景曉軍,許丹丹,李騰騰,高東志,趙健福

(中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司重排部,天津 300300)

重型車是我國交通運輸領(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較突出的特點,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,另一方面彌補了純電動車充電難、里程焦慮等短板,因此混動車或?qū)⒊蔀樾履茉雌嚠a(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要選擇[2-4]。雖然混動車節(jié)能優(yōu)勢明顯,但因為有發(fā)動機參與工作,頻繁起動帶來的污染物排放問題不容忽視[5-6]。

目前,關(guān)于混動車排放測試的研究大多數(shù)以輕型混動車作為研究對象,并且測試條件僅局限于車輛混動模式。如王長卉[7]在轉(zhuǎn)轂臺架上研究了不同構(gòu)型的混動車氣態(tài)排放和PN生成原理及排放特性,結(jié)果表明,混合動力汽車發(fā)動機頻繁起停對氣態(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)境下研究了混動車實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)境對混動車污染物排放的影響,結(jié)果顯示,低溫環(huán)境下混動車污染物排放成倍增加。禹文林等[10]針對混動車與同排量汽油車開展了RDE試驗,結(jié)果表明,大負荷急加速工況CO易出現(xiàn)排放峰值,負荷突然增大NOx和PN易出現(xiàn)排放峰值。SONG等[11]針對混動車和汽油車開展PEMS測試試驗,結(jié)果顯示,市區(qū)工況混動車節(jié)油優(yōu)勢明顯,怠速排放貢獻率基本為0。但由于輕重型車輛行駛工況和車重范圍的差異性,這些測試結(jié)果不能完全適應(yīng)和反映出重型混動車的實際排放情況。

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

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗車輛

為了減少測試環(huán)境和測試條件等隨機因素對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響,選擇在試驗室重型轉(zhuǎn)轂上,利用PEMS設(shè)備對一輛重型柴油混動自卸汽車開展整車排放測試試驗。車輛具體參數(shù)見表1。

表1 車輛參數(shù)

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

1.2 試驗設(shè)備

車輛在MAHA重型四驅(qū)轉(zhuǎn)轂上進行整車排放測試,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130 km/h。轉(zhuǎn)轂可通過功率吸收裝置將車輛實際行駛時受到的滾動阻力和空氣阻力進行準確模擬和再現(xiàn)。

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

1.3 試驗方法

試驗依據(jù)GB/T 27840—2021《重型商用車燃料消耗量測量方法》測試規(guī)程進行[12],測試循環(huán)選用中國工況CHTC-D,如圖1所示。為減小測量誤差,兩次試驗均選擇同一位駕駛經(jīng)驗豐富的司機操作車輛。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)進行設(shè)定。試驗前,將車輛固定安裝至底盤測功機上,選擇混動模式,按照CHTC-D循環(huán)驅(qū)車進行放電預(yù)處理,直至車輛達到電量平衡階段,預(yù)處理完畢。同時為保證PEMS設(shè)備安裝正確以及采集數(shù)據(jù)準確,排放測試開始前,預(yù)先采集一段試驗數(shù)據(jù),判斷數(shù)據(jù)讀取的完整性。試驗通過車輛上的運行模式開關(guān),分別選擇在EV混動模式和純發(fā)動機模式,開展2次底盤測功機整車排放測試,并當(dāng)車輛冷卻水溫達到70 ℃以上時開始測試。

圖1 CHTC-D循環(huán)

2 運行模式對污染物排的放影響

2.1 兩種運行模式下的CO瞬時排放特性

圖2和圖3分別示出混動模式和純發(fā)動機模式下的CO瞬時排放。

圖2 混動模式下的CO排放

從圖2和圖3可以看出,車輛在混動模式運行時,發(fā)動機頻繁起動導(dǎo)致排氣溫度波動較大,尤其在低速段時的發(fā)動機停機時間較長,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)動機頻繁起動,導(dǎo)致每次發(fā)動機起動時缸內(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)動機停機突然起動的瞬間。在純發(fā)動機模式運行時,CO排放峰值主要發(fā)生在車輛急加速工況下,此時發(fā)動機噴油量增加,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)動機模式,混動模式的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,主要由電機驅(qū)動,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%;而進入高速段行駛后,發(fā)動機作為主要動力源輸出能量,CO排放相對低速段偏高,但相比于純發(fā)動機模式,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%。主要因為高速段雖然發(fā)動機介入工作,但電機作為輔助系統(tǒng)配合發(fā)動機工作,為車輛行駛提供了所需的動力,因此降低了發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的CO排放。

2.2 兩種運行模式下的NOx瞬時排放特性

圖4和圖5示出混動模式和純發(fā)動機模式下的NOx瞬時排放。

圖4 混動模式下的NOx排放

圖5 純發(fā)動機模式下的NOx排放

從圖中可以看出,無論是混動模式還是純發(fā)動機模式,車輛由低速段加速變換至高速段時,NOx排放激增,波動較大。其中混動模式下,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)動機突然起動的瞬間。這是因為低速段下,發(fā)動機參與工作時間較少,NOx排放不明顯,當(dāng)進入高速段行駛時,發(fā)動機做功增多,但由于發(fā)動機間歇停機,導(dǎo)致停機再起動時,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)動機模式下,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。主要因為低速行駛時,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,SCR工作響應(yīng)滯后,導(dǎo)致NOx瞬時排放偏高[13-14]。

相比于純發(fā)動機模式,混動模式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模式發(fā)動機起停造成排氣溫度相對偏低,影響了SCR轉(zhuǎn)化效率。

2.3 兩種運行模式下的PN瞬時排放特性

圖6和圖7分別示出混動模式和純發(fā)動機模式下的PN瞬時排放。

由圖可知,混動模式下的PN排放明顯高于純發(fā)動機模式,其中低速段下PN排放較純發(fā)動機模式高約1個數(shù)量級,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)動機突然起動的瞬間,其中低速段下PN排放峰值增加最明顯,最大約為5.8×1010個/s。主要原因是當(dāng)發(fā)動機突然起動時,缸內(nèi)溫度相對較低,噴油霧化差,導(dǎo)致局部混合氣偏濃,PN排放增多[5]。純發(fā)動機模式下,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刻,最大峰值約為4.2×109個/s。主要由于車輛動力需求,高速段下發(fā)動機缸內(nèi)燃燒溫度偏高,混合氣偏濃,更有利于PN形成。

2.4 兩種運行模式下的污染物累計排放特性

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

表2 排放結(jié)果統(tǒng)計

2.5 運行模式對污染物綜合比排放量的影響

利用瞬態(tài)試驗數(shù)據(jù),分別計算了低速和高速段下的部分污染物綜合比排放量,并計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)動機循環(huán)功,其中混動模式循環(huán)功為14.4 kW,純發(fā)動機模式循環(huán)功為17.7 kW。

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

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,混動模式下的NOx和PN排放比純發(fā)動機模式的排放要高。在NOx比排放量方面,混動模式下的綜合比排放量是純發(fā)動機模式下的2.0倍,其中高速段下的比排放量增加較為明顯,是純發(fā)動機模式的2.2倍,低速段比排放量增加1.5倍;在PN比排放量方面,混動模式下的綜合比排放量是純發(fā)動機模式下的4.4倍,其中低速段下的比排放量增加特別明顯,是純發(fā)動機模式的12.4倍,高速段比排放量增加3.3倍。整體分析發(fā)現(xiàn),混動模式下的NOx和PN排放比純發(fā)動機模式要高很多。

圖9 NOx綜合比排放量

圖10 PN綜合比排放量

3 運行模式對碳排放的影響

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

(2)

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

圖11示出混動模式和純發(fā)動機模式的瞬時碳排放。從圖中可知,不論在低速段還是高速段,混動車模式下的碳排放峰值和累計排放量都遠遠小于純發(fā)動機模式,其中在低速段,混動模式基本都由電機驅(qū)動,發(fā)動機很少工作,因此低速段混動模式很少有碳排放;在高速段,由于發(fā)動機與電機協(xié)同工作,動力總成通過控制電機的輸出調(diào)整發(fā)動機工作狀態(tài),在保障車輛動力需求的前提下,使發(fā)動機盡可能地工作在高效區(qū)間,即使處于急加速時,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 瞬時碳排放量

圖12示出混動模式和純發(fā)動機模式的總碳排放量。從圖中可知,混動模式的碳排放明顯低于純發(fā)動機模式。在碳排放總量方面,混動模式比純發(fā)動機模式降低了70.1%,特別是在低速段降碳優(yōu)勢更為明顯,相對純發(fā)動機模式降低了79.5%,在高速段,相對純發(fā)動機模式降低了68.2%,表明重型混動車相較于傳統(tǒng)燃油車的減碳優(yōu)勢比較明顯,混動技術(shù)應(yīng)用為重型車應(yīng)對汽車行業(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) 混動模式下發(fā)動機頻繁起動,排氣溫度波動明顯,尤其在低速段,排氣溫度出現(xiàn)了階躍性的變化規(guī)律;

b) 混動模式發(fā)動機與電機協(xié)同工作,CO排放峰值主要集中在發(fā)動機停機起動時,其CO平均排放速率以及綜合比排放量較純發(fā)動機模式分別降低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)動機模式,混動模式的NOx與PN排放升高;NOx綜合比排放量較純發(fā)動機模式約增加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)動機模式增加4.4倍,尤其在低速段升高明顯,約增加12.4倍;

d) 混動模式的碳排放量較純發(fā)動機模式明顯偏低,降幅約70.1%,表明混動車較傳統(tǒng)燃料車降碳優(yōu)勢明顯。