冷啟動對重型混動車實際道路行駛排放的影響研究

許丹丹 高東志 李 剛 景曉軍 包俊江

(1.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300；2.中國環境科學研究院，北京 100012)

混動系統結合發動機和電動機兩種動力源實現了發動機始終工作在高效區間，確保了車輛的動力性和經濟性，因此混動系統憑借低排放和強動力的優勢，有效解決了傳統重型車高油耗、高排放的問題[1-2]。在國家“雙碳”目標推動下，重型混動車將成為傳統車向純電動車轉型過渡的產品選擇，也是未來實現減排降碳目標的中短期技術路線之一[3]。但重型混動車由于自身的技術特性，在實際運行過程中發動機頻繁啟動，導致車輛停機再啟動時的污染物排放波動明顯，發動機冷態工況排放應得到重視[4-5]。

歐洲在重型車的型式認證與在用符合性測試中，通過對冷啟動數據進行收集和分析，發現冷啟動排放的大量NOx及其他污染物均被排除在整車排放分析之外。2019年歐盟委員會發布的(EU)No 582/2011法規修訂稿(歐六E階段)中新增了關于重型車的冷啟動排放測試要求，由此引來了諸多國內學者關于冷啟動對重型車排放的影響研究。劉剛等[6]針對不同車型開展便攜式排放測試系統(PEMS)的實車測試，發現冷啟動以4.27%的時間占比，產生了9.59%(質量分數)的排放物占比，冷啟動是影響車輛排放的一個不容忽視的重要因素；張靳杰等[7]基于PEMS對不同質量的重型車開展了冷啟動狀態下的污染物排放特性研究，通過對比冷啟動期間污染物的累計排放、比排放以及排放濃度的變化，發現重型柴油車冷啟動階段的NOx和CO排放較高；崔煥星等[8]針對重型柴油車開展冷啟動排放測試研究，發現依據有效功基窗口計算的冷啟動排放高于熱機狀態，但是由于有效功基窗口功率閾值限制，多數冷啟動數據作為無效窗口被剔除，因此未參與到整車排放評估中。目前，我國現行的重型車排放標準關于冷啟動排放未作明確要求，且冷啟動數據也未參與排放結果計算，重型混動車作為新技術開發產品，在重型車排放測試研究中，關于混動車的排放尤其是冷啟動排放影響的研究鮮有報道。

因此，本研究以一輛重型柴油混動自卸車為研究對象，分別考察了車輛冷啟動和熱機狀態下的污染物排放變化，并開展冷啟動對重型混動車的排放影響研究，研究結果可為國家重型混動車排放監管和標準制定提供基礎數據。

1 試驗設計

1.1 試驗車輛

試驗選用一輛國六重型柴油混動自卸車，車輛類別屬于N3類非城市車輛，按混動類型歸為非外接充電型混合動力電動汽車，車輛后處理系統采用柴油機氧化型催化器(DOC)、柴油顆粒過濾器(DPF)和選擇性催化還原(SCR)技術。試驗車輛及發動機、電動機的基本信息見表1。

表1 試驗車輛基本信息

試驗車輛采用發動機與電動機并聯混動結構，當電池電量飽滿，汽車起步或低速行駛(車速低于30 km/h)時，車輛由電動機單獨驅動行駛；當電池電量不足，車輛高速平穩行駛時，電動機停止工作，車輛由發動機直接驅動；當車輛處于急加速或者大負荷工況時，車輛由發動機和電動機共同驅動。試驗車輛的混動結構見圖1。

圖1 混動結構示意圖

1.2 試驗設備

采用日本HORBIA公司的PEMS設備進行數據采集和分析，該設備主要由氣體測量模塊、顆粒數(PN)測量模塊、排氣流量計、全球衛星定位系統(GPS)、電子控制單元(ECU)讀取設備、主機單元和電源等部分組成，可實時測量和收集試驗過程中車輛的排氣流量、污染物濃度、環境溫度、濕度、大氣壓力以及發動機轉速、扭矩、車輛行駛速度、經緯度及海拔等相關參數。

1.3 試驗方案

混動車的運行模式主要包含電量消耗模式、電量調整模式和電量平衡模式。其中，電量消耗模式主要由電動機驅動車輛行駛，屬于純電模式，此時發動機不做功，無污染物排放。電量調整模式是發動機和電動機交替運行驅動車輛行駛，其中發動機做功的一部分能量用于驅動車輛行駛，另一部分能量轉化為電能輸入到電量存儲系統(REESS)，此時電池荷電狀態(SOC)基本維持在穩定范圍內，有污染物排放產生。電量平衡模式主要由發動機提供能量驅動車輛行駛，此時電動機停止工作，混動車與傳統燃油車工作模式相似，有污染物排放。

與傳統車輛PEMS測試規程不同，混動車PEMS測試增加了放電預處理。由于電量消耗模式下，車輛主要由電動機驅動，無排放產生，為準確測量混動車實際污染物排放，試驗前讓測試車輛在車速低于55 km/h的市區工況下行車，直至REESS達到電量平衡狀態，表明放電結束。

充分浸車后，安裝PEMS設備，并對設備進行檢漏、標零和預熱等準備工作。車輛切換至混動模式，在50%載荷以及發動機冷機條件下開始測試并采集數據。車輛在預先選定好的測試路段，按照20%市區工況、25%市郊工況和55%高速工況比例行駛，直至滿足發動機累積功達到4～7倍瞬態駕駛循環功(WHTC)時試驗結束。試驗車輛運行工況及工況數據統計分別見圖2、表2。

圖2 試驗車輛運行工況

表2 工況數據統計

2 數據處理方法

鑒于《重型汽車實際行駛污染物排放測試技術規范》(T/CSAE 237—2021)取消了重型混動車功基窗口法功率閾值限制，本研究利用PEMS采集的逐秒數據進行功基窗口劃分并判定窗口有效性，同時對所有功基窗口進行污染物比排放計算，然后依據式(1)計算功基窗口相應的污染物符合性因子(CF)。歐六E階段標準關于冷啟動的排放評估方法規定，冷卻水溫低于70 ℃的冷啟動階段，在所有功基窗口中尋找CF最大值，記為CFcold；從冷卻水溫首次達到70 ℃的熱機狀態開始，在所有有效窗口中尋找滿足CF限值的第90個累積百分位值，記為CFwarm，并將其作為剔除冷啟動后車輛在熱機狀態下的污染物排放符合性因子。參考(EU) 2019/1939法規，綜合排放評估以冷啟動、熱機狀態權重分別為0.14、0.86對CFcold、CFwarm進行加權，得到包含冷啟動的污染物綜合符合性因子(CFfinal)，計算見式(2)。

(1)

式中：e為污染物窗口比排放，g/(kW·h)或個/(kW·h)；L為發動機污染物排放限值，g/(kW·h)或個/(kW·h)。

CFfinal=CFcold×0.14+CFwarm×0.86

(2)

根據《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB 17691—2018)中關于整車和發動機污染物排放限值的規定，分別計算得到NOx、CO、PN的CF限值分別為1.5、1.5、2.0。將各污染物CFfinal與其CF限值相比較，即可判定車輛排放水平。

3 試驗結果

3.1 冷啟動對車輛總排放的影響

由于測試在混動模式下進行，車輛行駛時發動機間歇工作，采用比排放或排放因子不能準確評估車輛排放水平，因此本研究采用總排放量分析冷啟動對污染物排放的影響。根據PEMS采集數據，得到試驗車輛剔除冷啟動與包含冷啟動的NOx、CO、PN和CO2的排放變化，結果見表3。

表3 車輛總排放結果統計

由表3可見，將冷啟動排放納入車輛排放測算對NOx影響最大，對CO2影響最小，與剔除冷啟動的排放測算結果相比，包含冷啟動的NOx總排放可達20.76 g，與剔除冷啟動的NOx排放相比增長20余倍，而納入冷啟動后CO2排放增幅僅為4.4%，CO和PN排放增幅相當，分別為9.0%、10.8%。綜上可知，雖然冷啟動運行時間僅352 s，占總運行時間不到7%，但車輛在冷啟動階段產生的排放不容小覷，尤其是NOx排放。因此將冷啟動排放引入到整車排放結果評估中，加嚴重型混動車排放限值，將是未來重型混動車排放法規發展的必然趨勢。

3.2 冷啟動對車輛瞬時排放的影響

圖3為車輛測試期間NOx、CO、CO2、PN的瞬時排放特性。可以看出，NOx、CO、PN在冷啟動前后的排放變化明顯，而CO2排放變化較小，基本無差別。其中，NOx排放主要集中在冷啟動階段，排放速率最大在0.2 g/s以上，排放量為19.78 g，占總排放量95%以上，PN在冷啟動階段排放速率達到峰值，約為1.01×1011個/s；冷啟動對CO2排放影響不明顯，冷啟動前后CO2平均排放速率分別為10.56、16.79 g/s，冷啟動階段CO2排放僅占總排放的4%左右，CO在冷啟動階段排放速率達到峰值，約為0.40 g/s。

圖3 瞬時排放特性

在冷啟動階段，發動機怠速完成后，隨著車速升高，水溫和排氣溫度也隨之增加(見圖2)，導致NOx、PN和CO排放明顯升高且出現峰值。其中，NOx排放隨車速變化升高最明顯，雖然冷啟動階段發動機燃燒溫度較低不宜形成NOx的生成環境，但排氣溫度較低引起SCR處理轉化效率下降，造成車輛冷啟動后發動機燃燒產生的大量NOx泄露排出。PN在冷啟動階段的排放主要發生在車速增加時，隨著噴油量增加，發動機在冷啟動因素影響下燃燒惡化，導致顆粒物排放增加。CO是一種不完全燃燒產物，在冷啟動階段，發動機缸內溫度低，混合氣霧化效果差，導致此階段不完全燃燒產生的CO偏高。CO2排放受冷啟動因素影響較小，而與行駛車速有較強的相關性。

3.3 包含冷啟動的污染物排放評估結果

本研究參考冷啟動排放評估方法將包含冷啟動的污染物CF測算結果與CF限值進行對比，綜合評估了車輛NOx、CO、PN這3種法規污染物的排放水平。根據PEMS采集數據進行功基窗口劃分，結果見圖4，功基窗口的NOx、CO、PN的CF測算結果見圖5。

由圖4可見，所有功基窗口的平均功率與發動機最大功率的功率比均大于20%的閾值，表明該試驗的有效窗口比例達100%；由圖5可以看出，除NOx外，CO和PN的所有功基窗口CF均低于限值86%以上，且整體變化較平穩，其中CO的CF基本保持在0.10～0.20，PN的CF基本保持在0.14～0.27。NOx由于冷啟動階段排放較高，窗口形成初期的CF較大，約有3%的功基窗口CF超出了1.5的限值，但隨著窗口移動，NOx的CF逐漸減小，直至冷啟動結束，CF下降至0.03左右，并保持平穩，表明冷啟動期間的NOx排放影響不容忽視。

圖4 功基窗口分析結果

圖5 功基窗口污染物的CF

本研究將冷啟動排放數據引入到整車排放水平評估中，對本次測試的NOx、CO、PN 3種污染物進行CFfinal加權計算。從表4可以看出，NOx的CFfinal與CFwarm相比增加了92.3倍，而CO、PN的CFfinal與其CFwarm相比幾乎不變。總體看來，NOx、CO、PN排放的最終評估結果均滿足限值要求，其中NOx和CO排放的CFfinal均低于其CF限值80%以上，PN排放的CFfinal低于其CF限值90%以上。

表4 污染物排放評估結果

4 結 論

對一輛重型柴油混動自卸車進行PEMS冷啟動排放測試評估，并得出如下結論：(1)將冷啟動納入排放測算后，NOx、PN、CO、CO2總排放有不同程度的上升，其中NOx排放增加最明顯，增長約20倍，CO、PN排放增幅相當，分別為9.0%、10.8%；CO2排放增幅較小，僅為4.4%，建議未來重型混動車排放測試中考慮引入冷啟動數據，更加真實地評價出車輛的實際排放水平；(2)污染物瞬態排放結果顯示，NOx排放主要集中在冷啟動階段，CO、PN在冷啟動階段排放速率達到峰值，CO2排放受冷啟動因素影響最小，冷啟動前后排放變化不明顯；(3)排放評估結果顯示，引入冷啟動后的車輛整體排放雖然有所升高，但排放結果依然達標，其中包含冷啟動的NOx、CO排放的CFfinal均低于其CF限值80%以上，PN排放的CFfinal低于其CF限值90%以上。