羅佳鑫 于恒彬 溫 溢 朱慶功 楊 超

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

汽車在為人們提供便捷出行的同時(shí)，也對(duì)大氣環(huán)境造成了大量的污染。為解決汽車排放導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題，各國(guó)加大了對(duì)清潔能源汽車的支持和推廣。新能源汽車包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車。目前，純電動(dòng)汽車受限于續(xù)駛里程較短（尤其在低溫環(huán)境下）以及充電時(shí)間較長(zhǎng)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題；而混合動(dòng)力汽車尤其是插電式混合動(dòng)力汽車（plug-in hybrid electric vehicle，PHEV）發(fā)展相對(duì)較為成熟，綜合了燃油汽車?yán)m(xù)駛里程長(zhǎng)與純電動(dòng)汽車清潔環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，在城市工況下是一種較為節(jié)能環(huán)保的出行工具[1-2]。

研究證明，輕型車在實(shí)驗(yàn)室工況與實(shí)際道路行駛過(guò)程中的排放特性存在較大差異，對(duì)于插電式混合動(dòng)力汽車，這種差異更為明顯[3-5]。在實(shí)際道路行駛過(guò)程中，插電式混合動(dòng)力汽車根據(jù)動(dòng)力電池電量調(diào)整控制策略，若動(dòng)力電池電量充足，則優(yōu)先使用電能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)不參與動(dòng)力供應(yīng)，汽車不產(chǎn)生油耗與污染物排放；而在動(dòng)力電池電量較少或上坡等較大負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)參與動(dòng)力供應(yīng)，從而產(chǎn)生油耗與污染物排放[6-8]。

本文對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車在電池電量保持模式下的實(shí)際道路運(yùn)行過(guò)程中的油耗與污染物排放特性進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)車輛信息

1.1 試驗(yàn)車輛與試驗(yàn)設(shè)備

本文涉及到的試驗(yàn)車輛共3 輛，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)車輛主要技術(shù)參數(shù)

主要使用的試驗(yàn)設(shè)備見表2，其中底盤測(cè)功機(jī)為四驅(qū)型。

表2 試驗(yàn)設(shè)備

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前，通過(guò)適當(dāng)放電處理將PHEV 調(diào)整至電量保持模式。試驗(yàn)過(guò)程中，將便攜式車載排放測(cè)試系統(tǒng)（Portable Emission Measurement System，PEMS）安裝在試驗(yàn)車輛上進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)車載診斷系統(tǒng)（On-board Diagnostic System，OBD）監(jiān)控車輛電量狀態(tài)。

本文中試驗(yàn)車輛采用的測(cè)試包括全球輕型車排放測(cè)試循環(huán)（Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Cycle，WLTC）與實(shí)際道路排放測(cè)試（Real Driving Emission，RDE），通過(guò)對(duì)3 輛試驗(yàn)車進(jìn)行WLTC 測(cè)試循環(huán)與RDE 測(cè)試，對(duì)比不同工況下的油耗與排放情況。此外，試驗(yàn)車C 還進(jìn)行不同環(huán)境溫度條件下的RDE 測(cè)試。本文選擇典型城市道路進(jìn)行實(shí)際道路排放試驗(yàn)，試驗(yàn)路線包括北京市亦莊開發(fā)區(qū)-南六環(huán)-京津高速部分道路。

機(jī)動(dòng)車比功率（Vehicle Specific Power，VSP）的物理意義是發(fā)動(dòng)機(jī)移動(dòng)單位質(zhì)量（1t）時(shí)所輸出的功率，單位為kW/t。VSP 的計(jì)算公式[9]如下：

式中：VSP 表示機(jī)動(dòng)車比功率，kW/t；v 表示車速，m/s；a 表示加速度，m/s2；θ 表示道路坡度，rad。

近年來(lái)，多種宏觀或微觀排放模型中采用了基于VSP 的建模分析方法。為了更好地分析車輛在不同行駛工況下的排放，本文參考MOVES 模型并結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)VSP 區(qū)間進(jìn)行了劃分，并計(jì)算了不同VSP區(qū)間內(nèi)的污染物排放因子。表3 所示為VSP 區(qū)間劃分。

表3 VSP 區(qū)間劃分

2 結(jié)果分析

2.1 WLTC 與RDE 油耗對(duì)比

圖1 所示為3 輛試驗(yàn)車在WLTC 測(cè)試循環(huán)與RDE 測(cè)試下的油耗對(duì)比。

圖1 不同工況下油耗對(duì)比

從圖1 可知，處于電量平衡狀態(tài)下的PHEV 在RDE 測(cè)試下的油耗高于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試（WLTC 測(cè)試循環(huán)），平均升高16.1%。說(shuō)明在實(shí)際使用過(guò)程中，PHEV 的油耗高于其在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的油耗。

為了進(jìn)一步分析PHEV 在不同工況下的油耗及CO2排放差異，本文對(duì)不同VSP 區(qū)間內(nèi)的油耗及CO2排放進(jìn)行了對(duì)比。

圖2 為試驗(yàn)車B 在不同VSP 區(qū)間內(nèi)的CO2對(duì)比，圖3 為試驗(yàn)車B 在不同VSP 區(qū)間的油耗對(duì)比。

圖3 不同VSP 區(qū)間內(nèi)油耗對(duì)比（試驗(yàn)車B）

從圖2 和圖3 可知，WLTC 測(cè)試循環(huán)與RDE 測(cè)試下油耗及CO2排放的差異主要發(fā)生在低速與中速區(qū)間。RDE 測(cè)試循環(huán)下的油耗比WLTC 測(cè)試循環(huán)高，說(shuō)明在實(shí)際道路行駛過(guò)程中，車輛制動(dòng)后重新加速過(guò)程中加速度較大，動(dòng)力電池電量迅速耗盡，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)參與動(dòng)力供應(yīng)，且參與動(dòng)力供應(yīng)的比例較高，導(dǎo)致油耗升高。

在以往的研究中，通常認(rèn)為在交通較為擁堵的城市路況，頻繁起停將導(dǎo)致額外的能量消耗，也就意味著產(chǎn)生更多的污染物排放，而混合動(dòng)力技術(shù)能夠大幅度降低頻繁起停過(guò)程所導(dǎo)致的油耗與排放。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在動(dòng)力電池電量較低的情況下，實(shí)際行駛過(guò)程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁起動(dòng)，混合動(dòng)力技術(shù)降低油耗的效果不如實(shí)驗(yàn)室工況顯著，該現(xiàn)象隨著VSP增加而更加明顯。

隨著車速的增加，在市郊與高速階段的行駛過(guò)程中，WLTC 測(cè)試循環(huán)與RDE 測(cè)試下的油耗及CO2排放逐漸接近。在高速區(qū)間的Bin 35，由于RDE 測(cè)試過(guò)程中的最高車速小于WLTC 測(cè)試循環(huán)，該區(qū)間內(nèi)WLTC 測(cè)試循環(huán)的油耗比RDE 測(cè)試高。

圖4 所示為試驗(yàn)車B 在整個(gè)RDE 測(cè)試期間的電量（state of charge，SOC）變化。

圖4 試驗(yàn)車B 在整個(gè)RDE 測(cè)試過(guò)程中的電量變化

由圖4 可知，在車速較低且起停較為頻繁的市區(qū)行程中，PHEV 在起動(dòng)瞬間會(huì)消耗動(dòng)力電池電量；在市區(qū)行程中，動(dòng)力電池電量逐漸減少。在市郊與高速行程中，車速較為穩(wěn)定時(shí)，動(dòng)力電池電量基本保持穩(wěn)定；當(dāng)出現(xiàn)急減速時(shí)，通過(guò)制動(dòng)能量回收，動(dòng)力電池電量迅速增加；隨后的加速過(guò)程中增加的電量用于加速，電量迅速減少。試驗(yàn)前與試驗(yàn)結(jié)束后，動(dòng)力電池電量相對(duì)變化較小。整個(gè)RDE 測(cè)試過(guò)程中，動(dòng)力電池電量最高值出現(xiàn)在高速行程中較高車速急減速過(guò)程。

2.2 PHEV 實(shí)際道路排放特性

本文研究PHEV 在電量平衡模式下的實(shí)際道路排放特性。國(guó)六標(biāo)準(zhǔn)中，目前暫定了市區(qū)與總行程的符合性因子，其中NOx與PN 的符合性因子暫定為2.1，CO 的符合性因子尚未確定。

圖5、圖6、圖7 與圖8 分別為試驗(yàn)車B 在冷起動(dòng)工況（Cold Start，CS），市區(qū)行程包含市區(qū)行程冷起動(dòng)工況（Urban-In-CS）與市區(qū)行程剔除冷起動(dòng)工況（Urban-Ex-CS），總行程包含總行程冷起動(dòng)工況（Total-In-CS）與總行程剔除冷起動(dòng)工況（Total-Ex-CS）5 種工況下的CO、NOx、PN 與THC 排放因子。

圖5 不同工況下的CO 排放因子

圖6 不同工況下的NOx 排放因子

圖7 不同工況下的PN 排放因子

圖8 不同工況下的THC 排放因子

從圖5、圖6、圖7 與圖8 可知，由于冷起動(dòng)過(guò)程中的污染物排放較高，市區(qū)行程冷起動(dòng)過(guò)程與總行程冷起動(dòng)過(guò)程導(dǎo)致市區(qū)行程與總行程的排放因子出現(xiàn)較為明顯的上升，主要是CO、PN 與THC 的排放因子上升較為明顯。

插電式混合動(dòng)力汽車在城市道路行駛過(guò)程中，市區(qū)內(nèi)擁堵路況下頻繁起停，在制動(dòng)停車時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，隨后重新加速時(shí)首先消耗動(dòng)力電池能量，隨后發(fā)動(dòng)機(jī)重起。由于電池能量較低，發(fā)動(dòng)機(jī)起停頻繁導(dǎo)致催化劑溫度變化較大，對(duì)尾氣排放造成一定影響。針對(duì)典型城市擁堵路況，本文進(jìn)一步對(duì)擁堵路況區(qū)間內(nèi)的排放情況進(jìn)行分析。

圖9 與圖10 分別為試驗(yàn)車B 在擁堵路況下的CO 與THC 瞬態(tài)排放，同時(shí)使用OBD 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控SOC 值與催化劑溫度。

圖9 擁堵路況下的CO 瞬態(tài)排放（試驗(yàn)車B）

圖10 擁堵路況下的THC 瞬態(tài)排放（試驗(yàn)車B）

由圖9 和圖10 可知，在制動(dòng)停車時(shí)，制動(dòng)能量回收至動(dòng)力電池，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，催化劑溫度明顯下降；隨后在重新加速起動(dòng)過(guò)程中，動(dòng)力電池能量耗盡；發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間，由于催化劑溫度較低，未處于高效催化區(qū)間，導(dǎo)致CO 與THC 排放較高。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，在較高溫度尾氣的作用下，催化劑溫度迅速上升，催化劑效率逐漸提高，CO 與THC 排放顯著下降。CO 與THC 排放主要集中于加速過(guò)程，造成該現(xiàn)象的主要原因?yàn)樵诩铀龠^(guò)程中混合氣加濃，缸內(nèi)燃燒不充分程度加劇，導(dǎo)致未燃THC 與CO 排放增加。

圖11 所示為試驗(yàn)車B 在擁堵路況下的NOx排放，同時(shí)使用OBD 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控SOC 值與催化劑溫度。

圖11 擁堵路況下的NOx 排放（試驗(yàn)車B）

由圖11 可知，與CO 排放相似，NOx排放同樣出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)重起瞬間。然而，只有當(dāng)催化劑溫度低于某一限度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)重起瞬間才會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生大量的NOx排放。只要催化劑溫度高于NOx產(chǎn)生的溫度最低值，就不會(huì)出現(xiàn)明顯的NOx排放峰值。

圖12 所示為試驗(yàn)車B 在擁堵路況下的PN 排放，同時(shí)使用OBD 系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控SOC 值與催化劑溫度。

圖12 擁堵路況下的PN 排放（試驗(yàn)車B）

由圖12 可知，在發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)重起后的加速瞬間，PN 排放較高；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)重新起動(dòng)后，PN 排放只在加速過(guò)程中出現(xiàn)短暫的峰值。

3 不同環(huán)境溫度下PHEV 的排放特性

為了模擬冬季插電式混合動(dòng)力汽車在室外低溫環(huán)境下的運(yùn)行狀態(tài)，本文將試驗(yàn)車C 置于室外低溫環(huán)境下進(jìn)行浸車，浸車時(shí)間為12～24 h，直至冷卻液溫度達(dá)到環(huán)境溫度±2 ℃范圍。本試驗(yàn)過(guò)程中，最低環(huán)境溫度為-3.8 ℃，平均環(huán)境溫度為-1.3 ℃。而常溫試驗(yàn)期間，最低環(huán)境溫度為17.6 ℃，平均環(huán)境溫度為18.9 ℃。

不同環(huán)境溫度下，冷起動(dòng)（CS），市區(qū)行程（Urban）與總行程（Total）工況的CO、NOx、PN 排放因子對(duì)比分別如圖13、圖14、圖15 所示。

圖13 不同環(huán)境溫度下實(shí)際道路CO 排放

圖14 不同環(huán)境溫度下實(shí)際道路NOx 排放

圖15 不同環(huán)境溫度下實(shí)際道路PN 排放

低溫環(huán)境對(duì)實(shí)際道路排放的影響主要集中在冷起動(dòng)過(guò)程乃至市區(qū)行程。在低溫環(huán)境下，試驗(yàn)開始時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的浸車導(dǎo)致冷卻液溫度與潤(rùn)滑油溫度均較低。與常溫環(huán)境相比，低溫冷起動(dòng)過(guò)程中，為盡快完成暖機(jī)過(guò)程，將向缸內(nèi)噴入較濃的燃油，導(dǎo)致污染物排放量較高。同時(shí)，低溫環(huán)境下催化器溫度較低，達(dá)到起燃溫度的時(shí)間較長(zhǎng)，在冷起動(dòng)階段催化器效率較低，導(dǎo)致低溫環(huán)境下冷起動(dòng)過(guò)程的CO、NOx與PN 排放分別增加285.86%、203.53%與185.31%。

目前，國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)中的低溫?cái)U(kuò)展系數(shù)為1.6，擴(kuò)展溫度條件范圍為-7～0 ℃。本文通過(guò)對(duì)比低溫環(huán)境與常溫環(huán)境下的排放結(jié)果，計(jì)算出低溫環(huán)境對(duì)試驗(yàn)車C 的影響系數(shù)（Influence factor，IF）。IF 的計(jì)算公式為：式中：IF 表示低溫影響系數(shù)；EFcold，i表示低溫環(huán)境下的排放因子，g/km；Fregular，i表示常溫環(huán)境下的排放因子，g/km；i 表示污染物CO、NOx或PN。

由圖13～圖15 可知，低溫環(huán)境對(duì)試驗(yàn)車C 不同污染物排放的影響均較大，其中對(duì)市區(qū)行程的CO 排放影響最大，通過(guò)公式（2）計(jì)算出IF 達(dá)3.5。

圖16 為低溫影響系數(shù)。

圖16 低溫影響系數(shù)

由圖16 可知，低溫影響系數(shù)均高于1.6，說(shuō)明低溫環(huán)境對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車的排放影響較大。

為了對(duì)比不同環(huán)境溫度下的CO2排放，本文以1 km 為區(qū)間，將整個(gè)RDE 測(cè)試過(guò)程中的CO2排放進(jìn)行擬合，如圖17 所示。

圖17 CO2 排放擬合曲線

由圖17 可知，在起動(dòng)階段，低溫環(huán)境下CO2排放較高。這主要是由于在低溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間浸車導(dǎo)致潤(rùn)滑油粘度增大，傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部阻力增加。為了滿足正常行駛需要，同時(shí)為了盡快完成暖機(jī)工況，需要向缸內(nèi)噴入更多的燃油，導(dǎo)致在市區(qū)行程車速較低的起動(dòng)工況下，低溫CO2排放升高。隨著車輛的行駛，車輛內(nèi)阻逐漸與常溫狀態(tài)下的內(nèi)阻接近，在中速階段，CO2排放差異最小。在高速階段，溫度導(dǎo)致的空氣阻力差異起主要影響作用，導(dǎo)致低溫下的CO2排放較高。

綜上所述，低溫環(huán)境下，浸車導(dǎo)致的車輛內(nèi)阻增加、額外暖機(jī)需要以及空氣阻力增加導(dǎo)致CO2排放升高。

4 結(jié)論

1）插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）在RDE 測(cè)試下的油耗及CO2排放高于WLTC 測(cè)試循環(huán)，差異主要體現(xiàn)在市區(qū)行程，隨著VSP 增加，差異更加明顯。

2）PHEV 在常溫環(huán)境下行駛時(shí)，當(dāng)動(dòng)力電池電量較低時(shí)，市區(qū)行程頻繁起停將導(dǎo)致催化劑溫度不能達(dá)到正常工作溫度，進(jìn)而導(dǎo)致排放升高。該狀況在較為擁堵的市區(qū)行程中較為顯著。

3）與常溫環(huán)境相比，低溫環(huán)境下，PHEV 在實(shí)際行駛過(guò)程中將消耗更多的燃油，產(chǎn)生更多的CO2與污染物排放。