【日】 奧井伸宜 小林雅行

廢 氣 凈 化

再生制動回收能量增大對混合動力卡車燃油耗及排放特性的影響

【日】 奧井伸宜 小林雅行

為了證明增加回收再生制動能量與混合動力卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性和廢氣排放特性之間的關(guān)系進(jìn)行了一系列試驗。研究人員在混合動力-傳動系臺架試驗裝置的發(fā)動機(jī)上，組合排氣后處理裝置，改變混合動力-傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和混合動力控制方法，以及回收減速能量控制方法，以此研究混合動力卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放特性。研究表明，即便在3～15 km的低的制動速度下進(jìn)行混合動力卡車的再生制動控制，總再生電能提高14.7%，燃油經(jīng)濟(jì)性提高3.1%。此外，高效率發(fā)動機(jī)驅(qū)動的混合動力卡車的廢氣排放溫度與柴油機(jī)卡車相同，排放性能得到了改善。

混合動力卡車 再生制動能量 燃油經(jīng)濟(jì)性 廢氣排放特性

0 前言

近年來，由于全球氣溫升高導(dǎo)致的氣候變化成為社會問題，而汽車排放的CO2數(shù)量的增加，是引起全球變暖的因素之一。為實現(xiàn)CO2減排，提高發(fā)動機(jī)熱效率，各汽車制造商正在積極地進(jìn)行低燃油耗車及混合動力車型的研發(fā)[1-2]。為了提高混合動力車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，可利用電動機(jī)回收減速制動時的能量，為加速時提供驅(qū)動用的輔助動力，以降低發(fā)動機(jī)的作功量。為了回收更多的減速制動能量，可考慮控制再生制動在極低車速范圍，以及變更混合動力-傳動系統(tǒng)的布局方案。利用臺架試驗對卡車、公交客車等混合動力商用車的燃油耗性能及排放特性進(jìn)行研究[3-7]。

研究小組評價了小型混合動力卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性能及排放特性，并進(jìn)一步研究了提高混合動力商用車的燃油經(jīng)濟(jì)性能及廢氣排放特性的新型混合動力控制方法[8]。具體來說，在試驗室構(gòu)建了可以再現(xiàn)各種混合動力車輛實際行駛狀態(tài)的“混合動力-傳動系統(tǒng)臺架試驗裝置[9]”。研究了新的混合動力控制方法[10]，改善混合動力卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性，有效地提高排氣后處理裝置的功能，力求提高作為必要熱源的排氣溫度。

除了研究各種混合動力控制方法外，還了解了變更回收減速能量控制方法時的混合動力卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性能及排放性能。在混合動力-傳動系統(tǒng)臺架試驗系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)上，組合排氣后處理裝置，并進(jìn)行了相關(guān)試驗。

1 試驗裝置及試驗條件

1.1 試驗裝置

為了多方面地了解混合動力卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性能與排放特性的關(guān)系，使用了結(jié)合仿真模型與實際機(jī)組，采用了可以實時控制與評價的混合動力-傳動系統(tǒng)臺架試驗裝置(明電舍公司制EVREV0)。試驗中，發(fā)動機(jī)使用實體發(fā)動機(jī)，而其他組成設(shè)備則利用模型，在本系統(tǒng)中構(gòu)建了假定的混合動力卡車。

試驗用發(fā)動機(jī)為排量4.7 L，直列4缸帶中冷器的渦輪增壓式柴油機(jī)(UD trucks：GH5)，最高功率為158 kW(2 500 r/min)，最大扭矩628 N·m(1 400 r/min)，排氣后處理裝置假定滿足日本后新長期排放法規(guī)要求的車輛使用，并配裝了柴油機(jī)顆粒捕集器(DPF)，氧化催化轉(zhuǎn)化器(DOC)，以及選擇性催化還原系統(tǒng)(SCR)(圖1)。采用永久磁鐵式同步電動機(jī)(澤藤電機(jī)公司YZ901-MI)，最高功率為118 kW(3 300 r/min)，最高扭矩假定為340 N·m(0～3 300 r/min)，驅(qū)動用蓄電池假定為小型混合動力卡車上配裝的鋰離子蓄電池(2.0 kW·h)，并建立了模型。

廢氣排放測試使用了廢氣排放分析儀(堀場制作MEXA-0NE-DI-EGR)以及暗度計(AVL 4390)。

圖1 試驗裝置圖解

1.2 試驗條件

表1列出了模擬卡車的主要技術(shù)規(guī)格，設(shè)定了實際配裝上述發(fā)動機(jī)的中型卡車，試驗時的車輛質(zhì)量為5 870 kg，載質(zhì)量處于半載狀態(tài)。

表1 模擬卡車技術(shù)規(guī)格

行駛模式是圖2所示的JE05工況及市區(qū)道路行駛工況。試驗程序為：JE05工況試驗時，以80 km/h的恒定速度行駛20 min；之后，車輛停止10 min；JE05工況行駛(預(yù)先運(yùn)行；車輛停止10 min；繼續(xù)JE05工況行駛)。按照這樣的循環(huán)進(jìn)行了試驗。另一方面，按市區(qū)道路行駛工況的試驗，行駛的程序為：循環(huán)JE05工況行駛(本來運(yùn)行)的試驗之后，車輛停止10 min；市區(qū)道路工況行駛(預(yù)先運(yùn)行)；車輛再停止10 min；市區(qū)道路行駛工況(本來運(yùn)轉(zhuǎn))順序?qū)嵤┰囼灐?/p>

圖2 行駛試驗?zāi)Ｊ?JE05工況及市區(qū)道路行駛工況)

1.3 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及混合動力控制方法

假定卡車的混合動力采用了主流的并聯(lián)型混合動力方式。假定卡車的比較對象使用了柴油機(jī)卡車，要求只用發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并建立了模型。作為研究對象的混合動力系統(tǒng)設(shè)定為以下3種類型。

(1)混合動力卡車：假想卡車A

假定目前混合動力卡車的傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為“發(fā)動機(jī)?離合器?電動機(jī)?變速器?末端傳動齒輪?后輪胎”并以小型混合動力卡車為基礎(chǔ)，構(gòu)建假想卡車A的柴油機(jī)與電動機(jī)的動作狀態(tài)，確認(rèn)與文獻(xiàn)[8]中顯示大致相同的動態(tài)。這種車輛在車速15 km/h以下，停止了再生制動控制的功能，而在最新的電機(jī)驅(qū)動乘用車上，在極低車速下采用了有再生制動控制功能的技術(shù)。因此，本試驗中，將具備再生制動控制功能的最低車速(VRBC)設(shè)定為15 km/h與3 km/h，并進(jìn)行了評價。以下所有假想卡車中，VRBC設(shè)定為同樣的條件。

(2)混合動力卡車：假想卡車B

根據(jù)ECMT-混合動力車輛(HEV)傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換電動機(jī)與離合器，設(shè)定為“柴油機(jī)?電動機(jī)?離合器?變速器?末端傳動齒輪?后輪胎”。這是混合動力卡車開始進(jìn)入市場時的結(jié)構(gòu)。

(3)高效驅(qū)動混合動力卡車：假想卡車C

配裝汽油機(jī)的混合動力乘用車要求按發(fā)動機(jī)最佳效率曲線驅(qū)動發(fā)動機(jī)，采用電動機(jī)進(jìn)行動力運(yùn)行/再生制動控制的系統(tǒng)。將進(jìn)一步提高燃油經(jīng)濟(jì)性設(shè)為目標(biāo)，將試驗用柴油機(jī)設(shè)定該系統(tǒng)，構(gòu)建了假想卡車C。傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是與假想卡車A相同的。試驗用發(fā)動機(jī)的最佳的動作曲線，即燃油消耗率圖見圖3。發(fā)動機(jī)排氣口的氮氧化物(NOx)排放率圖見圖3(c)。實際上，如按照該最佳動作曲線使假想卡車C運(yùn)行(VRBC=15 km/h)，相比柴油機(jī)卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性能及發(fā)動機(jī)排放氣體的NOx含量也得到了改善，文獻(xiàn)[10]中也有確證。

為了比較以上使用了3種混合動力控制的假想卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性能及排放氣體特性，考慮蓄電池的蓄電狀態(tài)，設(shè)定了行駛開始與結(jié)束時電量(電能)收支相抵(ΔSOC=0)。驅(qū)動用蓄電池充電，車輛減速時間設(shè)定為再生制動控制及發(fā)電控制，不利用外部電源進(jìn)行充電。因此，假想卡車A及假想卡車B，基于電動機(jī)提供的輔助動力大小進(jìn)行了試驗。由于假想卡車C中發(fā)動機(jī)扭矩是任意設(shè)定的，利用電動機(jī)提供的輔助動力數(shù)據(jù)，末端傳動齒輪比(傳動軸齒輪比)或車輛質(zhì)量成為變更的因素，因此，對末端傳動齒輪比并進(jìn)行了調(diào)整。

圖3 按照各假想卡車發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)扭矩的比較

2 試驗結(jié)果及考察

2.1 假想卡車的行駛動態(tài)及總再生電量

圖4示出JE05行駛工況的最初行駛狀態(tài)時各假想卡車行駛時的發(fā)動機(jī)及電動機(jī)的性能表現(xiàn)。圖4(a)為假想卡車A及假想卡車B單純地由發(fā)動機(jī)與電動機(jī)分配行駛時必要的扭矩。假想卡車C則在發(fā)動機(jī)低轉(zhuǎn)速、高扭矩工況下減少負(fù)荷扭矩。如減速時(70～90 s)，則假想卡車A及假想卡車C的發(fā)動機(jī)與電動機(jī)被離合器分開，與本軸直接連接的電動機(jī)進(jìn)行制動能量再生，發(fā)動機(jī)進(jìn)行怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于假想卡車B的發(fā)動機(jī)與電動機(jī)直接連接，能夠確認(rèn)由于發(fā)動機(jī)制動導(dǎo)致的再生能量的損失。其次，以假想卡車A為例，如VRBC按15 km/h及3 km/h進(jìn)行比較，見圖4(b)，按照VRBC=3 km/h進(jìn)行控制，至極低車速在回收再生制動能量的情況得到了驗證。

圖4 按照各假想卡車在JE05工況下，發(fā)動機(jī)及電動機(jī)的表現(xiàn)性能

各假想卡車按JE05行駛工況及市區(qū)道路工況行駛時，電動機(jī)的能量再生及通過發(fā)電取得的電能總計歸納于圖5。無論哪種行駛工況，按照柴油機(jī)卡車<假想卡車B<假想卡車A<假想卡車C的順序，其總再生電量都有所增加。假想卡車C在加速時，利用發(fā)動機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制發(fā)電(用馬達(dá)為加速提供輔助動力)，因此，再生電量中形成增加了發(fā)電電量的狀態(tài)?？傇偕娏康脑黾樱捎谑茈妱訖C(jī)布置的影響，能夠用離合器分開發(fā)動機(jī)與電動機(jī)的假想卡車A及假想卡車C，可以回收較大的再生制動能量。

圖5 總的再生電能和燃油經(jīng)濟(jì)性的比較

2.2 假想卡車的燃油耗性能

圖5比較了各假想卡車的總再生電量的燃油耗值。無論行駛工況如何，按照柴油機(jī)卡車<假想卡車A<假想卡車C的順序，燃油耗減小(燃油經(jīng)濟(jì)性提高)，可看到燃油經(jīng)濟(jì)性與總再生電量之間的關(guān)系。如圖3(a)和圖3(b)所示，按照柴油機(jī)卡車>假想卡車B>假想卡車A的順序，發(fā)動機(jī)動作點(diǎn)分布于低扭矩側(cè)，總再生電量增大，從燃油耗看，假想卡車B改善了12%，假想卡車A改善了16%。另一方面，假想卡車C由于改變了末級傳動齒輪比的影響，發(fā)動機(jī)及電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低了，因此，相比假想卡車A在減速時能夠回收的電量變少了，如圖5所示。但是，按照發(fā)動機(jī)最佳效率曲線運(yùn)轉(zhuǎn)，利用發(fā)動機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)，總再生電量變大，燃油耗改善26%，其燃油經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)異，如圖3(c)所示。此外，由于直至3 km/h的極低制動速度，各假想卡車具備再生制動控制(VRBC)功能，相比于VRBC=15 km/h，總再生電量在所有條件下平均提高14.7%，降低燃油耗3.1%。

2.3 假想卡車的廢氣排放特性

本試驗中，同時測試了排放廢氣溫度與排放特性。如圖1所示，排放廢氣溫度的測試部位是發(fā)動機(jī)外部，分別在DOC后、DPF后，以及SCR后共4處位置。排放特性在發(fā)動機(jī)外部(后處理裝置前)與排氣尾管(排氣后處理裝置之后)進(jìn)行了測試。

(1)假想卡車的排放廢氣溫度

圖6表示按照每個測試部位，隨著行駛工況及再生制動控制的差異，總再生電量與按照工況行駛時的平均排放廢氣溫度的關(guān)系。

①關(guān)于柴油機(jī)卡車

JE05工況的發(fā)動機(jī)外部的平均排氣溫度約為199 ℃，在DOC后約為168 ℃，DPF后約為154 ℃，SCR之后約為133 ℃。市區(qū)道路行駛工況下，在發(fā)動機(jī)外部約為147 ℃，DOC后為115 ℃，DPF后約為100 ℃，SCR后約為83 ℃，與JE05工況相同，隨著向發(fā)動機(jī)下游側(cè)推進(jìn)，排氣溫度呈現(xiàn)降低趨勢。

②關(guān)于各假想卡車

按JE05工況運(yùn)行結(jié)果，總再生電量增加的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)順序(假想卡車B<假想卡車A)，排氣溫度降低了。與假想卡車A的平均排氣溫度相比，按JE05工況行駛時的柴油機(jī)卡車在所有測試部位，在VRBC=15 km/h時都降低了約18 ℃，VRBC=3 km/h時，都降低了約20 ℃。如圖3(a)和圖3(b)所示，由于單純地由發(fā)動機(jī)與電動機(jī)分?jǐn)傂旭倳r必要的作功量，因此發(fā)動機(jī)作功量都有所降低。假想卡車C(圖6的圓形虛線所示)的平均排氣溫度，無論行駛工況如何，比假想卡車B及假想卡車A高些，得到了與柴油機(jī)卡車同等的排氣溫度?？紤]到利用發(fā)動機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)如圖3(c)所示，分布于低轉(zhuǎn)速、高扭矩區(qū)域。

圖6 按照各種假想卡車的平均排氣溫度與總再生電量的關(guān)系

(2)假想卡車的排放特性

圖7表示隨著行駛工況及再生制動控制的差異，總再生電量與按照工況行駛時的排放特性，即CO、總碳?xì)?THC)和NOx的關(guān)系。

①柴油機(jī)卡車，假想卡車A與B

在JE05行駛工況下，發(fā)動機(jī)外部的CO、THC、NOx隨總再生電量的增大顯示了減少的趨勢。排氣尾管的CO及THC顯示大致為0的趨勢，NOx排放按照柴油機(jī)卡車>假想卡車A>假想卡車B的順序惡化了，可看到與圖6的排氣溫度趨勢的關(guān)系。其次，市區(qū)道路行駛工況情形下，發(fā)動機(jī)外部的CO、THC和NOx隨著總再生電量的增大顯示了減少趨勢。在排氣尾管處，假想卡車A的CO減少到了0左右，而柴油機(jī)卡車及假想卡車B的CO，發(fā)動機(jī)外部的一半左右是由排氣尾管排放的。THC排放量則隨著總再生電量的增大增加了。

圖7 各假想卡車的廢氣排放與總再生電能的關(guān)系

為調(diào)查以上原因，凈化排氣中的CO及THC的DOC。在此，為詳細(xì)地調(diào)查市區(qū)道路工況行駛時的DOC后的平均排氣溫度，以及由排氣尾管排出CO和THC的排放特性，調(diào)整市區(qū)道路工況行駛試驗(VRBC=15 km/h)的開始時間，變更了DOC后的平均排氣溫度，并進(jìn)行了試驗。圖8(a)與(b)表示試驗結(jié)果。首先，關(guān)于THC與假想卡車的傳動系統(tǒng)方式無關(guān)，DOC后的排氣溫度為120 ℃以上時，THC顯示為0。圖中同時記載了圖6所示的市區(qū)道路工況行駛時(VRBC=15 km/h)的DOC后的平均排氣溫度。按照柴油機(jī)卡車>假想卡車B>假想卡車C>假想卡車A的順序，DOC后的平均排氣溫度逐漸降低。同時按這種假想卡車的順序，圖8中表示的THC顯示了增加的趨勢。也就是說，圖7中所示按市區(qū)道路工況的基本運(yùn)轉(zhuǎn)時的THC增加，與后處理裝置內(nèi)的DOC的溫度降低有密切關(guān)系。其次，圖8中的CO排放量，則在DOC后的平均排氣溫度為175 ℃以下，由于假想卡車的傳動源方式的不同，致使CO的排放趨勢不同，按照柴油機(jī)卡車>假想卡車C>假想卡車A的順序，CO有所降低。如使用由圖6得出的平均排氣溫度，確認(rèn)了與圖8的CO的關(guān)系，則可知與圖7的排放趨勢有密切關(guān)系。

②關(guān)于假想卡車C

根據(jù)再生電量與強(qiáng)制發(fā)電電量的總計值，總再生電量最大的假想卡車C的NOx，在JE05工況下最低，而市區(qū)道路工況下顯示高的排放量。與測試DOC的試驗相同，變更SCR催化器前的平均排氣溫度，測試了各假想卡車的NOx。圖8(c)表示測試結(jié)果。在整個溫度范圍，按照柴油機(jī)卡車>假想卡車C>假想卡車A>假想卡車B的順序，NOx降低了。由圖3(c)右側(cè)所示的NOx排放量與市區(qū)道路工況行駛時的發(fā)動機(jī)動作點(diǎn)的關(guān)系。此外，圖8中同時示出了市區(qū)道路工況行駛時(VRBC=15 km/h)的SCR前的平均排氣溫度。與圖7的NOx的排放趨勢有密切關(guān)系，可考慮排氣后處理裝置的SCR催化劑溫度與混合動力控制的影響。其次，關(guān)于THC，在發(fā)動機(jī)外部，無論行駛工況怎樣，在所有假想卡車中THC最低。在排氣尾管方面，市區(qū)道路工況下比假想卡車B增加了一些，能夠確認(rèn)這里也與圖8的結(jié)果有密切關(guān)系。最后，關(guān)于CO與NOx及THC的排放趨勢有大的差異，尤其是JE05工況下，其結(jié)果比其他假想卡車的排放量多。

圖8 市區(qū)道路工況行駛時排氣尾管中的CO、THC及NOx

因此，為調(diào)查該原因，以JE05工況高速行駛部分的起步加速時為例進(jìn)行確認(rèn)。圖9中按每一時間序列同時示出了柴油機(jī)卡車。圖9中按每一時間序列同時示出了柴油機(jī)卡車，假想卡車A及假想卡車C的各種發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件與排放特性。柴油機(jī)卡車及假想卡車C每次變速發(fā)生高濃度煙塵(不透明物)，發(fā)動機(jī)外部也排放更多的CO。另一方面，假想卡車A結(jié)束利用電動機(jī)為加速器提供輔助動力，車速達(dá)到65 km/h[8](約1 470 S)，沒有確認(rèn)煙塵的高濃度以及CO的顯著的排放趨勢?？紤]到廢氣再循環(huán)(EGR)率，則發(fā)動機(jī)負(fù)荷低的假想卡車A的EGR率為60%左右，顯示恒定的趨勢。而柴油機(jī)卡車及假想卡車C，可以確認(rèn)由于變速導(dǎo)致EGR率急劇地變動。尤其是假想卡車C因為發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速、高扭矩工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，可考慮變速條件下發(fā)動機(jī)過渡運(yùn)轉(zhuǎn)時，燃燒室內(nèi)容易形成氧含量不足的狀況，可推測為由于其影響，發(fā)動機(jī)外部的CO排放次數(shù)及其數(shù)量變多了。另一方面，這次示出的起步加速時的DOC后的排氣溫度，假想卡車A約為122 ℃，假想卡車C為140 ℃左右。假想卡車C產(chǎn)生高溫排氣，由于DOC的溫度上升，假想卡車C相比假想卡車A排氣尾管的CO降低，不過，顯示較低排氣溫度的假想卡車A的CO被充分地凈化了。在此，圖8中所示的結(jié)果是市區(qū)道路工況行駛時的DOC的溫度特性，但可認(rèn)為本區(qū)間的CO也顯示了同樣的特性。

圖9 發(fā)動機(jī)性能(含運(yùn)轉(zhuǎn)條件及排放特性)與時間歷程的關(guān)系

3 結(jié)語

在混合動力-傳動系統(tǒng)臺架試驗裝置的發(fā)動機(jī)上組合排氣后處理裝置，調(diào)查了改變混合動力-傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，混合動力控制方法，以及回收減速(制動)能量控制方法時的混合動力卡車的燃油經(jīng)濟(jì)性能，以及排放特性，獲得以下結(jié)果。

(1)總再生電量與燃油經(jīng)濟(jì)性能之間相互關(guān)系密切。由于從3～15 km/h的極低速度具備混合動力卡車的再生制動控制功能，在所有條件下，總再生電量平均改善14.7%，燃油經(jīng)濟(jì)性改善3.1%。

(2)相當(dāng)于商品混合動力卡車的平均排氣溫度相比柴油機(jī)卡車最大約低20 ℃，另一方面，發(fā)動機(jī)高效率驅(qū)動混合動力卡車的排氣溫度與柴油機(jī)卡車是同等的。

(3)伴隨總再生電量的增加，發(fā)動機(jī)外部的排放特性改善了。另一方面，排氣尾管的廢氣排放特性，受排氣后處理裝置的催化劑溫度與混合動力控制的影響，而未能確認(rèn)該排放特性與總再生電量之間的相互關(guān)系。

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彭惠民 譯自 自動車技術(shù)會論文集， 2015， 46(3)

何丹妮 編輯

2016-05-05)