插电式混合动力汽车污染物排放研究

刘文亮， 黄成林， 刘慎微， 张浩然， 药君威， 来振华

(北京奔驰汽车有限公司 新能源研发与试验认证部，北京100176)

随着能源紧缺及环境污染治理压力增加，新能源汽车越来越普及、市场占有量大大增加，混合动力车型作为从汽油车向纯电动车等清洁能源车型的过渡车型，在市场上出现越来越多的插电式混合动力车型供大家选择.为得到环境温度对插电式混合动力汽车的污染物排放影响，对一辆插电式混合动力汽车分别在常温和低温环境条件下，进行WLTC工况驾驶并对尾气排放进行测试.对两次的测试结果进行分析，得出插电式混合动力车型在低温条件下的排放污染物增加情况及分布情况，并据此提出建议，对减少排放及改善环境提供依据.

1 研究方法和测试设备

1.1 研究对象和测试工况

研究采用的测试车辆为一辆搭载发动机排量为2.0 L，动力电池容量为74 Ah的插电式混合动力汽车.试验用的燃油采用北京市售第六阶段燃油，车辆主要参数见表1.测试工况采用国六排放标准的WLTC工况循环[1]，包含低速、中速、高速、超高速4个工况，总共里程为23.3 km，平均速度46.5 km/h，最大车速131.3 km/h，各工况基本情况见表2.

表1 车辆主要参数

表2 WLTC工况分布情况

1.2 测试方法

测试的这辆插电式混合动力汽车，纯电续驶里程超出WLTC工况的里程，为了在相同的车辆状态下进行测试，保证车辆在常、低温试验前电池电量在相同水平，选择车辆在电量保持模式下(CS)[1]进行排放测试：车辆放电至电量达到平衡水平后，进行WLTC循环预处理(预处理前后电池电量保持平衡)，然后分别在常温23 ℃和低温-7 ℃的环境条件下静置12 h以上，使车辆水温、油温达到环境温度±2 ℃以内，第二天进行车辆冷起动后的WLTC工况驾驶，对汽车尾气进行连续稀释采样，测量排气污染物THC、CO、NOx、N2O、颗粒物重量PM、颗粒数量PN在常温和低温下各工况的排放结果，同时，在测试过程中采集稀释尾气的模态数据并分析污染物在各工况的排放分布情况.

1.3 测试设备

测试设备采用AVL底盘测功机和AVL AMA I60、CVS I60等主要排放测试系统，颗粒物测试系统为AVL489，环境舱为IMTECH环境舱，设备参数见表3.

表3 设备参数

2 结果分析

2.1 WLTC工况整体排放结果

经过测试，该插电式混合动力汽车在常温和低温环境条件下的排放结果如表4所示.与常温相比，在低温下，WLTC整个工况的主要污染物排放量增加明显.其中：THC、NMHC分别增加203.9%、230.3%；CO增加111.3%；NOx增加49.8%；N2O没有变化；PM增加206.3%；PN增加510.9%；CO2增加29.0%.低温环境对污染物排放结果，尤其是颗粒物排放结果影响较大.

表4 常、低温环境下排放污染物结果对比

在常温和低温试验前后，动力电池SOC均相同，保持平衡.图1是在常温下，WLTC工况的动力电池充放电情况，电流为负，代表电池放电；电流为正，代表电池充电.可以看到：在加速工况，电池放电参与驱动车辆；在减速工况，回收能量电池充电.对电流进行积分，可以得到整个WLTC工况动力电池总共放电0.13 Ah，占总容量(74Ah)的比例为0.18%，电池电量几乎没有变化，在WLTC工况保持了平衡.

图1 常温下WLTC工况动力电池充、放电情况

2.2 各污染物在常、低温各工况的排放结果

排放污染物在各工况的分布情况见表5.除CO外，各污染物大部分来自于低速工况.在低温下，这种趋势更加明显，低温下的低速工况排放污染物占总排放量的比例均达到90%以上，主要是由于在车辆的启动及热机阶段，燃油温度及发动机润滑油、冷却液温度低，汽油燃烧不充分、发动机阻力大，催化器达到工作温度需要一定时间等因素造成的.在发动机热机以后的中速、高速、超高速工况，排放污染物大幅降低，低温与常温的污染物排放量差异较小，可见，在发动机热机情况下，环境温度对污染物排放影响很小.

表5 常、低温环境下各工况排放污染物结果

下面对各污染物分别分析：

(1)THC、NMHC污染物：在常温和低温下，低速工况排放量占比分别为75.6%和95.3%.从图2所示的THC常、低温瞬态排放曲线可以看出，THC的排放主要来自于低速工况的启动阶段.与常温相比，在低温下，低速工况的THC排放量增幅为282.3%；NMHC增幅286.7%.主要由于低温下，燃油温度低，喷油雾化更差，发动机刚启动时，缸壁温度低，燃烧不充分造成[2].在中速工况，发动机热机以后THC排放大大降低.

图2 THC常、低温瞬态排放曲线

(2)CO污染物：CO常、低温瞬态排放情况如图3所示.常温下，低速、中速工况，CO污染物排放占比为9.0%和11.4%；在高速工况和超高速工况占比更多，分别为30.8%和48.8%.主要是由于在低速和中速工况，车辆在加速工况电池参与助力，使得发动机工作的时间及负荷大大降低，CO排放减少；而在高速、超高速工况的加速阶段，由于车辆加速及车速较高时阻力增大、共同导致车辆负荷增大、进而CO排放浓度也升高[2].低温下，低速工况时，CO排放占比为64.1%，可见，污染物主要来自于低速工况.低温下，发动机启动时，燃油温度较低，喷油量大且燃烧不充分，CO大量生成，在低速工况下，低温下的CO排放量较常温下增幅为1 394.4%，排放量大大增加.

图3 CO常、低温瞬态排放曲线

(3)NOx，N2O污染物：NOx常、低瞬态排放曲线图如图4所示.在低温和常温下，NOx排放主要来自于低速工况的车辆启动热机阶段，部分来自于其他工况急加速时的大负荷工况.常温和低温的低速工况NOx排放量占比都在50%左右，在低温下比常温增加27%.常温和低温环境下，N2O的排放结果一样，且都来自于低速工况[3]，低速工况下的排放量占比都在90%以上，常温和低温下N2O的整体排放水平均较低.

图4 NOx常、低温瞬态排放曲线

(4)PN颗粒数量：在常温下，PN主要来自于低速工况和中速工况，分别占总排放量的39%和51.9%，由于在中低速工况车辆加速时，动力电池较多的参与驱动车辆，使发动机工作时间大大缩短(从图1电池充放电情况和图6的CO2瞬态排放曲线图可以看出)，发动机承担的负荷降低，发动机喷油量较少，颗粒物排放也相应减少，从图5所示的PN的常、低温瞬态排放曲线图可以看到：在常温下，低速、中速工况PN的排放特点为短暂的尖峰，数量都在2E+11个/s以下；在低温下，PN主要来自于低速工况前300 s的发动机启动及热机阶段，发动机启动后，颗粒物峰值达到1E+12个/s，低速工况PN占总排放的比例达到93.3%，相较常温低速工况增幅为1 359.4%.低温环境下车辆的颗粒物大量生成，主要是因为在低温下燃油和发动机缸内温度较低，燃油雾化变差、燃烧不充分，润滑油温度低，发动机热机时间长，发动机阻力增大所致[4-5].

图5 PN常、低温瞬态排放曲线

(5)CO2：与常温相比，在低温下，整个WLTC工况的CO2排放量增加29.0%，CO2的增加主要来自于低速工况，在低速工况CO2增幅达245.2%，主要是由于在低温环境下，水温及润滑油温度低，发动机阻力增大，发动机热机时间增加，发动机工作的时间在低温下比常温下工作时间更长，故CO2排放更多.随着发动机温度升高，在中速、高速、超高速工况下，CO2排放结果与常温逐渐接近，差异逐渐缩小，CO2常、低温瞬态排放结果见图6.

图6 CO2常、低温瞬态排放曲线

3 结 论

通过对插电式混合动力汽车在常温和低温下的WLTC工况污染物排放测试，可以看到在常温下，除CO外，车辆的污染物排放均主要来自于低速和中速工况；在低温条件下，污染物排放均主要来自于低速工况.环境温度对插电式混合动力车辆污染物排放的影响主要集中在低速工况的发动机启动和热机阶段，污染物增幅达数倍至十倍以上，发动机热机以后，温度对污染物排放的影响较小.

在冬季，混合动力车辆的动力电池电量较低时，车辆行驶依然会产生较多排放污染物.在冬季驾驶混合动力车辆出行，保证车辆的动力电池电量充足、尽量在纯电模式下驾驶车辆，使车辆更多的用电池作为动力行驶，可以避免排气污染物及颗粒物的大量生成.目前市场上混合动力车型的纯电行驶里程越来越多，加上政府对充电桩的建设投入持续增加，小区、单位停车位的充电桩数量越来越多，用户充电越来越方便，在驾驶插电式混合动力车辆时，保证车辆更多的在纯电模式下行驶也更容易，这样可以大大降低城市里的污染物排放水平.