某插電式混合動力汽車高原實際行駛排放試驗研究

劉文彬

安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心,安徽合肥 230601

0 引言

隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展,機動車保有量快速增加,車輛污染物排放已成為我國環(huán)境污染的主要來源[1]。為應(yīng)對日益嚴(yán)峻的排放污染問題,我國大力發(fā)展新能源汽車,混合動力汽車發(fā)展也進(jìn)入快車道。插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)的電池容量較大,可以通過外部電網(wǎng)充電,綜合了燃油汽車?yán)m(xù)駛里程長與純電動汽車清潔環(huán)保的優(yōu)點,在汽車市場中占有率逐步提高。文獻(xiàn)[1]加嚴(yán)了輕型車污染物排放限值,增加了粒子數(shù)量(particle number,PN)排放測量要求和實際行駛污染物排放(real driving emissions,RDE)測試要求等,因此有必要對PHEV車型開展RDE測試和研究。

本文中,在某市對PHEV車型開展高原低溫環(huán)境下的RDE測試,分析影響PHEV車型高原排放性能的關(guān)鍵影響因素及排放高的原因,并進(jìn)行優(yōu)化和試驗驗證。

1 RDE測試條件與排放計算方法

文獻(xiàn)[1]對傳統(tǒng)車型與PHEV車型的RDE測試過程和方法有詳細(xì)規(guī)定。

1.1 傳統(tǒng)車型RDE測試條件

1)海拔高度。普通海拔高度條件為不高于700 m;可擴展海拔高度為高于700 m且低于1 300 m;進(jìn)一步擴展的海拔高度為不低于1 300 m,且不高于2 400 m。

2)環(huán)境溫度。普通溫度條件為環(huán)境溫度不低于0 ℃且不高于30 ℃;擴展溫度條件為環(huán)境溫度高于或等于-7 ℃且低于0 ℃,或高于30 ℃且低于35 ℃。

3)測試質(zhì)量要求?；据d荷與附加載荷的和不得超過車輛最大載荷的90%。

4)行程和行駛比例要求。根據(jù)瞬時車速將行程劃分為市區(qū)、郊區(qū)和高速路段,各段所占總行程的比分別為34%、33%、33%,各段相對誤差應(yīng)控制在±10% 以內(nèi),但市區(qū)路段的行駛比例不能低于總行駛距離的29%。市區(qū)、郊區(qū)和高速路段的最小行駛距離均為16 km。

5)車速要求。最高車速為120 km/h,在不超過高速路段行駛時間的3%的時間內(nèi),最高車速最大可增加15 km/h;市區(qū)行駛的平均車速(包括停車)為15～40 km/h;高速段行駛車速應(yīng)覆蓋90～110 km/h,車速高于100 km/h 的時間不少于5 min;停車階段時間為市區(qū)行駛時間的6%～30%,單次停車超過180 s的時間段不計算排放。

6)持續(xù)時間要求。測試時間為90～120 min。

7)試驗用油要求。測試應(yīng)使用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的市售燃油和潤滑油。

8)行程動力學(xué)要求。車速與大于0.1 m/s2的正向加速度乘積的第95個百分位(記為kv,a,95)超過規(guī)定值,行程無效;相對正加速度(relative positive acceleration,RPA)小于規(guī)定值,行程無效。

9)累計正海拔高度增加量要求。試驗開始點和結(jié)束點之間的海拔高度差不得超過100 m;試驗車輛的累計海拔高度增加應(yīng)小于1 200 m/(100 m)。

10)排放計算方法。采用移動平均窗口法計算CO2排放。

11)完整性和正常性驗證要求。市區(qū)、市郊和高速窗口數(shù)量均占總窗口數(shù)量的15%以上;50%以上的市區(qū)、市郊和高速窗口落在特性曲線定義的基本公差范圍內(nèi)。

1.2 PHEV車型與傳統(tǒng)車型RDE測試要求對比

PHEV車型的RDE測試要求中,海拔高度、環(huán)境溫度、測試質(zhì)量、試驗用油、行程動力學(xué)、累計正海拔高度增加量、車速、持續(xù)時間、行駛距離等與傳統(tǒng)車型相同。

PHEV車型需在電量維持模式下開展試驗,并且市區(qū)行程中內(nèi)燃機工作的累計里程不少于12 km,不需要進(jìn)行完整性和正常性驗證,根據(jù)累計氣體排放、PN排放和 CO2排放計算最終RED排放(包含冷起動排放)。

1.3 排放結(jié)果計算方法

有別于傳統(tǒng)車型的移動平均窗口法計算排放結(jié)果,PHEV車型要求根據(jù)累計氣體排放、PN排放和CO2排放,計算最終的RDE排放結(jié)果。

RDE測試總行程的加權(quán)氣體污染物比排放或PN比排放

m1=mteWLTC,C/mt,C,

式中:mt為總行程的總氣體污染物排放或PN排放;mt,C為總行程的CO2排放;eWLTC,C為基于全球輕型車輛測試循環(huán)(worldwide harmonized light vehicles test cycle,WLTC)電量保持模式下包括冷起動過程排放的試驗車輛的CO2比排放,取試驗車輛的信息公開值。

RDE測試市區(qū)行程的加權(quán)氣體污染物比排放或PN比排放

m2=mueWLTC,C/mu,C,

式中:mu為市區(qū)行程的總氣體污染物排放或PN排放;mu,C為市區(qū)行程的CO2比排放。

該算法中包含了冷起動過程排放,低溫環(huán)境對PHEV汽車排放的影響較大[2],因此按照拓展低溫邊界要求開展RDE測試。

2 RDE試驗方案

2.1 試驗車輛

試驗車輛為滿足國六排放要求的直列、4缸、自然吸氣PHEV,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 PHEV汽車主要技術(shù)參數(shù)

2.2 試驗設(shè)備

采用日本HORIBA公司的OBS-ONE車載便攜式排放測試設(shè)備(portable emission measurement system,PEMS)進(jìn)行RDE測試。該系統(tǒng)主要由氣體(GAS)分析模塊、PN分析模塊和排氣流量計3部分組成[3]。OBS-ONE車載便攜式排放測試系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 OBS-ONE車載便攜式排放測試系統(tǒng)

氣體分析模塊的測試精度為滿量程的±0.3%和實際測量值的±2%中的較大者;PN分析模塊中,粒子計數(shù)器的精度為±10%,揮發(fā)性粒子去除率大于99%(C40)。

2.3 試驗方案

文獻(xiàn)[1]規(guī)定海拔高度應(yīng)在2 400 m以下,環(huán)境溫度為-7～35 ℃。西寧市海拔為2 400 m左右,冬季平均氣溫約為-7 ℃,因此選擇在西寧進(jìn)行低溫、高海拔RDE測試。先在平原地區(qū)開展RDE測試,確保測試車輛滿足國六排放要求。高原試驗前,PHEV靜置一夜,使發(fā)動機水溫達(dá)到-7 ℃,車輛在市區(qū)充分運行,電量控制在電量維持模式。

經(jīng)過測試,選擇的市區(qū)測試路段為昆侖西路—同仁路—西關(guān)大街—新寧路—昆侖西路,郊區(qū)測試路段為寧貴高速—寧大高速,高速測試路段為寧大高速—大通收費站,在大通收費站折返。

3 試驗結(jié)果分析與優(yōu)化

3.1 試驗結(jié)果及分析

相關(guān)研究表明,行駛動力學(xué)參數(shù)對RDE結(jié)果的影響較為明顯[4～7],且激烈駕駛對排放影響更大。為確保PHEV汽車RDE排放符合要求,試驗采用較為激烈的駕駛方式開展。

RDE測試完成后,行程動力學(xué)校核結(jié)果如表2所示,表中δ1為實測kv,a,95與最大kv,a,95的比,δ2為實測RPA與最小RPA的比。由表2可知:市區(qū)、郊區(qū)和高速路段的δ1、δ2均較大,駕駛風(fēng)格較為激烈。RDE測試的累計正海拔高度等均滿足文獻(xiàn)[1]要求。

表2 行程動力學(xué)校核結(jié)果

采用PEMS軟件分析試驗數(shù)據(jù),PHEV的RDE實測排放數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 PHEV的RDE結(jié)果

根據(jù)文獻(xiàn)[1]要求,NOx、PN的符合性因子(comformity factor,CF)應(yīng)小于2.1。由表3可知:該PHEV市區(qū)段NOx的CF為2.59,不滿足要求,需優(yōu)化NOx排放。

對逐秒采集的排放數(shù)據(jù)、發(fā)動機控制單元(engine control unit,ECU)的采集車速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果表明:發(fā)動機冷機起動及運行階段、發(fā)動機暖機起動及運行階段、發(fā)動機熱機起動階段、超高速駕駛加減速階段的NOx排放較高,其中發(fā)動機冷機起動及運行階段NOx排放最高。不同階段NOx排放隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 不同階段NOx排放隨時間變化曲線

根據(jù)該車控制架構(gòu)進(jìn)行分析,得出發(fā)動機冷機起動及運行、發(fā)動機熱機起動、超高速駕駛加減速階段NOx排放高的主要原因如下。

1)該車在平原地區(qū)的RDE測試結(jié)果滿足要求。高原階段,ECU在冷起動高原噴油系數(shù)修正、冷機運行過渡工況控制過程中空燃比偏稀。

2)發(fā)動機冷機及暖機運行階段,尤其是大油門駕駛時,車輛主要為串聯(lián)發(fā)電狀態(tài),選擇發(fā)電功率時未考慮對排放的影響,此時發(fā)動機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩均較大,導(dǎo)致排放較高。

3)PHEV車型存在較多的發(fā)動機起停,發(fā)動機起動階段存在一定的排放污染物,需要對暖機及熱機起動空燃比進(jìn)行優(yōu)化。

4)超高速駕駛階段,車輛主要采用并聯(lián)運行模式,加減速過程中整車控制單元(vehicle control unit,VCU)對ECU的轉(zhuǎn)矩請求存在突變,ECU在響應(yīng)轉(zhuǎn)矩請求時未考慮排放的影響,在負(fù)荷突變過程空燃比控制存在一定問題[8]。

3.2 排放優(yōu)化

根據(jù)PHEV車型的運行特點以及排放高的原因,采取以下優(yōu)化措施。

1)優(yōu)化發(fā)動機冷起動時的高原噴油系數(shù),在冷機運行階段優(yōu)化過渡工況空燃比控制,采取加濃處理,降低NOx排放。

2)發(fā)動機冷機及暖機階段,VCU限制發(fā)動機轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速,避免發(fā)動機運行在較高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷區(qū)間。

3)優(yōu)化發(fā)動機熱機起動噴油系數(shù),降低熱機起動過程污染物排放。

4)超高速階段,VCU優(yōu)化發(fā)動機轉(zhuǎn)矩請求,減緩轉(zhuǎn)矩突變,ECU優(yōu)化此過程空燃比。

對ECU及VCU的控制程序反復(fù)優(yōu)化,將優(yōu)化后的程序更新到車輛中,重新進(jìn)行RDE測試。優(yōu)化后PHEV的RDE實測數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可知:優(yōu)化后,總行程的NOx、PN排放較優(yōu)化前分別下降52.5%、75.2%,市區(qū)行程的NOx、PN排放分別下降70.3%、51.6%,且NOx、PN的CF均小于2.1,排放大幅降低,優(yōu)化措施有效。

表4 優(yōu)化后PHEV的RDE實測數(shù)據(jù)

逐秒采集程序優(yōu)化后的NOx排放數(shù)據(jù)和車速,如圖3所示。由圖3可知,整個運行過程的NOx排放均較低,排氣中NOx的體積分?jǐn)?shù)最大不超過0.1%。

圖3 程序優(yōu)化后排氣中NOx體積分?jǐn)?shù)秒采圖

4 結(jié)論

對某PHEV開展高原低溫環(huán)境下RDE測試,根據(jù)該車控制架構(gòu)分析排放高的原因,并通過ECU、VCU的標(biāo)定優(yōu)化降低排放。

1)標(biāo)定優(yōu)化后,PHEV的RDE總行程的NOx、PN排放較優(yōu)化前分別下降52.5%、75.2%,市區(qū)行程的NOx、PN排放分別下降70.3%、51.6%,滿足國六b階段限值要求。

2)與傳統(tǒng)車型不同, PHEV的RDE排放包含冷起動階段排放,在實際測試過程中應(yīng)更關(guān)注低溫對排放的影響;在RDE測試過程,發(fā)動機頻繁起停,因此,冷機的起動、催化器加熱、過渡控制、暖機及熱機起動等與RDE排放高相關(guān),在排放控制中應(yīng)予以關(guān)注。

3)與傳統(tǒng)車型不同,PHEV汽車排放與VCU的控制息息相關(guān),VCU的發(fā)電工況點、發(fā)動機的起停控制、串并聯(lián)切換、轉(zhuǎn)矩請求等對排放有較大影響,需要重點關(guān)注和優(yōu)化。