運行模式對重型混動車污染物及碳排放的影響

景曉軍,許丹丹,李騰騰,高東志,趙健福

(中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司重排部,天津 300300)

重型車是我國交通運輸領域的重要組成部分,但能源消耗高、污染物排放大也是重型車一個較突出的特點,截止2020年,重型車以汽車總量12%的保有量,占據了汽車能源消耗總量的55%以上[1]。近年來,隨著國家雙碳目標的提出和節能減排、減污降碳工作方案的發布,重型車電動化作為節能降碳減污協同增效的重要技術路線,正在快速發展。得益于汽車技術的快速發展,混動技術在重型車上的應用,一方面解決了傳統燃油車能源消耗高的問題,另一方面彌補了純電動車充電難、里程焦慮等短板,因此混動車或將成為新能源汽車產業發展中的重要選擇[2-4]。雖然混動車節能優勢明顯,但因為有發動機參與工作,頻繁起動帶來的污染物排放問題不容忽視[5-6]。

目前,關于混動車排放測試的研究大多數以輕型混動車作為研究對象,并且測試條件僅局限于車輛混動模式。如王長卉[7]在轉轂臺架上研究了不同構型的混動車氣態排放和PN生成原理及排放特性,結果表明,混合動力汽車發動機頻繁起停對氣態污染物影響較小,但加劇了PN排放。鄭豐等[8]在不同海拔環境下研究了混動車實際道路污染物排放和CO2排放特征及變化規律,結果顯示,高海拔環境下,混動車CO和CO2排放因子均有升高,而NOx和PN排放因子有所下降。劉文亮等[9]利用轉轂及環境倉研究了常溫和低溫環境對混動車污染物排放的影響,結果顯示,低溫環境下混動車污染物排放成倍增加。禹文林等[10]針對混動車與同排量汽油車開展了RDE試驗,結果表明,大負荷急加速工況CO易出現排放峰值,負荷突然增大NOx和PN易出現排放峰值。SONG等[11]針對混動車和汽油車開展PEMS測試試驗,結果顯示,市區工況混動車節油優勢明顯,怠速排放貢獻率基本為0。但由于輕重型車輛行駛工況和車重范圍的差異性,這些測試結果不能完全適應和反映出重型混動車的實際排放情況。

本研究選用設有運行模式開關的重型混動車,在試驗室重型轉轂上,分別選擇混動模式和純發動機模式開展整車排放測試試驗,研究了重型混動車運行模式差異對污染物排放和碳排放的影響,為未來混動技術健康發展、完善重型混動車環保監管體系提供技術支撐。

1 試驗設計

1.1 試驗車輛

為了減少測試環境和測試條件等隨機因素對試驗結果產生影響,選擇在試驗室重型轉轂上,利用PEMS設備對一輛重型柴油混動自卸汽車開展整車排放測試試驗。車輛具體參數見表1。

表1 車輛參數

試驗車輛的混動控制策略主要依據車速判定,當車速低于20 km/h時,車輛主要由電機驅動行駛,當車速超過20 km/h或車輛處于急加速和高負荷工況時,發動機起動,此時發動機與電機協同工作,動力總成通過控制電機的輸出調整發動機工作狀態,在保障車輛動力需求的前提下,使發動機盡可能工作在高效區間,這也是混動車與傳統燃油車相比效率高、油耗低的主要原因。

1.2 試驗設備

車輛在MAHA重型四驅轉轂上進行整車排放測試,轉轂的前后軸距可調節,調節范圍為3.2～8.0 m,載荷模擬范圍為3.5～49.0 t,模擬最高車速可達130 km/h。轉轂可通過功率吸收裝置將車輛實際行駛時受到的滾動阻力和空氣阻力進行準確模擬和再現。

排放測試設備選用HORIBA的OBS-ONE便攜式車載排放測量系統(PEMS),該設備主要由氣體測量模塊、PN測量模塊、排氣流量計(EFM)、GPS系統、主機、電源等部分組成,其中對NOx氣體的分析測量主要采用化學發光分析儀(CLD),采用不分光紅外線吸收型分析儀(NDIR)對CO進行分析測量。

1.3 試驗方法

試驗依據GB/T 27840—2021《重型商用車燃料消耗量測量方法》測試規程進行[12],測試循環選用中國工況CHTC-D,如圖1所示。為減小測量誤差,兩次試驗均選擇同一位駕駛經驗豐富的司機操作車輛。車輛在轉轂上的行駛阻力通過查表法,選擇合適的推薦阻力系數進行設定。試驗前,將車輛固定安裝至底盤測功機上,選擇混動模式,按照CHTC-D循環驅車進行放電預處理,直至車輛達到電量平衡階段,預處理完畢。同時為保證PEMS設備安裝正確以及采集數據準確,排放測試開始前,預先采集一段試驗數據,判斷數據讀取的完整性。試驗通過車輛上的運行模式開關,分別選擇在EV混動模式和純發動機模式,開展2次底盤測功機整車排放測試,并當車輛冷卻水溫達到70 ℃以上時開始測試。

圖1 CHTC-D循環

2 運行模式對污染物排的放影響

2.1 兩種運行模式下的CO瞬時排放特性

圖2和圖3分別示出混動模式和純發動機模式下的CO瞬時排放。

圖2 混動模式下的CO排放

從圖2和圖3可以看出,車輛在混動模式運行時,發動機頻繁起動導致排氣溫度波動較大,尤其在低速段時的發動機停機時間較長,排氣溫度出現了階躍性大幅度變化。由于CO排放受缸內溫度影響較大,發動機頻繁起動,導致每次發動機起動時缸內溫度偏低,燃燒不充分,造成CO排放增加,在圖2中可以看見CO的排放峰值主要出現在發動機停機突然起動的瞬間。在純發動機模式運行時,CO排放峰值主要發生在車輛急加速工況下,此時發動機噴油量增加,局部混合氣過濃,導致燃燒不完全產物的排放量增加。

相比于純發動機模式,混動模式的CO平均排放速率降低61.9%。其中車輛受控制策略的調整,低速行駛時,主要由電機驅動,CO排放較小,最大排放峰值降低了92.2%,平均排放速率降低83.9%;而進入高速段行駛后,發動機作為主要動力源輸出能量,CO排放相對低速段偏高,但相比于純發動機模式,CO排放依然較低,最大排放峰值降低了92.3%,平均排放速率降低47.8%。主要因為高速段雖然發動機介入工作,但電機作為輔助系統配合發動機工作,為車輛行駛提供了所需的動力,因此降低了發動機燃燒產生的CO排放。

2.2 兩種運行模式下的NOx瞬時排放特性

圖4和圖5示出混動模式和純發動機模式下的NOx瞬時排放。

圖4 混動模式下的NOx排放

圖5 純發動機模式下的NOx排放

從圖中可以看出,無論是混動模式還是純發動機模式,車輛由低速段加速變換至高速段時,NOx排放激增,波動較大。其中混動模式下,高速段NOx排放約為低速段的2.0倍,排放峰值主要出現在發動機突然起動的瞬間。這是因為低速段下,發動機參與工作時間較少,NOx排放不明顯,當進入高速段行駛時,發動機做功增多,但由于發動機間歇停機,導致停機再起動時,偏低的排氣溫度降低了SCR轉換效率,造成NOx排放增多。而純發動機模式下,NOx排放主要發生在低速段以及低速段向高速段過渡階段,排放峰值出現在車輛急加速工況下。主要因為低速行駛時,車輛排氣溫度偏低,SCR工作效率偏低,導致NOx排放升高,而車速突然增加時,SCR工作響應滯后,導致NOx瞬時排放偏高[13-14]。

相比于純發動機模式,混動模式NOx平均排放速率增加約1.8倍,其中在高速段下NOx排放升高明顯,最大峰值約為0.28 g/s。造成兩種模式NOx排放存在偏差的主要原因是混動模式發動機起停造成排氣溫度相對偏低,影響了SCR轉化效率。

2.3 兩種運行模式下的PN瞬時排放特性

圖6和圖7分別示出混動模式和純發動機模式下的PN瞬時排放。

由圖可知,混動模式下的PN排放明顯高于純發動機模式,其中低速段下PN排放較純發動機模式高約1個數量級,高速段下高約3倍。由圖6可以看出,PN排放峰值主要出現在發動機突然起動的瞬間,其中低速段下PN排放峰值增加最明顯,最大約為5.8×1010個/s。主要原因是當發動機突然起動時,缸內溫度相對較低,噴油霧化差,導致局部混合氣偏濃,PN排放增多[5]。純發動機模式下,高速段的PN排放較低速段偏高4倍,排放峰值主要集中在車速突然升高的時刻,最大峰值約為4.2×109個/s。主要由于車輛動力需求,高速段下發動機缸內燃燒溫度偏高,混合氣偏濃,更有利于PN形成。

2.4 兩種運行模式下的污染物累計排放特性

表2示出混動模式和發動機模式下不同速度段的污染物累計排放量以及總排放量。從表中可以看出,在混動模式下,各速度段的NOx和PN累計排放量均高于純發動機模式,而各速度段的CO累計排放量低于純發動機模式,主要原因已在上文進行闡述。

表2 排放結果統計

2.5 運行模式對污染物綜合比排放量的影響

利用瞬態試驗數據,分別計算了低速和高速段下的部分污染物綜合比排放量,并計算了兩種模式下的整體綜合比排放量,其中污染物比排放量計算公式如下：

(1)

式中：e為污染物比排放量;m為污染物(CO,NOx,PN)排放量;W為發動機循環功,其中混動模式循環功為14.4 kW,純發動機模式循環功為17.7 kW。

圖8示出兩種運行模式下CO的低速、高速和綜合比排放量。從圖中可知,混動模式下的綜合比排放量比純發動機模式下降了50.9%,其中在低速段下降得較為明顯,下降幅度達78.0%,在高速段下降了33.9%,綜合來看混動模式下的CO排放情況優于純發動機模式。

圖8 CO綜合比排放量

圖9和圖10分別示出兩種模式下的NOx和PN的比排放量情況。從圖中可以看出,混動模式下的NOx和PN排放比純發動機模式的排放要高。在NOx比排放量方面,混動模式下的綜合比排放量是純發動機模式下的2.0倍,其中高速段下的比排放量增加較為明顯,是純發動機模式的2.2倍,低速段比排放量增加1.5倍;在PN比排放量方面,混動模式下的綜合比排放量是純發動機模式下的4.4倍,其中低速段下的比排放量增加特別明顯,是純發動機模式的12.4倍,高速段比排放量增加3.3倍。整體分析發現,混動模式下的NOx和PN排放比純發動機模式要高很多。

圖9 NOx綜合比排放量

圖10 PN綜合比排放量

3 運行模式對碳排放的影響

利用燃料碳排放因子,計算得出試驗中車輛的當量CO2排放,計算公式如下：

(2)

式中：C為碳排放量;Q為試驗燃料消耗率;kCO2為燃料的碳排放因子,為26.7 kg/L。

圖11示出混動模式和純發動機模式的瞬時碳排放。從圖中可知,不論在低速段還是高速段,混動車模式下的碳排放峰值和累計排放量都遠遠小于純發動機模式,其中在低速段,混動模式基本都由電機驅動,發動機很少工作,因此低速段混動模式很少有碳排放;在高速段,由于發動機與電機協同工作,動力總成通過控制電機的輸出調整發動機工作狀態,在保障車輛動力需求的前提下,使發動機盡可能地工作在高效區間,即使處于急加速時,碳排放也未出現大幅增加,很好地控制了高速急加速工況的碳排放。

圖11 瞬時碳排放量

圖12示出混動模式和純發動機模式的總碳排放量。從圖中可知,混動模式的碳排放明顯低于純發動機模式。在碳排放總量方面,混動模式比純發動機模式降低了70.1%,特別是在低速段降碳優勢更為明顯,相對純發動機模式降低了79.5%,在高速段,相對純發動機模式降低了68.2%,表明重型混動車相較于傳統燃油車的減碳優勢比較明顯,混動技術應用為重型車應對汽車行業綠色低碳轉型具有積極作用。

圖12 總碳排放量

4 結論

a) 混動模式下發動機頻繁起動,排氣溫度波動明顯,尤其在低速段,排氣溫度出現了階躍性的變化規律;

b) 混動模式發動機與電機協同工作,CO排放峰值主要集中在發動機停機起動時,其CO平均排放速率以及綜合比排放量較純發動機模式分別降低61.9%和50.9%,尤其在低速段,CO排放降低明顯;

c) 相比于純發動機模式,混動模式的NOx與PN排放升高;NOx綜合比排放量較純發動機模式約增加2.0倍,尤其在高速段增加較為明顯;PN綜合比排放量較純發動機模式增加4.4倍,尤其在低速段升高明顯,約增加12.4倍;

d) 混動模式的碳排放量較純發動機模式明顯偏低,降幅約70.1%,表明混動車較傳統燃料車降碳優勢明顯。