CNG-電混動(dòng)公交車(chē)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(chē)以天然氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，輔以電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的混合動(dòng)力車(chē)輛，車(chē)輛行駛速度低、啟動(dòng)頻繁等特性，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況與型式檢驗(yàn)工況具有較大差異。為研究其實(shí)際行駛工況與排放特性，選取4輛國(guó)V排放標(biāo)準(zhǔn)的CNG-電混合動(dòng)力公交車(chē)，往返于市區(qū)與城郊，使用PEMS（portable emission measurement system）實(shí)時(shí)收集車(chē)輛行駛及NOX排放數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況集中于中低功率段，與型式檢驗(yàn)工況差異較大，污染物排放集中于發(fā)動(dòng)機(jī)切入車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)的臨界車(chē)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(guān)鍵詞：混合動(dòng)力;公交車(chē);PEMS;排放特性

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

0 ?引言

公交車(chē)輛的行駛區(qū)域具有近人群特性，其發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放對(duì)人體健康的影響更為直接。CNG-電混合動(dòng)力公交車(chē)具有排放低、噪聲小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)[1][2]，在我國(guó)不斷推進(jìn)節(jié)能減排、強(qiáng)化機(jī)動(dòng)車(chē)污染物排放管控的形勢(shì)下，越發(fā)受到市政、生產(chǎn)企業(yè)青睞。

混合動(dòng)力公交車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況有別與傳統(tǒng)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的車(chē)輛，目前對(duì)這類(lèi)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況特點(diǎn)研究成果偏少[3]，針對(duì)CNG-電混合動(dòng)力公交車(chē)的實(shí)際行駛工況及排放特性更為匱乏。本研究以4輛滿(mǎn)足國(guó)V排放標(biāo)準(zhǔn)的CNG-電混合動(dòng)力公交車(chē)為研究對(duì)象，基于PEMS研究其實(shí)際行駛運(yùn)行工況及污染物排放特性，以期對(duì)公交車(chē)輛污染物排放監(jiān)管提供參考。

1 ?測(cè)試方案

1.1 測(cè)試車(chē)輛

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

為確保受試車(chē)輛車(chē)況正常，試驗(yàn)前對(duì)車(chē)輛進(jìn)行正常維護(hù)保養(yǎng)，通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備查驗(yàn)OBD信息，確保發(fā)動(dòng)機(jī)及排放控制裝置正常工作。

1.2 測(cè)試道路選擇

試驗(yàn)道路選取2條公交運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路，每條線(xiàn)路各包含2輛車(chē)輛由不同駕駛?cè)藛T駕駛。1號(hào)、2號(hào)車(chē)輛運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)道路1，穿過(guò)較為擁擠的泉城廣場(chǎng)、趵突泉等市區(qū)擁堵路線(xiàn)至市郊，共28個(gè)站點(diǎn)，3號(hào)、4號(hào)車(chē)輛運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)道路2，包含市區(qū)、市郊兩種道路條件，共35個(gè)站點(diǎn)，如圖1所示。

1.3 測(cè)試設(shè)備

測(cè)試設(shè)備包含發(fā)電機(jī)組、流量計(jì)、環(huán)境溫濕度傳感器、分析儀（SEMTECH-DS）及各種配件[4]。流量計(jì)與車(chē)輛排氣管連接獲得排放流量，并將排氣導(dǎo)向分析儀，OBD信息讀取設(shè)備實(shí)時(shí)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩等運(yùn)行參數(shù)，環(huán)境溫濕度傳感器測(cè)量實(shí)施的環(huán)境溫度和濕度，GPS記錄車(chē)輛行駛速度，發(fā)電機(jī)組為測(cè)試系統(tǒng)提供動(dòng)力，測(cè)試設(shè)備安裝如圖2所示。

2 ?車(chē)輛運(yùn)行測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試共采集19662條實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，公交車(chē)在測(cè)試過(guò)程中正常停靠公交站，以貼合其實(shí)際行駛工況，但因測(cè)試前已按照車(chē)輛載重的50%進(jìn)行加載，并未上下乘客。

2.1 車(chē)輛運(yùn)行道路條件

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求[5]，整車(chē)PEMS測(cè)試按照市區(qū)-市郊-高速的行駛順序進(jìn)行，城市車(chē)輛測(cè)試的運(yùn)行道路功率的時(shí)間分配比例為70%市區(qū)道路和30%市郊道路。車(chē)輛在市區(qū)道路的行駛速度在0-50km/h之間，平均車(chē)速為15-30km/h，市郊道路以第一個(gè)出現(xiàn)超過(guò)55km/h的短行程為開(kāi)始標(biāo)識(shí)，車(chē)輛行駛速度不超過(guò)75km/h。以此對(duì)測(cè)試車(chē)輛運(yùn)行道路劃分如表2所示。

從實(shí)際道路來(lái)看，兩條試驗(yàn)線(xiàn)路的市郊道路占比均超過(guò)30%，但就實(shí)際行駛情況來(lái)看，市郊道路占比及車(chē)輛平均行駛車(chē)速與標(biāo)準(zhǔn)要求相比，差異明顯。

2.2 車(chē)輛運(yùn)行工況

4輛測(cè)試公交的運(yùn)行工況依據(jù)怠速（車(chē)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(jìn)行分組[6]，與WHDC（world-wide harmonized heavy duty certification，全球統(tǒng)一重型發(fā)動(dòng)機(jī)核準(zhǔn)程序）工況數(shù)據(jù)庫(kù)得出的工況分布特征[7]對(duì)比如圖3所示。

由于城市道路交通情況復(fù)雜多變，公交車(chē)輛頻繁啟停等因素，與工況數(shù)據(jù)庫(kù)相比，公交車(chē)運(yùn)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(chē)速40km/h以下，占比87%。

3 ?發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行結(jié)果分析

CNG-電混合動(dòng)力公交車(chē)在臨界車(chē)速以下主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入臨界車(chē)速以上后轉(zhuǎn)換為發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此其發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況與污染物排放特性具有一定特殊性。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況

圖4為4輛公交車(chē)行駛速度-車(chē)輛加速度-發(fā)動(dòng)機(jī)功率分布散點(diǎn)圖，車(chē)輛在行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)一直維持在低功率運(yùn)行，以保證空氣壓縮機(jī)等車(chē)輛輔助系統(tǒng)的正常工作，當(dāng)車(chē)輛行駛速度達(dá)到臨界車(chē)速20km/h左右，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始正常工作，由于公交車(chē)輛平均車(chē)速較低，且頻繁加減速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及扭矩均集中于中低段，發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作過(guò)程中的轉(zhuǎn)速百分比與扭矩百分比如圖5所示。

其中，轉(zhuǎn)速百分比=，%;n為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，rpm;nidle為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，rpm;nrated發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，rpm;扭矩百分比=，%;N為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩，Nm;Nmax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩，Nm。

由此可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速集中于額定轉(zhuǎn)速40%以下，扭矩更是集中于最大扭矩20%以下。

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架瞬態(tài)測(cè)試循環(huán)已由ETC調(diào)整為WHTC。WHTC的城市工況權(quán)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(fù)荷占比較混合動(dòng)力公交車(chē)輛依然較低，WNTE（World-Harmonized Not-To-Exceed，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架非標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)）測(cè)試將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于n30（WHTC包含怠速在內(nèi)的所有轉(zhuǎn)速頻率累積的30%所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速），扭矩小于發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩30%的所有發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷點(diǎn)剔除[12]，而CNG-電混合動(dòng)力公交車(chē)配套發(fā)動(dòng)機(jī)恰恰主要在此區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)污染物排放

氣態(tài)污染物排放測(cè)試結(jié)果與車(chē)輛行駛速度、發(fā)動(dòng)機(jī)功率之間的關(guān)系如圖6-圖8所示，由圖可以看出，污染物排放點(diǎn)集中于20-40km/h區(qū)域，與發(fā)動(dòng)機(jī)切入傳動(dòng)系統(tǒng)的臨界車(chē)速區(qū)域一致。

其中，NOX高排放區(qū)域?yàn)檐?chē)輛高速行駛并需發(fā)動(dòng)機(jī)大功率輸出或車(chē)輛低速行駛且頻繁加減速時(shí)。在車(chē)輛高速行駛發(fā)動(dòng)機(jī)大功率輸出導(dǎo)致缸內(nèi)的過(guò)量空氣系數(shù)降低，排氣溫度升高，而在車(chē)輛低速行駛頻時(shí)，頻繁加減速使得發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大，缸內(nèi)溫度上升，利于NOX產(chǎn)生。

CO排放速率受車(chē)輛行駛速度的影響相較于發(fā)動(dòng)機(jī)工況要小，高排放速率分布在怠速和車(chē)輛頻繁加減速階段，尤其是車(chē)輛加速行駛時(shí)。這是由于過(guò)量空氣系數(shù)在公交車(chē)怠速及頻繁加減速階段較低，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的氧氣含量少，燃料燃燒不夠充分，隨著車(chē)速升高及平穩(wěn)行駛，過(guò)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(chē)輛低速行駛時(shí)，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)大功率輸出時(shí)，這是由于此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)排氣一并排出，隨著車(chē)輛行駛速度升高，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)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(duì)減少。

4 ?結(jié)論

①公交車(chē)輛的平均車(chē)速較低，且頻繁加減速，車(chē)輛實(shí)際行駛過(guò)程中的排放測(cè)試難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中要求平均行駛速度，建議對(duì)公交車(chē)輛進(jìn)行整車(chē)排放測(cè)試時(shí)適當(dāng)提高市區(qū)道路占比，降低市郊道路的平均車(chē)速;

②發(fā)動(dòng)機(jī)在CNG-電混動(dòng)公交車(chē)輛行駛時(shí)，轉(zhuǎn)速較低，車(chē)輛急加速需發(fā)動(dòng)機(jī)輸出較大功率，氣態(tài)污染物排放升高趨勢(shì)明顯，型式檢驗(yàn)工況尤其是WNTE對(duì)其代表性較差，建議降低測(cè)試區(qū)域的扭矩邊界;

③CNG-電混動(dòng)公交車(chē)的污染物排放集中于發(fā)動(dòng)機(jī)切入車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)的臨界車(chē)速附近，建議在測(cè)試過(guò)程中對(duì)該區(qū)域予以重點(diǎn)關(guān)注。

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作者簡(jiǎn)介：丁健峰（1990-），男，本科，從事發(fā)動(dòng)機(jī)排放型式認(rèn)證試驗(yàn)。