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

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濟性和廢氣排放特性之間的關系進行了一系列試驗。研究人員在混合動力-傳動系臺架試驗裝置的發動機上，組合排氣后處理裝置，改變混合動力-傳動系統的結構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濟性和排放特性。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%，燃油經濟性提高3.1%。此外，高效率發動機驅動的混合動力卡車的廢氣排放溫度與柴油機卡車相同，排放性能得到了改善。

混合動力卡車 再生制動能量 燃油經濟性 廢氣排放特性

0 前言

近年來，由于全球氣溫升高導致的氣候變化成為社會問題，而汽車排放的CO2數量的增加，是引起全球變暖的因素之一。為實現CO2減排，提高發動機熱效率，各汽車制造商正在積極地進行低燃油耗車及混合動力車型的研發[1-2]。為了提高混合動力車輛的燃油經濟性，可利用電動機回收減速制動時的能量，為加速時提供驅動用的輔助動力，以降低發動機的作功量。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行研究[3-7]。

研究小組評價了小型混合動力卡車的燃油經濟性能及排放特性，并進一步研究了提高混合動力商用車的燃油經濟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，在試驗室構建了可以再現各種混合動力車輛實際行駛狀態的“混合動力-傳動系統臺架試驗裝置[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濟性，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濟性能及排放性能。在混合動力-傳動系統臺架試驗系統的發動機上，組合排氣后處理裝置，并進行了相關試驗。

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濟性能與排放特性的關系，使用了結合仿真模型與實際機組，采用了可以實時控制與評價的混合動力-傳動系統臺架試驗裝置(明電舍公司制EVREV0)。試驗中，發動機使用實體發動機，而其他組成設備則利用模型，在本系統中構建了假定的混合動力卡車。

試驗用發動機為排量4.7 L，直列4缸帶中冷器的渦輪增壓式柴油機(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要求的車輛使用，并配裝了柴油機顆粒捕集器(DPF)，氧化催化轉化器(DOC)，以及選擇性催化還原系統(SCR)(圖1)。采用永久磁鐵式同步電動機(澤藤電機公司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規格，設定了實際配裝上述發動機的中型卡車，試驗時的車輛質量為5 870 kg，載質量處于半載狀態。

表1 模擬卡車技術規格

行駛模式是圖2所示的JE05工況及市區道路行駛工況。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(預先運行；車輛停止10 min；繼續JE05工況行駛)。按照這樣的循環進行了試驗。另一方面，按市區道路行駛工況的試驗，行駛的程序為：循環JE05工況行駛(本來運行)的試驗之后，車輛停止10 min；市區道路工況行駛(預先運行)；車輛再停止10 min；市區道路行駛工況(本來運轉)順序實施試驗。

圖2 行駛試驗模式(JE05工況及市區道路行駛工況)

1.3 傳動系統結構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型混合動力方式。假定卡車的比較對象使用了柴油機卡車，要求只用發動機運轉，并建立了模型。作為研究對象的混合動力系統設定為以下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的結構為“發動機?離合器?電動機?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，構建假想卡車A的柴油機與電動機的動作狀態，確認與文獻[8]中顯示大致相同的動態。這種車輛在車速15 km/h以下，停止了再生制動控制的功能，而在最新的電機驅動乘用車上，在極低車速下采用了有再生制動控制功能的技術。因此，本試驗中，將具備再生制動控制功能的最低車速(VRBC)設定為15 km/h與3 km/h，并進行了評價。以下所有假想卡車中，VRBC設定為同樣的條件。

(2)混合動力卡車：假想卡車B

根據ECMT-混合動力車輛(HEV)傳動系統的結構，轉換電動機與離合器，設定為“柴油機?電動機?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入市場時的結構。

(3)高效驅動混合動力卡車：假想卡車C

配裝汽油機的混合動力乘用車要求按發動機最佳效率曲線驅動發動機，采用電動機進行動力運行/再生制動控制的系統。將進一步提高燃油經濟性設為目標，將試驗用柴油機設定該系統，構建了假想卡車C。傳動系統的結構是與假想卡車A相同的。試驗用發動機的最佳的動作曲線，即燃油消耗率圖見圖3。發動機排氣口的氮氧化物(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運行(VRBC=15 km/h)，相比柴油機卡車的燃油經濟性能及發動機排放氣體的NOx含量也得到了改善，文獻[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濟性能及排放氣體特性，考慮蓄電池的蓄電狀態，設定了行駛開始與結束時電量(電能)收支相抵(ΔSOC=0)。驅動用蓄電池充電，車輛減速時間設定為再生制動控制及發電控制，不利用外部電源進行充電。因此，假想卡車A及假想卡車B，基于電動機提供的輔助動力大小進行了試驗。由于假想卡車C中發動機扭矩是任意設定的，利用電動機提供的輔助動力數據，末端傳動齒輪比(傳動軸齒輪比)或車輛質量成為變更的因素，因此，對末端傳動齒輪比并進行了調整。

圖3 按照各假想卡車發動機轉速和發動機扭矩的比較

2 試驗結果及考察

2.1 假想卡車的行駛動態及總再生電量

圖4示出JE05行駛工況的最初行駛狀態時各假想卡車行駛時的發動機及電動機的性能表現。圖4(a)為假想卡車A及假想卡車B單純地由發動機與電動機分配行駛時必要的扭矩。假想卡車C則在發動機低轉速、高扭矩工況下減少負荷扭矩。如減速時(70～90 s)，則假想卡車A及假想卡車C的發動機與電動機被離合器分開，與本軸直接連接的電動機進行制動能量再生，發動機進行怠速運轉。由于假想卡車B的發動機與電動機直接連接，能夠確認由于發動機制動導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進行比較，見圖4(b)，按照VRBC=3 km/h進行控制，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，發動機及電動機的表現性能

各假想卡車按JE05行駛工況及市區道路工況行駛時，電動機的能量再生及通過發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，利用發動機進行強制發電(用馬達為加速提供輔助動力)，因此，再生電量中形成增加了發電電量的狀態。總再生電量的增加，由于受電動機布置的影響，能夠用離合器分開發動機與電動機的假想卡車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濟性的比較

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，按照柴油機卡車<假想卡車A<假想卡車C的順序，燃油耗減小(燃油經濟性提高)，可看到燃油經濟性與總再生電量之間的關系。如圖3(a)和圖3(b)所示，按照柴油機卡車>假想卡車B>假想卡車A的順序，發動機動作點分布于低扭矩側，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，發動機及電動機的轉速降低了，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，按照發動機最佳效率曲線運轉，利用發動機進行強制發電運轉，總再生電量變大，燃油耗改善26%，其燃油經濟性最優異，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動機外部，分別在DOC后、DPF后，以及SCR后共4處位置。排放特性在發動機外部(后處理裝置前)與排氣尾管(排氣后處理裝置之后)進行了測試。

(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系。

①關于柴油機卡車

JE05工況的發動機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 ℃。市區道路行駛工況下，在發動機外部約為147 ℃，DOC后為115 ℃，DPF后約為100 ℃，SCR后約為83 ℃，與JE05工況相同，隨著向發動機下游側推進，排氣溫度呈現降低趨勢。

②關于各假想卡車

按JE05工況運行結果，總再生電量增加的系統結構順序(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，由于單純地由發動機與電動機分攤行駛時必要的作功量，因此發動機作功量都有所降低。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，得到了與柴油機卡車同等的排氣溫度。考慮到利用發動機進行強制發電運轉，發動機的運轉點如圖3(c)所示，分布于低轉速、高扭矩區域。

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、總碳氫(THC)和NOx的關系。

①柴油機卡車，假想卡車A與B

在JE05行駛工況下，發動機外部的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系。其次，市區道路行駛工況情形下，發動機外部的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，而柴油機卡車及假想卡車B的CO，發動機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系

為調查以上原因，凈化排氣中的CO及THC的DOC。在此，為詳細地調查市區道路工況行駛時的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，調整市區道路工況行駛試驗(VRBC=15 km/h)的開始時間，變更了DOC后的平均排氣溫度，并進行了試驗。圖8(a)與(b)表示試驗結果。首先，關于THC與假想卡車的傳動系統方式無關，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中所示按市區道路工況的基本運轉時的THC增加，與后處理裝置內的DOC的溫度降低有密切關系。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，確認了與圖8的CO的關系，則可知與圖7的排放趨勢有密切關系。

②關于假想卡車C

根據再生電量與強制發電電量的總計值，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)表示測試結果。在整個溫度范圍，按照柴油機卡車>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)右側所示的NOx排放量與市區道路工況行駛時的發動機動作點的關系。此外，圖8中同時示出了市區道路工況行駛時(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，關于THC，在發動機外部，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，市區道路工況下比假想卡車B增加了一些，能夠確認這里也與圖8的結果有密切關系。最后，關于CO與NOx及THC的排放趨勢有大的差異，尤其是JE05工況下，其結果比其他假想卡車的排放量多。

圖8 市區道路工況行駛時排氣尾管中的CO、THC及NOx

因此，為調查該原因，以JE05工況高速行駛部分的起步加速時為例進行確認。圖9中按每一時間序列同時示出了柴油機卡車。圖9中按每一時間序列同時示出了柴油機卡車，假想卡車A及假想卡車C的各種發動機運轉條件與排放特性。柴油機卡車及假想卡車C每次變速發生高濃度煙塵(不透明物)，發動機外部也排放更多的CO。另一方面，假想卡車A結束利用電動機為加速器提供輔助動力，車速達到65 km/h[8](約1 470 S)，沒有確認煙塵的高濃度以及CO的顯著的排放趨勢。考慮到廢氣再循環(EGR)率，則發動機負荷低的假想卡車A的EGR率為60%左右，顯示恒定的趨勢。而柴油機卡車及假想卡車C，可以確認由于變速導致EGR率急劇地變動。尤其是假想卡車C因為發動機在低轉速、高扭矩工況下運轉，可考慮變速條件下發動機過渡運轉時，燃燒室內容易形成氧含量不足的狀況，可推測為由于其影響，發動機外部的CO排放次數及其數量變多了。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中所示的結果是市區道路工況行駛時的DOC的溫度特性，但可認為本區間的CO也顯示了同樣的特性。

圖9 發動機性能(含運轉條件及排放特性)與時間歷程的關系

3 結語

在混合動力-傳動系統臺架試驗裝置的發動機上組合排氣后處理裝置，調查了改變混合動力-傳動系統結構，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濟性能，以及排放特性，獲得以下結果。

(1)總再生電量與燃油經濟性能之間相互關系密切。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%，燃油經濟性改善3.1%。

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

(3)伴隨總再生電量的增加，發動機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，而未能確認該排放特性與總再生電量之間的相互關系。

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彭惠民 譯自 自動車技術會論文集， 2015， 46(3)

何丹妮 編輯

2016-05-05)