怠速起停控制模式重型气电混合动力客车的能耗与排放特征*

许广举，李铭迪，陈庆樟，李学智，王 忠，何 仁

(1.常熟理工学院汽车工程学院，常熟 215500； 2.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013)

2016127

怠速起停控制模式重型气电混合动力客车的能耗与排放特征*

许广举1,2，李铭迪1，陈庆樟1，李学智1，王 忠2，何 仁2

(1.常熟理工学院汽车工程学院，常熟 215500； 2.江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 212013)

采用天然气公交车和气电混合动力公交车(配怠速起停系统)作为样车，通过整车转鼓试验，考察了中国典型城市公交循环(CCBC)工况下，怠速起停控制模式对燃气消耗量及排放特征的影响。结果表明，与LNG样车相比，气电混合动力样车每100km可节约能源成本17.39元，采用怠速起停系统后，可节约能源成本51.8元；采用怠速起停模式HEV车辆总碳氢排放降低约32%，NOx排放降低44%，颗粒物质量排放下降36%。

混合动力电动车；怠速起停系统；能耗；排放

前言

与油电混合动力相比，气电混合动力具有更加清洁、更加节能的优势。在出租车、城市公交车等领域有广泛的应用前景[1-3]。据统计，目前国内气电混合动力客车的年增长量约1万辆，年均增速在50%以上。然而，城市混合动力公交车的常用工况集中在中、高转速的大负荷附近，典型城市道路谱中怠速工况可达20%以上，怠速排放也高于正常行驶工况。

围绕气电混合动力汽车的驱动模式、排放性能和燃气经济性等方面已开展大量研究。文献[4]中建立了适用于开发整车控制策略的三元催化器动力学模型，分析了电加热能量对电池荷电状态、整车油耗和排放的影响。文献[5]中通过台架试验，研究了不同拖动转速下快速起动过程的瞬态特性和排放特性。文献[6]中采用生命周期评价(LCA)方法，核算了天然气公交车、混合动力公交车和纯电动公交车等新能源公交车的节能及温室气体减排效果。文献[7]中提出：频繁起动-停机是混合动力汽车一个重要瞬态工况，应重点对起动-停机过程发动机的控制策略和排放特性进行优化。

国内外学者在混合动力汽车的怠速控制模式、排放控制策略等方面形成了较为统一的认识，然而，有关怠速起停控制模式对中国典型城市公交循环工况下整车的能耗和排放特征影响相关的文献较少，缺少试验数据参考。本文中采用天然气公交车和气电混合动力公交车(配怠速起停系统)作为研究样车，通过整车转鼓试验，考察了中国典型城市公交循环(CCBC)工况下，怠速起停控制模式对样车燃气消耗量、排气温度和排放特征的影响。

1 试验设备与方案

1.1 试验设备

试验设备包括Burke Dynamometer 7349型底盘测功机、AVL CVS i60型定容取样系统、AVL AMAi60 型分析仪、AVL GEM201排放测试系统和FLUKE 数据采集器。

1.2 测试样车参数

测试样车基本参数见表1。

表1 测试车辆的基本信息

1.3 样车与传感器的安装

图1为测试样车、温度传感器和三元催化器的安装情况。被测样车通过链条固定在底盘测功机上，采用保温的防吸附不锈钢管连接排气尾管，运用CVS系统进行全流定容稀释采样。排温传感器安装在三元催化器之前，距离三元催化器20cm的位置，能够真实反映三元催化器附近的发动机排气温度。

1.4 测试方案

测试按照GB/T 19754—2015《重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》规定的循环和流程进行，超级电容荷电状态(SOC)、动力蓄电池电压和净能量的改变(NEC)不在本次试验测量范围内。底盘测功机按照GB/T 27840—2011《重型商用车燃料消耗量测量方法》设置，排放测试按照GB 17691—2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》进行。

试验时分别测量天然气公交车、气电混合动力公交车(怠速起停关闭)、气电混合动力公交车(怠速起停开启)3种状态下，样车按照中国典型城市公交循环(CCBC)工况下的排放特性，每个工况重复测量两次。

2 试验结果与分析

2.1 驾驶曲线

根据GB/T 19754—2015《重型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》的要求，进行预试验，以便驾驶员熟悉车辆和驾驶曲线。循环结束后，点火开关关闭20 min，进行车辆预置后，采用中国典型城市公交循环(CCBC)进行测试。

图2为试验设定速度与实际驾驶车速的对比情况。结果表明，样车可以很好地跟随CCBC循环工况，两次试验体现了较好的驾驶重复性。

2.2 燃气消耗量

CCBC循环单次时间为1 314s，怠速时间为381s，占循环总时间的29%。图3为CCBC循环工况下被测样车的燃气消耗量情况。由图可见，LNG样车的100km燃气消耗量约为33.59m3，怠速起停系统开启的前提下，HEV样车的100km燃气消耗量约为22.57m3。怠速起停系统关闭时，气电HEV样车的100km燃气消耗量约为29.89m3，CCBC循环条件下HEV样车怠速工况的燃气消耗量约为7.32m3，怠速工况能耗占总能耗的24.5%。按照目前车用天然气的市场价格4.7元/m3，与LNG样车相比，气电混合动力样车每100km可节约能源成本17.39元，采用怠速起停系统后，可进一步节约能源成本51.8元。在中国典型城市公交循环工况条件下，怠速起停系统可以有效降低能源消耗。

2.3 CCBC循环的排放特征

城市公交客车的运行工况复杂多变，通过对北京、上海等典型城市公交客车的车速、行驶距离、油耗、发动机转速和进气压力等数据采集，得到中国典型城市公交循环工况点[8-9]。与国内常用的美国FTP试验循环和欧洲ETC试验循环相比，采用该循环工况测定的公交客车排放数据具有代表性，更能真实反映中国城市公交车对城市大气污染的程度。

图4为不同样车及运行模式的排放情况对比。由图可见，LNG样车总碳氢排放(THC)量最高，达4.83g/km，怠速起停开启条件下，HEV样车的总碳氢排放量为3.26g/km，怠速起停关闭条件下HEV样车的总碳氢排放量为3.4g/km，CCBC循环条件下HEV样车怠速工况的总碳氢排放量为0.14g/km，HEV样车怠速工况的总碳氢排放分担率为4%。LNG样车的氮氧化物(NOx)排放量最高，达7.98g/km，怠速起停开启条件下HEV样车的NOx排放量为4.47g/km，怠速起停关闭条件下HEV样车的NOx排放量为6g/km，CCBC循环条件下HEV样车怠速工况的NOx排放量为1.53g/km，HEV样车怠速工况的NOx排放量分担率为26%。LNG样车颗粒物质量排放量约为0.021 5g/km，怠速起停开启条件下HEV样车颗粒物质量排放量为0.010 5g/km，怠速起停关闭条件下HEV样车颗粒物质量排放量为0.016 5g/km，CCBC循环条件下HEV样车怠速工况的颗粒物排放量为0.006g/km，HEV样车怠速工况的颗粒物排放分担率为36%。

综上所述，怠速工况对HEV样车排放的影响主要体现在NOx和颗粒物两种污染物，怠速工况的颗粒物排放分担率为36%，NOx排放分担率为26%，怠速起停控制模式对HEV样车总碳氢排放的影响较小。

2.4 排气温度

图5为不同样车及运行模式下的排气温度对比。由图可见，中国典型城市公交循环下LNG样车的排气温度最高，可达483℃，且排气温度的变化幅度较大。怠速起停系统开启时，HEV样车的排气温度最低，约为295℃。

天然气发动机的排气净化主要通过三元催化器，起动-停机阶段的转化率与催化器温度和废气中的氧气浓度密切相关，该阶段的废气主要以HC和CO为主，与LNG样车相比，采用怠速起停系统后，大幅降低了公交车频繁起动-停机阶段的HC排放。由于三元催化器的起燃温度在250～350℃，在此温度窗口范围均保持了较高的转化率，因此怠速起停模式对HEV样车的HC排放影响不大。

2.5 气体污染物瞬态排放

图6为不同样车及其运行模式的HC和NOx实时排放曲线。由图可见，LNG样车与HEV(怠速起停关闭)的NOx排放差异主要集中在中、低车速区域，这是由于车辆中、低速运行时，大多采用纯电驱动，发动机为系统充电，转速较低，排放相对较少。

高速阶段，HEV样车主要由发动机驱动，因此与LNG样车HC排放并无明显差异；低速阶段，怠速起停开启时HEV样车的HC排放最低，某些时段怠速起停开启时HEV车辆的HC排放高于LNG样车，这是由于系统亏电后，发动机带动发电机进行发电，补充电能所致。

对于HEV样车，怠速起停系统对NOx排放的影响主要体现在低速和怠速区域，怠速起停功能的开启对降低NOx排放起到了积极作用，可降低NOx排放量约44%。

3 结论

(1)CCBC循环工况下，与LNG样车相比，气电混合动力样车每100km可节约能源成本17.39元，采用怠速起停系统后，可节约能源成本51.8元。

(2)怠速起停模式可降低HEV车辆约32%的碳氢排放和44%的NOx排放，HEV样车(怠速起停开启)的颗粒物质量排放仅为0.010 5g/km。怠速起停控制模式可以降低36%的颗粒物质量排放。

[1] 席军强,皇甫一欣,胡宇辉. 气电混合动力车辆低混合驱动起步控制研究[J].北京理工大学学报,2014,34(5):480-484.

[2] 陈绍刚,李孟良,徐达,等．基于PEMS的混合动力客车发动机启动/停止对排放影响的研究[J].汽车工程,2010,32(3):198-202.

[3] 梁海波,高卫民,朱军,等.混合动力Start/Stop控制策略对整车排放影响的研究[J]．内燃机工程,2008,29(2):15-18.

[4] 隗寒冰,秦大同,彭志远,等.HEV电加热能量对三元催化器转化效率、油耗和排放的影响[J].中国机械工程, 2013,24(18):2533-2538.

[5] 于水,董光宇,吴志军,等. 混合动力汽车发动机快速起动瞬态燃烧和碳氢排放[J].吉林大学学报(工学版),2008,38(5):1034-1039.

[6] 林晓丹,吕彬,田良,等. 基于LCA的北京市公交车节能及温室气体减排潜力分析[J].环境科学学报,2015,35(2):576-584.

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[8] 李孟良,聂彦鑫.装配SCR系统的混合动力公交车排放特征研究[J].汽车技术,2010(3):34-36.

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Energy Consumption and Emission Characteristics of Heavy Duty Gas Hybrid Electric Bus with Idle Start-stop Control Mode

Xu Guangju1,2,Li Mingdi1,Chen Qingzhang1,Li Xuezhi1,Wang Zhong2& He Ren2

1.DepartmentofAutomobileEngineering,ChangshuInstituteofTechnology,Changshu215500；2.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang212013

With a natural gas bus and a gas hybrid electric bus (with idle start-stop system) as sample vehicles, the effects of control mode for idle start-stop system on the gas consumption and emission characteristics of vehicle under China City Bus Cycle (CCBC) are investigated. The results show that compared with LNG sample vehicle, the gas HEV sample vehicle can save energy cost by 17.39 RMB Yuan per 100 km, which will increases to 51.8 RMB Yuan for gas HEV sample vehicle with idle start-stop system. The adoption of idle start-stop mode can reduce THC emission of HEV vehicle by 32%, NOxemission by 44% and PM emission by 36 %.

HEV; idle start-stop system; energy consumption; emission

*国家自然科学青年基金(51506011)、江苏省自然科学基金(BK20151259)、江苏省高校自然科学研究面上项目(15KJB470001)和苏州市应用基础研究项目(SYG201515)资助。

原稿收到日期为2015年5月25日，修改稿收到日期为2015年7月29日。