冷启动对重型混动车实际道路行驶排放的影响研究

许丹丹 高东志 李 刚 景晓军 包俊江

(1.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300300；2.中国环境科学研究院，北京 100012)

混动系统结合发动机和电动机两种动力源实现了发动机始终工作在高效区间，确保了车辆的动力性和经济性，因此混动系统凭借低排放和强动力的优势，有效解决了传统重型车高油耗、高排放的问题[1-2]。在国家“双碳”目标推动下，重型混动车将成为传统车向纯电动车转型过渡的产品选择，也是未来实现减排降碳目标的中短期技术路线之一[3]。但重型混动车由于自身的技术特性，在实际运行过程中发动机频繁启动，导致车辆停机再启动时的污染物排放波动明显，发动机冷态工况排放应得到重视[4-5]。

欧洲在重型车的型式认证与在用符合性测试中，通过对冷启动数据进行收集和分析，发现冷启动排放的大量NOx及其他污染物均被排除在整车排放分析之外。2019年欧盟委员会发布的(EU)No 582/2011法规修订稿(欧六E阶段)中新增了关于重型车的冷启动排放测试要求，由此引来了诸多国内学者关于冷启动对重型车排放的影响研究。刘刚等[6]针对不同车型开展便携式排放测试系统(PEMS)的实车测试，发现冷启动以4.27%的时间占比，产生了9.59%(质量分数)的排放物占比，冷启动是影响车辆排放的一个不容忽视的重要因素；张靳杰等[7]基于PEMS对不同质量的重型车开展了冷启动状态下的污染物排放特性研究，通过对比冷启动期间污染物的累计排放、比排放以及排放浓度的变化，发现重型柴油车冷启动阶段的NOx和CO排放较高；崔焕星等[8]针对重型柴油车开展冷启动排放测试研究，发现依据有效功基窗口计算的冷启动排放高于热机状态，但是由于有效功基窗口功率阈值限制，多数冷启动数据作为无效窗口被剔除，因此未参与到整车排放评估中。目前，我国现行的重型车排放标准关于冷启动排放未作明确要求，且冷启动数据也未参与排放结果计算，重型混动车作为新技术开发产品，在重型车排放测试研究中，关于混动车的排放尤其是冷启动排放影响的研究鲜有报道。

因此，本研究以一辆重型柴油混动自卸车为研究对象，分别考察了车辆冷启动和热机状态下的污染物排放变化，并开展冷启动对重型混动车的排放影响研究，研究结果可为国家重型混动车排放监管和标准制定提供基础数据。

1 试验设计

1.1 试验车辆

试验选用一辆国六重型柴油混动自卸车，车辆类别属于N3类非城市车辆，按混动类型归为非外接充电型混合动力电动汽车，车辆后处理系统采用柴油机氧化型催化器(DOC)、柴油颗粒过滤器(DPF)和选择性催化还原(SCR)技术。试验车辆及发动机、电动机的基本信息见表1。

表1 试验车辆基本信息

试验车辆采用发动机与电动机并联混动结构，当电池电量饱满，汽车起步或低速行驶(车速低于30 km/h)时，车辆由电动机单独驱动行驶；当电池电量不足，车辆高速平稳行驶时，电动机停止工作，车辆由发动机直接驱动；当车辆处于急加速或者大负荷工况时，车辆由发动机和电动机共同驱动。试验车辆的混动结构见图1。

图1 混动结构示意图

1.2 试验设备

采用日本HORBIA公司的PEMS设备进行数据采集和分析，该设备主要由气体测量模块、颗粒数(PN)测量模块、排气流量计、全球卫星定位系统(GPS)、电子控制单元(ECU)读取设备、主机单元和电源等部分组成，可实时测量和收集试验过程中车辆的排气流量、污染物浓度、环境温度、湿度、大气压力以及发动机转速、扭矩、车辆行驶速度、经纬度及海拔等相关参数。

1.3 试验方案

混动车的运行模式主要包含电量消耗模式、电量调整模式和电量平衡模式。其中，电量消耗模式主要由电动机驱动车辆行驶，属于纯电模式，此时发动机不做功，无污染物排放。电量调整模式是发动机和电动机交替运行驱动车辆行驶，其中发动机做功的一部分能量用于驱动车辆行驶，另一部分能量转化为电能输入到电量存储系统(REESS)，此时电池荷电状态(SOC)基本维持在稳定范围内，有污染物排放产生。电量平衡模式主要由发动机提供能量驱动车辆行驶，此时电动机停止工作，混动车与传统燃油车工作模式相似，有污染物排放。

与传统车辆PEMS测试规程不同，混动车PEMS测试增加了放电预处理。由于电量消耗模式下，车辆主要由电动机驱动，无排放产生，为准确测量混动车实际污染物排放，试验前让测试车辆在车速低于55 km/h的市区工况下行车，直至REESS达到电量平衡状态，表明放电结束。

充分浸车后，安装PEMS设备，并对设备进行检漏、标零和预热等准备工作。车辆切换至混动模式，在50%载荷以及发动机冷机条件下开始测试并采集数据。车辆在预先选定好的测试路段，按照20%市区工况、25%市郊工况和55%高速工况比例行驶，直至满足发动机累积功达到4～7倍瞬态驾驶循环功(WHTC)时试验结束。试验车辆运行工况及工况数据统计分别见图2、表2。

图2 试验车辆运行工况

表2 工况数据统计

2 数据处理方法

鉴于《重型汽车实际行驶污染物排放测试技术规范》(T/CSAE 237—2021)取消了重型混动车功基窗口法功率阈值限制，本研究利用PEMS采集的逐秒数据进行功基窗口划分并判定窗口有效性，同时对所有功基窗口进行污染物比排放计算，然后依据式(1)计算功基窗口相应的污染物符合性因子(CF)。欧六E阶段标准关于冷启动的排放评估方法规定，冷却水温低于70 ℃的冷启动阶段，在所有功基窗口中寻找CF最大值，记为CFcold；从冷却水温首次达到70 ℃的热机状态开始，在所有有效窗口中寻找满足CF限值的第90个累积百分位值，记为CFwarm，并将其作为剔除冷启动后车辆在热机状态下的污染物排放符合性因子。参考(EU) 2019/1939法规，综合排放评估以冷启动、热机状态权重分别为0.14、0.86对CFcold、CFwarm进行加权，得到包含冷启动的污染物综合符合性因子(CFfinal)，计算见式(2)。

(1)

式中：e为污染物窗口比排放，g/(kW·h)或个/(kW·h)；L为发动机污染物排放限值，g/(kW·h)或个/(kW·h)。

CFfinal=CFcold×0.14+CFwarm×0.86

(2)

根据《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(GB 17691—2018)中关于整车和发动机污染物排放限值的规定，分别计算得到NOx、CO、PN的CF限值分别为1.5、1.5、2.0。将各污染物CFfinal与其CF限值相比较，即可判定车辆排放水平。

3 试验结果

3.1 冷启动对车辆总排放的影响

由于测试在混动模式下进行，车辆行驶时发动机间歇工作，采用比排放或排放因子不能准确评估车辆排放水平，因此本研究采用总排放量分析冷启动对污染物排放的影响。根据PEMS采集数据，得到试验车辆剔除冷启动与包含冷启动的NOx、CO、PN和CO2的排放变化，结果见表3。

表3 车辆总排放结果统计

由表3可见，将冷启动排放纳入车辆排放测算对NOx影响最大，对CO2影响最小，与剔除冷启动的排放测算结果相比，包含冷启动的NOx总排放可达20.76 g，与剔除冷启动的NOx排放相比增长20余倍，而纳入冷启动后CO2排放增幅仅为4.4%，CO和PN排放增幅相当，分别为9.0%、10.8%。综上可知，虽然冷启动运行时间仅352 s，占总运行时间不到7%，但车辆在冷启动阶段产生的排放不容小觑，尤其是NOx排放。因此将冷启动排放引入到整车排放结果评估中，加严重型混动车排放限值，将是未来重型混动车排放法规发展的必然趋势。

3.2 冷启动对车辆瞬时排放的影响

图3为车辆测试期间NOx、CO、CO2、PN的瞬时排放特性。可以看出，NOx、CO、PN在冷启动前后的排放变化明显，而CO2排放变化较小，基本无差别。其中，NOx排放主要集中在冷启动阶段，排放速率最大在0.2 g/s以上，排放量为19.78 g，占总排放量95%以上，PN在冷启动阶段排放速率达到峰值，约为1.01×1011个/s；冷启动对CO2排放影响不明显，冷启动前后CO2平均排放速率分别为10.56、16.79 g/s，冷启动阶段CO2排放仅占总排放的4%左右，CO在冷启动阶段排放速率达到峰值，约为0.40 g/s。

图3 瞬时排放特性

在冷启动阶段，发动机怠速完成后，随着车速升高，水温和排气温度也随之增加(见图2)，导致NOx、PN和CO排放明显升高且出现峰值。其中，NOx排放随车速变化升高最明显，虽然冷启动阶段发动机燃烧温度较低不宜形成NOx的生成环境，但排气温度较低引起SCR处理转化效率下降，造成车辆冷启动后发动机燃烧产生的大量NOx泄露排出。PN在冷启动阶段的排放主要发生在车速增加时，随着喷油量增加，发动机在冷启动因素影响下燃烧恶化，导致颗粒物排放增加。CO是一种不完全燃烧产物，在冷启动阶段，发动机缸内温度低，混合气雾化效果差，导致此阶段不完全燃烧产生的CO偏高。CO2排放受冷启动因素影响较小，而与行驶车速有较强的相关性。

3.3 包含冷启动的污染物排放评估结果

本研究参考冷启动排放评估方法将包含冷启动的污染物CF测算结果与CF限值进行对比，综合评估了车辆NOx、CO、PN这3种法规污染物的排放水平。根据PEMS采集数据进行功基窗口划分，结果见图4，功基窗口的NOx、CO、PN的CF测算结果见图5。

由图4可见，所有功基窗口的平均功率与发动机最大功率的功率比均大于20%的阈值，表明该试验的有效窗口比例达100%；由图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，且整体变化较平稳，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由于冷启动阶段排放较高，窗口形成初期的CF较大，约有3%的功基窗口CF超出了1.5的限值，但随着窗口移动，NOx的CF逐渐减小，直至冷启动结束，CF下降至0.03左右，并保持平稳，表明冷启动期间的NOx排放影响不容忽视。

图4 功基窗口分析结果

图5 功基窗口污染物的CF

本研究将冷启动排放数据引入到整车排放水平评估中，对本次测试的NOx、CO、PN 3种污染物进行CFfinal加权计算。从表4可以看出，NOx的CFfinal与CFwarm相比增加了92.3倍，而CO、PN的CFfinal与其CFwarm相比几乎不变。总体看来，NOx、CO、PN排放的最终评估结果均满足限值要求，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 污染物排放评估结果

4 结 论

对一辆重型柴油混动自卸车进行PEMS冷启动排放测试评估，并得出如下结论：(1)将冷启动纳入排放测算后，NOx、PN、CO、CO2总排放有不同程度的上升，其中NOx排放增加最明显，增长约20倍，CO、PN排放增幅相当，分别为9.0%、10.8%；CO2排放增幅较小，仅为4.4%，建议未来重型混动车排放测试中考虑引入冷启动数据，更加真实地评价出车辆的实际排放水平；(2)污染物瞬态排放结果显示，NOx排放主要集中在冷启动阶段，CO、PN在冷启动阶段排放速率达到峰值，CO2排放受冷启动因素影响最小，冷启动前后排放变化不明显；(3)排放评估结果显示，引入冷启动后的车辆整体排放虽然有所升高，但排放结果依然达标，其中包含冷启动的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。