某插电式混合动力汽车高原实际行驶排放试验研究

刘文彬

安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心,安徽合肥 230601

0 引言

随着我国汽车工业的飞速发展,机动车保有量快速增加,车辆污染物排放已成为我国环境污染的主要来源[1]。为应对日益严峻的排放污染问题,我国大力发展新能源汽车,混合动力汽车发展也进入快车道。插电式混合动力汽车(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)的电池容量较大,可以通过外部电网充电,综合了燃油汽车续驶里程长与纯电动汽车清洁环保的优点,在汽车市场中占有率逐步提高。文献[1]加严了轻型车污染物排放限值,增加了粒子数量(particle number,PN)排放测量要求和实际行驶污染物排放(real driving emissions,RDE)测试要求等,因此有必要对PHEV车型开展RDE测试和研究。

本文中,在某市对PHEV车型开展高原低温环境下的RDE测试,分析影响PHEV车型高原排放性能的关键影响因素及排放高的原因,并进行优化和试验验证。

1 RDE测试条件与排放计算方法

文献[1]对传统车型与PHEV车型的RDE测试过程和方法有详细规定。

1.1 传统车型RDE测试条件

1)海拔高度。普通海拔高度条件为不高于700 m;可扩展海拔高度为高于700 m且低于1 300 m;进一步扩展的海拔高度为不低于1 300 m,且不高于2 400 m。

2)环境温度。普通温度条件为环境温度不低于0 ℃且不高于30 ℃;扩展温度条件为环境温度高于或等于-7 ℃且低于0 ℃,或高于30 ℃且低于35 ℃。

3)测试质量要求。基本载荷与附加载荷的和不得超过车辆最大载荷的90%。

4)行程和行驶比例要求。根据瞬时车速将行程划分为市区、郊区和高速路段,各段所占总行程的比分别为34%、33%、33%,各段相对误差应控制在±10% 以内,但市区路段的行驶比例不能低于总行驶距离的29%。市区、郊区和高速路段的最小行驶距离均为16 km。

5)车速要求。最高车速为120 km/h,在不超过高速路段行驶时间的3%的时间内,最高车速最大可增加15 km/h;市区行驶的平均车速(包括停车)为15～40 km/h;高速段行驶车速应覆盖90～110 km/h,车速高于100 km/h 的时间不少于5 min;停车阶段时间为市区行驶时间的6%～30%,单次停车超过180 s的时间段不计算排放。

6)持续时间要求。测试时间为90～120 min。

7)试验用油要求。测试应使用符合国家标准的市售燃油和润滑油。

8)行程动力学要求。车速与大于0.1 m/s2的正向加速度乘积的第95个百分位(记为kv,a,95)超过规定值,行程无效;相对正加速度(relative positive acceleration,RPA)小于规定值,行程无效。

9)累计正海拔高度增加量要求。试验开始点和结束点之间的海拔高度差不得超过100 m;试验车辆的累计海拔高度增加应小于1 200 m/(100 m)。

10)排放计算方法。采用移动平均窗口法计算CO2排放。

11)完整性和正常性验证要求。市区、市郊和高速窗口数量均占总窗口数量的15%以上;50%以上的市区、市郊和高速窗口落在特性曲线定义的基本公差范围内。

1.2 PHEV车型与传统车型RDE测试要求对比

PHEV车型的RDE测试要求中,海拔高度、环境温度、测试质量、试验用油、行程动力学、累计正海拔高度增加量、车速、持续时间、行驶距离等与传统车型相同。

PHEV车型需在电量维持模式下开展试验,并且市区行程中内燃机工作的累计里程不少于12 km,不需要进行完整性和正常性验证,根据累计气体排放、PN排放和 CO2排放计算最终RED排放(包含冷起动排放)。

1.3 排放结果计算方法

有别于传统车型的移动平均窗口法计算排放结果,PHEV车型要求根据累计气体排放、PN排放和CO2排放,计算最终的RDE排放结果。

RDE测试总行程的加权气体污染物比排放或PN比排放

m1=mteWLTC,C/mt,C,

式中:mt为总行程的总气体污染物排放或PN排放;mt,C为总行程的CO2排放;eWLTC,C为基于全球轻型车辆测试循环(worldwide harmonized light vehicles test cycle,WLTC)电量保持模式下包括冷起动过程排放的试验车辆的CO2比排放,取试验车辆的信息公开值。

RDE测试市区行程的加权气体污染物比排放或PN比排放

m2=mueWLTC,C/mu,C,

式中:mu为市区行程的总气体污染物排放或PN排放;mu,C为市区行程的CO2比排放。

该算法中包含了冷起动过程排放,低温环境对PHEV汽车排放的影响较大[2],因此按照拓展低温边界要求开展RDE测试。

2 RDE试验方案

2.1 试验车辆

试验车辆为满足国六排放要求的直列、4缸、自然吸气PHEV,主要技术参数如表1所示。

表1 PHEV汽车主要技术参数

2.2 试验设备

采用日本HORIBA公司的OBS-ONE车载便携式排放测试设备(portable emission measurement system,PEMS)进行RDE测试。该系统主要由气体(GAS)分析模块、PN分析模块和排气流量计3部分组成[3]。OBS-ONE车载便携式排放测试系统如图1所示。

图1 OBS-ONE车载便携式排放测试系统

气体分析模块的测试精度为满量程的±0.3%和实际测量值的±2%中的较大者;PN分析模块中,粒子计数器的精度为±10%,挥发性粒子去除率大于99%(C40)。

2.3 试验方案

文献[1]规定海拔高度应在2 400 m以下,环境温度为-7～35 ℃。西宁市海拔为2 400 m左右,冬季平均气温约为-7 ℃,因此选择在西宁进行低温、高海拔RDE测试。先在平原地区开展RDE测试,确保测试车辆满足国六排放要求。高原试验前,PHEV静置一夜,使发动机水温达到-7 ℃,车辆在市区充分运行,电量控制在电量维持模式。

经过测试,选择的市区测试路段为昆仑西路—同仁路—西关大街—新宁路—昆仑西路,郊区测试路段为宁贵高速—宁大高速,高速测试路段为宁大高速—大通收费站,在大通收费站折返。

3 试验结果分析与优化

3.1 试验结果及分析

相关研究表明,行驶动力学参数对RDE结果的影响较为明显[4～7],且激烈驾驶对排放影响更大。为确保PHEV汽车RDE排放符合要求,试验采用较为激烈的驾驶方式开展。

RDE测试完成后,行程动力学校核结果如表2所示,表中δ1为实测kv,a,95与最大kv,a,95的比,δ2为实测RPA与最小RPA的比。由表2可知:市区、郊区和高速路段的δ1、δ2均较大,驾驶风格较为激烈。RDE测试的累计正海拔高度等均满足文献[1]要求。

表2 行程动力学校核结果

采用PEMS软件分析试验数据,PHEV的RDE实测排放数据如表3所示。

表3 PHEV的RDE结果

根据文献[1]要求,NOx、PN的符合性因子(comformity factor,CF)应小于2.1。由表3可知:该PHEV市区段NOx的CF为2.59,不满足要求,需优化NOx排放。

对逐秒采集的排放数据、发动机控制单元(engine control unit,ECU)的采集车速数据进行分析,结果表明:发动机冷机起动及运行阶段、发动机暖机起动及运行阶段、发动机热机起动阶段、超高速驾驶加减速阶段的NOx排放较高,其中发动机冷机起动及运行阶段NOx排放最高。不同阶段NOx排放随时间变化曲线如图2所示。

图2 不同阶段NOx排放随时间变化曲线

根据该车控制架构进行分析,得出发动机冷机起动及运行、发动机热机起动、超高速驾驶加减速阶段NOx排放高的主要原因如下。

1)该车在平原地区的RDE测试结果满足要求。高原阶段,ECU在冷起动高原喷油系数修正、冷机运行过渡工况控制过程中空燃比偏稀。

2)发动机冷机及暖机运行阶段,尤其是大油门驾驶时,车辆主要为串联发电状态,选择发电功率时未考虑对排放的影响,此时发动机转速及转矩均较大,导致排放较高。

3)PHEV车型存在较多的发动机起停,发动机起动阶段存在一定的排放污染物,需要对暖机及热机起动空燃比进行优化。

4)超高速驾驶阶段,车辆主要采用并联运行模式,加减速过程中整车控制单元(vehicle control unit,VCU)对ECU的转矩请求存在突变,ECU在响应转矩请求时未考虑排放的影响,在负荷突变过程空燃比控制存在一定问题[8]。

3.2 排放优化

根据PHEV车型的运行特点以及排放高的原因,采取以下优化措施。

1)优化发动机冷起动时的高原喷油系数,在冷机运行阶段优化过渡工况空燃比控制,采取加浓处理,降低NOx排放。

2)发动机冷机及暖机阶段,VCU限制发动机转矩及转速,避免发动机运行在较高转速、高负荷区间。

3)优化发动机热机起动喷油系数,降低热机起动过程污染物排放。

4)超高速阶段,VCU优化发动机转矩请求,减缓转矩突变,ECU优化此过程空燃比。

对ECU及VCU的控制程序反复优化,将优化后的程序更新到车辆中,重新进行RDE测试。优化后PHEV的RDE实测数据如表4所示。由表4可知:优化后,总行程的NOx、PN排放较优化前分别下降52.5%、75.2%,市区行程的NOx、PN排放分别下降70.3%、51.6%,且NOx、PN的CF均小于2.1,排放大幅降低,优化措施有效。

表4 优化后PHEV的RDE实测数据

逐秒采集程序优化后的NOx排放数据和车速,如图3所示。由图3可知,整个运行过程的NOx排放均较低,排气中NOx的体积分数最大不超过0.1%。

图3 程序优化后排气中NOx体积分数秒采图

4 结论

对某PHEV开展高原低温环境下RDE测试,根据该车控制架构分析排放高的原因,并通过ECU、VCU的标定优化降低排放。

1)标定优化后,PHEV的RDE总行程的NOx、PN排放较优化前分别下降52.5%、75.2%,市区行程的NOx、PN排放分别下降70.3%、51.6%,满足国六b阶段限值要求。

2)与传统车型不同, PHEV的RDE排放包含冷起动阶段排放,在实际测试过程中应更关注低温对排放的影响;在RDE测试过程,发动机频繁起停,因此,冷机的起动、催化器加热、过渡控制、暖机及热机起动等与RDE排放高相关,在排放控制中应予以关注。

3)与传统车型不同,PHEV汽车排放与VCU的控制息息相关,VCU的发电工况点、发动机的起停控制、串并联切换、转矩请求等对排放有较大影响,需要重点关注和优化。