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        混合動力系統(tǒng)特殊工況對NOx 排放的影響研究

        2022-12-28 08:04:32寧廷會喬運(yùn)乾賈艷艷李建東
        汽車電器 2022年11期
        關(guān)鍵詞:后處理發(fā)動機(jī)

        寧廷會, 喬運(yùn)乾, 賈艷艷, 李建東

        (濰柴動力股份有限公司, 山東 濰坊 261061)

        混合動力汽車通過合理的參數(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),而且還具有純電動汽車高效、清潔的優(yōu)勢,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)動機(jī)啟停功能因停機(jī)時對后處理溫度的影響使行業(yè)上擔(dān)心會對車輛實(shí)時排放帶來負(fù)面效果,同時在冷熱態(tài)時的急加速工況是易產(chǎn)生高排放的特殊工況,因此探索混合動力技術(shù)對車輛排放的影響首先要對這些特殊工況進(jìn)行評估。

        本文借助項(xiàng)目開發(fā)資源支持,通過充分的試驗(yàn)對特殊工況的排放情況進(jìn)行摸底,通過實(shí)際數(shù)據(jù)來驗(yàn)證熱態(tài)急加速、冷態(tài)急加速及不同停機(jī)時長對后處理溫度的變化及對排放物的影響。

        1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        本文從發(fā)動機(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力技術(shù)對排放的影響,為給出定量結(jié)論,需以傳統(tǒng)車輛為對標(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。混合動力的啟停工況對應(yīng)傳統(tǒng)車的怠速工況模式。

        本文試驗(yàn)對象為8×4單軸并聯(lián)混合動力重型商用車,因其具備傳統(tǒng)的純發(fā)動機(jī)模式,以此為對標(biāo)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時調(diào)取發(fā)動機(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、制動開關(guān)狀態(tài)、T15開關(guān)、T50開關(guān)、發(fā)動機(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)動機(jī)水溫≥75℃、SCR上游溫度≥220℃。

        車輛以傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)模式工作,發(fā)動機(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。通過同樣的方法進(jìn)行不同油門下怠速時間分別為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)時車輛為正?;靹幽J?,發(fā)動機(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。通過同樣的方法進(jìn)行不同油門下停機(jī)時間分別為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)動機(jī)水溫≥75℃、SCR上游溫度≥220℃,踩油門至100%,分別進(jìn)行發(fā)動機(jī)模式、混動模式的排放對比,試驗(yàn)項(xiàng)目見表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)動機(jī)模式、混動模式的排放對比。

        2 試驗(yàn)驗(yàn)證

        2.1 停機(jī)&怠速工況驗(yàn)證

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

        圖1 道路空載怠速&停機(jī)溫差對比

        圖2 道路滿載怠速&停機(jī)溫差對比

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

        圖3 道路滿載怠速&停機(jī)升溫時長對比

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

        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。無論是道路試驗(yàn)還是臺架試驗(yàn)在不同怠速&停機(jī)時長下都反映出停機(jī)溫度下降比怠速慢趨勢,因此停機(jī)有利于后處理保溫。油門再次啟動達(dá)到相同的后處理工作溫度,停機(jī)工況所需時間明顯短于怠速工況,時間提升20%~70%。

        定義從初始溫度怠速&停機(jī)一定時長,油門再次起動溫度回升到初始溫度值為一個完整循環(huán)。在整個循環(huán)工程中停機(jī)模式的總排放物比怠速模式低,通過圖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)與混動模式扭矩分布對比。熱態(tài)急加速工況下,通過圖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)與混動模式扭矩分布

        圖14 急加速工況混動&傳統(tǒng)模式對比

        通過圖15可知,在急加速過程發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的NOx總量上混動模式比傳統(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)榛靹幽J桨l(fā)動機(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&傳統(tǒng)模式對比

        2.3 冷態(tài)急加速工況驗(yàn)證

        如圖16所示,冷態(tài)加速過程加速到相同溫度時,在升到相同溫度時混合動力比柴油機(jī)模式用時略長,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)加速混動模式&傳統(tǒng)模式對比如圖17所示。

        圖16 冷態(tài)加速模式對比

        圖17 冷態(tài)加速混動模式&傳統(tǒng)模式對比

        3 結(jié)論

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

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

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

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