某插電式混合動力汽車高原實際行駛排放試驗研究

劉文彬

安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心,安徽合肥 230601

0 引言

隨著我國汽車工業的飛速發展,機動車保有量快速增加,車輛污染物排放已成為我國環境污染的主要來源[1]。為應對日益嚴峻的排放污染問題,我國大力發展新能源汽車,混合動力汽車發展也進入快車道。插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)的電池容量較大,可以通過外部電網充電,綜合了燃油汽車續駛里程長與純電動汽車清潔環保的優點,在汽車市場中占有率逐步提高。文獻[1]加嚴了輕型車污染物排放限值,增加了粒子數量(particle number,PN)排放測量要求和實際行駛污染物排放(real driving emissions,RDE)測試要求等,因此有必要對PHEV車型開展RDE測試和研究。

本文中,在某市對PHEV車型開展高原低溫環境下的RDE測試,分析影響PHEV車型高原排放性能的關鍵影響因素及排放高的原因,并進行優化和試驗驗證。

1 RDE測試條件與排放計算方法

文獻[1]對傳統車型與PHEV車型的RDE測試過程和方法有詳細規定。

1.1 傳統車型RDE測試條件

1)海拔高度。普通海拔高度條件為不高于700 m;可擴展海拔高度為高于700 m且低于1 300 m;進一步擴展的海拔高度為不低于1 300 m,且不高于2 400 m。

2)環境溫度。普通溫度條件為環境溫度不低于0 ℃且不高于30 ℃;擴展溫度條件為環境溫度高于或等于-7 ℃且低于0 ℃,或高于30 ℃且低于35 ℃。

3)測試質量要求。基本載荷與附加載荷的和不得超過車輛最大載荷的90%。

4)行程和行駛比例要求。根據瞬時車速將行程劃分為市區、郊區和高速路段,各段所占總行程的比分別為34%、33%、33%,各段相對誤差應控制在±10% 以內,但市區路段的行駛比例不能低于總行駛距離的29%。市區、郊區和高速路段的最小行駛距離均為16 km。

5)車速要求。最高車速為120 km/h,在不超過高速路段行駛時間的3%的時間內,最高車速最大可增加15 km/h;市區行駛的平均車速(包括停車)為15～40 km/h;高速段行駛車速應覆蓋90～110 km/h,車速高于100 km/h 的時間不少于5 min;停車階段時間為市區行駛時間的6%～30%,單次停車超過180 s的時間段不計算排放。

6)持續時間要求。測試時間為90～120 min。

7)試驗用油要求。測試應使用符合國家標準的市售燃油和潤滑油。

8)行程動力學要求。車速與大于0.1 m/s2的正向加速度乘積的第95個百分位(記為kv,a,95)超過規定值,行程無效;相對正加速度(relative positive acceleration,RPA)小于規定值,行程無效。

9)累計正海拔高度增加量要求。試驗開始點和結束點之間的海拔高度差不得超過100 m;試驗車輛的累計海拔高度增加應小于1 200 m/(100 m)。

10)排放計算方法。采用移動平均窗口法計算CO2排放。

11)完整性和正常性驗證要求。市區、市郊和高速窗口數量均占總窗口數量的15%以上;50%以上的市區、市郊和高速窗口落在特性曲線定義的基本公差范圍內。

1.2 PHEV車型與傳統車型RDE測試要求對比

PHEV車型的RDE測試要求中,海拔高度、環境溫度、測試質量、試驗用油、行程動力學、累計正海拔高度增加量、車速、持續時間、行駛距離等與傳統車型相同。

PHEV車型需在電量維持模式下開展試驗,并且市區行程中內燃機工作的累計里程不少于12 km,不需要進行完整性和正常性驗證,根據累計氣體排放、PN排放和 CO2排放計算最終RED排放(包含冷起動排放)。

1.3 排放結果計算方法

有別于傳統車型的移動平均窗口法計算排放結果,PHEV車型要求根據累計氣體排放、PN排放和CO2排放,計算最終的RDE排放結果。

RDE測試總行程的加權氣體污染物比排放或PN比排放

m1=mteWLTC,C/mt,C,

式中:mt為總行程的總氣體污染物排放或PN排放;mt,C為總行程的CO2排放;eWLTC,C為基于全球輕型車輛測試循環(worldwide harmonized light vehicles test cycle,WLTC)電量保持模式下包括冷起動過程排放的試驗車輛的CO2比排放,取試驗車輛的信息公開值。

RDE測試市區行程的加權氣體污染物比排放或PN比排放

m2=mueWLTC,C/mu,C,

式中:mu為市區行程的總氣體污染物排放或PN排放;mu,C為市區行程的CO2比排放。

該算法中包含了冷起動過程排放,低溫環境對PHEV汽車排放的影響較大[2],因此按照拓展低溫邊界要求開展RDE測試。

2 RDE試驗方案

2.1 試驗車輛

試驗車輛為滿足國六排放要求的直列、4缸、自然吸氣PHEV,主要技術參數如表1所示。

表1 PHEV汽車主要技術參數

2.2 試驗設備

采用日本HORIBA公司的OBS-ONE車載便攜式排放測試設備(portable emission measurement system,PEMS)進行RDE測試。該系統主要由氣體(GAS)分析模塊、PN分析模塊和排氣流量計3部分組成[3]。OBS-ONE車載便攜式排放測試系統如圖1所示。

圖1 OBS-ONE車載便攜式排放測試系統

氣體分析模塊的測試精度為滿量程的±0.3%和實際測量值的±2%中的較大者;PN分析模塊中,粒子計數器的精度為±10%,揮發性粒子去除率大于99%(C40)。

2.3 試驗方案

文獻[1]規定海拔高度應在2 400 m以下,環境溫度為-7～35 ℃。西寧市海拔為2 400 m左右,冬季平均氣溫約為-7 ℃,因此選擇在西寧進行低溫、高海拔RDE測試。先在平原地區開展RDE測試,確保測試車輛滿足國六排放要求。高原試驗前,PHEV靜置一夜,使發動機水溫達到-7 ℃,車輛在市區充分運行,電量控制在電量維持模式。

經過測試,選擇的市區測試路段為昆侖西路—同仁路—西關大街—新寧路—昆侖西路,郊區測試路段為寧貴高速—寧大高速,高速測試路段為寧大高速—大通收費站,在大通收費站折返。

3 試驗結果分析與優化

3.1 試驗結果及分析

相關研究表明,行駛動力學參數對RDE結果的影響較為明顯[4～7],且激烈駕駛對排放影響更大。為確保PHEV汽車RDE排放符合要求,試驗采用較為激烈的駕駛方式開展。

RDE測試完成后,行程動力學校核結果如表2所示,表中δ1為實測kv,a,95與最大kv,a,95的比,δ2為實測RPA與最小RPA的比。由表2可知:市區、郊區和高速路段的δ1、δ2均較大,駕駛風格較為激烈。RDE測試的累計正海拔高度等均滿足文獻[1]要求。

表2 行程動力學校核結果

采用PEMS軟件分析試驗數據,PHEV的RDE實測排放數據如表3所示。

表3 PHEV的RDE結果

根據文獻[1]要求,NOx、PN的符合性因子(comformity factor,CF)應小于2.1。由表3可知:該PHEV市區段NOx的CF為2.59,不滿足要求,需優化NOx排放。

對逐秒采集的排放數據、發動機控制單元(engine control unit,ECU)的采集車速數據進行分析,結果表明:發動機冷機起動及運行階段、發動機暖機起動及運行階段、發動機熱機起動階段、超高速駕駛加減速階段的NOx排放較高,其中發動機冷機起動及運行階段NOx排放最高。不同階段NOx排放隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 不同階段NOx排放隨時間變化曲線

根據該車控制架構進行分析,得出發動機冷機起動及運行、發動機熱機起動、超高速駕駛加減速階段NOx排放高的主要原因如下。

1)該車在平原地區的RDE測試結果滿足要求。高原階段,ECU在冷起動高原噴油系數修正、冷機運行過渡工況控制過程中空燃比偏稀。

2)發動機冷機及暖機運行階段,尤其是大油門駕駛時,車輛主要為串聯發電狀態,選擇發電功率時未考慮對排放的影響,此時發動機轉速及轉矩均較大,導致排放較高。

3)PHEV車型存在較多的發動機起停,發動機起動階段存在一定的排放污染物,需要對暖機及熱機起動空燃比進行優化。

4)超高速駕駛階段,車輛主要采用并聯運行模式,加減速過程中整車控制單元(vehicle control unit,VCU)對ECU的轉矩請求存在突變,ECU在響應轉矩請求時未考慮排放的影響,在負荷突變過程空燃比控制存在一定問題[8]。

3.2 排放優化

根據PHEV車型的運行特點以及排放高的原因,采取以下優化措施。

1)優化發動機冷起動時的高原噴油系數,在冷機運行階段優化過渡工況空燃比控制,采取加濃處理,降低NOx排放。

2)發動機冷機及暖機階段,VCU限制發動機轉矩及轉速,避免發動機運行在較高轉速、高負荷區間。

3)優化發動機熱機起動噴油系數,降低熱機起動過程污染物排放。

4)超高速階段,VCU優化發動機轉矩請求,減緩轉矩突變,ECU優化此過程空燃比。

對ECU及VCU的控制程序反復優化,將優化后的程序更新到車輛中,重新進行RDE測試。優化后PHEV的RDE實測數據如表4所示。由表4可知:優化后,總行程的NOx、PN排放較優化前分別下降52.5%、75.2%,市區行程的NOx、PN排放分別下降70.3%、51.6%,且NOx、PN的CF均小于2.1,排放大幅降低,優化措施有效。

表4 優化后PHEV的RDE實測數據

逐秒采集程序優化后的NOx排放數據和車速,如圖3所示。由圖3可知,整個運行過程的NOx排放均較低,排氣中NOx的體積分數最大不超過0.1%。

圖3 程序優化后排氣中NOx體積分數秒采圖

4 結論

對某PHEV開展高原低溫環境下RDE測試,根據該車控制架構分析排放高的原因,并通過ECU、VCU的標定優化降低排放。

1)標定優化后,PHEV的RDE總行程的NOx、PN排放較優化前分別下降52.5%、75.2%,市區行程的NOx、PN排放分別下降70.3%、51.6%,滿足國六b階段限值要求。

2)與傳統車型不同, PHEV的RDE排放包含冷起動階段排放,在實際測試過程中應更關注低溫對排放的影響;在RDE測試過程,發動機頻繁起停,因此,冷機的起動、催化器加熱、過渡控制、暖機及熱機起動等與RDE排放高相關,在排放控制中應予以關注。

3)與傳統車型不同,PHEV汽車排放與VCU的控制息息相關,VCU的發電工況點、發動機的起停控制、串并聯切換、轉矩請求等對排放有較大影響,需要重點關注和優化。