許丹丹 高東志 李 剛 景曉軍 包俊江

(1.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300；2.中國環(huán)境科學研究院，北京 100012)

混動系統(tǒng)結合發(fā)動機和電動機兩種動力源實現(xiàn)了發(fā)動機始終工作在高效區(qū)間，確保了車輛的動力性和經(jīng)濟性，因此混動系統(tǒng)憑借低排放和強動力的優(yōu)勢，有效解決了傳統(tǒng)重型車高油耗、高排放的問題[1-2]。在國家“雙碳”目標推動下，重型混動車將成為傳統(tǒng)車向純電動車轉型過渡的產(chǎn)品選擇，也是未來實現(xiàn)減排降碳目標的中短期技術路線之一[3]。但重型混動車由于自身的技術特性，在實際運行過程中發(fā)動機頻繁啟動，導致車輛停機再啟動時的污染物排放波動明顯，發(fā)動機冷態(tài)工況排放應得到重視[4-5]。

歐洲在重型車的型式認證與在用符合性測試中，通過對冷啟動數(shù)據(jù)進行收集和分析，發(fā)現(xiàn)冷啟動排放的大量NOx及其他污染物均被排除在整車排放分析之外。2019年歐盟委員會發(fā)布的(EU)No 582/2011法規(guī)修訂稿(歐六E階段)中新增了關于重型車的冷啟動排放測試要求，由此引來了諸多國內(nèi)學者關于冷啟動對重型車排放的影響研究。劉剛等[6]針對不同車型開展便攜式排放測試系統(tǒng)(PEMS)的實車測試，發(fā)現(xiàn)冷啟動以4.27%的時間占比，產(chǎn)生了9.59%(質量分數(shù))的排放物占比，冷啟動是影響車輛排放的一個不容忽視的重要因素；張靳杰等[7]基于PEMS對不同質量的重型車開展了冷啟動狀態(tài)下的污染物排放特性研究，通過對比冷啟動期間污染物的累計排放、比排放以及排放濃度的變化，發(fā)現(xiàn)重型柴油車冷啟動階段的NOx和CO排放較高；崔煥星等[8]針對重型柴油車開展冷啟動排放測試研究，發(fā)現(xiàn)依據(jù)有效功基窗口計算的冷啟動排放高于熱機狀態(tài)，但是由于有效功基窗口功率閾值限制，多數(shù)冷啟動數(shù)據(jù)作為無效窗口被剔除，因此未參與到整車排放評估中。目前，我國現(xiàn)行的重型車排放標準關于冷啟動排放未作明確要求，且冷啟動數(shù)據(jù)也未參與排放結果計算，重型混動車作為新技術開發(fā)產(chǎn)品，在重型車排放測試研究中，關于混動車的排放尤其是冷啟動排放影響的研究鮮有報道。

因此，本研究以一輛重型柴油混動自卸車為研究對象，分別考察了車輛冷啟動和熱機狀態(tài)下的污染物排放變化，并開展冷啟動對重型混動車的排放影響研究，研究結果可為國家重型混動車排放監(jiān)管和標準制定提供基礎數(shù)據(jù)。

1 試驗設計

1.1 試驗車輛

試驗選用一輛國六重型柴油混動自卸車，車輛類別屬于N3類非城市車輛，按混動類型歸為非外接充電型混合動力電動汽車，車輛后處理系統(tǒng)采用柴油機氧化型催化器(DOC)、柴油顆粒過濾器(DPF)和選擇性催化還原(SCR)技術。試驗車輛及發(fā)動機、電動機的基本信息見表1。

表1 試驗車輛基本信息

試驗車輛采用發(fā)動機與電動機并聯(lián)混動結構，當電池電量飽滿，汽車起步或低速行駛(車速低于30 km/h)時，車輛由電動機單獨驅動行駛；當電池電量不足，車輛高速平穩(wěn)行駛時，電動機停止工作，車輛由發(fā)動機直接驅動；當車輛處于急加速或者大負荷工況時，車輛由發(fā)動機和電動機共同驅動。試驗車輛的混動結構見圖1。

圖1 混動結構示意圖

1.2 試驗設備

采用日本HORBIA公司的PEMS設備進行數(shù)據(jù)采集和分析，該設備主要由氣體測量模塊、顆粒數(shù)(PN)測量模塊、排氣流量計、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、電子控制單元(ECU)讀取設備、主機單元和電源等部分組成，可實時測量和收集試驗過程中車輛的排氣流量、污染物濃度、環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力以及發(fā)動機轉速、扭矩、車輛行駛速度、經(jīng)緯度及海拔等相關參數(shù)。

1.3 試驗方案

混動車的運行模式主要包含電量消耗模式、電量調(diào)整模式和電量平衡模式。其中，電量消耗模式主要由電動機驅動車輛行駛，屬于純電模式，此時發(fā)動機不做功，無污染物排放。電量調(diào)整模式是發(fā)動機和電動機交替運行驅動車輛行駛，其中發(fā)動機做功的一部分能量用于驅動車輛行駛，另一部分能量轉化為電能輸入到電量存儲系統(tǒng)(REESS)，此時電池荷電狀態(tài)(SOC)基本維持在穩(wěn)定范圍內(nèi)，有污染物排放產(chǎn)生。電量平衡模式主要由發(fā)動機提供能量驅動車輛行駛，此時電動機停止工作，混動車與傳統(tǒng)燃油車工作模式相似，有污染物排放。

與傳統(tǒng)車輛PEMS測試規(guī)程不同，混動車PEMS測試增加了放電預處理。由于電量消耗模式下，車輛主要由電動機驅動，無排放產(chǎn)生，為準確測量混動車實際污染物排放，試驗前讓測試車輛在車速低于55 km/h的市區(qū)工況下行車，直至REESS達到電量平衡狀態(tài)，表明放電結束。

充分浸車后，安裝PEMS設備，并對設備進行檢漏、標零和預熱等準備工作。車輛切換至混動模式，在50%載荷以及發(fā)動機冷機條件下開始測試并采集數(shù)據(jù)。車輛在預先選定好的測試路段，按照20%市區(qū)工況、25%市郊工況和55%高速工況比例行駛，直至滿足發(fā)動機累積功達到4～7倍瞬態(tài)駕駛循環(huán)功(WHTC)時試驗結束。試驗車輛運行工況及工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計分別見圖2、表2。

圖2 試驗車輛運行工況

表2 工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2 數(shù)據(jù)處理方法

鑒于《重型汽車實際行駛污染物排放測試技術規(guī)范》(T/CSAE 237—2021)取消了重型混動車功基窗口法功率閾值限制，本研究利用PEMS采集的逐秒數(shù)據(jù)進行功基窗口劃分并判定窗口有效性，同時對所有功基窗口進行污染物比排放計算，然后依據(jù)式(1)計算功基窗口相應的污染物符合性因子(CF)。歐六E階段標準關于冷啟動的排放評估方法規(guī)定，冷卻水溫低于70 ℃的冷啟動階段，在所有功基窗口中尋找CF最大值，記為CFcold；從冷卻水溫首次達到70 ℃的熱機狀態(tài)開始，在所有有效窗口中尋找滿足CF限值的第90個累積百分位值，記為CFwarm，并將其作為剔除冷啟動后車輛在熱機狀態(tài)下的污染物排放符合性因子。參考(EU) 2019/1939法規(guī)，綜合排放評估以冷啟動、熱機狀態(tài)權重分別為0.14、0.86對CFcold、CFwarm進行加權，得到包含冷啟動的污染物綜合符合性因子(CFfinal)，計算見式(2)。

(1)

式中：e為污染物窗口比排放，g/(kW·h)或個/(kW·h)；L為發(fā)動機污染物排放限值，g/(kW·h)或個/(kW·h)。

CFfinal=CFcold×0.14+CFwarm×0.86

(2)

根據(jù)《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(GB 17691—2018)中關于整車和發(fā)動機污染物排放限值的規(guī)定，分別計算得到NOx、CO、PN的CF限值分別為1.5、1.5、2.0。將各污染物CFfinal與其CF限值相比較，即可判定車輛排放水平。

3 試驗結果

3.1 冷啟動對車輛總排放的影響

由于測試在混動模式下進行，車輛行駛時發(fā)動機間歇工作，采用比排放或排放因子不能準確評估車輛排放水平，因此本研究采用總排放量分析冷啟動對污染物排放的影響。根據(jù)PEMS采集數(shù)據(jù)，得到試驗車輛剔除冷啟動與包含冷啟動的NOx、CO、PN和CO2的排放變化，結果見表3。

表3 車輛總排放結果統(tǒng)計

由表3可見，將冷啟動排放納入車輛排放測算對NOx影響最大，對CO2影響最小，與剔除冷啟動的排放測算結果相比，包含冷啟動的NOx總排放可達20.76 g，與剔除冷啟動的NOx排放相比增長20余倍，而納入冷啟動后CO2排放增幅僅為4.4%，CO和PN排放增幅相當，分別為9.0%、10.8%。綜上可知，雖然冷啟動運行時間僅352 s，占總運行時間不到7%，但車輛在冷啟動階段產(chǎn)生的排放不容小覷，尤其是NOx排放。因此將冷啟動排放引入到整車排放結果評估中，加嚴重型混動車排放限值，將是未來重型混動車排放法規(guī)發(fā)展的必然趨勢。

3.2 冷啟動對車輛瞬時排放的影響

圖3為車輛測試期間NOx、CO、CO2、PN的瞬時排放特性?？梢钥闯?，NOx、CO、PN在冷啟動前后的排放變化明顯，而CO2排放變化較小，基本無差別。其中，NOx排放主要集中在冷啟動階段，排放速率最大在0.2 g/s以上，排放量為19.78 g，占總排放量95%以上，PN在冷啟動階段排放速率達到峰值，約為1.01×1011個/s；冷啟動對CO2排放影響不明顯，冷啟動前后CO2平均排放速率分別為10.56、16.79 g/s，冷啟動階段CO2排放僅占總排放的4%左右，CO在冷啟動階段排放速率達到峰值，約為0.40 g/s。

圖3 瞬時排放特性

在冷啟動階段，發(fā)動機怠速完成后，隨著車速升高，水溫和排氣溫度也隨之增加(見圖2)，導致NOx、PN和CO排放明顯升高且出現(xiàn)峰值。其中，NOx排放隨車速變化升高最明顯，雖然冷啟動階段發(fā)動機燃燒溫度較低不宜形成NOx的生成環(huán)境，但排氣溫度較低引起SCR處理轉化效率下降，造成車輛冷啟動后發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的大量NOx泄露排出。PN在冷啟動階段的排放主要發(fā)生在車速增加時，隨著噴油量增加，發(fā)動機在冷啟動因素影響下燃燒惡化，導致顆粒物排放增加。CO是一種不完全燃燒產(chǎn)物，在冷啟動階段，發(fā)動機缸內(nèi)溫度低，混合氣霧化效果差，導致此階段不完全燃燒產(chǎn)生的CO偏高。CO2排放受冷啟動因素影響較小，而與行駛車速有較強的相關性。

3.3 包含冷啟動的污染物排放評估結果

本研究參考冷啟動排放評估方法將包含冷啟動的污染物CF測算結果與CF限值進行對比，綜合評估了車輛NOx、CO、PN這3種法規(guī)污染物的排放水平。根據(jù)PEMS采集數(shù)據(jù)進行功基窗口劃分，結果見圖4，功基窗口的NOx、CO、PN的CF測算結果見圖5。

由圖4可見，所有功基窗口的平均功率與發(fā)動機最大功率的功率比均大于20%的閾值，表明該試驗的有效窗口比例達100%；由圖5可以看出，除NOx外，CO和PN的所有功基窗口CF均低于限值86%以上，且整體變化較平穩(wěn)，其中CO的CF基本保持在0.10～0.20，PN的CF基本保持在0.14～0.27。NOx由于冷啟動階段排放較高，窗口形成初期的CF較大，約有3%的功基窗口CF超出了1.5的限值，但隨著窗口移動，NOx的CF逐漸減小，直至冷啟動結束，CF下降至0.03左右，并保持平穩(wěn)，表明冷啟動期間的NOx排放影響不容忽視。

圖4 功基窗口分析結果

圖5 功基窗口污染物的CF

本研究將冷啟動排放數(shù)據(jù)引入到整車排放水平評估中，對本次測試的NOx、CO、PN 3種污染物進行CFfinal加權計算。從表4可以看出，NOx的CFfinal與CFwarm相比增加了92.3倍，而CO、PN的CFfinal與其CFwarm相比幾乎不變?？傮w看來，NOx、CO、PN排放的最終評估結果均滿足限值要求，其中NOx和CO排放的CFfinal均低于其CF限值80%以上，PN排放的CFfinal低于其CF限值90%以上。

表4 污染物排放評估結果

4 結 論

對一輛重型柴油混動自卸車進行PEMS冷啟動排放測試評估，并得出如下結論：(1)將冷啟動納入排放測算后，NOx、PN、CO、CO2總排放有不同程度的上升，其中NOx排放增加最明顯，增長約20倍，CO、PN排放增幅相當，分別為9.0%、10.8%；CO2排放增幅較小，僅為4.4%，建議未來重型混動車排放測試中考慮引入冷啟動數(shù)據(jù)，更加真實地評價出車輛的實際排放水平；(2)污染物瞬態(tài)排放結果顯示，NOx排放主要集中在冷啟動階段，CO、PN在冷啟動階段排放速率達到峰值，CO2排放受冷啟動因素影響最小，冷啟動前后排放變化不明顯；(3)排放評估結果顯示，引入冷啟動后的車輛整體排放雖然有所升高，但排放結果依然達標，其中包含冷啟動的NOx、CO排放的CFfinal均低于其CF限值80%以上，PN排放的CFfinal低于其CF限值90%以上。