電量保持階段增程器的排放與工作特性的試驗研究

王長卉，劉澤民，李雁飛，帥石金，邵慧芳，王銀輝

（1.煙臺大學機電汽車工程學院，煙臺 264005；2.清華大學，汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084；3.雅富頓化工（蘇州）有限公司，蘇州 215000）

前言

汽車是大氣污染物排放的主要來源，其中CO、NOx和PM排放量超過90%，HC排放量超過80%［1］。隨著對環境保護和能源危機的關注，節能減排是當前汽車技術開發亟待解決的問題。

混合動力技術可以彌補純電動車續駛里程短的缺陷，且能夠滿足油耗法規要求［3-4］。但其可能會導致部分污染物排放惡化。Huang等［4］對雷克薩斯NX200t、NX300h（混動版本）和埃爾法350與其混動版本進行了測試，結果表明混動版本車型的總碳氫（total hydrocarbon，THC）排放并未得到改善。鐘莊敏［5］發現混合動力汽車CO排放比傳統車更多。Yang等［6］的研究表明，混合動力車型PN排放遠超傳統內燃機車型，該結果與Thomas等［7］的研究一致。插電式混合動力技術被認為可能是進一步降低運輸能耗和排放的一種選擇而備受關注［8］。插電混合動力車可以分為增程式和混合式兩種形式。雖然插電混合動力車能保持較長的電驅里程，但其在電量不足或功率需求較高的情況下，發動機仍然會介入工作。已有研究表明，在混合式插電混合動力車中，功率需求的突然增加會引發發動機的高能冷起動（high power cold starts）。加州空氣資源委員會的研究表明高能冷起動會導致遠超法規限值 的 氮 氧 化 物（nitrogen oxides，NOx）排 放［9］。Lijewski等［10］的研究表明，增程式混合動力車的HC和CO排放比混合式插電混合動力汽車更高。國六排放法規對PN提出了限制，因此有必要圍繞插電式混合動力汽車的顆粒物排放特性展開進一步研究。

增程式混合動力汽車主要是通過增程器來解決電動車的里程焦慮問題，因此其對增程器的功率等性能參數要求會比傳統混合動力車和燃油車大幅降低。Clemente等［11］研究了不同結構增程器，展示了增程器設計多樣性的潛力。Borghi等［12］開發了專用于增程器的兩缸發動機，它采用電動增壓器、特殊的發動機轉子元件等方式，減少熱損。然而，新型增程器工作特性比其他混合動力車和燃油車發動機特性可能有較大差別，并對潤滑油和后處理系統等設計提出一定挑戰，因此需要進一步加深對增程式混合動力汽車工作特性的理解。

本文中在整車轉鼓臺架上對某款處于電量保持階段的增程式混合動力車在WLTC循環工況的工作特性展開研究，通過耦合增程器轉速、負荷、機油溫度、冷卻水溫度和排氣溫度等參數來分析氣體（HC、CO、NOx）排放和顆粒物排放，并基于發動機工作特性進一步解析該增程器的工況軌跡。

1 試驗設備與方案

試驗臺架如圖1所示。該系統主要由底盤測功機、HORIBA排放分析儀、DMS500、OBD數據記錄儀和溫度記錄儀等設備組成。其中試驗環境艙溫度保持在25±2℃，相對濕度保持在25%左右，大氣壓力在101 kPa左右。通過HORIBA-MEXA-7200分析儀以1 Hz的采樣頻率獲取NOx、THC、CO和CO2濃度以及尾氣中氧含量。通過CO2、CO和HC等參數的實時測量值來計算空燃比；通過CAMBUSTION DMS 500獲取顆粒物濃度和粒徑分布；通過K型熱電偶對增程器機油溫度和排氣溫度進行監測，其機油溫度監測點位于機油標尺末端，排氣溫度監測點位于排氣尾管處；通過OBD數據記錄儀實時獲取增程器轉速、負荷、進氣歧管絕對壓力和冷卻水溫度等數據。

圖1 整車轉鼓臺架測試系統

測試車輛（滿足我國正式上市國五排放標準）參數如表1所示。測試時，保證名義電量（儀表盤顯示電量）在10%以下（增程器能在車輛啟動時快速介入工作），同時車輛在室溫條件下靜置6 h以上，啟動時機油溫度和冷卻水溫與室溫相同。所采用的測試循環為全球輕型車統一測試循環（WLTC）測試。

表1 車輛主要參數

2 結果討論

圖2 示出該車輛在WLTC循環下的氣體和顆粒物排放、氧含量、空燃比、機油溫度、排氣溫度以及通過OBD獲取的增程器負荷、轉速和冷卻水溫度等變化過程。通過圖2（a）可以看出，隨著循環的進行，增程器會多次啟停（6次）。通過圖2（b）可以看出，在溫度上升階段，冷卻水的溫升速率大于機油的溫升速率，最終冷卻水溫度穩定在85℃左右，在增程器停機時，溫度會出現一定的下降；機油溫度最高可達120℃；排氣最高溫度可達570℃。以冷卻水溫度到達70℃作為暖機期的標準，傳統（非增程式）混合動力車大約在400 s左右冷卻水溫達到70℃［13］，而該增程器在158 s時已經達到了70℃，展示了更快的暖機速度。這是由于該款車型增程器負荷率高，溫升更快。該增程器峰值機油溫度（120℃）也明顯高于其他混合動力車傳統模式（機油溫度在95℃達到平衡）和混動模式（機油溫度低于95℃）下的溫度［14］，排氣溫度也遠高于傳統油電混合動力車（低于400℃）［13］。

通常認為，增程器主要是用于解決里程焦慮，因此發動機可以進一步小型化［12］，但是上述結果表明發動機小型化會使發動機機油和三效催化器的工作環境惡化，這也對增程器機油及催化器的開發提出新的挑戰。

2.1 增程器排放特性研究

增程器的啟停和負荷變化也導致了排放的劇烈變化。下面將分為氣態污染物和顆粒物排放特性兩部分進行解析。

2.1.1 氣態污染物排放

增程器在首次啟動（50 s左右）時，THC、CO和NOx排放均會產生一個濃度峰值（圖2（d））。從圖2（c）中也可以觀察到每次啟動時空燃比下降的現象，表明缸內存在混合氣加濃和不完全燃燒等情況，同時，首次啟動時排氣溫度過低（26℃左右），三效催化器未起燃，導致了氣體排放濃度快速增加。

除增程器啟動時的氣體排放惡化外，在圖2（d）中還可以觀察到700~800 s時存在NOx排放峰值和1 500~1 800 s時存在CO排放峰值。結合圖2（a）中相應時刻的負荷變化和圖2（c）中氧含量及空燃比的變化，可以看到NOx排放峰值出現在增程器負荷從50%躍升到100%過程中，而此時缸內的混合氣偏濃，能夠滿足NOx產生的條件（高溫和富氧），因此負荷上升是缸內NOx生成的一個關鍵原因。1 500~1 800 s時的CO排放呈現臺階狀上升：在1 550 s時，CO呈現逐漸增加而后保持穩定，在1 700 s時又大幅增加。該變化過程可以歸因于增程器負荷和轉速的同時變化。結合圖2（a），可以發現增程器在1 550 s時轉速逐漸從1 000增加到3 500 r∕min，負荷從50%上升至90%左右，這導致了CO的第一次增加。在1 700 s附近，車輛功率需求進一步增加，增程器轉速和負荷進一步分別提高至4 425 r∕min和100%，而在此時，從圖2（c）中可以看到，空燃比已經偏濃，進而造成了CO濃度的驟增。該階段的CO濃度峰值是首次啟動時的3倍以上。在此時間段，THC濃度變化的趨勢與CO相同。

2.1.2 顆粒物排放

圖2 （e）和圖2（f）給出了增程式混合動力車在WLTC循環下的顆粒物濃度和粒徑分布的變化規律。增程器首次啟動（50 s左右）和隨后的多次重啟時，都會出現顆粒物濃度增加的現象，該結果與前人的研究結果一致［6］。

為進一步解析增程器啟動時刻的顆粒物排放特征，圖3給出啟動時刻的顆粒物排放特性及其相應的邊界條件（水溫、機油溫度和排氣溫度）。首次啟動時產生的高濃度顆粒物排放主要由核態顆粒物（小于50 nm）組成，該階段高濃度THC排放是核態顆粒物形成的直接原因。同時，在后續重啟過程中，顆粒物呈現出積聚態比例逐漸增加、核態顆粒物比例逐漸減少的特征。從不同時刻的冷啟動邊界條件來看：首次啟動冷卻水溫度在25℃左右，后續重啟時冷卻水溫度在86~88℃之間；機油溫度逐漸從25增加到102.7℃左右，而尾氣溫度則從28上升到405℃左右。因此不同啟動時刻顆粒物粒徑分布特征變化與冷卻水溫度相關性較弱，而與機油溫度和排氣溫度（增程器工況）有關。增程器重啟過程中，其轉速由0快速提升至某一高轉速運行，此過程中增程器自身由于慣性，振動幅度較大，隨機油溫度的升高，其黏度逐漸降低，而低黏度狀態下機油飛濺進入缸內的可能性會遠遠大于機油處于高黏度的狀態，因此機油參與燃燒可能是導致粒徑增大的原因之一；此外，不同重啟時刻排氣溫度的上升也意味著所對應的增程器缸內燃燒溫度也逐漸升高。結合重啟時濃混合氣的形成和低含氧量的條件，會加快缸內燃料熱裂解和脫氫反應生成初級碳煙粒子，通過團聚和吸附成為大粒徑的積聚態顆粒物［15］。

圖2 WLTC循環氣體排放和PN排放變化曲線以及相關參數

圖3 啟動過程粒徑變化與相應參數

在圖2（e）中，除啟動過程外，還有4個明顯的顆粒物濃度峰值區域（A、B、C、D），且顆粒物粒徑分布在5~1 000 nm之間，表明核態顆粒物與積聚態顆粒物都有較高的濃度。為進一步解析其形成原因，將該4個顆粒物濃度峰值出現區域進行放大，如圖4所示。可以發現：A、B、C、D 4個階段顆粒物峰值點均出現進氣歧管壓力降低和空燃比增大的現象，這可能是增程器出現了短暫斷油或減油，導致混合氣偏稀。一方面，這4個階段的機油溫度、排氣溫度和冷卻水溫都較高。高轉速高負荷運行狀態下減速，可以看到進氣歧管絕對壓力降低，如圖4所示。缸內形成負壓，從而油膜更易吸入缸內，參與缸內活動，導致PN排放增加；同時空燃比增加會導致固體顆粒物表面積區域濃度降低，促進硫酸鹽成核［16］，從而引起核態PN排放的增加。因此，由于（1）增程器從高速高負荷下減速時，排氣溫度和冷卻水溫處于較高值，機油由于缸內外的傳熱過程導致蒸發進入缸內［17］，（2）在較高的機油溫度下，機油黏度降低，機油蒸汽通過曲軸箱通風系統，進入發動機進氣口［18］，（3）減速時形成的缸內負壓，也會使機油蒸發更易進入缸內，（4）低黏度狀態的機油飛濺進入缸內的可能性增大，而機油在缸內介入燃燒或隨慣性運動直接排出，均會使積聚態PN排放增加。傳統汽車中也發現制動過程會產生大量由機油誘導產生的顆粒物［19］，這進一步印證了機油是混合動力車減速時顆粒物的重要來源之一。通過圖2中增程器首次啟動與4個減速時顆粒物濃度峰值（A、B、C、D）對比，可以發現后者比前者大一個數量級。

通過對顆粒物排放的分析可知，增程器啟停均會對顆粒物排放產生重要影響，顆粒物排放濃度與冷卻水溫度、機油溫度和增程器啟停工況密切相關。在增程器頻繁啟停的情況下，機油對顆粒物數量的貢獻應予重視。

2.2 增程器工作特性

2.2.1 工況點分布特性

圖5 為增程器在WLTC循環下轉速負荷分布圖。與傳統的混合動力車，例如豐田Prius［20］的發動機工況點多分布在高效油耗區相比，該增程器工況點的分布呈現出較大的差異，且可以看出，增程器可能是按照一定軌跡工作。考慮到圖5無法量化增程器工況點的頻率分布，圖6和圖7分別給出了轉速和負荷在WLTC循環內的分布，并與車速展開相關性分析。

由圖6可見，增程器在運行時主要有4個高頻次工作轉速：2 250 r∕min（低轉速）、2 400 r∕min（低轉速）、3 500 r∕min（中轉速）和4 425 r∕min左右（高轉速）。車速在0-55 km∕h左右時，增程器在低轉速區域運行；55-80 km∕h左右時，增程器主要處于一個瞬態轉速由低轉速區域向中轉速區域過渡的時期，在此階段增程器可能采取的是功率跟隨策略；80-100 km∕h左右時，增程器會在中轉速區域運行或處于中轉速和高轉速的過渡狀態；當車速超過100 km∕h時增程器會運行在中轉速或高轉速的穩定轉速區域。在這4個主要工作轉速中，低轉速區域工作頻次最多，高轉速區域最少。因為當車速達到100 km∕h以上增程器才有可能在高轉速區域穩定工作。其他低頻次轉速可以認為是處于過渡工況或是其功率跟隨策略下的增程器啟動或運行。

與轉速頻次分布較為集中的特點相比，負荷分布在40%~100%之間，如圖7所示。高頻次負荷主要為45%、50%、62%、94%和100%，但是其他負荷率仍有較高的工作頻次。同時可以看出，負荷的分布與車速的相關性并沒有增程器轉速與車速的相關性強。以94%負荷為例，其在車速130和50 km∕h的情況下均會出現。

圖4 WLTC循環下4個明顯PN峰值區域（A、B、C、D）局部放大示意圖

圖5 WLTC循環下轉速負荷分布圖

圖6 WLTC循環下車速轉速分布及相應頻次

圖7 WLTC循環下車速負荷分布及相應頻次

2.2.2 工況點軌跡

從圖5和圖7均可以看出，增程器工況點呈現一定的軌跡分布。為解析該現象，圖8給出了WLTC循環不同階段時的增程器負荷和轉速的運行狀態以及各自的運行軌跡。在WLTC循環低速階段（0-589 s），增程器在低轉速低負荷工況下運行，沒有明顯的運行軌跡。中速階段（590-1 022 s）、高速階段（1 023-1 477 s）和超高速階段（1 478-1 800 s），增程器會隨車速的變化有一個明顯的運行軌跡。

圖8 WLTC不同階段時負荷與轉速的變化

在中速階段，增程器處于低轉速區域和低轉速向中轉速過渡區域，沒有達到中轉速的穩定工作區域，負荷覆蓋高、低兩個區域。從運行軌跡可以看出，在功率需求增加（整車加速）時，增程器通過同時提高轉速和負荷的方式來提升功率輸出，但是在功率需求降低（整車減速）時，增程器會先保持高負荷降速至低轉速區，然后在低轉速區降低負荷。

在高速階段，增程器轉速覆蓋低、中兩個轉速區間，負荷率覆蓋低負荷穩定工作區域和低負荷向高負荷過渡的瞬態區域，沒有高負荷的穩定工作區域。功率需求增加時，增程器先同時提升轉速和負荷，當轉速達到中轉速區域時轉速固定，然后繼續提升負荷以增加輸出功率。當功率需求降低時，增程器以原路徑返回。

在超高速階段，增程器轉速均覆蓋全部工作區域。功率需求增加時，增程器一開始的軌跡與高速階段一致。隨著車輛功率需求的進一步增加，轉速不變，負荷增加。當車速達到130 km∕h時，增程器的轉速存在一個明顯的階躍（從3 500快速升至4 425 r∕min），通過此方式來增大輸出功率，同時負荷率在高負荷區域也對應一個小幅上升（90%升至100%），這也是前文中CO濃度驟增的時刻。在功率需求下降時，增程器會先保持高負荷降速至低轉速區，然后在低轉速區降低負荷。

3 結論

（1）增程器首次啟動時THC、CO和NOx排放濃度高，主要是受混合氣加濃和三效催化器的轉化效率影響。負荷和轉速的突變會導致NOx和CO排放的局部惡化。

（2）增程器首次啟動及后續的重啟均會惡化PN排放，同時粒徑會呈現出由核態向積聚態變化的趨勢，其主要受機油溫度和增程器啟動時熱力學條件的共同影響。

（3）車輛減速斷油會導致PN的急劇增加，其受機油揮發性和增程器熱狀態的共同影響。

（4）增程器在WLTC循環的不同階段（中速、高速和超高速）的運行均呈現一定規律，但不同階段間運行軌跡存在較大差異，其與車輛功率需求密切相關。

（5）小型增程器結構會呈現多樣性的趨勢，這會對機油開發和后處理系統等提出新的挑戰。