混合動(dòng)力汽車實(shí)際道路行駛排放特性研究?

禹文林，葛蘊(yùn)珊，王 欣，彭子航，王學(xué)智，尹 航

(1.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.北京電動(dòng)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(xué)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(shí)體經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車在提供便利的同時(shí)也造成了巨大的環(huán)境污染，不斷加嚴(yán)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(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程短和充電難的問題，混合動(dòng)力技術(shù)將是一個(gè)很好的過渡。

實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)只能反映汽車在特定工況的排放水平，通過標(biāo)準(zhǔn)測試循環(huán)得到的污染物排放和實(shí)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(shí)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(shè)備(portable emission measurement system，PEMS)對車輛在實(shí)際道路行駛條件下進(jìn)行排放測試[4]?；旌蟿?dòng)力汽油車的實(shí)際道路排放與傳統(tǒng)燃料汽車的實(shí)際道路排放也存在差別[5]。目前對混合動(dòng)力汽車的實(shí)際道路行駛排放研究較少，本文中選擇了3輛混合動(dòng)力汽油車和同排量的3輛汽油車進(jìn)行RDE試驗(yàn)，采用CO2移動(dòng)平均窗口法分析汽油車的污染物排放，采用算術(shù)平均法、CO2移動(dòng)平均窗口法和插電混合動(dòng)力(off-vehicle charging hybrid electric vehicle，OVCHEV)車輛RDE計(jì)算方法分析混合動(dòng)力汽油車的污染物排放[4]。

1 試驗(yàn)方案

RDE試驗(yàn)是一個(gè)多變量的試驗(yàn)過程，當(dāng)試驗(yàn)條件發(fā)生改變時(shí)結(jié)果也會發(fā)生改變，影響測試結(jié)果的因素如下:①環(huán)境因素:大氣溫度、濕度和風(fēng)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(jìn)或柔和。

RDE試驗(yàn)流程一般分為5步:①試驗(yàn)車輛和PEMS設(shè)備挑選；②試驗(yàn)車輛WLTC工況測試；③實(shí)驗(yàn)路線規(guī)劃；④R DE路試；⑤污染物排放因子計(jì)算。

1.1 試驗(yàn)車輛

參加試驗(yàn)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(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)車輛主要技術(shù)參數(shù)

混合動(dòng)力汽車通過加速踏板和電池荷電狀態(tài)來控制動(dòng)力的輸出模式，一般有3種動(dòng)力輸出模式:發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立工作模式、電動(dòng)機(jī)獨(dú)立工作模式和發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)同時(shí)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(jì)性和排放特性。

1.2 測試設(shè)備

本次RDE試驗(yàn)選用Horiba OBS-ONE車載排放分析儀對汽車尾氣進(jìn)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(yàn)過程中能夠?qū)ζ嚨腃O，CO2，NOx(NO和NO2)和顆粒物數(shù)量(PN)排放進(jìn)行瞬態(tài)測試。測試設(shè)備如表2所示，設(shè)備安裝如圖1所示。

表2 測試設(shè)備組件與功能

圖1 設(shè)備安裝示意圖

1.3 試驗(yàn)車輛

試驗(yàn)在北京市進(jìn)行，試驗(yàn)路線按表3所示的法規(guī)要求設(shè)計(jì)[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(wù)高速出口 京津高速 徐莊橋。

2 數(shù)據(jù)處理

RDE試驗(yàn)過程中測試設(shè)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(guān)瞬態(tài)數(shù)據(jù)。本文中主要研究混合動(dòng)力車輛的實(shí)際道路行駛污染物排放，關(guān)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(jié)果以對比分析混合動(dòng)力車輛的污染物排放。

2.1 計(jì)算瞬時(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對齊。

(2)剔除冷起動(dòng)數(shù)據(jù):按照RDE法規(guī)要求，剔除發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后5min內(nèi)冷卻液溫度未達(dá)到70℃時(shí)的數(shù)據(jù)。

(3)剔除發(fā)動(dòng)機(jī)熄火數(shù)據(jù):剔除排氣質(zhì)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(shí)的數(shù)據(jù)。

(4)利用式(1)和式(2)計(jì)算 CO，CO2，NOx和PN的瞬時(shí)質(zhì)量和數(shù)量排放(g/s或#/s)。

式中:mgas，i為排氣污染物“gas”質(zhì)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(zhì)量流量，kg/s；gas為相應(yīng)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(gè)；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(zhì)量流量，kg/s。

2.2 算術(shù)平均法計(jì)算污染物排放因子

在2.1節(jié)中已得到車輛的瞬時(shí)污染物排放量(g/s或#/s)，把瞬時(shí)污染物排放進(jìn)行累加得到總的污染物排放量，然后除以車輛在試驗(yàn)時(shí)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(shí)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(dòng)平均窗口法計(jì)算污染物排放因子

CO2移動(dòng)平均窗口法是把試驗(yàn)結(jié)果劃分為不同窗口然后進(jìn)行排放計(jì)算。

2.3.1 窗口劃分

以車輛在Ⅰ型試驗(yàn)(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(zhì)量開始累加，直到 CO2累加質(zhì)量(第 i s)≥MCO2ref為止，則從第1s到第 i s為第1個(gè) CO2窗口。然后從第2s開始累加CO2質(zhì)量，直到CO2累加質(zhì)量≥MCO2ref為止，此為第2個(gè)CO2窗口，以此類推，將得到的瞬時(shí)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(jì)算

計(jì)算每個(gè)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(jì)算車輛在市區(qū)、市郊和高速段的污染物(CO，CO2，NOx和PN)加權(quán)質(zhì)量排放率，然后用式(4)和式(5)計(jì)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(zhì)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(jì)算

本文中采用OVC-HEV車輛RDE排放計(jì)算方法對3輛混合動(dòng)力汽車進(jìn)行排放計(jì)算:

式中:Mt為整個(gè)行程中氣體污染物或顆粒物比排放量，mg/km或#/km；mt為整個(gè)行程中的氣體污染物質(zhì)量或顆粒物排放數(shù)量(g或#)；mt，CO2為整個(gè)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(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)車輛行駛特征參數(shù)

6輛車的RDE試驗(yàn)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(yàn)車輛行駛特征參數(shù)

3.2 混合動(dòng)力車輛完整性和正常性校驗(yàn)

在試驗(yàn)獲得的CO2窗口中，當(dāng)市區(qū)、市郊和高速窗口數(shù)量達(dá)到總窗口數(shù)量的15%以上時(shí)，試驗(yàn)車輛完整性通過測試。當(dāng)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(nèi)時(shí)，試驗(yàn)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(dòng)力車輛的窗口校驗(yàn)。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(yīng)百分比的含義自明。由表可見，3輛混合動(dòng)力車輛的完整性和正常性都通過驗(yàn)證，試驗(yàn)順利通過。

圖2為3輛混合動(dòng)力試驗(yàn)車的CO2特性曲線，圖中P1，P2，P3點(diǎn)橫坐標(biāo)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(biāo)為平均速度對應(yīng)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(nèi)，5號車市郊、高速的CO2特性曲線完全落在二次公差帶以內(nèi)，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(yàn)

圖2 混合動(dòng)力車輛CO2特性曲線

3.3 試驗(yàn)車輛市區(qū)、市郊、高速污染物排放分析

在RDE試驗(yàn)之前，所有的車輛都進(jìn)行了WLTC整車排放試驗(yàn)，圖3給出6輛試驗(yàn)車的WLTC工況循環(huán)和RDE試驗(yàn)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(dòng)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?；旌蟿?dòng)力車輛的CO和NOx排放比汽油車低56.24%和45.91%，混合動(dòng)力車輛的PN排放比汽油車高4.49倍。

RDE試驗(yàn)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(xiàn)較大，當(dāng)對比3號車(MPI-hybrid)和6號車(GDI-gasoline)的PN排放時(shí)發(fā)現(xiàn)3號車的PN排放較高。

圖3 試驗(yàn)車輛污染物排放結(jié)果對比

表6 不同權(quán)重系數(shù)下的污染物排放因子

試驗(yàn)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(quán)系數(shù)計(jì)算得到試驗(yàn)污染物的結(jié)果，法規(guī)所對應(yīng)的加權(quán)系數(shù)為fu，fr和fm分別等于0.34，0.33和0.33，實(shí)際所對應(yīng)的加權(quán)系數(shù)fu，fr和fm分別等于試驗(yàn)車輛的各段里程占比。由表6可見，在試驗(yàn)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(jì)算得到的污染物偏差也越大。

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

表7 試驗(yàn)車輛CO2排放因子

3.4 3種方法計(jì)算混合動(dòng)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(dòng)力車輛RDE測試結(jié)果進(jìn)行排放因子計(jì)算，其結(jié)果如表8所示。表中方法a代表算術(shù)平均法，方法b代表CO2移動(dòng)平均窗口法，方法c代表OVC-HEV車輛RDE排放計(jì)算法。

由表7可見，3種計(jì)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(jì)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(jié)果相差不大，但由 a，b，c 3 種計(jì)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(jié)果相差很大。

表8 混合動(dòng)力車輛污染物排放因子

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

3.5 污染物瞬時(shí)排放特性分析

以5號車和6號車為例，分析試驗(yàn)過程中車輛瞬時(shí)車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分布。

表9 5號車的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分布 %

由表9可見，5號車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在[0，2 000]的統(tǒng)計(jì)比例為82.20%，[2 000，3 000]的統(tǒng)計(jì)比例為17.29%，[3 000，5 000]的統(tǒng)計(jì)比例為 0.45%，且當(dāng)車速大于60km/h時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速落在[0，2 000]的統(tǒng)計(jì)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(jī)或電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)工作為車輛提供動(dòng)力輸出，很少有發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作的工況，以此來達(dá)到較好的燃油經(jīng)濟(jì)性和污染物排放特性。

表10 6號車的車速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分布 %

由表9和表10可見，6號車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和汽車車速高低對應(yīng)。當(dāng)車速大于60km/h后，5號車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 000r/min的統(tǒng)計(jì)比例為9.19%，6號車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 000r/min的統(tǒng)計(jì)比例為0.08%，混合動(dòng)力汽車有電輔助動(dòng)力輸出，在較高的車速下也可能對應(yīng)較低的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

為研究混合動(dòng)力車輛的瞬時(shí)污染物排放特性，截取5號車的部分速度片段進(jìn)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(shí)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(shí)排放與加速度、節(jié)氣門開度關(guān)系

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

但是，NOx排放和PN排放與節(jié)氣門開度有很好的跟隨關(guān)系，當(dāng)車輛負(fù)荷加大而發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度增大時(shí)，NOx和PN的瞬時(shí)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(dòng)機(jī)在加速的瞬間使用濃混合氣，空燃比嚴(yán)重偏離了理論空燃比，三元催化轉(zhuǎn)化效率變低，導(dǎo)致排放急劇升高，此工況下的污染物瞬時(shí)排放對排放因子的計(jì)算貢獻(xiàn)很大。

圖4中區(qū)間d所對應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)，車輛處于頻繁的加、減速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)不斷地切換熄火和點(diǎn)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(shí)間內(nèi)節(jié)氣門幾乎全閉，發(fā)動(dòng)機(jī)處于熄火狀態(tài)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛前行，此時(shí)的CO，NOx和PN排放都為零。

4 關(guān)于RDE法規(guī)的思考和建議

4.1 關(guān)于RDE法規(guī)的思考

(1)混合動(dòng)力汽車的RDE試驗(yàn)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)燃料汽車RDE試驗(yàn)基本相同，法規(guī)沒有建立一套完整的混合動(dòng)力汽車RDE試驗(yàn)體系。

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

(3)沒有針對RDE測試的試驗(yàn)路線，低速、中速、高速的里程占比允許偏差為±10%，當(dāng)偏差較大時(shí)權(quán)重因子fu，fr和fm依然采用0.34，0.33和0.33，污染物計(jì)算結(jié)果不能真實(shí)反映車輛的實(shí)際道路排放。

4.2 關(guān)于RDE法規(guī)的建議

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

(2)建議針對混合動(dòng)力車輛RDE試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)兼顧C(jī)O2移動(dòng)平均窗口法。

(3)設(shè)計(jì)專門用于RDE測試的試驗(yàn)路線或試驗(yàn)場，低速、中速、高速的行駛里程占比允許偏差需要嚴(yán)格控制。

5 結(jié)論

(1)參加試驗(yàn)的混合動(dòng)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(dāng)混合動(dòng)力車輛處于較大負(fù)荷和急劇加速工況時(shí)易出現(xiàn)CO排放峰值，負(fù)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(shí)排放對排放因子的計(jì)算貢獻(xiàn)最大，應(yīng)給予重點(diǎn)關(guān)注。