运行模式对重型混动车污染物及碳排放的影响

景晓军,许丹丹,李腾腾,高东志,赵健福

(中汽研汽车检验中心(天津)有限公司重排部,天津 300300)

重型车是我国交通运输领域的重要组成部分,但能源消耗高、污染物排放大也是重型车一个较突出的特点,截止2020年,重型车以汽车总量12%的保有量,占据了汽车能源消耗总量的55%以上[1]。近年来,随着国家双碳目标的提出和节能减排、减污降碳工作方案的发布,重型车电动化作为节能降碳减污协同增效的重要技术路线,正在快速发展。得益于汽车技术的快速发展,混动技术在重型车上的应用,一方面解决了传统燃油车能源消耗高的问题,另一方面弥补了纯电动车充电难、里程焦虑等短板,因此混动车或将成为新能源汽车产业发展中的重要选择[2-4]。虽然混动车节能优势明显,但因为有发动机参与工作,频繁起动带来的污染物排放问题不容忽视[5-6]。

目前,关于混动车排放测试的研究大多数以轻型混动车作为研究对象,并且测试条件仅局限于车辆混动模式。如王长卉[7]在转毂台架上研究了不同构型的混动车气态排放和PN生成原理及排放特性,结果表明,混合动力汽车发动机频繁起停对气态污染物影响较小,但加剧了PN排放。郑丰等[8]在不同海拔环境下研究了混动车实际道路污染物排放和CO2排放特征及变化规律,结果显示,高海拔环境下,混动车CO和CO2排放因子均有升高,而NOx和PN排放因子有所下降。刘文亮等[9]利用转毂及环境仓研究了常温和低温环境对混动车污染物排放的影响,结果显示,低温环境下混动车污染物排放成倍增加。禹文林等[10]针对混动车与同排量汽油车开展了RDE试验,结果表明,大负荷急加速工况CO易出现排放峰值,负荷突然增大NOx和PN易出现排放峰值。SONG等[11]针对混动车和汽油车开展PEMS测试试验,结果显示,市区工况混动车节油优势明显,怠速排放贡献率基本为0。但由于轻重型车辆行驶工况和车重范围的差异性,这些测试结果不能完全适应和反映出重型混动车的实际排放情况。

本研究选用设有运行模式开关的重型混动车,在试验室重型转毂上,分别选择混动模式和纯发动机模式开展整车排放测试试验,研究了重型混动车运行模式差异对污染物排放和碳排放的影响,为未来混动技术健康发展、完善重型混动车环保监管体系提供技术支撑。

1 试验设计

1.1 试验车辆

为了减少测试环境和测试条件等随机因素对试验结果产生影响,选择在试验室重型转毂上,利用PEMS设备对一辆重型柴油混动自卸汽车开展整车排放测试试验。车辆具体参数见表1。

表1 车辆参数

试验车辆的混动控制策略主要依据车速判定,当车速低于20 km/h时,车辆主要由电机驱动行驶,当车速超过20 km/h或车辆处于急加速和高负荷工况时,发动机起动,此时发动机与电机协同工作,动力总成通过控制电机的输出调整发动机工作状态,在保障车辆动力需求的前提下,使发动机尽可能工作在高效区间,这也是混动车与传统燃油车相比效率高、油耗低的主要原因。

1.2 试验设备

车辆在MAHA重型四驱转毂上进行整车排放测试,转毂的前后轴距可调节,调节范围为3.2～8.0 m,载荷模拟范围为3.5～49.0 t,模拟最高车速可达130 km/h。转毂可通过功率吸收装置将车辆实际行驶时受到的滚动阻力和空气阻力进行准确模拟和再现。

排放测试设备选用HORIBA的OBS-ONE便携式车载排放测量系统(PEMS),该设备主要由气体测量模块、PN测量模块、排气流量计(EFM)、GPS系统、主机、电源等部分组成,其中对NOx气体的分析测量主要采用化学发光分析仪(CLD),采用不分光红外线吸收型分析仪(NDIR)对CO进行分析测量。

1.3 试验方法

试验依据GB/T 27840—2021《重型商用车燃料消耗量测量方法》测试规程进行[12],测试循环选用中国工况CHTC-D,如图1所示。为减小测量误差,两次试验均选择同一位驾驶经验丰富的司机操作车辆。车辆在转毂上的行驶阻力通过查表法,选择合适的推荐阻力系数进行设定。试验前,将车辆固定安装至底盘测功机上,选择混动模式,按照CHTC-D循环驱车进行放电预处理,直至车辆达到电量平衡阶段,预处理完毕。同时为保证PEMS设备安装正确以及采集数据准确,排放测试开始前,预先采集一段试验数据,判断数据读取的完整性。试验通过车辆上的运行模式开关,分别选择在EV混动模式和纯发动机模式,开展2次底盘测功机整车排放测试,并当车辆冷却水温达到70 ℃以上时开始测试。

图1 CHTC-D循环

2 运行模式对污染物排的放影响

2.1 两种运行模式下的CO瞬时排放特性

图2和图3分别示出混动模式和纯发动机模式下的CO瞬时排放。

图2 混动模式下的CO排放

从图2和图3可以看出,车辆在混动模式运行时,发动机频繁起动导致排气温度波动较大,尤其在低速段时的发动机停机时间较长,排气温度出现了阶跃性大幅度变化。由于CO排放受缸内温度影响较大,发动机频繁起动,导致每次发动机起动时缸内温度偏低,燃烧不充分,造成CO排放增加,在图2中可以看见CO的排放峰值主要出现在发动机停机突然起动的瞬间。在纯发动机模式运行时,CO排放峰值主要发生在车辆急加速工况下,此时发动机喷油量增加,局部混合气过浓,导致燃烧不完全产物的排放量增加。

相比于纯发动机模式,混动模式的CO平均排放速率降低61.9%。其中车辆受控制策略的调整,低速行驶时,主要由电机驱动,CO排放较小,最大排放峰值降低了92.2%,平均排放速率降低83.9%;而进入高速段行驶后,发动机作为主要动力源输出能量,CO排放相对低速段偏高,但相比于纯发动机模式,CO排放依然较低,最大排放峰值降低了92.3%,平均排放速率降低47.8%。主要因为高速段虽然发动机介入工作,但电机作为辅助系统配合发动机工作,为车辆行驶提供了所需的动力,因此降低了发动机燃烧产生的CO排放。

2.2 两种运行模式下的NOx瞬时排放特性

图4和图5示出混动模式和纯发动机模式下的NOx瞬时排放。

图4 混动模式下的NOx排放

图5 纯发动机模式下的NOx排放

从图中可以看出,无论是混动模式还是纯发动机模式,车辆由低速段加速变换至高速段时,NOx排放激增,波动较大。其中混动模式下,高速段NOx排放约为低速段的2.0倍,排放峰值主要出现在发动机突然起动的瞬间。这是因为低速段下,发动机参与工作时间较少,NOx排放不明显,当进入高速段行驶时,发动机做功增多,但由于发动机间歇停机,导致停机再起动时,偏低的排气温度降低了SCR转换效率,造成NOx排放增多。而纯发动机模式下,NOx排放主要发生在低速段以及低速段向高速段过渡阶段,排放峰值出现在车辆急加速工况下。主要因为低速行驶时,车辆排气温度偏低,SCR工作效率偏低,导致NOx排放升高,而车速突然增加时,SCR工作响应滞后,导致NOx瞬时排放偏高[13-14]。

相比于纯发动机模式,混动模式NOx平均排放速率增加约1.8倍,其中在高速段下NOx排放升高明显,最大峰值约为0.28 g/s。造成两种模式NOx排放存在偏差的主要原因是混动模式发动机起停造成排气温度相对偏低,影响了SCR转化效率。

2.3 两种运行模式下的PN瞬时排放特性

图6和图7分别示出混动模式和纯发动机模式下的PN瞬时排放。

由图可知,混动模式下的PN排放明显高于纯发动机模式,其中低速段下PN排放较纯发动机模式高约1个数量级,高速段下高约3倍。由图6可以看出,PN排放峰值主要出现在发动机突然起动的瞬间,其中低速段下PN排放峰值增加最明显,最大约为5.8×1010个/s。主要原因是当发动机突然起动时,缸内温度相对较低,喷油雾化差,导致局部混合气偏浓,PN排放增多[5]。纯发动机模式下,高速段的PN排放较低速段偏高4倍,排放峰值主要集中在车速突然升高的时刻,最大峰值约为4.2×109个/s。主要由于车辆动力需求,高速段下发动机缸内燃烧温度偏高,混合气偏浓,更有利于PN形成。

2.4 两种运行模式下的污染物累计排放特性

表2示出混动模式和发动机模式下不同速度段的污染物累计排放量以及总排放量。从表中可以看出,在混动模式下,各速度段的NOx和PN累计排放量均高于纯发动机模式,而各速度段的CO累计排放量低于纯发动机模式,主要原因已在上文进行阐述。

表2 排放结果统计

2.5 运行模式对污染物综合比排放量的影响

利用瞬态试验数据,分别计算了低速和高速段下的部分污染物综合比排放量,并计算了两种模式下的整体综合比排放量,其中污染物比排放量计算公式如下：

(1)

式中：e为污染物比排放量;m为污染物(CO,NOx,PN)排放量;W为发动机循环功,其中混动模式循环功为14.4 kW,纯发动机模式循环功为17.7 kW。

图8示出两种运行模式下CO的低速、高速和综合比排放量。从图中可知,混动模式下的综合比排放量比纯发动机模式下降了50.9%,其中在低速段下降得较为明显,下降幅度达78.0%,在高速段下降了33.9%,综合来看混动模式下的CO排放情况优于纯发动机模式。

图8 CO综合比排放量

图9和图10分别示出两种模式下的NOx和PN的比排放量情况。从图中可以看出,混动模式下的NOx和PN排放比纯发动机模式的排放要高。在NOx比排放量方面,混动模式下的综合比排放量是纯发动机模式下的2.0倍,其中高速段下的比排放量增加较为明显,是纯发动机模式的2.2倍,低速段比排放量增加1.5倍;在PN比排放量方面,混动模式下的综合比排放量是纯发动机模式下的4.4倍,其中低速段下的比排放量增加特别明显,是纯发动机模式的12.4倍,高速段比排放量增加3.3倍。整体分析发现,混动模式下的NOx和PN排放比纯发动机模式要高很多。

图9 NOx综合比排放量

图10 PN综合比排放量

3 运行模式对碳排放的影响

利用燃料碳排放因子,计算得出试验中车辆的当量CO2排放,计算公式如下：

(2)

式中：C为碳排放量;Q为试验燃料消耗率;kCO2为燃料的碳排放因子,为26.7 kg/L。

图11示出混动模式和纯发动机模式的瞬时碳排放。从图中可知,不论在低速段还是高速段,混动车模式下的碳排放峰值和累计排放量都远远小于纯发动机模式,其中在低速段,混动模式基本都由电机驱动,发动机很少工作,因此低速段混动模式很少有碳排放;在高速段,由于发动机与电机协同工作,动力总成通过控制电机的输出调整发动机工作状态,在保障车辆动力需求的前提下,使发动机尽可能地工作在高效区间,即使处于急加速时,碳排放也未出现大幅增加,很好地控制了高速急加速工况的碳排放。

图11 瞬时碳排放量

图12示出混动模式和纯发动机模式的总碳排放量。从图中可知,混动模式的碳排放明显低于纯发动机模式。在碳排放总量方面,混动模式比纯发动机模式降低了70.1%,特别是在低速段降碳优势更为明显,相对纯发动机模式降低了79.5%,在高速段,相对纯发动机模式降低了68.2%,表明重型混动车相较于传统燃油车的减碳优势比较明显,混动技术应用为重型车应对汽车行业绿色低碳转型具有积极作用。

图12 总碳排放量

4 结论

a) 混动模式下发动机频繁起动,排气温度波动明显,尤其在低速段,排气温度出现了阶跃性的变化规律;

b) 混动模式发动机与电机协同工作,CO排放峰值主要集中在发动机停机起动时,其CO平均排放速率以及综合比排放量较纯发动机模式分别降低61.9%和50.9%,尤其在低速段,CO排放降低明显;

c) 相比于纯发动机模式,混动模式的NOx与PN排放升高;NOx综合比排放量较纯发动机模式约增加2.0倍,尤其在高速段增加较为明显;PN综合比排放量较纯发动机模式增加4.4倍,尤其在低速段升高明显,约增加12.4倍;

d) 混动模式的碳排放量较纯发动机模式明显偏低,降幅约70.1%,表明混动车较传统燃料车降碳优势明显。