靖春勝 張鐵臣 于鎰隆

摘要 以一輛先進(jìn)混合動力國Ⅴ汽油車為試驗(yàn)對象，研究混合動力汽車在NEDC循環(huán)與WLTC循環(huán)工況下的排放特性，以及混合動力汽車在各速度區(qū)間及各加速度區(qū)間下的排放差異。研究結(jié)果表明：WLTC循環(huán)使混合動力汽車CO和PN排放因子增大，HC和NOx排放因子降低;混合動力汽車在發(fā)動機(jī)冷啟動階段CO、HC和NOx的排放污染均較為嚴(yán)重，應(yīng)做重點(diǎn)優(yōu)化，高速度階段內(nèi)CO排放較高，PN排放主要集中在發(fā)動機(jī)頻繁啟停的工況段內(nèi)，其余工況排放污染較低;隨著速度的增加CO排放因子總體呈現(xiàn)增大的趨勢，HC排放因子總體呈現(xiàn)減小的趨勢，NOx和PN排放因子總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;隨著加速度的增加CO、NOx和PN排放因子總體呈現(xiàn)增大的趨勢， HC排放因子總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

關(guān) 鍵 詞 混合動力汽車;NEDC循環(huán);WLTC循環(huán);國Ⅵ;排放特性

Abstract Taking an advanced HEV gasoline vehicle as the test object， the emission characteristics of HEV under NEDC and WLTC cycles and the emission differences of HEV at different speeds and acceleration ranges were studied. The results show that WLTC cycle increases CO and PN emission factors of hybrid electric vehicles and decreases HC and NOx emission factors. The emission pollution of CO， HC and NOx of hybrid electric vehicles in engine cold start-up stage is serious and should be optimized. CO emission in high speed stage is higher， PN emission is mainly concentrated in engine frequent start-up and shut-down stage， and the emission pollution in other working conditions is lower. With the increase of acceleration， CO， NOx and PN emission factors generally show an increasing trend， HC emission factors generally show a decreasing trend， and NOx and PN emission factors generally show a trend of first increasing and then decreasing; with the increase of acceleration， CO， NOx and PN emission factors generally show an increasing trend， while HC emission factors generally show a “first increasing and then decreasing” trend.

Key words hybrid electric vehicle; NEDC cycle; WLTC cycle; country VI; emission characteristics

0 引言

隨著工業(yè)化、城市化的不斷加快，人們對私人汽車的依賴程度越來越高，機(jī)動車的排放污染情況已越來越多地受到人們的關(guān)注[1]，大量研究結(jié)果表明，汽車尾氣排放污染已經(jīng)成為中國城市空氣污染的主要污染來源，城市地區(qū)出現(xiàn)的空氣污染已由“煤煙型”向“尾氣型”轉(zhuǎn)變，這是造成區(qū)域性光化學(xué)煙霧和灰霾污染的重要原因[2-3]。與此同時，日益嚴(yán)格的排放法規(guī)同樣對機(jī)動車輛的排放水平提出了嚴(yán)格要求。據(jù)了解，廣州、深圳、天津等省市紛紛宣布于2019年7月1日開始執(zhí)行輕型汽車“國Ⅵ”排放標(biāo)準(zhǔn)[4];北京市生態(tài)環(huán)境局發(fā)布的《關(guān)于北京市實(shí)施第六階段機(jī)動車排放標(biāo)準(zhǔn)的公告（征求意見稿）》顯示，北京將自2019年7月1日起，重型燃?xì)廛囈约肮患碍h(huán)衛(wèi)行業(yè)重型柴油車須滿足國Ⅵb階段標(biāo)準(zhǔn)要求，自2020年1月1日起，輕型汽油車和其余行業(yè)重型柴油車須滿足國Ⅵb階段標(biāo)準(zhǔn)要求[5]。因此，開發(fā)新能源汽車和低排放汽車已迫在眉睫。而混合動力汽車具有燃油經(jīng)濟(jì)性高，尾氣排放較低，能量利用率高等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地適應(yīng)當(dāng)前汽車市場的需求[6]。所以，本課題中針對混合動力汽車排放特性的研究顯得尤其具有意義。

與輕型車國Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)相比，輕型車國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)的污染物限值更低且加入對顆粒物數(shù)量（PN）的限值，Ⅰ型試驗(yàn)工況也由全球輕型車統(tǒng)一測試循環(huán)（Word-wide Harmonized Light Duty Test Cycle，WLTC）代替新歐洲測試循環(huán)（New European Driving Cycle，NEDC）[7]，因此，即將實(shí)施的國Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)對未來混合動力汽車的開發(fā)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

目前國內(nèi)對國Ⅵ、國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)的研究主要集中在污染物限值與試驗(yàn)工況的對比分析;WLTC循環(huán)對汽油機(jī)工作性能的影響等[8- 9]，而對于新型混合動力汽車NEDC循環(huán)與WLTC循環(huán)的對比分析和不同速度或加速度工況的排放特性研究還比較少。

本文以一輛先進(jìn)混合動力國Ⅴ汽油車為試驗(yàn)對象，研究混合動力汽車在NEDC循環(huán)與WLTC循環(huán)下的排放特性，以及車輛在不同速度和不同加速度下的排放特性，為今后的國Ⅵ車及混合動力汽車的研究開發(fā)建立分析基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)樣車與燃油

試驗(yàn)車輛為某品牌1.8 L國Ⅴ排放水平的HEV混合動力汽車，搭載直列四缸、水冷、自然吸氣汽油機(jī)，其主要參數(shù)見表1。試驗(yàn)所用燃油為市售92號汽油。

1.2 試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)采用NEDC循環(huán)工況和WLTC循環(huán)工況對比測試，其中NEDC循環(huán)工況由市區(qū)工況ECE（780 s）和市郊工況EUDC（400 s）組成，共持續(xù)1 180 s;WLTC循環(huán)由低速段（Low），中速段（Medium），高速段（High）和超高速段（Extra High）4部分組成，持續(xù)時間共1 800 s，其中低速段持續(xù)時間589 s，中速段持續(xù)時間433 s，高速段的持續(xù)時間為455 s，超高速段的持續(xù)時間為323 s[10]。循環(huán)的主要參數(shù)見表2 。循環(huán)工況示意圖如圖1和圖2所示。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

本課題中所用試驗(yàn)設(shè)備如表3所示。

1.4 試驗(yàn)方案

整車預(yù)處理后，置于環(huán)境艙（298 K，100 kPa）浸車8 h后在底盤測功機(jī)上對試驗(yàn)車輛進(jìn)行排放循環(huán)測試（電量保持模式），測試整車動力系統(tǒng)的控制策略，油耗以及排放污染物。

通過NEDC、WLTC循環(huán)差異，綜合分析整車在發(fā)動機(jī)工作模式下的性能及排放表現(xiàn)。

1.5 冷卻水溫控制

NEDC循環(huán)運(yùn)行至市郊工況由于負(fù)荷增大，發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷較大，當(dāng)運(yùn)行至1 035 s時節(jié)溫器開啟，發(fā)動機(jī)出水溫度迅速升高至83 ℃左右，并保持穩(wěn)定，整車散熱器將進(jìn)水溫度控制在25 ℃左右。

WLTC循環(huán)運(yùn)行至中速階段850 s時節(jié)溫器開啟，發(fā)動機(jī)出水溫度迅速升高至83 ℃，進(jìn)入大循環(huán)后發(fā)動機(jī)出水溫度穩(wěn)定在80～90 ℃，整車散熱器將進(jìn)水溫度控制在20～40 ℃，保證了試驗(yàn)的順利進(jìn)行及試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 污染物循環(huán)排放因子

根據(jù)國六排放法規(guī)，輕型車排放試驗(yàn)主要采用排放因子來衡量車輛的排放污染情況，即混合動力車輛行駛單位距離的平均排放污染物的質(zhì)量，其具體計算公式如下：

圖5為混合動力汽車在NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)下的排放性能與國Ⅵb排放限值的對比分析，其中，CO排放因子：NEDC

2.2 污染物瞬態(tài)工況排放特性

圖6為混合動力汽車NEDC循環(huán)的污染物瞬態(tài)累積排放，CO排放主要集中在冷啟動及郊區(qū)工況段內(nèi);HC排放主要集中在冷啟動階段內(nèi);NOx排放在冷啟動階段增長迅速，隨后緩慢增長;PN排放主要與發(fā)動機(jī)的工作狀況有關(guān)，在發(fā)動機(jī)的啟動工況PN排放增加明顯。

圖7為混合動力汽車WLTC循環(huán)的污染物瞬態(tài)累積排放，CO排放主要集中在中速段、高速段及超高速工況段內(nèi);HC排放主要集中在冷啟動階段內(nèi);NOx排放在冷啟動階段增長迅速，隨后增長緩慢;PN排放因子在600～1 200 s時間段內(nèi)增長最快，主要是發(fā)動機(jī)在此階段內(nèi)頻繁啟停所致。

綜上所述，混合動力汽車在發(fā)動機(jī)冷啟動階段CO、HC和NOx的排放污染均較為嚴(yán)重，應(yīng)做重點(diǎn)優(yōu)化;高速度階段內(nèi)CO排放較高;PN排放主要集中在發(fā)動機(jī)頻繁啟停的工況段內(nèi)，其余工況排放污染較低。

2.3 速度對排放特性的影響

瞬態(tài)排放累積圖可反映混合動力汽車瞬態(tài)排放量的變化，但是不能明確展示具體工況要素（速度、加速度）對污染物排放量的影響[11]，所以將循環(huán)工況分成7個速度區(qū)間（不包含怠速）：（0，20]，（20，40]，（40，60]，（60，80]，（80，100]，（100，120]，（120，140]和6個加速度區(qū)間（不包含怠速）：（<-1），[-1，-0.5），[-0.5，0），（0，0.5]，（0.5，1]，（>1）進(jìn)行分析研究，研究結(jié)果如下所示。

圖8為混合動力汽車在不同速度區(qū)間下的CO排放情況，隨著車輛速度的增加CO排放因子整體呈現(xiàn)增加趨勢，主要原因?yàn)殡S著車輛速度的增加，發(fā)動機(jī)所需燃料量逐漸加大[12]，導(dǎo)致CO排放濃度增加，其中混合動力汽車在NEDC循環(huán)工況0～20 km/h的速度區(qū)間段內(nèi)CO排放因子較高，主要是發(fā)動機(jī)冷啟動階段對CO排放影響較大所引起的;在20～40 km/h速度區(qū)間內(nèi)，NEDC循環(huán)CO排放值很低，WLTC循環(huán)CO排放因子遠(yuǎn)大于NEDC循環(huán);NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)CO排放因子均在最大速度區(qū)間內(nèi)達(dá)到峰值。

圖9為混合動力汽車在不同速度區(qū)間下的HC排放情況，NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)HC排放因子的最大值均在0～20 km/h速度區(qū)間內(nèi)，主要是在發(fā)動機(jī)冷啟動階段內(nèi)燃料燃燒不完全引起的，而0～20 km/h速度區(qū)間內(nèi)NEDC循環(huán)的排放因子大于WLTC循環(huán)，因?yàn)镹EDC循環(huán)的怠速工況較WLTC循環(huán)更多，故低速區(qū)間的行駛里程較小導(dǎo)致單位里程排放量變高[13];在20～60 km/h速度段內(nèi)，WLTC循環(huán)的排放因子遠(yuǎn)大于NEDC循環(huán);在速度大于60 km/h的工況段內(nèi)，NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)的排放因子相差不多。

圖10為混合動力汽車在不同速度區(qū)間下的NOx排放情況，其中NEDC循環(huán)在0～80 km/h區(qū)間段和WLTC循環(huán)在0～60 km/h區(qū)間段NOx排放因子均增大，主要原因在于隨著速度的提升發(fā)動機(jī)負(fù)荷增大，排氣溫度上升導(dǎo)致NOx排放因子增大;NEDC循環(huán)在80～100 km/h區(qū)間段和WLTC循環(huán)在60～80 km/h區(qū)間段NOx排放因子均下降，主要原因?yàn)樵谠撍俣葏^(qū)間段內(nèi)車輛的加速工況較多，混合氣加濃導(dǎo)致氧氣含量較少，NOx排放因子降低[14]。

圖11為混合動力汽車在不同速度區(qū)間下的PN排放情況，隨著速度的增加PN排放總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)PN排放主要集中在20～80 km/h區(qū)間段內(nèi)，其中，NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)PN排放峰值均在40～60 km/h區(qū)間內(nèi)。

2.4 加速度對排放的影響

圖12為各個加速度區(qū)間段內(nèi)CO的排放情況，由圖可以看出隨著加速度的增加CO排放因子總體呈現(xiàn)增大的趨勢，這是由于加速度增加時發(fā)動機(jī)負(fù)荷增大，混合氣加濃導(dǎo)致燃油燃燒不完全，所以CO排放因子增加[15];NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)CO排放峰值均在加速度大于1的間段內(nèi)。

圖13為各個加速度區(qū)間段內(nèi)HC的排放情況，HC排放主要集中在加速階段（加速度大于0），主要由于車輛在加速階段內(nèi)發(fā)動機(jī)負(fù)荷增加，混合氣加濃燃油不完全燃燒所致，在車輛減速階段內(nèi)，HC排放因子較小且變化不大;NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)CO排放峰值均在（0，0.5]區(qū)間段內(nèi)，結(jié)合圖6和圖7進(jìn)行分析，可能是冷啟動階段HC排放過大所致。

圖14為各個加速度區(qū)間段內(nèi)HC的排放情況，NOx排放因子隨著加速度的增加整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)的NOx排放峰值均在（0.5，1]區(qū)間段內(nèi)，這可能是因?yàn)樵诩铀俣葏^(qū)間（0.5，1]內(nèi)，發(fā)動機(jī)負(fù)荷較大排氣溫度較高所導(dǎo)致的;加速度小于0.5的區(qū)間內(nèi)NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)的NOx排放因子相差不多，加速度大于0.5的區(qū)間內(nèi)NEDC循環(huán)NOx排放因子大于WLTC循環(huán)。

圖15為各個加速度區(qū)間段內(nèi)PN的排放情況，由圖可知，PN排放因子總體上隨著加速度的升高而增大，這是由于車輛加速度增大，發(fā)動機(jī)負(fù)荷增大，噴油量加大燃油混合不均等因素造成的;NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)均在加速度區(qū)間（0.5，1]到達(dá)峰值;加速度大于1的區(qū)間內(nèi)，PN排放因子降低。

3 結(jié)論

1）混合動力汽車NEDC循環(huán)和WLTC循環(huán)對應(yīng)的HC、CO、NOx均滿足國Ⅵb，PN超出限值，但滿足現(xiàn)階段（2020年7月1日前）過渡限值（6×1012 /km）。

2）CO排放因子：NEDC

3）混合動力汽車在發(fā)動機(jī)冷啟動階段CO、HC和NOx的排放污染均較為嚴(yán)重，應(yīng)做重點(diǎn)優(yōu)化;高速度階段內(nèi)CO排放較高;PN排放主要集中在發(fā)動機(jī)頻繁啟停的工況段內(nèi)，其余工況排放污染較低。

4）隨著速度的增加CO排放因子總體呈現(xiàn)增大的趨勢，HC排放因子總體呈現(xiàn)減小的趨勢，NOx和PN排放因子總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

5）隨著加速度的增加CO、NOx和PN排放因子總體呈現(xiàn)增大的趨勢，HC排放因子總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

參考文獻(xiàn)：

[1]? ? 李騰騰，秦孔建，方茂東，等.混合動力客車顆粒物排放特性的研究[J].汽車工程，2011，33（4）：309-313.

[2]? ? 郝艷召，鄧順熙，邱兆文，等.機(jī)動車非尾氣顆粒物排放研究[J].汽車工程，2015，37（2）：145-149，154.

[3]? ? 陳樹勇，陳全世.動力驅(qū)動系統(tǒng)匹配與控制策略研究[J].計算機(jī)仿真，2009，26（3）：276-280，297.

[4]? ? 深圳市人居環(huán)境委員會.深圳市公安局交通警察局關(guān)于輕型汽車執(zhí)行第六階段國家機(jī)動車大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的補(bǔ)充通知[EB/OL]. [2019-05-28] http：//meeb.sz.gov.cn/xxgk/zcfg/zcfg/hblgfxwj/content/post_2016169.html

[5]? ? 北京市生態(tài)環(huán)境局.關(guān)于北京市實(shí)施第六階段機(jī)動車排放標(biāo)準(zhǔn)的公告（征求意見稿）[EB/OL]. [2019-05-28] http：//sthjj.beijing.gov.cn/bjhrb/index/xxgk69/zfxxgk43/fdzdgknr2/shbjgfxwj/1748263/index.html

[6]? ? 段博.混合動力汽車控制策略研究及硬件在環(huán)仿真[D].重慶： 重慶大學(xué)，2018.

[7]? ? 邵軍，趙志國.汽油機(jī)國五與國六法規(guī)對比研究[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2017，13（3）： 18-21.

[8]? ? 郭千里，趙冬昶，陳平，等.WLTC與NEDC比較及對汽車油耗的影響淺析[J].汽車工程學(xué)報，2017，7（3）：196-204.

[9]? ? 宋博，胡雷，全軼楓，等.缸內(nèi)直噴汽油車WLTC顆粒物排放試驗(yàn)研究[J].汽車技術(shù)，2017（6）：24-28.

[10]? 輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）： GB18352.6—2016 [P].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社.

[11]? POKHAREL S S，BISHOP G A，STEDMAN D H.An on-road motor vehicle emissions inventory for Denver： an efficient alternative to modeling[J].Atmospheric Environment，2002，36（33）：5177-5184.

[12]? ALVAREZ R，WEILENMANN M，NOVAK P.Pollutant emissions from vehicles with regenerating after-treatment systems in regulatory and real-world driving cycles[J].The Science of the Total Environment，2008，398（1/2/3）：87-95.

[13]? 張鵬宇，張新宇，郝利君，等.不同測試循環(huán)工況下的輕型車污染物排放特性分析[J].車輛與動力技術(shù)，2016（4）：47-49，53.

[14]? 黎蘇，李明海.內(nèi)燃機(jī)原理[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[15]? KINSEY J S，MITCHELL W A，SQUIER W C，et al. Evaluation of methods for the determination of diesel-generated fine particulate matter： Physical characterization results[J].Journal of Aerosol Science，2006，37（1）：63-87.