混合動力汽車實際道路行駛排放特性研究?

禹文林，葛蘊珊，王 欣，彭子航，王學智，尹 航

(1.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081；3.青海省高原科技發(fā)展有限公司，西寧 810006；4.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012)

前言

隨著汽車保有量的不斷增加，汽車工業(yè)已經(jīng)逐步發(fā)展成為我國實體經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車在提供便利的同時也造成了巨大的環(huán)境污染，不斷加嚴排放法規(guī)和使用清潔能源是減少汽車污染物排放的有效手段。考慮到純電動汽車續(xù)駛里程短和充電難的問題，混合動力技術將是一個很好的過渡。

實驗室標準測試循環(huán)只能反映汽車在特定工況的排放水平，通過標準測試循環(huán)得到的污染物排放和實際道路排放存在較大差別[1-3]。最新發(fā)布的國六法規(guī)中引入實際道路排放(real driving emission，RDE)測試，通過使用車載便攜式排放測試設備(portable emission measurement system，PEMS)對車輛在實際道路行駛條件下進行排放測試[4]。混合動力汽油車的實際道路排放與傳統(tǒng)燃料汽車的實際道路排放也存在差別[5]。目前對混合動力汽車的實際道路行駛排放研究較少，本文中選擇了3輛混合動力汽油車和同排量的3輛汽油車進行RDE試驗，采用CO2移動平均窗口法分析汽油車的污染物排放，采用算術平均法、CO2移動平均窗口法和插電混合動力(off-vehicle charging hybrid electric vehicle，OVCHEV)車輛RDE計算方法分析混合動力汽油車的污染物排放[4]。

1 試驗方案

RDE試驗是一個多變量的試驗過程，當試驗條件發(fā)生改變時結果也會發(fā)生改變，影響測試結果的因素如下:①環(huán)境因素:大氣溫度、濕度和風速；②交通:流暢或擁堵；③路況:路面平整性，有無陡坡；④駕駛員駕駛行為:激進或柔和。

RDE試驗流程一般分為5步:①試驗車輛和PEMS設備挑選；②試驗車輛WLTC工況測試；③實驗路線規(guī)劃；④R DE路試；⑤污染物排放因子計算。

1.1 試驗車輛

參加試驗的6輛車，分別編為1號車、2號車、3號車、4號車、5號車和6號車，其技術參數(shù)如表1所示。

表1 試驗車輛主要技術參數(shù)

混合動力汽車通過加速踏板和電池荷電狀態(tài)來控制動力的輸出模式，一般有3種動力輸出模式:發(fā)動機獨立工作模式、電動機獨立工作模式和發(fā)動機與電動機同時工作模式[6-8]。通過不同工作模式的切換使車輛在行駛過程中獲得最佳的燃油經(jīng)濟性和排放特性。

1.2 測試設備

本次RDE試驗選用Horiba OBS-ONE車載排放分析儀對汽車尾氣進行采樣分析，分析儀包含氣態(tài)污染物測量和顆粒物測量(PN)兩大模塊，在試驗過程中能夠對汽車的CO，CO2，NOx(NO和NO2)和顆粒物數(shù)量(PN)排放進行瞬態(tài)測試。測試設備如表2所示，設備安裝如圖1所示。

表2 測試設備組件與功能

圖1 設備安裝示意圖

1.3 試驗車輛

試驗在北京市進行，試驗路線按表3所示的法規(guī)要求設計[4]。

表3 RDE路試條件

在行駛過程中，市郊工況可被市區(qū)工況打斷，高速工況可被市區(qū)工況和市郊工況打斷。

按照上述要求，經(jīng)過不斷嘗試后挑選路線如下。

市區(qū)路段:博興六路 興海路 博興路 榮昌西街榮昌東街 永昌中路 永昌北路 榮京東街 榮京西街 涼水河一街 博興路。

市郊路段:博興路 太和橋 六環(huán)高速 馬駒橋京津高速。

高速路段:京津高速 德仁務高速出口 京津高速 徐莊橋。

2 數(shù)據(jù)處理

RDE試驗過程中測試設備會記錄車輛行駛過程中污染物濃度、排氣流量和車速等相關瞬態(tài)數(shù)據(jù)。本文中主要研究混合動力車輛的實際道路行駛污染物排放，關于汽油車的數(shù)據(jù)處理過程不再詳述，直接給出其污染物排放結果以對比分析混合動力車輛的污染物排放。

2.1 計算瞬時污染物排放

(1)數(shù)據(jù)對齊:利用反向移位的方法使污染物濃度、排氣流量和車速實現(xiàn)數(shù)據(jù)對齊。

(2)剔除冷起動數(shù)據(jù):按照RDE法規(guī)要求，剔除發(fā)動機起動后5min內冷卻液溫度未達到70℃時的數(shù)據(jù)。

(3)剔除發(fā)動機熄火數(shù)據(jù):剔除排氣質量流量小于3kg/h或排氣流量率測量值小于怠速穩(wěn)定排氣流量率15%時的數(shù)據(jù)。

(4)利用式(1)和式(2)計算 CO，CO2，NOx和PN的瞬時質量和數(shù)量排放(g/s或#/s)。

式中:mgas，i為排氣污染物“gas”質量排放率，g/s；pgas，i為排氣污染物“gas”的密度，kg/m3； pgas，e為排氣污染物的密度，kg/m3；cgas，i為排氣中測得排氣污染物“gas”的濃度，10-6； qmew，i為排氣質量流量，kg/s；gas為相應的污染物；i為測量值編號。

式中:mPN，i為顆粒物瞬態(tài)數(shù)量排放率，#/s，#代表個；cPN，i為修正到 0℃的顆粒物數(shù)量濃度，#/m3； pe為 0℃排氣密度，kg/m3； qmew，i為排氣質量流量，kg/s。

2.2 算術平均法計算污染物排放因子

在2.1節(jié)中已得到車輛的瞬時污染物排放量(g/s或#/s)，把瞬時污染物排放進行累加得到總的污染物排放量，然后除以車輛在試驗時的行駛里程即可得到污染物排放因子:

式中:j為污染物的種類(CO，CO2，NOx和 PN)；m為污染物的瞬時排放；S為行駛里程；M為污染物排放因子，mg/km或#/km。

2.3 CO2移動平均窗口法計算污染物排放因子

CO2移動平均窗口法是把試驗結果劃分為不同窗口然后進行排放計算。

2.3.1 窗口劃分

以車輛在Ⅰ型試驗(WLTC循環(huán))中CO2總排放量的一半(MCO2ref)作為窗口的劃分依據(jù)，從第1s的CO2質量開始累加，直到 CO2累加質量(第 i s)≥MCO2ref為止，則從第1s到第 i s為第1個 CO2窗口。然后從第2s開始累加CO2質量，直到CO2累加質量≥MCO2ref為止，此為第2個CO2窗口，以此類推，將得到的瞬時數(shù)據(jù)劃分為不同的CO2窗口。

2.3.2 工況劃分和污染物排放率計算

計算每個窗口的平均車速，按照窗口的平均車速小于45km/h、大于45km/h且小于80km/h和大于80km/m的原則把窗口劃分為市區(qū)窗口、市郊窗口和高速窗口，并計算車輛在市區(qū)、市郊和高速段的污染物(CO，CO2，NOx和PN)加權質量排放率，然后用式(4)和式(5)計算總行程各污染物的排放因子(mg/km或#/km)。

式中:gas表示 CO，CO2和 NOx；M 為質量排放率；u代表urban，市區(qū)工況；r代表rural，市郊工況；m代表motorway，高速工況；fu，fr和fm分別為 0.34，0.33 和0.33。

式中PN為顆粒物數(shù)量排放。

2.4 OVC-HEV車輛RDE排放計算

本文中采用OVC-HEV車輛RDE排放計算方法對3輛混合動力汽車進行排放計算:

式中:Mt為整個行程中氣體污染物或顆粒物比排放量，mg/km或#/km；mt為整個行程中的氣體污染物質量或顆粒物排放數(shù)量(g或#)；mt，CO2為整個行程中 CO2的排放總量，g；MWLTC，CO2為 WLTC 循環(huán)中，電量保持模式下CO2的比排放，g/km。

3 結果分析

3.1 試驗車輛行駛特征參數(shù)

6輛車的RDE試驗行駛特征參數(shù)都滿足RDE法規(guī)測試要求，如表4所示。

表4 試驗車輛行駛特征參數(shù)

3.2 混合動力車輛完整性和正常性校驗

在試驗獲得的CO2窗口中，當市區(qū)、市郊和高速窗口數(shù)量達到總窗口數(shù)量的15%以上時，試驗車輛完整性通過測試。當市區(qū)、市郊和高速窗口至少有50%落在特性曲線所定義的基本公差范圍內時，試驗車輛正常性通過。如果不滿足上述規(guī)定的50%的最小要求，可以按1%的步長增加基本公差值，直到滿足50%窗口要求。但最終不可以超過二次公差帶。表5為3輛混合動力車輛的窗口校驗。表中“完整性”行中的數(shù)量表示各類型道路的窗口總數(shù)；而“正常性”行中的數(shù)量則表示各類型道路窗口中滿足“特性曲線公差帶”要求的窗口數(shù)量。對應百分比的含義自明。由表可見，3輛混合動力車輛的完整性和正常性都通過驗證，試驗順利通過。

圖2為3輛混合動力試驗車的CO2特性曲線，圖中P1，P2，P3點橫坐標為1號車、3號車、5號車的WLTC循環(huán)低速段、高速段、超高速段的平均速度，縱坐標為平均速度對應CO2排放因子的1.2倍、1.1倍、1.05倍，1號車和3號車的CO2特性曲線完全落在二次公差帶以內，5號車市郊、高速的CO2特性曲線完全落在二次公差帶以內，市區(qū)部分的CO2特性曲線較少部分超出二次公差帶，滿足RDE法規(guī)要求。

表5 窗口正常性和完整性校驗

圖2 混合動力車輛CO2特性曲線

3.3 試驗車輛市區(qū)、市郊、高速污染物排放分析

在RDE試驗之前，所有的車輛都進行了WLTC整車排放試驗，圖3給出6輛試驗車的WLTC工況循環(huán)和RDE試驗的全程、市區(qū)、市郊和高速的CO，NOx和PN排放因子。3輛混合動力車輛的CO，NOx和PN的平均排放因子分別為168.56mg/km，10mg/km和1.29×1012#/km，3輛汽油車的CO，NOx和PN的平均排放因子分別為385.17mg/km，18.49mg/km和2.35×1011#/km。混合動力車輛的CO和NOx排放比汽油車低56.24%和45.91%，混合動力車輛的PN排放比汽油車高4.49倍。

RDE試驗過程中記錄，3號車在市郊路段車輛較多，需要不斷加速超車滿足法規(guī)速度要求，工況變化劇烈。3號車在市郊路段的PN排放很高，對其PN排放因子貢獻較大，當對比3號車(MPI-hybrid)和6號車(GDI-gasoline)的PN排放時發(fā)現(xiàn)3號車的PN排放較高。

圖3 試驗車輛污染物排放結果對比

表6 不同權重系數(shù)下的污染物排放因子

試驗后發(fā)現(xiàn)，2號車、3號車、5號車和6號車在市區(qū)、市郊和高速的里程占比接近34%，33%和33%，而1號車和4號車在各段的里程占比為31.5%，31.5%，37%和31.9%，36.2%，31.9%(都滿足法規(guī)要求)。表6為采用不同加權系數(shù)計算得到試驗污染物的結果，法規(guī)所對應的加權系數(shù)為fu，fr和fm分別等于0.34，0.33和0.33，實際所對應的加權系數(shù)fu，fr和fm分別等于試驗車輛的各段里程占比。由表6可見，在試驗條件都滿足法規(guī)要求的前提下，各段里程占比偏差越大，按法規(guī)要求計算得到的污染物偏差也越大。

表7為試驗車輛CO2排放因子結果。由表可見，混合動力車輛CO2排放都低于同排量汽油車的CO2排放，混合動力車輛的燃油消耗比汽油車低。

表7 試驗車輛CO2排放因子

3.4 3種方法計算混合動力車輛污染物排放因子

采用3種不同的數(shù)據(jù)處理方法對混合動力車輛RDE測試結果進行排放因子計算，其結果如表8所示。表中方法a代表算術平均法，方法b代表CO2移動平均窗口法，方法c代表OVC-HEV車輛RDE排放計算法。

由表7可見，3種計算方法得到的污染物排放因子大小并沒有明顯的規(guī)律，例如由a，b，c 3種計算方法得到的5號車NOx排放因子分別為4.25，4.36和 4.96mg/km，結果相差不大，但由 a，b，c 3 種計算方法得到的1號車 NOx排放因子分別為14.67，22.06和13.38mg/km，結果相差很大。

表8 混合動力車輛污染物排放因子

算術平均法計算得到的污染物排放因子能反映車輛在試驗過程中的整體排放水平，但忽略了局部的排放；CO2移動平均窗口法以試驗車輛WLTC的CO2排放總量的一半為基礎劃分窗口，依據(jù)窗口的平均車速把整個試驗劃分為市區(qū)、市郊、高速3部分，然后計算各段和全程的污染物排放因子，能反映出車輛在試驗過程中的整體和局部的排放水平；OVC-HEV車輛RDE排放計算法是依據(jù)試驗車輛WLTC的CO2排放因子、車輛試驗過程所產(chǎn)生的污染物排放總量和CO2排放總量來計算污染物排放因子。基于車輛CO2排放計算試驗全程污染物排放因子，反映車輛的整體排放水平。CO2移動平均窗口法和OVC-HEV車輛RDE排放計算法相比算術平均法的優(yōu)勢在于把車輛的實際道路排放和實驗室工況循環(huán)排放相結合，提升了標準工況循環(huán)制定的實際意義，但車輛在實驗室工況循環(huán)的CO2排放水平對實際道路的污染物排放計算影響較大。

3.5 污染物瞬時排放特性分析

以5號車和6號車為例，分析試驗過程中車輛瞬時車速和發(fā)動機轉速分布。表9和表10分別為5號車和6號車的車速和發(fā)動機轉速分布。

表9 5號車的車速和發(fā)動機轉速分布 %

由表9可見，5號車發(fā)動機轉速在[0，2 000]的統(tǒng)計比例為82.20%，[2 000，3 000]的統(tǒng)計比例為17.29%，[3 000，5 000]的統(tǒng)計比例為 0.45%，且當車速大于60km/h時，發(fā)動機轉速落在[0，2 000]的統(tǒng)計比例為25.20%，說明車輛在行駛過程中的大部分工況依靠純電機或電機和發(fā)動機同時工作為車輛提供動力輸出，很少有發(fā)動機單獨工作的工況，以此來達到較好的燃油經(jīng)濟性和污染物排放特性。

表10 6號車的車速和發(fā)動機轉速分布 %

由表9和表10可見，6號車發(fā)動機轉速和汽車車速高低對應。當車速大于60km/h后，5號車發(fā)動機轉速低于1 000r/min的統(tǒng)計比例為9.19%，6號車發(fā)動機轉速低于1 000r/min的統(tǒng)計比例為0.08%，混合動力汽車有電輔助動力輸出，在較高的車速下也可能對應較低的發(fā)動機轉速。

為研究混合動力車輛的瞬時污染物排放特性，截取5號車的部分速度片段進行分析，所選速度片段由市區(qū)、市郊和高速工況組成，圖4為所選片段的污染物瞬時排放隨加速度和節(jié)氣門開度的變化曲線。

圖4 5號車污染物瞬時排放與加速度、節(jié)氣門開度關系

圖4 中a點CO出現(xiàn)瞬時排放峰值176.89mg/s，對CO排放因子的計算貢獻很大，其對應時刻的加速度為1.92m/s2，節(jié)氣門開度為55.30%，此時車輛處于較大負荷和急加速工況。由圖可見，CO的瞬時排放與加速度和節(jié)氣門開度并無較為明顯的跟隨關系。

但是，NOx排放和PN排放與節(jié)氣門開度有很好的跟隨關系，當車輛負荷加大而發(fā)動機節(jié)氣門開度增大時，NOx和PN的瞬時排放增加，且PN排放表現(xiàn)更為明顯。由圖可見，NOx和PN的排放峰值出現(xiàn)在節(jié)氣門突然增大的瞬間，即使后面節(jié)氣門依然保持很大的開度，車輛NOx和PN排放也很低。出現(xiàn)這種情況的主要原因是發(fā)動機在加速的瞬間使用濃混合氣，空燃比嚴重偏離了理論空燃比，三元催化轉化效率變低，導致排放急劇升高，此工況下的污染物瞬時排放對排放因子的計算貢獻很大。

圖4中區(qū)間d所對應的時間段內，車輛處于頻繁的加、減速工況，發(fā)動機不斷地切換熄火和點火狀態(tài)，PN呈現(xiàn)出明顯的低谷和峰值排放。圖中b，c兩段時間內節(jié)氣門幾乎全閉，發(fā)動機處于熄火狀態(tài)，由電機驅動車輛前行，此時的CO，NOx和PN排放都為零。

4 關于RDE法規(guī)的思考和建議

4.1 關于RDE法規(guī)的思考

(1)混合動力汽車的RDE試驗設計與傳統(tǒng)燃料汽車RDE試驗基本相同，法規(guī)沒有建立一套完整的混合動力汽車RDE試驗體系。

(2)混合動力車輛的RDE數(shù)據(jù)處理方法得到的車輛實際道路排放信息較少。

(3)沒有針對RDE測試的試驗路線，低速、中速、高速的里程占比允許偏差為±10%，當偏差較大時權重因子fu，fr和fm依然采用0.34，0.33和0.33，污染物計算結果不能真實反映車輛的實際道路排放。

4.2 關于RDE法規(guī)的建議

(1)開展混合動力汽車的RDE試驗，收集分析混合動力汽車的RDE試驗數(shù)據(jù)，提出一套針對混合動力汽車的RDE試驗方案。

(2)建議針對混合動力車輛RDE試驗數(shù)據(jù)處理時兼顧CO2移動平均窗口法。

(3)設計專門用于RDE測試的試驗路線或試驗場，低速、中速、高速的行駛里程占比允許偏差需要嚴格控制。

5 結論

(1)參加試驗的混合動力車輛相比同排量的汽油車具有排放和燃油消耗優(yōu)勢，排放優(yōu)勢主要表現(xiàn)在CO和NOx排放比汽油車低56.24%和45.91%，但PN排放比汽油車高4.49倍。

(2)當混合動力車輛處于較大負荷和急劇加速工況時易出現(xiàn)CO排放峰值，負荷突然增大的瞬間出現(xiàn)NOx和PN排放峰值，此工況下的NOx和PN瞬時排放對排放因子的計算貢獻最大，應給予重點關注。