jīng)驗(yàn)豐富的司機(jī)操作車輛。車輛在轉(zhuǎn)轂上的行駛阻力通過查表法,選擇合適的推薦阻力系數(shù)進(jìn)行設(shè)定。試驗(yàn)前,將車輛固定安裝至底盤測(cè)功機(jī)上,選擇混動(dòng)模式,按照CHTC-D循環(huán)驅(qū)車進(jìn)行放電預(yù)處理,直至車輛達(dá)到電量平衡階段,預(yù)處理完畢。同時(shí)為保證PEMS設(shè)備安裝正確以及采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,排放測(cè)試開始前,預(yù)先采集一段試驗(yàn)數(shù)據(jù),判斷數(shù)據(jù)讀取的完整性。試驗(yàn)通過車輛上的運(yùn)行模式開關(guān),分別選擇在EV混動(dòng)模式和純發(fā)動(dòng)機(jī)模式,開展2次底盤測(cè)功機(jī)整車排放測(cè)試,并當(dāng)車輛冷卻水溫達(dá)到70 ℃以上時(shí)開始測(cè)試。

圖1 CHTC-D循環(huán)

2 運(yùn)行模式對(duì)污染物排的放影響

2.1 兩種運(yùn)行模式下的CO瞬時(shí)排放特性

圖2和圖3分別示出混動(dòng)模式和純發(fā)動(dòng)機(jī)模式下的CO瞬時(shí)排放。

圖2 混動(dòng)模式下的CO排放

從圖2和圖3可以看出,車輛在混動(dòng)模式運(yùn)行時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)導(dǎo)致排氣溫度波動(dòng)較大,尤其在低速段時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)間較長,排氣溫度出現(xiàn)了階躍性大幅度變化。由于CO排放受缸內(nèi)溫度影響較大,發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng),導(dǎo)致每次發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)缸內(nèi)溫度偏低,燃燒不充分,造成CO排放增加,在圖2中可以看見CO的排放峰值主要出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)突然起動(dòng)的瞬間。在純發(fā)動(dòng)機(jī)模式運(yùn)行時(shí),CO排放峰值主要發(fā)生在車輛急加速工況下,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量增加,局部混合氣過濃,導(dǎo)致燃燒不完全產(chǎn)物的排放量增加。

相比于純發(fā)動(dòng)機(jī)模式,混動(dòng)模式的CO平均排放速率降低61.9%。其中車輛受控制策略的調(diào)整,低速行駛時(shí),主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng),CO排放較小,最大排放峰值降低了92.2%,平均排放速率降低83.9%;而進(jìn)入高速段行駛后,發(fā)動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿υ摧敵瞿芰?CO排放相對(duì)低速段偏高,但相比于純發(fā)動(dòng)機(jī)模式,CO排放依然較低,最大排放峰值降低了92.3%,平均排放速率降低47.8%。主要因?yàn)楦咚俣坞m然發(fā)動(dòng)機(jī)介入工作,但電機(jī)作為輔助系統(tǒng)配合發(fā)動(dòng)機(jī)工作,為車輛行駛提供了所需的動(dòng)力,因此降低了發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的CO排放。

2.2 兩種運(yùn)行模式下的NOx瞬時(shí)排放特性

圖4和圖5示出混動(dòng)模式和純發(fā)動(dòng)機(jī)模式下的NOx瞬時(shí)排放。

圖4 混動(dòng)模式下的NOx排放

圖5 純發(fā)動(dòng)機(jī)模式下的NOx排放

從圖中可以看出,無論是混動(dòng)模式還是純發(fā)動(dòng)機(jī)模式,車輛由低速段加速變換至高速段時(shí),NOx排放激增,波動(dòng)較大。其中混動(dòng)模式下,高速段NOx排放約為低速段的2.0倍,排放峰值主要出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)突然起動(dòng)的瞬間。這是因?yàn)榈退俣蜗?發(fā)動(dòng)機(jī)參與工作時(shí)間較少,NOx排放不明顯,當(dāng)進(jìn)入高速段行駛時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)做功增多,但由于發(fā)動(dòng)機(jī)間歇停機(jī),導(dǎo)致停機(jī)再起動(dòng)時(shí),偏低的排氣溫度降低了SCR轉(zhuǎn)換效率,造成NOx排放增多。而純發(fā)動(dòng)機(jī)模式下,NOx排放主要發(fā)生在低速段以及低速段向高速段過渡階段,排放峰值出現(xiàn)在車輛急加速工況下。主要因?yàn)榈退傩旭倳r(shí),車輛排氣溫度偏低,SCR工作效率偏低,導(dǎo)致NOx排放升高,而車速突然增加時(shí),SCR工作響應(yīng)滯后,導(dǎo)致NOx瞬時(shí)排放偏高[13-14]。

相比于純發(fā)動(dòng)機(jī)模式,混動(dòng)模式NOx平均排放速率增加約1.8倍,其中在高速段下NOx排放升高明顯,最大峰值約為0.28 g/s。造成兩種模式NOx排放存在偏差的主要原因是混動(dòng)模式發(fā)動(dòng)機(jī)起停造成排氣溫度相對(duì)偏低,影響了SCR轉(zhuǎn)化效率。

2.3 兩種運(yùn)行模式下的PN瞬時(shí)排放特性

圖6和圖7分別示出混動(dòng)模式和純發(fā)動(dòng)機(jī)模式下的PN瞬時(shí)排放。

由圖可知,混動(dòng)模式下的PN排放明顯高于純發(fā)動(dòng)機(jī)模式,其中低速段下PN排放較純發(fā)動(dòng)機(jī)模式高約1個(gè)數(shù)量級(jí),高速段下高約3倍。由圖6可以看出,PN排放峰值主要出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)突然起動(dòng)的瞬間,其中低速段下PN排放峰值增加最明顯,最大約為5.8×1010個(gè)/s。主要原因是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)突然起動(dòng)時(shí),缸內(nèi)溫度相對(duì)較低,噴油霧化差,導(dǎo)致局部混合氣偏濃,PN排放增多[5]。純發(fā)動(dòng)機(jī)模式下,高速段的PN排放較低速段偏高4倍,排放峰值主要集中在車速突然升高的時(shí)刻,最大峰值約為4.2×109個(gè)/s。主要由于車輛動(dòng)力需求,高速段下發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度偏高,混合氣偏濃,更有利于PN形成。

2.4 兩種運(yùn)行模式下的污染物累計(jì)排放特性

表2示出混動(dòng)模式和發(fā)動(dòng)機(jī)模式下不同速度段的污染物累計(jì)排放量以及總排放量。從表中可以看出,在混動(dòng)模式下,各速度段的NOx和PN累計(jì)排放量均高于純發(fā)動(dòng)機(jī)模式,而各速度段的CO累計(jì)排放量低于純發(fā)動(dòng)機(jī)模式,主要原因已在上文進(jìn)行闡述。

表2 排放結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.5 運(yùn)行模式對(duì)污染物綜合比排放量的影響

利用瞬態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù),分別計(jì)算了低速和高速段下的部分污染物綜合比排放量,并計(jì)算了兩種模式下的整體綜合比排放量,其中污染物比排放量計(jì)算公式如下：

(1)

式中：e為污染物比排放量;m為污染物(CO,NOx,PN)排放量;W為發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功,其中混動(dòng)模式循環(huán)功為14.4 kW,純發(fā)動(dòng)機(jī)模式循環(huán)功為17.7 kW。

圖8示出兩種運(yùn)行模式下CO的低速、高速和綜合比排放量。從圖中可知,混動(dòng)模式下的綜合比排放量比純發(fā)動(dòng)機(jī)模式下降了50.9%,其中在低速段下降得較為明顯,下降幅度達(dá)78.0%,在高速段下降了33.9%,綜合來看混動(dòng)模式下的CO排放情況優(yōu)于純發(fā)動(dòng)機(jī)模式。

圖8 CO綜合比排放量

圖9和圖10分別示出兩種模式下的NOx和PN的比排放量情況。從圖中可以看出,混動(dòng)模式下的NOx和PN排放比純發(fā)動(dòng)機(jī)模式的排放要高。在NOx比排放量方面,混動(dòng)模式下的綜合比排放量是純發(fā)動(dòng)機(jī)模式下的2.0倍,其中高速段下的比排放量增加較為明顯,是純發(fā)動(dòng)機(jī)模式的2.2倍,低速段比排放量增加1.5倍;在PN比排放量方面,混動(dòng)模式下的綜合比排放量是純發(fā)動(dòng)機(jī)模式下的4.4倍,其中低速段下的比排放量增加特別明顯,是純發(fā)動(dòng)機(jī)模式的12.4倍,高速段比排放量增加3.3倍。整體分析發(fā)現(xiàn),混動(dòng)模式下的NOx和PN排放比純發(fā)動(dòng)機(jī)模式要高很多。

圖9 NOx綜合比排放量

圖10 PN綜合比排放量

3 運(yùn)行模式對(duì)碳排放的影響

利用燃料碳排放因子,計(jì)算得出試驗(yàn)中車輛的當(dāng)量CO2排放,計(jì)算公式如下：

(2)

式中：C為碳排放量;Q為試驗(yàn)燃料消耗率;kCO2為燃料的碳排放因子,為26.7 kg/L。

圖11示出混動(dòng)模式和純發(fā)動(dòng)機(jī)模式的瞬時(shí)碳排放。從圖中可知,不論在低速段還是高速段,混動(dòng)車模式下的碳排放峰值和累計(jì)排放量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于純發(fā)動(dòng)機(jī)模式,其中在低速段,混動(dòng)模式基本都由電機(jī)驅(qū)動(dòng),發(fā)動(dòng)機(jī)很少工作,因此低速段混動(dòng)模式很少有碳排放;在高速段,由于發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)協(xié)同工作,動(dòng)力總成通過控制電機(jī)的輸出調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài),在保障車輛動(dòng)力需求的前提下,使發(fā)動(dòng)機(jī)盡可能地工作在高效區(qū)間,即使處于急加速時(shí),碳排放也未出現(xiàn)大幅增加,很好地控制了高速急加速工況的碳排放。

圖11 瞬時(shí)碳排放量

圖12示出混動(dòng)模式和純發(fā)動(dòng)機(jī)模式的總碳排放量。從圖中可知,混動(dòng)模式的碳排放明顯低于純發(fā)動(dòng)機(jī)模式。在碳排放總量方面,混動(dòng)模式比純發(fā)動(dòng)機(jī)模式降低了70.1%,特別是在低速段降碳優(yōu)勢(shì)更為明顯,相對(duì)純發(fā)動(dòng)機(jī)模式降低了79.5%,在高速段,相對(duì)純發(fā)動(dòng)機(jī)模式降低了68.2%,表明重型混動(dòng)車相較于傳統(tǒng)燃油車的減碳優(yōu)勢(shì)比較明顯,混動(dòng)技術(shù)應(yīng)用為重型車應(yīng)對(duì)汽車行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型具有積極作用。

圖12 總碳排放量

4 結(jié)論

a) 混動(dòng)模式下發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng),排氣溫度波動(dòng)明顯,尤其在低速段,排氣溫度出現(xiàn)了階躍性的變化規(guī)律;

b) 混動(dòng)模式發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)協(xié)同工作,CO排放峰值主要集中在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)起動(dòng)時(shí),其CO平均排放速率以及綜合比排放量較純發(fā)動(dòng)機(jī)模式分別降低61.9%和50.9%,尤其在低速段,CO排放降低明顯;

c) 相比于純發(fā)動(dòng)機(jī)模式,混動(dòng)模式的NOx與PN排放升高;NOx綜合比排放量較純發(fā)動(dòng)機(jī)模式約增加2.0倍,尤其在高速段增加較為明顯;PN綜合比排放量較純發(fā)動(dòng)機(jī)模式增加4.4倍,尤其在低速段升高明顯,約增加12.4倍;

d) 混動(dòng)模式的碳排放量較純發(fā)動(dòng)機(jī)模式明顯偏低,降幅約70.1%,表明混動(dòng)車較傳統(tǒng)燃料車降碳優(yōu)勢(shì)明顯。