CNG-電混動公交車道路行駛工況與排放特性研究

丁健峰　朱孟良　崔煥星　李穎　杜騫

摘要：CNG-電公交車以天然氣作為發(fā)動機燃料，輔以電機共同驅(qū)動的混合動力車輛，車輛行駛速度低、啟動頻繁等特性，發(fā)動機實際運行工況與型式檢驗工況具有較大差異。為研究其實際行駛工況與排放特性，選取4輛國V排放標準的CNG-電混合動力公交車，往返于市區(qū)與城郊，使用PEMS（portable emission measurement system）實時收集車輛行駛及NOX排放數(shù)據(jù)。結果表明，發(fā)動機運行工況集中于中低功率段，與型式檢驗工況差異較大，污染物排放集中于發(fā)動機切入車輛傳動系統(tǒng)的臨界車速附近。

Abstract： CNG-electric bus uses natural gas as engine fuel， supplemented by a hybrid vehicle driven by motor. Due to the low speed and frequent starting， the actual operating condition of the engine is quite different from the type test condition. In order to study its actual driving emission characteristics， 4 CNG-electric hybrid buses with national V emission standard were selected to travel between urban and suburban areas， and real-time data of driving and NOX emission were collected using PEMS （portable emission measurement system）. The results show that the operating condition of the engine is concentrated in the middle and low power segment， which is different from the type test condition.

關鍵詞：混合動力;公交車;PEMS;排放特性

Key words： hybrid power;city bus;PEMS;emission characteristics

0 ?引言

公交車輛的行駛區(qū)域具有近人群特性，其發(fā)動機污染物排放對人體健康的影響更為直接。CNG-電混合動力公交車具有排放低、噪聲小、能耗低等優(yōu)點[1][2]，在我國不斷推進節(jié)能減排、強化機動車污染物排放管控的形勢下，越發(fā)受到市政、生產(chǎn)企業(yè)青睞。

混合動力公交車發(fā)動機的運行工況有別與傳統(tǒng)燃料發(fā)動機的車輛，目前對這類車輛發(fā)動機運行工況特點研究成果偏少[3]，針對CNG-電混合動力公交車的實際行駛工況及排放特性更為匱乏。本研究以4輛滿足國V排放標準的CNG-電混合動力公交車為研究對象，基于PEMS研究其實際行駛運行工況及污染物排放特性，以期對公交車輛污染物排放監(jiān)管提供參考。

1 ?測試方案

1.1 測試車輛

受試車輛為插電式CNG-電混合動力國V城市公交車輛，主要技術參數(shù)如表1所示。

為確保受試車輛車況正常，試驗前對車輛進行正常維護保養(yǎng)，通過專用設備查驗OBD信息，確保發(fā)動機及排放控制裝置正常工作。

1.2 測試道路選擇

試驗道路選取2條公交運營線路，每條線路各包含2輛車輛由不同駕駛人員駕駛。1號、2號車輛運營試驗道路1，穿過較為擁擠的泉城廣場、趵突泉等市區(qū)擁堵路線至市郊，共28個站點，3號、4號車輛運營試驗道路2，包含市區(qū)、市郊兩種道路條件，共35個站點，如圖1所示。

1.3 測試設備

測試設備包含發(fā)電機組、流量計、環(huán)境溫濕度傳感器、分析儀（SEMTECH-DS）及各種配件[4]。流量計與車輛排氣管連接獲得排放流量，并將排氣導向分析儀，OBD信息讀取設備實時記錄發(fā)動機的轉速、扭矩等運行參數(shù)，環(huán)境溫濕度傳感器測量實施的環(huán)境溫度和濕度，GPS記錄車輛行駛速度，發(fā)電機組為測試系統(tǒng)提供動力，測試設備安裝如圖2所示。

2 ?車輛運行測試結果分析

測試共采集19662條實時數(shù)據(jù)，公交車在測試過程中正常?？抗徽荆再N合其實際行駛工況，但因測試前已按照車輛載重的50%進行加載，并未上下乘客。

2.1 車輛運行道路條件

依據(jù)標準要求[5]，整車PEMS測試按照市區(qū)-市郊-高速的行駛順序進行，城市車輛測試的運行道路功率的時間分配比例為70%市區(qū)道路和30%市郊道路。車輛在市區(qū)道路的行駛速度在0-50km/h之間，平均車速為15-30km/h，市郊道路以第一個出現(xiàn)超過55km/h的短行程為開始標識，車輛行駛速度不超過75km/h。以此對測試車輛運行道路劃分如表2所示。

從實際道路來看，兩條試驗線路的市郊道路占比均超過30%，但就實際行駛情況來看，市郊道路占比及車輛平均行駛車速與標準要求相比，差異明顯。

2.2 車輛運行工況

4輛測試公交的運行工況依據(jù)怠速（車速=0）、加速（加速度≥0.1m/s2）、勻速（非怠速，-0.1m/s2≤加速度≤0.1m/s2）、減速（加速度≤-0.1m/s2）進行分組[6]，與WHDC（world-wide harmonized heavy duty certification，全球統(tǒng)一重型發(fā)動機核準程序）工況數(shù)據(jù)庫得出的工況分布特征[7]對比如圖3所示。

由于城市道路交通情況復雜多變，公交車輛頻繁啟停等因素，與工況數(shù)據(jù)庫相比，公交車運行中的加、減速工況占比較高，勻速及怠速工況占比低。加、減速工況中加速度介于-1m/s2至1m/s2的工況占比92.6%，集中于車速40km/h以下，占比87%。

3 ?發(fā)動機運行結果分析

CNG-電混合動力公交車在臨界車速以下主要由電機驅(qū)動，進入臨界車速以上后轉換為發(fā)動機驅(qū)動，因此其發(fā)動機運行工況與污染物排放特性具有一定特殊性。

3.1 發(fā)動機運行工況

圖4為4輛公交車行駛速度-車輛加速度-發(fā)動機功率分布散點圖，車輛在行駛過程中，發(fā)動機一直維持在低功率運行，以保證空氣壓縮機等車輛輔助系統(tǒng)的正常工作，當車輛行駛速度達到臨界車速20km/h左右，發(fā)動機開始正常工作，由于公交車輛平均車速較低，且頻繁加減速，發(fā)動機轉速及扭矩均集中于中低段，發(fā)動機正常工作過程中的轉速百分比與扭矩百分比如圖5所示。

其中，轉速百分比=，%;n為發(fā)動機實際轉速，rpm;nidle為發(fā)動機怠速，rpm;nrated發(fā)動機額定轉速，rpm;扭矩百分比=，%;N為發(fā)動機實際扭矩，Nm;Nmax為發(fā)動機最大扭矩，Nm。

由此可以看出，發(fā)動機轉速集中于額定轉速40%以下，扭矩更是集中于最大扭矩20%以下。

發(fā)動機臺架瞬態(tài)測試循環(huán)已由ETC調(diào)整為WHTC。WHTC的城市工況權重有所提高，能夠更好地反映柴油公交道路工況特征[9-11]，但低速低負荷占比較混合動力公交車輛依然較低，WNTE（World-Harmonized Not-To-Exceed，發(fā)動機臺架非標準循環(huán)）測試將發(fā)動機轉速低于n30（WHTC包含怠速在內(nèi)的所有轉速頻率累積的30%所對應的發(fā)動機轉速），扭矩小于發(fā)動機最大扭矩30%的所有發(fā)動機負荷點剔除[12]，而CNG-電混合動力公交車配套發(fā)動機恰恰主要在此區(qū)域內(nèi)運行。

3.2 發(fā)動機污染物排放

氣態(tài)污染物排放測試結果與車輛行駛速度、發(fā)動機功率之間的關系如圖6-圖8所示，由圖可以看出，污染物排放點集中于20-40km/h區(qū)域，與發(fā)動機切入傳動系統(tǒng)的臨界車速區(qū)域一致。

其中，NOX高排放區(qū)域為車輛高速行駛并需發(fā)動機大功率輸出或車輛低速行駛且頻繁加減速時。在車輛高速行駛發(fā)動機大功率輸出導致缸內(nèi)的過量空氣系數(shù)降低，排氣溫度升高，而在車輛低速行駛頻時，頻繁加減速使得發(fā)動機負荷增大，缸內(nèi)溫度上升，利于NOX產(chǎn)生。

CO排放速率受車輛行駛速度的影響相較于發(fā)動機工況要小，高排放速率分布在怠速和車輛頻繁加減速階段，尤其是車輛加速行駛時。這是由于過量空氣系數(shù)在公交車怠速及頻繁加減速階段較低，發(fā)動機缸內(nèi)的氧氣含量少，燃料燃燒不夠充分，隨著車速升高及平穩(wěn)行駛，過量空氣系數(shù)增大，燃料的燃燒條件逐漸改善改善，排放速率降低。

THC的高排放主要集中于車輛低速行駛時，特別是發(fā)動機大功率輸出時，這是由于此時發(fā)動機內(nèi)的混合燃燒氣體的濃度較高，但燃燒不夠充分，未完全燃燒的混合氣隨發(fā)動機排氣一并排出，隨著車輛行駛速度升高，發(fā)動機的轉速升高，缸內(nèi)的燃燒氣體混合更加充分，利于充分燃燒，因而THC排放相對減少。

4 ?結論

①公交車輛的平均車速較低，且頻繁加減速，車輛實際行駛過程中的排放測試難以達到標準中要求平均行駛速度，建議對公交車輛進行整車排放測試時適當提高市區(qū)道路占比，降低市郊道路的平均車速;

②發(fā)動機在CNG-電混動公交車輛行駛時，轉速較低，車輛急加速需發(fā)動機輸出較大功率，氣態(tài)污染物排放升高趨勢明顯，型式檢驗工況尤其是WNTE對其代表性較差，建議降低測試區(qū)域的扭矩邊界;

③CNG-電混動公交車的污染物排放集中于發(fā)動機切入車輛傳動系統(tǒng)的臨界車速附近，建議在測試過程中對該區(qū)域予以重點關注。

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃—非道路移動源排放標準評估與重要標準研究（2016YFC0208004）。

作者簡介：丁健峰（1990-），男，本科，從事發(fā)動機排放型式認證試驗。