混合動力系統(tǒng)特殊工況對NOx 排放的影響研究

寧廷會， 喬運乾， 賈艷艷， 李建東

（濰柴動力股份有限公司， 山東 濰坊 261061）

混合動力汽車通過合理的參數(shù)匹配、控制策略制定以及優(yōu)化控制，使車輛在實際應(yīng)用中不僅具有了傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車行駛里程遠(yuǎn)的特點，而且還具有純電動汽車高效、清潔的優(yōu)勢，是目前汽車行業(yè)最具實際發(fā)展意義的新能源汽車。但發(fā)動機啟停功能因停機時對后處理溫度的影響使行業(yè)上擔(dān)心會對車輛實時排放帶來負(fù)面效果，同時在冷熱態(tài)時的急加速工況是易產(chǎn)生高排放的特殊工況，因此探索混合動力技術(shù)對車輛排放的影響首先要對這些特殊工況進(jìn)行評估。

本文借助項目開發(fā)資源支持，通過充分的試驗對特殊工況的排放情況進(jìn)行摸底，通過實際數(shù)據(jù)來驗證熱態(tài)急加速、冷態(tài)急加速及不同停機時長對后處理溫度的變化及對排放物的影響。

1 試驗方案設(shè)計

本文從發(fā)動機啟停功能、熱態(tài)急加速和冷態(tài)急加速3種特殊工況探索混合動力技術(shù)對排放的影響，為給出定量結(jié)論，需以傳統(tǒng)車輛為對標(biāo)基準(zhǔn)，所以每種工況都需要有傳統(tǒng)車的同步試驗，且需保證試驗條件的一致性。混合動力的啟停工況對應(yīng)傳統(tǒng)車的怠速工況模式。

本文試驗對象為8×4單軸并聯(lián)混合動力重型商用車，因其具備傳統(tǒng)的純發(fā)動機模式，以此為對標(biāo)數(shù)據(jù)。試驗時調(diào)取發(fā)動機排溫、高壓系統(tǒng)狀態(tài)、車輛系統(tǒng)狀態(tài)、當(dāng)前擋位、需求擋位、離合器需求位置、離合器實際位置、車速、加速踏板開度、離合器氣壓、制動開關(guān)狀態(tài)、T15開關(guān)、T50開關(guān)、發(fā)動機需求扭矩和實際扭矩、電機需求扭矩和實際扭矩等重要變量，記錄并保存。

1.1 停機&怠速工況試驗對比

停機&怠速工況的試驗均為熱機狀態(tài)下，試驗初始條件為發(fā)動機水溫≥75℃、SCR上游溫度≥220℃。

車輛以傳統(tǒng)發(fā)動機模式工作，發(fā)動機怠速1min，踩30%油門將SCR上游溫度至≥220℃作為一組試驗，若SCR上游溫度降低不到220℃，試驗結(jié)束。通過同樣的方法進(jìn)行不同油門下怠速時間分別為5min、10min、15min、20min、30min的試驗。怠速工況試驗項目詳細(xì)工況見表1。

表1 怠速工況試驗項目

進(jìn)行停機工況試驗時車輛為正常混動模式，發(fā)動機停機1min，踩30%油門將SCR上游溫度至≥220℃作為一組試驗，若SCR上游溫度降低不到220℃，試驗結(jié)束。通過同樣的方法進(jìn)行不同油門下停機時間分別為5min、10min、15min、20min、30min的試驗。停機工況試驗項目詳細(xì)工況見表2。

表2 停機工況試驗項目

1.2 熱態(tài)急加速工況

該工況初始條件為發(fā)動機水溫≥75℃、SCR上游溫度≥220℃，踩油門至100%，分別進(jìn)行發(fā)動機模式、混動模式的排放對比，試驗項目見表3，記錄并保存數(shù)據(jù)。

表3 熱態(tài)急加速工況

1.3 冷態(tài)急加速工況

該工況初始條件為自然環(huán)境下的冷態(tài)，變油門逐步提升，記錄溫度和排放情況。同樣，分別進(jìn)行發(fā)動機模式、混動模式的排放對比。

2 試驗驗證

2.1 停機&怠速工況驗證

在動力總成臺架及道路上均進(jìn)行了不同停機&怠速時長的溫度變化和排放試驗。圖1、圖2分別為道路試驗空載和滿載時不同怠速&停機時長的溫度變化情況。

圖1 道路空載怠速&停機溫差對比

圖2 道路滿載怠速&停機溫差對比

當(dāng)再次以固定50%油門起動加速對整車進(jìn)行加熱，達(dá)到初始后處理溫度（以SCR上游溫度為參考） 混動模式所用時間比傳統(tǒng)模式短，圖3為滿載時加速的升溫時間對比。

圖3 道路滿載怠速&停機升溫時長對比

在動力總成臺架上進(jìn)行不同時長、以不同油門再次起動升溫的怠速&停機驗證。圖4～圖6分別為再次起動油門50%，80%及100%不同怠速&停機時長的后處理溫度隨時間的變化曲線。

圖4 怠速&停機溫度變化 （50%油門）

圖5 怠速&停機溫度變化 （80%油門）

圖6 怠速&停機溫度變化 （100%油門）

通過數(shù)據(jù)可知，在當(dāng)前熱態(tài)試驗條件下怠速或停機的溫度都以某一速率下降，怠速25min后溫度穩(wěn)定在120℃附近。無論是道路試驗還是臺架試驗在不同怠速&停機時長下都反映出停機溫度下降比怠速慢趨勢，因此停機有利于后處理保溫。油門再次啟動達(dá)到相同的后處理工作溫度，停機工況所需時間明顯短于怠速工況，時間提升20%～70%。

定義從初始溫度怠速&停機一定時長，油門再次起動溫度回升到初始溫度值為一個完整循環(huán)。在整個循環(huán)工程中停機模式的總排放物比怠速模式低，通過圖7～圖9可知，停機模式的比排放同樣優(yōu)于怠速模式。

圖7 50%油門開度總比排放

圖8 80%油門開度總比排放

圖9 100%油門開度總比排放

如果只看升溫過程產(chǎn)生的排放物，排放量上停機工況明顯低于怠速工況，但比排放并不一直低于怠速工況。具體數(shù)據(jù)可見圖10～圖12。

圖10 50%油門開度升溫比排放

圖11 80%油門開度升溫比排放

圖12 100%油門開度升溫比排放

綜上所述，特定工況循環(huán)下混合動力的升溫保溫效果要明顯好于柴油機，排放物總量和比排放明顯低于柴油機。

2.2 熱態(tài)急加速工況驗證

圖13為傳統(tǒng)與混動模式扭矩分布對比。熱態(tài)急加速工況下，通過圖14可知混合模式因有電機助力，加速性好且升溫速率也快。

圖13 傳統(tǒng)與混動模式扭矩分布

圖14 急加速工況混動&傳統(tǒng)模式對比

通過圖15可知，在急加速過程發(fā)動機產(chǎn)生的NOx總量上混動模式比傳統(tǒng)模式少0.7g，占總量的8%，兩種模式的瞬態(tài)排放峰值相差不大。因為混動模式發(fā)動機的做工少，該模式下的NOx比排放比傳統(tǒng)模式要高。

圖15 急加速工況混動&傳統(tǒng)模式對比

2.3 冷態(tài)急加速工況驗證

如圖16所示，冷態(tài)加速過程加速到相同溫度時，在升到相同溫度時混合動力比柴油機模式用時略長，兩者做功基本相同，但排放物總量和比排放要明顯高于傳統(tǒng)模式。冷態(tài)加速混動模式&傳統(tǒng)模式對比如圖17所示。

圖16 冷態(tài)加速模式對比

圖17 冷態(tài)加速混動模式&傳統(tǒng)模式對比

3 結(jié)論

1） 混合動力系統(tǒng)的停機模式相對于傳統(tǒng)車的怠速對后處理系統(tǒng)的保溫及排放都有改善。

2） 在低負(fù)荷工況混合動力系統(tǒng)用純電動行駛，當(dāng)提高負(fù)荷發(fā)動機再次介入時（傳統(tǒng)模式為發(fā)動機一直工作），溫度可較快速達(dá)到后處理工作溫度。

本文為研究混合動力系統(tǒng)對排放的影響進(jìn)行了試驗探索，為充分發(fā)揮混合動力技術(shù)優(yōu)勢提供了數(shù)據(jù)支撐。