劉文亮， 黃成林， 劉慎微， 張浩然， 藥君威， 來(lái)振華

(北京奔馳汽車(chē)有限公司 新能源研發(fā)與試驗(yàn)認(rèn)證部，北京100176)

隨著能源緊缺及環(huán)境污染治理壓力增加，新能源汽車(chē)越來(lái)越普及、市場(chǎng)占有量大大增加，混合動(dòng)力車(chē)型作為從汽油車(chē)向純電動(dòng)車(chē)等清潔能源車(chē)型的過(guò)渡車(chē)型，在市場(chǎng)上出現(xiàn)越來(lái)越多的插電式混合動(dòng)力車(chē)型供大家選擇.為得到環(huán)境溫度對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車(chē)的污染物排放影響，對(duì)一輛插電式混合動(dòng)力汽車(chē)分別在常溫和低溫環(huán)境條件下，進(jìn)行WLTC工況駕駛并對(duì)尾氣排放進(jìn)行測(cè)試.對(duì)兩次的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，得出插電式混合動(dòng)力車(chē)型在低溫條件下的排放污染物增加情況及分布情況，并據(jù)此提出建議，對(duì)減少排放及改善環(huán)境提供依據(jù).

1 研究方法和測(cè)試設(shè)備

1.1 研究對(duì)象和測(cè)試工況

研究采用的測(cè)試車(chē)輛為一輛搭載發(fā)動(dòng)機(jī)排量為2.0 L，動(dòng)力電池容量為74 Ah的插電式混合動(dòng)力汽車(chē).試驗(yàn)用的燃油采用北京市售第六階段燃油，車(chē)輛主要參數(shù)見(jiàn)表1.測(cè)試工況采用國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的WLTC工況循環(huán)[1]，包含低速、中速、高速、超高速4個(gè)工況，總共里程為23.3 km，平均速度46.5 km/h，最大車(chē)速131.3 km/h，各工況基本情況見(jiàn)表2.

表1 車(chē)輛主要參數(shù)

表2 WLTC工況分布情況

1.2 測(cè)試方法

測(cè)試的這輛插電式混合動(dòng)力汽車(chē)，純電續(xù)駛里程超出WLTC工況的里程，為了在相同的車(chē)輛狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，保證車(chē)輛在常、低溫試驗(yàn)前電池電量在相同水平，選擇車(chē)輛在電量保持模式下(CS)[1]進(jìn)行排放測(cè)試：車(chē)輛放電至電量達(dá)到平衡水平后，進(jìn)行WLTC循環(huán)預(yù)處理(預(yù)處理前后電池電量保持平衡)，然后分別在常溫23 ℃和低溫-7 ℃的環(huán)境條件下靜置12 h以上，使車(chē)輛水溫、油溫達(dá)到環(huán)境溫度±2 ℃以?xún)?nèi)，第二天進(jìn)行車(chē)輛冷起動(dòng)后的WLTC工況駕駛，對(duì)汽車(chē)尾氣進(jìn)行連續(xù)稀釋采樣，測(cè)量排氣污染物THC、CO、NOx、N2O、顆粒物重量PM、顆粒數(shù)量PN在常溫和低溫下各工況的排放結(jié)果，同時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中采集稀釋尾氣的模態(tài)數(shù)據(jù)并分析污染物在各工況的排放分布情況.

1.3 測(cè)試設(shè)備

測(cè)試設(shè)備采用AVL底盤(pán)測(cè)功機(jī)和AVL AMA I60、CVS I60等主要排放測(cè)試系統(tǒng)，顆粒物測(cè)試系統(tǒng)為AVL489，環(huán)境艙為IMTECH環(huán)境艙，設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表3.

表3 設(shè)備參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 WLTC工況整體排放結(jié)果

經(jīng)過(guò)測(cè)試，該插電式混合動(dòng)力汽車(chē)在常溫和低溫環(huán)境條件下的排放結(jié)果如表4所示.與常溫相比，在低溫下，WLTC整個(gè)工況的主要污染物排放量增加明顯.其中：THC、NMHC分別增加203.9%、230.3%；CO增加111.3%；NOx增加49.8%；N2O沒(méi)有變化；PM增加206.3%；PN增加510.9%；CO2增加29.0%.低溫環(huán)境對(duì)污染物排放結(jié)果，尤其是顆粒物排放結(jié)果影響較大.

表4 常、低溫環(huán)境下排放污染物結(jié)果對(duì)比

在常溫和低溫試驗(yàn)前后，動(dòng)力電池SOC均相同，保持平衡.圖1是在常溫下，WLTC工況的動(dòng)力電池充放電情況，電流為負(fù)，代表電池放電；電流為正，代表電池充電.可以看到：在加速工況，電池放電參與驅(qū)動(dòng)車(chē)輛；在減速工況，回收能量電池充電.對(duì)電流進(jìn)行積分，可以得到整個(gè)WLTC工況動(dòng)力電池總共放電0.13 Ah，占總?cè)萘?74Ah)的比例為0.18%，電池電量幾乎沒(méi)有變化，在WLTC工況保持了平衡.

圖1 常溫下WLTC工況動(dòng)力電池充、放電情況

2.2 各污染物在常、低溫各工況的排放結(jié)果

排放污染物在各工況的分布情況見(jiàn)表5.除CO外，各污染物大部分來(lái)自于低速工況.在低溫下，這種趨勢(shì)更加明顯，低溫下的低速工況排放污染物占總排放量的比例均達(dá)到90%以上，主要是由于在車(chē)輛的啟動(dòng)及熱機(jī)階段，燃油溫度及發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑油、冷卻液溫度低，汽油燃燒不充分、發(fā)動(dòng)機(jī)阻力大，催化器達(dá)到工作溫度需要一定時(shí)間等因素造成的.在發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)以后的中速、高速、超高速工況，排放污染物大幅降低，低溫與常溫的污染物排放量差異較小，可見(jiàn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)情況下，環(huán)境溫度對(duì)污染物排放影響很小.

表5 常、低溫環(huán)境下各工況排放污染物結(jié)果

下面對(duì)各污染物分別分析：

(1)THC、NMHC污染物：在常溫和低溫下，低速工況排放量占比分別為75.6%和95.3%.從圖2所示的THC常、低溫瞬態(tài)排放曲線可以看出，THC的排放主要來(lái)自于低速工況的啟動(dòng)階段.與常溫相比，在低溫下，低速工況的THC排放量增幅為282.3%；NMHC增幅286.7%.主要由于低溫下，燃油溫度低，噴油霧化更差，發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，缸壁溫度低，燃燒不充分造成[2].在中速工況，發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)以后THC排放大大降低.

圖2 THC常、低溫瞬態(tài)排放曲線

(2)CO污染物：CO常、低溫瞬態(tài)排放情況如圖3所示.常溫下，低速、中速工況，CO污染物排放占比為9.0%和11.4%；在高速工況和超高速工況占比更多，分別為30.8%和48.8%.主要是由于在低速和中速工況，車(chē)輛在加速工況電池參與助力，使得發(fā)動(dòng)機(jī)工作的時(shí)間及負(fù)荷大大降低，CO排放減少；而在高速、超高速工況的加速階段，由于車(chē)輛加速及車(chē)速較高時(shí)阻力增大、共同導(dǎo)致車(chē)輛負(fù)荷增大、進(jìn)而CO排放濃度也升高[2].低溫下，低速工況時(shí)，CO排放占比為64.1%，可見(jiàn)，污染物主要來(lái)自于低速工況.低溫下，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，燃油溫度較低，噴油量大且燃燒不充分，CO大量生成，在低速工況下，低溫下的CO排放量較常溫下增幅為1 394.4%，排放量大大增加.

圖3 CO常、低溫瞬態(tài)排放曲線

(3)NOx，N2O污染物：NOx常、低瞬態(tài)排放曲線圖如圖4所示.在低溫和常溫下，NOx排放主要來(lái)自于低速工況的車(chē)輛啟動(dòng)熱機(jī)階段，部分來(lái)自于其他工況急加速時(shí)的大負(fù)荷工況.常溫和低溫的低速工況NOx排放量占比都在50%左右，在低溫下比常溫增加27%.常溫和低溫環(huán)境下，N2O的排放結(jié)果一樣，且都來(lái)自于低速工況[3]，低速工況下的排放量占比都在90%以上，常溫和低溫下N2O的整體排放水平均較低.

圖4 NOx常、低溫瞬態(tài)排放曲線

(4)PN顆粒數(shù)量：在常溫下，PN主要來(lái)自于低速工況和中速工況，分別占總排放量的39%和51.9%，由于在中低速工況車(chē)輛加速時(shí)，動(dòng)力電池較多的參與驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間大大縮短(從圖1電池充放電情況和圖6的CO2瞬態(tài)排放曲線圖可以看出)，發(fā)動(dòng)機(jī)承擔(dān)的負(fù)荷降低，發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量較少，顆粒物排放也相應(yīng)減少，從圖5所示的PN的常、低溫瞬態(tài)排放曲線圖可以看到：在常溫下，低速、中速工況PN的排放特點(diǎn)為短暫的尖峰，數(shù)量都在2E+11個(gè)/s以下；在低溫下，PN主要來(lái)自于低速工況前300 s的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)及熱機(jī)階段，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，顆粒物峰值達(dá)到1E+12個(gè)/s，低速工況PN占總排放的比例達(dá)到93.3%，相較常溫低速工況增幅為1 359.4%.低溫環(huán)境下車(chē)輛的顆粒物大量生成，主要是因?yàn)樵诘蜏叵氯加秃桶l(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度較低，燃油霧化變差、燃燒不充分，潤(rùn)滑油溫度低，發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)動(dòng)機(jī)阻力增大所致[4-5].

圖5 PN常、低溫瞬態(tài)排放曲線

(5)CO2：與常溫相比，在低溫下，整個(gè)WLTC工況的CO2排放量增加29.0%，CO2的增加主要來(lái)自于低速工況，在低速工況CO2增幅達(dá)245.2%，主要是由于在低溫環(huán)境下，水溫及潤(rùn)滑油溫度低，發(fā)動(dòng)機(jī)阻力增大，發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)時(shí)間增加，發(fā)動(dòng)機(jī)工作的時(shí)間在低溫下比常溫下工作時(shí)間更長(zhǎng)，故CO2排放更多.隨著發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高，在中速、高速、超高速工況下，CO2排放結(jié)果與常溫逐漸接近，差異逐漸縮小，CO2常、低溫瞬態(tài)排放結(jié)果見(jiàn)圖6.

圖6 CO2常、低溫瞬態(tài)排放曲線

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車(chē)在常溫和低溫下的WLTC工況污染物排放測(cè)試，可以看到在常溫下，除CO外，車(chē)輛的污染物排放均主要來(lái)自于低速和中速工況；在低溫條件下，污染物排放均主要來(lái)自于低速工況.環(huán)境溫度對(duì)插電式混合動(dòng)力車(chē)輛污染物排放的影響主要集中在低速工況的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和熱機(jī)階段，污染物增幅達(dá)數(shù)倍至十倍以上，發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)以后，溫度對(duì)污染物排放的影響較小.

在冬季，混合動(dòng)力車(chē)輛的動(dòng)力電池電量較低時(shí)，車(chē)輛行駛依然會(huì)產(chǎn)生較多排放污染物.在冬季駕駛混合動(dòng)力車(chē)輛出行，保證車(chē)輛的動(dòng)力電池電量充足、盡量在純電模式下駕駛車(chē)輛，使車(chē)輛更多的用電池作為動(dòng)力行駛，可以避免排氣污染物及顆粒物的大量生成.目前市場(chǎng)上混合動(dòng)力車(chē)型的純電行駛里程越來(lái)越多，加上政府對(duì)充電樁的建設(shè)投入持續(xù)增加，小區(qū)、單位停車(chē)位的充電樁數(shù)量越來(lái)越多，用戶(hù)充電越來(lái)越方便，在駕駛插電式混合動(dòng)力車(chē)輛時(shí)，保證車(chē)輛更多的在純電模式下行駛也更容易，這樣可以大大降低城市里的污染物排放水平.