重型混合動力電動汽車實際道路排放特征研究

摘要：使用便攜式車載排放測試系統（PEMS）分別對一輛重型柴油車和一輛搭載同款發動機的插電式混合動力電動重型車進行實際道路排放試驗，研究重型混合動力電動車相比于燃油車的排放特征。結果表明：插電混合動力車的CO和NOX排放在發動機自啟動時產生排放峰值，隨后瞬時排放逐漸降低趨于穩定，而PN則是在發動機自啟功后逐漸增大。從污染物排放因子和比排放的結果看，燃油車CO、NOX和CO2的排放因子和比排放要大于插電混和動力車，而插電混的PN排放因子和比排放要大于燃油車。

關鍵詞：重型車；混合動力汽車；PEMS；污染物排放

中圖分類號：U469 收稿日期：2024-05-10

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408030

1 前言

為助力我國“雙碳”目標的盡早實現，進一步改善我國的環境空氣質量，汽車行業正在經歷一場巨大的能源結構變革，越來越多的車輛向混合動力電動車和純電動車輛轉型。根據中國汽車工業協會的數據統計，2024年1～3月的新能源汽車市場占有率已達到311%。在從燃油車向零碳排放車輛轉變的過程中，插電混合動力電動車是一個比較合適的過渡產品，它既有節能降耗的優勢，又沒有續駛里程的焦慮，使用成本也相對較低。盡管如此，由于有發動機的參與，混合動力電動車的污染物排放問題仍不能忽略。

目前，針對混合動力電動車排放的研究主要集中在輕型車上。聶彥鑫等[1]采用一臺插電式混動普銳斯測試了能量消耗模式下的續駛里程及能耗、能量維持模式下的能耗及排放，結果表明，暖機效率是影響油耗的重要因素，頻繁起停而產生的排氣管溫度過低情況會影響排放性能。周猛等[2]在WLTC循環和CLTC循環下進行電量保持模式、電量消耗模式的排放試驗，結果表面兩種循環排放結果差異不大。羅佳鑫等[3]選擇3輛輕型插電式混合動力汽車進行了基于實際道路測試的排放試驗和WLTC測試循環試驗，結果表明，在實際道路測試下的油耗及CO2排放均高于WLTC測試循環。張小奇[4]使用同款車型的油電混動版本和傳統燃油版本進行RDE試驗，研究不同坡度地形和不同動力學狀態下污染物的排放特征。李騰騰等[5]也是在重型轉轂上比較了不同測試循環（C-WTVC和CHTC）下混合動力重型車排放特性。

本文選擇一輛重型燃油車以及一輛配備相同發動機的重型混合動力電動車進行實際道路PEMS試驗，探究重型混合動力電動車的實際道路排放特征。

2 試驗方案

21 試驗車輛

試驗樣車為一輛傳統的重型燃油車和一輛重型混合動力電動車，兩輛車配備相同型號的發動機相同，后處理類型也相同，車輛具體參數信息如表1所示。

22 試驗設備

試驗采用日本HORIBA生產的OBS-ONE便攜式排放測試系統（PEMS）進行實際道路測試。該設備包括主控電腦模塊（CC模塊）負責對其他各個模塊進行控制和數據記錄、電源分配模塊（PE模塊）負責給其他各個模塊進行供電、氣體分析模塊（GAS模塊）負責對氣體采集分析氣體污染物（CO、CO2、NOX）、顆粒物分析模塊（PN）模塊負責采集記錄顆粒物的數濃度、流量計模塊（EFM模塊）負責測量尾氣流量，還包括記錄測量位置和速度信息的GPS模塊和記錄溫度濕度大氣壓的環境傳感器模塊。

23 試驗方法

試驗方法按照GB 17691—2018附錄K的要求[6]，采用相同的試驗路線，對兩輛車分別開展PEMS試驗。混合動力電動汽車在實驗開始前，需要對儲能電源進行充分的放電，保證車輛是在最大燃料消耗量模式下開始試驗。兩輛車同為N2城市車輛，設定車輛在市區（平均車速15～30 km/h）、市郊（平均車速45～70 km/h）、高速（平均車速>70 km/h）階段的時間占比分別為45%、25%和30%。由于兩輛樣車在冷啟動階段的運行時間以及車輛怠速狀況差異較大，因此本文不將冷啟動（水溫小于70 ℃）的數據納入計算中。兩輛車試驗過程中的具體行駛特征參數見表2。

3 試驗結果與分析

31 瞬時排放結果分析

氣態排放物的瞬時質量排放的計算公式如下：

[mgas，i=ugascgas，iqmew，i] （1）

式中，[ugas]為排氣組分密度和排氣密度比，CO取值0000966，NOX取值0001587，CO2取值0001517；[cgas，i]為排氣組分的瞬時濃度，ppm；[qmew，i]為瞬時排氣質量流量，kg/s。

顆粒物粒子數量的瞬時排放計算公式如下：

[Ni=qmew，i1.293kcs，ifr×106] （2）

式中，k為標定系數；[cs，i]為校準至標準條件的稀釋排氣中的顆粒物數濃度，cm3；fr為揮發性粒子去除器粒子濃度衰減系數。

圖1和圖2是燃油車和混合動力瞬時污染物排放。通過轉速曲線和排溫曲線可以看出，混合動力車在市區階段有5段時間發動機沒有啟動，在市郊和高速階段分別有2段時間。CO和NOX會在每次發動機自啟動的時間，出現一個排放峰值，隨著排溫的升高，這兩種污染物的排放逐漸降低，趨于穩定。而對于燃油車，CO和NOX的排放都比較穩定，峰值均出現在工況切換的瞬間，此時發動機的負荷比較大，排溫沒有達到合適的溫度，導致污染物排放排放出現一個較大的波動。CO2的瞬時排放與發動機轉速密切相關，隨著車速的升高，CO2的瞬時排放也越來越高。

PN的排放則是在發動機自啟動后，隨著排溫的升高PN的排放越來越高?；旌蟿恿N排放的峰值出現在高速階段發動機停機進入純電模式的瞬間，此時排溫仍較高，SCR系統仍在噴灑大量尿素，而發動機沒有對應量的NOX排出，導致尿素溶液無法及時反應，變成顆粒物被檢測到。相比較而言，燃油車沒有這種現象的出現，可能是因為燃油車的發動機始終處于工作狀態，始終有NOX排放，并且燃油車大的尿素噴灑與發動機的工作狀態配合的比較好。因此混合動力車在后處理與發動機協同匹配上要做進一步的優化。

32 排放因子分析

圖3是燃油車、插電混和動力電動車的CO排放因子，由圖可以看出，燃油車CO的排放因子大小為市區＞高速＞市郊，插電混合動力電動車的CO排放因子大小為市區＞市郊＞高速。且燃油車的CO排放因子在各個工況階段均大于插電混合動力電動車，平均是插電混合動力電動車的2～3倍。

圖4是燃油車和插電混和動力電動車的NOX排放因子。由圖可以看出，燃油車和混合動力電動車均隨著速度平均速度的增大，相應的NOX排放因子減小，這是由于速度越高，發動機轉速越高，發動機的排溫也越高，會使得后處理SCR處于更優的反應溫度區間。并且，燃油車的各個工況階段的NOX排放因子都是插電混合動力電動車的2倍左右。

裝有SCR后處理的柴油車，SCR對NOX的轉化效率決定了NOX的排放，而排氣溫度對SCR的效率有很大的影響。通過對燃油車和混合動力電動車的瞬時NOX排放分析可以看出，對于燃油車，市區階段的排氣溫度都沒超過200 ℃，此時后處理SCR的效率還不處于最優的狀態，所以NOX排放情況比較差；隨著車速的提升，市郊和高速階段的排溫也增大，達到220～280 ℃的溫度區間，SCR對NOX的轉化效率提高，此時的NOX排放速率相對較低。對于混合動力電動汽車，車輛會根據行駛工況和自身電量狀況切換純電模式和混動模式。在純電模式狀況下，車輛發動機停止運行，排溫會迅速下降，當發動機再次啟動時，由于排溫比較低，NOX的排放速率會比較大，隨著溫度的升高，NOX的排放速率也逐漸減小。從市區、市郊和高速各工況區間來看，也是市區排放速率相對較高，市郊和高速排放速率相對較低。

圖5是燃油車、插電混和動力電動車的CO2排放因子。燃油車CO2排放因子大小為高速＞市區＞市郊，而插電混合動力電動車隨著平均速度的增大，CO2排放因子逐漸增大。燃油車在市區和市郊階段的CO2排放因子大于插電混合動力電動汽車，在高速階段的CO2排放因子小于插電混合動力電動汽車，因為在高速工況，發動機一直是高轉速運行，且插混車的平均速度要略大于燃油車。綜合來看，燃油車的CO2排放因子仍大于插電混合動力電動車，說明插電混合動力電動車仍有一定的節能優勢。

圖6是燃油車、插電混和動力電動車的PN排放因子。由圖可以看出，平均速度越高，燃油車和插電混合動力電動車的PN排放因子均越高，并且插電混合動力電動車的PN排放因子在各個速度工況下的排放因子均遠高于燃油車。

33 功積窗口排放特征

參考GB 17691—2018使用功基窗口法對車輛的排放進行分析。功基窗口是基于對應發動機的基準循環做功使用移動平均窗口方法來計算排放，該方法將排放數據分成不同數據子集，每個子集的長度通過循環功與基準循環做功數來確定，數據子集的移動補償要與數據采樣周期[Δt]相同。

功基窗口法的示意圖如圖7所示，第i個平均窗口周期[（t2，i-t1，i）]由下式決定：

[W（t2，i）-W（t1，i）≥Wref] （3）

式中，[W（tj，i）]為從開始到[tj，i]時間內的發動機循環功，kW·h；[Wref]為該發動機的WHTC循環功，kW·h。

[t2，i]應由下式確定：

[W（t2，i-Δt）-W（t1，i）<Wref≤Wref≤W（t2，i）-W（t1，i）] （4）

式中，[Δt]為數據采樣周期。

各個污染物的功基礎窗口比排放由下式計算：

[ep=mW（t2，i）-W（t1，i）] （5）

式中，[ep]為污染物的比排放，g（kW·h）或#（kW·h）；m表示各個污染物的窗口內的累計排放量，g或#；[W（t2，i）-W（t1，i）]表示第i個窗口的發動機循環功。

窗口內平均功率反映了窗口內發動機做功的劇烈程度，按功基窗口內平均功率占最大凈功率的比例，將窗口分為4個部分：小于最大凈功率10%的窗口（＜10%）；大于等于最大凈功率10%且小于最大凈功率20%的窗口（10%～20%）；大于等于最大凈功率20%且小于最大凈功率30%的窗口（20%～30%）；大于等于最大凈功率30%的窗口（≥30%）。燃油車和插混車各類功基窗口的數量和占比如表3所示。

圖8為試驗車輛CO的功基窗口比排放結果。由圖可以看出，不論是燃油車還是插混車，隨著平均功率的增大，窗口的比排放都在減小。燃油車在各個區間的比排放數據要遠大于插混車。燃油車在各個功率區間的比排放數據更加分散，跨度較大，在10%～20%功率區間數據的波動最大。而插混車的比排放數據相對穩定，在＜10%的功率區間比排放數據基本沒有波動，而≥30%的功率區間數據波動相對較大。

圖9為試驗車輛NOX的功基窗口排放結果。由圖可以看出，不論是燃油車還是插混車，隨著平均功率的增大，窗口的比排放都在減小。燃油車在各個區間的比排放數據要大于插混車，隨著功率增大，燃油車和插混車比排放的差距在不斷減小，在≥30%的功率區間里，兩輛車的比排放數據基本持平。從數據分散的程度來看，燃油車在10%～20%功率區間數據的波動最大，在≥30%的功率區間波動最??；而插混車在＜10%的功率區間波動最大，在20%～30%的功率區間波動最小。

圖10為試驗車輛PN的功基窗口排放結果。由圖可以看出，不論是燃油車還是插混車，隨著平均功率的增大，窗口的比排放都在增大，且數據的分散程度也隨著功率的增大而增大。插混車的比排放數據要遠大于燃油車的比排放。

圖11為試驗車輛CO2的功基窗口排放結果。由圖可以看出，各區間燃油車的CO2比排放要遠大于插混車的比排放，隨著平均功率的增大，比排放逐漸減小。燃油車在20%～30%的功率區間比排放最穩定，而插混車在＜10%的功率區間比排放最穩定。

4 結語

插混車CO、NOX的瞬時排放，在每次發動機自啟動的瞬間有個峰值，隨著排溫的升高，瞬時排放逐漸降低趨于穩定，而燃油車的瞬時排放峰值出現在工況切換的瞬間。燃油車的各速度區間的排放因子和各功率區間的比排放都大于插混車。插混車和燃油車的CO2排放于發動機轉速和車速緊密相關，燃油車CO2排放因子和比排放要大于插混車。插混車PN的瞬時排放在發動機自啟動后逐漸增大，插混車PN的排放因子和比排放都要大于燃油車。總的來說，插混車在降低油耗和氣態污染物排放上都能起到比較好的效果，而PN排放更高，可能需要在動力系統和后處理的匹配上做進一步優化。

參考文獻：

[1]聶彥鑫基于PEMS的重型混合動力公交車排放特性研究[D]武漢：武漢理工大學，2009

[2]周猛，俞瀟，耿培林，等不同工況下插電式混合動力車型排放特性[J]小型內燃機與車輛技術，2022，51（6）：55-60

[3]羅佳鑫，于恒彬，溫溢，等基于實際道路測試的插電式混合動力汽車排放特性研究[J]小型內燃機與車輛技術，2022，51（1）：70-75

[4]張小奇不同行駛條件下混合動力汽車與燃油車污染物排放特性對比分析[D]重慶：重慶大學，2022

[5]李騰騰，趙健福，高東志，等不同運行模式及測試循環下重型混合動力汽車排放特性試驗研究[J]汽車技術，2023（1）：49-54

[6]GB 17691—2018重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）[S]北京：中國標準出版社，2018

作者簡介：

張凱，男，1986年生，工程師，研究方向為重型商用車能耗排放檢驗。