摘要：使用便攜式車(chē)載排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）分別對(duì)一輛重型柴油車(chē)和一輛搭載同款發(fā)動(dòng)機(jī)的插電式混合動(dòng)力電動(dòng)重型車(chē)進(jìn)行實(shí)際道路排放試驗(yàn)，研究重型混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)相比于燃油車(chē)的排放特征。結(jié)果表明：插電混合動(dòng)力車(chē)的CO和NOX排放在發(fā)動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生排放峰值，隨后瞬時(shí)排放逐漸降低趨于穩(wěn)定，而PN則是在發(fā)動(dòng)機(jī)自啟功后逐漸增大。從污染物排放因子和比排放的結(jié)果看，燃油車(chē)CO、NOX和CO2的排放因子和比排放要大于插電混和動(dòng)力車(chē)，而插電混的PN排放因子和比排放要大于燃油車(chē)。

關(guān)鍵詞：重型車(chē)；混合動(dòng)力汽車(chē)；PEMS；污染物排放

中圖分類號(hào)：U469 收稿日期：2024-05-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408030

1 前言

為助力我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的盡早實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步改善我國(guó)的環(huán)境空氣質(zhì)量，汽車(chē)行業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)巨大的能源結(jié)構(gòu)變革，越來(lái)越多的車(chē)輛向混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)和純電動(dòng)車(chē)輛轉(zhuǎn)型。根據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2024年1～3月的新能源汽車(chē)市場(chǎng)占有率已達(dá)到311%。在從燃油車(chē)向零碳排放車(chē)輛轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，插電混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)是一個(gè)比較合適的過(guò)渡產(chǎn)品，它既有節(jié)能降耗的優(yōu)勢(shì)，又沒(méi)有續(xù)駛里程的焦慮，使用成本也相對(duì)較低。盡管如此，由于有發(fā)動(dòng)機(jī)的參與，混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的污染物排放問(wèn)題仍不能忽略。

目前，針對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)排放的研究主要集中在輕型車(chē)上。聶彥鑫等[1]采用一臺(tái)插電式混動(dòng)普銳斯測(cè)試了能量消耗模式下的續(xù)駛里程及能耗、能量維持模式下的能耗及排放，結(jié)果表明，暖機(jī)效率是影響油耗的重要因素，頻繁起停而產(chǎn)生的排氣管溫度過(guò)低情況會(huì)影響排放性能。周猛等[2]在WLTC循環(huán)和CLTC循環(huán)下進(jìn)行電量保持模式、電量消耗模式的排放試驗(yàn)，結(jié)果表面兩種循環(huán)排放結(jié)果差異不大。羅佳鑫等[3]選擇3輛輕型插電式混合動(dòng)力汽車(chē)進(jìn)行了基于實(shí)際道路測(cè)試的排放試驗(yàn)和WLTC測(cè)試循環(huán)試驗(yàn)，結(jié)果表明，在實(shí)際道路測(cè)試下的油耗及CO2排放均高于WLTC測(cè)試循環(huán)。張小奇[4]使用同款車(chē)型的油電混動(dòng)版本和傳統(tǒng)燃油版本進(jìn)行RDE試驗(yàn)，研究不同坡度地形和不同動(dòng)力學(xué)狀態(tài)下污染物的排放特征。李騰騰等[5]也是在重型轉(zhuǎn)轂上比較了不同測(cè)試循環(huán)（C-WTVC和CHTC）下混合動(dòng)力重型車(chē)排放特性。

本文選擇一輛重型燃油車(chē)以及一輛配備相同發(fā)動(dòng)機(jī)的重型混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)進(jìn)行實(shí)際道路PEMS試驗(yàn)，探究重型混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的實(shí)際道路排放特征。

2 試驗(yàn)方案

21 試驗(yàn)車(chē)輛

試驗(yàn)樣車(chē)為一輛傳統(tǒng)的重型燃油車(chē)和一輛重型混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)，兩輛車(chē)配備相同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)相同，后處理類型也相同，車(chē)輛具體參數(shù)信息如表1所示。

22 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用日本HORIBA生產(chǎn)的OBS-ONE便攜式排放測(cè)試系統(tǒng)（PEMS）進(jìn)行實(shí)際道路測(cè)試。該設(shè)備包括主控電腦模塊（CC模塊）負(fù)責(zé)對(duì)其他各個(gè)模塊進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)記錄、電源分配模塊（PE模塊）負(fù)責(zé)給其他各個(gè)模塊進(jìn)行供電、氣體分析模塊（GAS模塊）負(fù)責(zé)對(duì)氣體采集分析氣體污染物（CO、CO2、NOX）、顆粒物分析模塊（PN）模塊負(fù)責(zé)采集記錄顆粒物的數(shù)濃度、流量計(jì)模塊（EFM模塊）負(fù)責(zé)測(cè)量尾氣流量，還包括記錄測(cè)量位置和速度信息的GPS模塊和記錄溫度濕度大氣壓的環(huán)境傳感器模塊。

23 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法按照GB 17691—2018附錄K的要求[6]，采用相同的試驗(yàn)路線，對(duì)兩輛車(chē)分別開(kāi)展PEMS試驗(yàn)?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車(chē)在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，需要對(duì)儲(chǔ)能電源進(jìn)行充分的放電，保證車(chē)輛是在最大燃料消耗量模式下開(kāi)始試驗(yàn)。兩輛車(chē)同為N2城市車(chē)輛，設(shè)定車(chē)輛在市區(qū)（平均車(chē)速15～30 km/h）、市郊（平均車(chē)速45～70 km/h）、高速（平均車(chē)速>70 km/h）階段的時(shí)間占比分別為45%、25%和30%。由于兩輛樣車(chē)在冷啟動(dòng)階段的運(yùn)行時(shí)間以及車(chē)輛怠速狀況差異較大，因此本文不將冷啟動(dòng)（水溫小于70 ℃）的數(shù)據(jù)納入計(jì)算中。兩輛車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中的具體行駛特征參數(shù)見(jiàn)表2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

31 瞬時(shí)排放結(jié)果分析

氣態(tài)排放物的瞬時(shí)質(zhì)量排放的計(jì)算公式如下：

[mgas，i=ugascgas，iqmew，i] （1）

式中，[ugas]為排氣組分密度和排氣密度比，CO取值0000966，NOX取值0001587，CO2取值0001517；[cgas，i]為排氣組分的瞬時(shí)濃度，ppm；[qmew，i]為瞬時(shí)排氣質(zhì)量流量，kg/s。

顆粒物粒子數(shù)量的瞬時(shí)排放計(jì)算公式如下：

[Ni=qmew，i1.293kcs，ifr×106] （2）

式中，k為標(biāo)定系數(shù)；[cs，i]為校準(zhǔn)至標(biāo)準(zhǔn)條件的稀釋排氣中的顆粒物數(shù)濃度，cm3；fr為揮發(fā)性粒子去除器粒子濃度衰減系數(shù)。

圖1和圖2是燃油車(chē)和混合動(dòng)力瞬時(shí)污染物排放。通過(guò)轉(zhuǎn)速曲線和排溫曲線可以看出，混合動(dòng)力車(chē)在市區(qū)階段有5段時(shí)間發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有啟動(dòng)，在市郊和高速階段分別有2段時(shí)間。CO和NOX會(huì)在每次發(fā)動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)的時(shí)間，出現(xiàn)一個(gè)排放峰值，隨著排溫的升高，這兩種污染物的排放逐漸降低，趨于穩(wěn)定。而對(duì)于燃油車(chē)，CO和NOX的排放都比較穩(wěn)定，峰值均出現(xiàn)在工況切換的瞬間，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷比較大，排溫沒(méi)有達(dá)到合適的溫度，導(dǎo)致污染物排放排放出現(xiàn)一個(gè)較大的波動(dòng)。CO2的瞬時(shí)排放與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，隨著車(chē)速的升高，CO2的瞬時(shí)排放也越來(lái)越高。

PN的排放則是在發(fā)動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)后，隨著排溫的升高PN的排放越來(lái)越高?；旌蟿?dòng)力PN排放的峰值出現(xiàn)在高速階段發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)進(jìn)入純電模式的瞬間，此時(shí)排溫仍較高，SCR系統(tǒng)仍在噴灑大量尿素，而發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有對(duì)應(yīng)量的NOX排出，導(dǎo)致尿素溶液無(wú)法及時(shí)反應(yīng)，變成顆粒物被檢測(cè)到。相比較而言，燃油車(chē)沒(méi)有這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，可能是因?yàn)槿加蛙?chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于工作狀態(tài)，始終有NOX排放，并且燃油車(chē)大的尿素噴灑與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)配合的比較好。因此混合動(dòng)力車(chē)在后處理與發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同匹配上要做進(jìn)一步的優(yōu)化。

32 排放因子分析

圖3是燃油車(chē)、插電混和動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的CO排放因子，由圖可以看出，燃油車(chē)CO的排放因子大小為市區(qū)＞高速＞市郊，插電混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的CO排放因子大小為市區(qū)＞市郊＞高速。且燃油車(chē)的CO排放因子在各個(gè)工況階段均大于插電混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)，平均是插電混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的2～3倍。

圖4是燃油車(chē)和插電混和動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的NOX排放因子。由圖可以看出，燃油車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)均隨著速度平均速度的增大，相應(yīng)的NOX排放因子減小，這是由于速度越高，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，發(fā)動(dòng)機(jī)的排溫也越高，會(huì)使得后處理SCR處于更優(yōu)的反應(yīng)溫度區(qū)間。并且，燃油車(chē)的各個(gè)工況階段的NOX排放因子都是插電混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的2倍左右。

裝有SCR后處理的柴油車(chē)，SCR對(duì)NOX的轉(zhuǎn)化效率決定了NOX的排放，而排氣溫度對(duì)SCR的效率有很大的影響。通過(guò)對(duì)燃油車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的瞬時(shí)NOX排放分析可以看出，對(duì)于燃油車(chē)，市區(qū)階段的排氣溫度都沒(méi)超過(guò)200 ℃，此時(shí)后處理SCR的效率還不處于最優(yōu)的狀態(tài)，所以NOX排放情況比較差；隨著車(chē)速的提升，市郊和高速階段的排溫也增大，達(dá)到220～280 ℃的溫度區(qū)間，SCR對(duì)NOX的轉(zhuǎn)化效率提高，此時(shí)的NOX排放速率相對(duì)較低。對(duì)于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，車(chē)輛會(huì)根據(jù)行駛工況和自身電量狀況切換純電模式和混動(dòng)模式。在純電模式狀況下，車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，排溫會(huì)迅速下降，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)再次啟動(dòng)時(shí)，由于排溫比較低，NOX的排放速率會(huì)比較大，隨著溫度的升高，NOX的排放速率也逐漸減小。從市區(qū)、市郊和高速各工況區(qū)間來(lái)看，也是市區(qū)排放速率相對(duì)較高，市郊和高速排放速率相對(duì)較低。

圖5是燃油車(chē)、插電混和動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的CO2排放因子。燃油車(chē)CO2排放因子大小為高速＞市區(qū)＞市郊，而插電混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)隨著平均速度的增大，CO2排放因子逐漸增大。燃油車(chē)在市區(qū)和市郊階段的CO2排放因子大于插電混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，在高速階段的CO2排放因子小于插電混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)，因?yàn)樵诟咚俟r，發(fā)動(dòng)機(jī)一直是高轉(zhuǎn)速運(yùn)行，且插混車(chē)的平均速度要略大于燃油車(chē)。綜合來(lái)看，燃油車(chē)的CO2排放因子仍大于插電混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)，說(shuō)明插電混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)仍有一定的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。

圖6是燃油車(chē)、插電混和動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的PN排放因子。由圖可以看出，平均速度越高，燃油車(chē)和插電混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的PN排放因子均越高，并且插電混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)的PN排放因子在各個(gè)速度工況下的排放因子均遠(yuǎn)高于燃油車(chē)。

33 功積窗口排放特征

參考GB 17691—2018使用功基窗口法對(duì)車(chē)輛的排放進(jìn)行分析。功基窗口是基于對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的基準(zhǔn)循環(huán)做功使用移動(dòng)平均窗口方法來(lái)計(jì)算排放，該方法將排放數(shù)據(jù)分成不同數(shù)據(jù)子集，每個(gè)子集的長(zhǎng)度通過(guò)循環(huán)功與基準(zhǔn)循環(huán)做功數(shù)來(lái)確定，數(shù)據(jù)子集的移動(dòng)補(bǔ)償要與數(shù)據(jù)采樣周期[Δt]相同。

功基窗口法的示意圖如圖7所示，第i個(gè)平均窗口周期[（t2，i-t1，i）]由下式?jīng)Q定：

[W（t2，i）-W（t1，i）≥Wref] （3）

式中，[W（tj，i）]為從開(kāi)始到[tj，i]時(shí)間內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功，kW·h；[Wref]為該發(fā)動(dòng)機(jī)的WHTC循環(huán)功，kW·h。

[t2，i]應(yīng)由下式確定：

[W（t2，i-Δt）-W（t1，i）<Wref≤Wref≤W（t2，i）-W（t1，i）] （4）

式中，[Δt]為數(shù)據(jù)采樣周期。

各個(gè)污染物的功基礎(chǔ)窗口比排放由下式計(jì)算：

[ep=mW（t2，i）-W（t1，i）] （5）

式中，[ep]為污染物的比排放，g（kW·h）或#（kW·h）；m表示各個(gè)污染物的窗口內(nèi)的累計(jì)排放量，g或#；[W（t2，i）-W（t1，i）]表示第i個(gè)窗口的發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)功。

窗口內(nèi)平均功率反映了窗口內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)做功的劇烈程度，按功基窗口內(nèi)平均功率占最大凈功率的比例，將窗口分為4個(gè)部分：小于最大凈功率10%的窗口（＜10%）；大于等于最大凈功率10%且小于最大凈功率20%的窗口（10%～20%）；大于等于最大凈功率20%且小于最大凈功率30%的窗口（20%～30%）；大于等于最大凈功率30%的窗口（≥30%）。燃油車(chē)和插混車(chē)各類功基窗口的數(shù)量和占比如表3所示。

圖8為試驗(yàn)車(chē)輛CO的功基窗口比排放結(jié)果。由圖可以看出，不論是燃油車(chē)還是插混車(chē)，隨著平均功率的增大，窗口的比排放都在減小。燃油車(chē)在各個(gè)區(qū)間的比排放數(shù)據(jù)要遠(yuǎn)大于插混車(chē)。燃油車(chē)在各個(gè)功率區(qū)間的比排放數(shù)據(jù)更加分散，跨度較大，在10%～20%功率區(qū)間數(shù)據(jù)的波動(dòng)最大。而插混車(chē)的比排放數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，在＜10%的功率區(qū)間比排放數(shù)據(jù)基本沒(méi)有波動(dòng)，而≥30%的功率區(qū)間數(shù)據(jù)波動(dòng)相對(duì)較大。

圖9為試驗(yàn)車(chē)輛NOX的功基窗口排放結(jié)果。由圖可以看出，不論是燃油車(chē)還是插混車(chē)，隨著平均功率的增大，窗口的比排放都在減小。燃油車(chē)在各個(gè)區(qū)間的比排放數(shù)據(jù)要大于插混車(chē)，隨著功率增大，燃油車(chē)和插混車(chē)比排放的差距在不斷減小，在≥30%的功率區(qū)間里，兩輛車(chē)的比排放數(shù)據(jù)基本持平。從數(shù)據(jù)分散的程度來(lái)看，燃油車(chē)在10%～20%功率區(qū)間數(shù)據(jù)的波動(dòng)最大，在≥30%的功率區(qū)間波動(dòng)最小；而插混車(chē)在＜10%的功率區(qū)間波動(dòng)最大，在20%～30%的功率區(qū)間波動(dòng)最小。

圖10為試驗(yàn)車(chē)輛PN的功基窗口排放結(jié)果。由圖可以看出，不論是燃油車(chē)還是插混車(chē)，隨著平均功率的增大，窗口的比排放都在增大，且數(shù)據(jù)的分散程度也隨著功率的增大而增大。插混車(chē)的比排放數(shù)據(jù)要遠(yuǎn)大于燃油車(chē)的比排放。

圖11為試驗(yàn)車(chē)輛CO2的功基窗口排放結(jié)果。由圖可以看出，各區(qū)間燃油車(chē)的CO2比排放要遠(yuǎn)大于插混車(chē)的比排放，隨著平均功率的增大，比排放逐漸減小。燃油車(chē)在20%～30%的功率區(qū)間比排放最穩(wěn)定，而插混車(chē)在＜10%的功率區(qū)間比排放最穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

插混車(chē)CO、NOX的瞬時(shí)排放，在每次發(fā)動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)的瞬間有個(gè)峰值，隨著排溫的升高，瞬時(shí)排放逐漸降低趨于穩(wěn)定，而燃油車(chē)的瞬時(shí)排放峰值出現(xiàn)在工況切換的瞬間。燃油車(chē)的各速度區(qū)間的排放因子和各功率區(qū)間的比排放都大于插混車(chē)。插混車(chē)和燃油車(chē)的CO2排放于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)速緊密相關(guān)，燃油車(chē)CO2排放因子和比排放要大于插混車(chē)。插混車(chē)PN的瞬時(shí)排放在發(fā)動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)后逐漸增大，插混車(chē)PN的排放因子和比排放都要大于燃油車(chē)?？偟膩?lái)說(shuō)，插混車(chē)在降低油耗和氣態(tài)污染物排放上都能起到比較好的效果，而PN排放更高，可能需要在動(dòng)力系統(tǒng)和后處理的匹配上做進(jìn)一步優(yōu)化。

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作者簡(jiǎn)介：

張凱，男，1986年生，工程師，研究方向?yàn)橹匦蜕逃密?chē)能耗排放檢驗(yàn)。