基于NEDC和WLTC工況循環的混合動力汽車排放特性研究

靖春勝 張鐵臣 于鎰隆

摘要 以一輛先進混合動力國Ⅴ汽油車為試驗對象，研究混合動力汽車在NEDC循環與WLTC循環工況下的排放特性，以及混合動力汽車在各速度區間及各加速度區間下的排放差異。研究結果表明：WLTC循環使混合動力汽車CO和PN排放因子增大，HC和NOx排放因子降低;混合動力汽車在發動機冷啟動階段CO、HC和NOx的排放污染均較為嚴重，應做重點優化，高速度階段內CO排放較高，PN排放主要集中在發動機頻繁啟停的工況段內，其余工況排放污染較低;隨著速度的增加CO排放因子總體呈現增大的趨勢，HC排放因子總體呈現減小的趨勢，NOx和PN排放因子總體呈現先增大后減小的趨勢;隨著加速度的增加CO、NOx和PN排放因子總體呈現增大的趨勢， HC排放因子總體呈現先增大后減小的趨勢。

關 鍵 詞 混合動力汽車;NEDC循環;WLTC循環;國Ⅵ;排放特性

Abstract Taking an advanced HEV gasoline vehicle as the test object， the emission characteristics of HEV under NEDC and WLTC cycles and the emission differences of HEV at different speeds and acceleration ranges were studied. The results show that WLTC cycle increases CO and PN emission factors of hybrid electric vehicles and decreases HC and NOx emission factors. The emission pollution of CO， HC and NOx of hybrid electric vehicles in engine cold start-up stage is serious and should be optimized. CO emission in high speed stage is higher， PN emission is mainly concentrated in engine frequent start-up and shut-down stage， and the emission pollution in other working conditions is lower. With the increase of acceleration， CO， NOx and PN emission factors generally show an increasing trend， HC emission factors generally show a decreasing trend， and NOx and PN emission factors generally show a trend of first increasing and then decreasing; with the increase of acceleration， CO， NOx and PN emission factors generally show an increasing trend， while HC emission factors generally show a “first increasing and then decreasing” trend.

Key words hybrid electric vehicle; NEDC cycle; WLTC cycle; country VI; emission characteristics

0 引言

隨著工業化、城市化的不斷加快，人們對私人汽車的依賴程度越來越高，機動車的排放污染情況已越來越多地受到人們的關注[1]，大量研究結果表明，汽車尾氣排放污染已經成為中國城市空氣污染的主要污染來源，城市地區出現的空氣污染已由“煤煙型”向“尾氣型”轉變，這是造成區域性光化學煙霧和灰霾污染的重要原因[2-3]。與此同時，日益嚴格的排放法規同樣對機動車輛的排放水平提出了嚴格要求。據了解，廣州、深圳、天津等省市紛紛宣布于2019年7月1日開始執行輕型汽車“國Ⅵ”排放標準[4];北京市生態環境局發布的《關于北京市實施第六階段機動車排放標準的公告（征求意見稿）》顯示，北京將自2019年7月1日起，重型燃氣車以及公交及環衛行業重型柴油車須滿足國Ⅵb階段標準要求，自2020年1月1日起，輕型汽油車和其余行業重型柴油車須滿足國Ⅵb階段標準要求[5]。因此，開發新能源汽車和低排放汽車已迫在眉睫。而混合動力汽車具有燃油經濟性高，尾氣排放較低，能量利用率高等優點，能夠較好地適應當前汽車市場的需求[6]。所以，本課題中針對混合動力汽車排放特性的研究顯得尤其具有意義。

與輕型車國Ⅴ排放標準相比，輕型車國Ⅵ排放標準的污染物限值更低且加入對顆粒物數量（PN）的限值，Ⅰ型試驗工況也由全球輕型車統一測試循環（Word-wide Harmonized Light Duty Test Cycle，WLTC）代替新歐洲測試循環（New European Driving Cycle，NEDC）[7]，因此，即將實施的國Ⅵ排放標準對未來混合動力汽車的開發提出了巨大的挑戰。

目前國內對國Ⅵ、國Ⅴ標準的研究主要集中在污染物限值與試驗工況的對比分析;WLTC循環對汽油機工作性能的影響等[8- 9]，而對于新型混合動力汽車NEDC循環與WLTC循環的對比分析和不同速度或加速度工況的排放特性研究還比較少。

本文以一輛先進混合動力國Ⅴ汽油車為試驗對象，研究混合動力汽車在NEDC循環與WLTC循環下的排放特性，以及車輛在不同速度和不同加速度下的排放特性，為今后的國Ⅵ車及混合動力汽車的研究開發建立分析基礎。

1 試驗方案

1.1 試驗樣車與燃油

試驗車輛為某品牌1.8 L國Ⅴ排放水平的HEV混合動力汽車，搭載直列四缸、水冷、自然吸氣汽油機，其主要參數見表1。試驗所用燃油為市售92號汽油。

1.2 試驗工況

本次試驗采用NEDC循環工況和WLTC循環工況對比測試，其中NEDC循環工況由市區工況ECE（780 s）和市郊工況EUDC（400 s）組成，共持續1 180 s;WLTC循環由低速段（Low），中速段（Medium），高速段（High）和超高速段（Extra High）4部分組成，持續時間共1 800 s，其中低速段持續時間589 s，中速段持續時間433 s，高速段的持續時間為455 s，超高速段的持續時間為323 s[10]。循環的主要參數見表2 。循環工況示意圖如圖1和圖2所示。

1.3 試驗設備

本課題中所用試驗設備如表3所示。

1.4 試驗方案

整車預處理后，置于環境艙（298 K，100 kPa）浸車8 h后在底盤測功機上對試驗車輛進行排放循環測試（電量保持模式），測試整車動力系統的控制策略，油耗以及排放污染物。

通過NEDC、WLTC循環差異，綜合分析整車在發動機工作模式下的性能及排放表現。

1.5 冷卻水溫控制

NEDC循環運行至市郊工況由于負荷增大，發動機熱負荷較大，當運行至1 035 s時節溫器開啟，發動機出水溫度迅速升高至83 ℃左右，并保持穩定，整車散熱器將進水溫度控制在25 ℃左右。

WLTC循環運行至中速階段850 s時節溫器開啟，發動機出水溫度迅速升高至83 ℃，進入大循環后發動機出水溫度穩定在80～90 ℃，整車散熱器將進水溫度控制在20～40 ℃，保證了試驗的順利進行及試驗結果的可靠性。

2 試驗結果及分析

2.1 污染物循環排放因子

根據國六排放法規，輕型車排放試驗主要采用排放因子來衡量車輛的排放污染情況，即混合動力車輛行駛單位距離的平均排放污染物的質量，其具體計算公式如下：

圖5為混合動力汽車在NEDC循環和WLTC循環下的排放性能與國Ⅵb排放限值的對比分析，其中，CO排放因子：NEDC

2.2 污染物瞬態工況排放特性

圖6為混合動力汽車NEDC循環的污染物瞬態累積排放，CO排放主要集中在冷啟動及郊區工況段內;HC排放主要集中在冷啟動階段內;NOx排放在冷啟動階段增長迅速，隨后緩慢增長;PN排放主要與發動機的工作狀況有關，在發動機的啟動工況PN排放增加明顯。

圖7為混合動力汽車WLTC循環的污染物瞬態累積排放，CO排放主要集中在中速段、高速段及超高速工況段內;HC排放主要集中在冷啟動階段內;NOx排放在冷啟動階段增長迅速，隨后增長緩慢;PN排放因子在600～1 200 s時間段內增長最快，主要是發動機在此階段內頻繁啟停所致。

綜上所述，混合動力汽車在發動機冷啟動階段CO、HC和NOx的排放污染均較為嚴重，應做重點優化;高速度階段內CO排放較高;PN排放主要集中在發動機頻繁啟停的工況段內，其余工況排放污染較低。

2.3 速度對排放特性的影響

瞬態排放累積圖可反映混合動力汽車瞬態排放量的變化，但是不能明確展示具體工況要素（速度、加速度）對污染物排放量的影響[11]，所以將循環工況分成7個速度區間（不包含怠速）：（0，20]，（20，40]，（40，60]，（60，80]，（80，100]，（100，120]，（120，140]和6個加速度區間（不包含怠速）：（<-1），[-1，-0.5），[-0.5，0），（0，0.5]，（0.5，1]，（>1）進行分析研究，研究結果如下所示。

圖8為混合動力汽車在不同速度區間下的CO排放情況，隨著車輛速度的增加CO排放因子整體呈現增加趨勢，主要原因為隨著車輛速度的增加，發動機所需燃料量逐漸加大[12]，導致CO排放濃度增加，其中混合動力汽車在NEDC循環工況0～20 km/h的速度區間段內CO排放因子較高，主要是發動機冷啟動階段對CO排放影響較大所引起的;在20～40 km/h速度區間內，NEDC循環CO排放值很低，WLTC循環CO排放因子遠大于NEDC循環;NEDC循環和WLTC循環CO排放因子均在最大速度區間內達到峰值。

圖9為混合動力汽車在不同速度區間下的HC排放情況，NEDC循環和WLTC循環HC排放因子的最大值均在0～20 km/h速度區間內，主要是在發動機冷啟動階段內燃料燃燒不完全引起的，而0～20 km/h速度區間內NEDC循環的排放因子大于WLTC循環，因為NEDC循環的怠速工況較WLTC循環更多，故低速區間的行駛里程較小導致單位里程排放量變高[13];在20～60 km/h速度段內，WLTC循環的排放因子遠大于NEDC循環;在速度大于60 km/h的工況段內，NEDC循環和WLTC循環的排放因子相差不多。

圖10為混合動力汽車在不同速度區間下的NOx排放情況，其中NEDC循環在0～80 km/h區間段和WLTC循環在0～60 km/h區間段NOx排放因子均增大，主要原因在于隨著速度的提升發動機負荷增大，排氣溫度上升導致NOx排放因子增大;NEDC循環在80～100 km/h區間段和WLTC循環在60～80 km/h區間段NOx排放因子均下降，主要原因為在該速度區間段內車輛的加速工況較多，混合氣加濃導致氧氣含量較少，NOx排放因子降低[14]。

圖11為混合動力汽車在不同速度區間下的PN排放情況，隨著速度的增加PN排放總體呈現先增大后減小的趨勢，NEDC循環和WLTC循環PN排放主要集中在20～80 km/h區間段內，其中，NEDC循環和WLTC循環PN排放峰值均在40～60 km/h區間內。

2.4 加速度對排放的影響

圖12為各個加速度區間段內CO的排放情況，由圖可以看出隨著加速度的增加CO排放因子總體呈現增大的趨勢，這是由于加速度增加時發動機負荷增大，混合氣加濃導致燃油燃燒不完全，所以CO排放因子增加[15];NEDC循環和WLTC循環CO排放峰值均在加速度大于1的間段內。

圖13為各個加速度區間段內HC的排放情況，HC排放主要集中在加速階段（加速度大于0），主要由于車輛在加速階段內發動機負荷增加，混合氣加濃燃油不完全燃燒所致，在車輛減速階段內，HC排放因子較小且變化不大;NEDC循環和WLTC循環CO排放峰值均在（0，0.5]區間段內，結合圖6和圖7進行分析，可能是冷啟動階段HC排放過大所致。

圖14為各個加速度區間段內HC的排放情況，NOx排放因子隨著加速度的增加整體呈現先增大后減小的趨勢;NEDC循環和WLTC循環的NOx排放峰值均在（0.5，1]區間段內，這可能是因為在加速度區間（0.5，1]內，發動機負荷較大排氣溫度較高所導致的;加速度小于0.5的區間內NEDC循環和WLTC循環的NOx排放因子相差不多，加速度大于0.5的區間內NEDC循環NOx排放因子大于WLTC循環。

圖15為各個加速度區間段內PN的排放情況，由圖可知，PN排放因子總體上隨著加速度的升高而增大，這是由于車輛加速度增大，發動機負荷增大，噴油量加大燃油混合不均等因素造成的;NEDC循環和WLTC循環均在加速度區間（0.5，1]到達峰值;加速度大于1的區間內，PN排放因子降低。

3 結論

1）混合動力汽車NEDC循環和WLTC循環對應的HC、CO、NOx均滿足國Ⅵb，PN超出限值，但滿足現階段（2020年7月1日前）過渡限值（6×1012 /km）。

2）CO排放因子：NEDC

3）混合動力汽車在發動機冷啟動階段CO、HC和NOx的排放污染均較為嚴重，應做重點優化;高速度階段內CO排放較高;PN排放主要集中在發動機頻繁啟停的工況段內，其余工況排放污染較低。

4）隨著速度的增加CO排放因子總體呈現增大的趨勢，HC排放因子總體呈現減小的趨勢，NOx和PN排放因子總體呈現先增大后減小的趨勢。

5）隨著加速度的增加CO、NOx和PN排放因子總體呈現增大的趨勢，HC排放因子總體呈現先增大后減小的趨勢。

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