混合动力轿车和汽油轿车的市区排放对比研究

孙龙林，贺 萍，黄文伟

(深圳职业技术学院汽车与交通学院，广东 深圳 518055)

混合动力轿车和汽油轿车的市区排放对比研究

孙龙林，贺 萍，黄文伟

(深圳职业技术学院汽车与交通学院，广东 深圳 518055)

基于车载排放测试技术，对混合动力轿车和汽油轿车在城市主干道行驶工况下的尾气排放进行了测试试验，并对比分析了试验车辆的排放特征。结果表明：在城市主干道条件下，由于混合动力轿车采用起动-停止控制模式，发动机工作时间较短，电动机在大负荷工况参与驱动来减小发动机负荷，HC总排放因子降低了48%，同时发动机燃烧室的温度大幅度降低，NOx总排放因子下降了86.7%；但是在城市主干道上进行频繁的停车再起动时，由于可燃混合气过浓，导致严重的不完全燃烧，全路段的CO总排放因子并无明显改善。

混合动力轿车；汽油轿车；车载排放测试系统；尾气排放；对比试验

2013年11月26日，深圳市入选全国第一批新能源汽车推广城市。据深圳市人居环境委员会的数据显示，截止2014年2月深圳市共推广新能源汽车6 650辆。深圳市发改委规划在2013—2015年间推广新能源汽车3.5万辆，其中1.6万辆为私家车，1.9万辆为公共用车。目前，深圳市推广使用的新能源汽车主要为纯电动轿车、混合动力轿车、纯电动大巴、混合动力大巴和LNG大巴。

混合动力技术对减少汽车尾气排放和改善空气质量的效果，国内外都已有一些学者进行了相关的研究[1-4]。但是深圳市混合动力轿车的投入使用，在市区行驶时是否相对于家用汽油轿车有效减少了尾气排放污染和提升了市区空气质量，目前还没有具体的量化研究。鉴于此，本文将通过对深圳市典型的混合动力轿车和汽油轿车的市区尾气排放进行对比测试，分析了混合动力技术可以带来哪些方面的尾气排放改善，在哪些方面还存在问题，以为交通环保部门的决策和生产厂家的性能优化提供数据支撑。

1 车辆尾气排放测试试验设计

1.1 测试系统

本研究采用美国Sensors公司生产的SEMTECH-DS车载气体排放分析仪，在深圳市区主干道上对混合动力轿车和汽油轿车的尾气排放进行测试试验，并对比分析了试验车辆的排放特性。车载排放测试系统(Portable Emission Measurement System,PEMS)的测试原理如图1所示。测试车辆排放的尾气由连接在排气管上的连接管道全部输送进入废气流量计(EFM)，废气流量计测量出尾气排放的总流量和排气温度；同时安装在废气流量计内部的取样管开始对尾气进行取样，并将采集的尾气样品传递给车载气体排放分析仪进行CO、NOx、HC分析，计算出

对应的瞬时排放速率。车载气体排放分析仪内部集成了测量CO和CO2的不分光红外分析仪(NDIR)、测量NOx的不分光紫外分析仪(NDUV)和测量HC的加热型氢火焰离子化分析仪(HFID)[5-6]；同时温湿度计和GPS分别被安装到测试车辆上，用来测量环境空气的温度、湿度以及测试车辆的行驶速度，并将采集到的数据传递给车载气体排放分析仪；控制电脑通过无线网络与车载气体排放分析仪进行通信，进行系统的调零、标定和监控，并可以将测试数据上传到控制电脑并转化为EXCEL文件输出。

1.2 测试车辆

本研究选用的测试车辆为一款深圳市示范推广的混合动力轿车，1.0 L排量的发动机额定功率为50 kW，驱动电机最大功率为37 kW；测试对比车辆选择一款面市时间相同、市场保有量大、驱动功率相当、车身尺寸接近的同级别汽油发动机轿车，1.6 L排量的发动机额定功率为82 kW。测试车辆的具体参数见表1。

表1 测试车辆的具体参数

1.3 试验方法

本研究的试验方法采用道路工况法进行车辆实际行驶工况下尾气排放测试，试验城市主干道选择深圳市最为著名的深南大道，该干道为深圳市早期建设的交通主干道，车辆繁忙，且横贯深圳市区中心地带的南山区、福田区和罗湖区，是深圳市中心区域的重要交通主干道。具体试验路线西起深南沙河立交，东止上步路，全长约15 km。为了减少外界因素对测试数据的影响，测试过程中采用同一司机驾驶车辆以减少人为操作差异的影响，在相同的非高峰通行时段进行测试以减少交通流量差异的影响，采用固定的道路起始点进行测试以避免道路工况差异的影响。

2 试验结果与分析

2.1 测试车辆在城市主干道行驶工况下的速度和CO、NOx、HC瞬时排放速率分析

试验过程中对测试车辆进行了城市主干道行驶工况下的尾气排放测试，混合动力轿车(F3DM)选择混合动力驱动模式，利用包括GPS、废气流量计、车载排放分析仪在内的车载排放测试系统采集了测试车辆包括速度(v)和CO、NOx、HC排放等在内的数据，并计算出其相应的瞬时排放速率，其结果见图2。

由图2可以看出：测试车辆的CO、NOx、HC瞬时排放高峰值主要出现在速度上升阶段(加速过程)，而在减速阶段和怠速阶段相对较低，国内外相关研究也表明加速阶段的CO、NOx和HC排放量占道路工况下总排放量的比重较大[7-11]；混合动力轿车的CO瞬时排放速率峰值主要分布在0.2～0.6 g/s区间内，远远高出汽油轿车(其峰值主要分布在0.2 g/s以下)，且CO瞬时排放速率峰值出现频繁；混合动力轿车的HC瞬时排放速率峰值主要分布在0.005～0.040 g/s区间内，也相对超出汽油轿车(其峰值基本都在0.005 g/s以下)；但是汽油轿车的NOx瞬时排放速率峰值主要分布在0.004～0.032 g/s区间内，明显高于混合动力轿车(其峰值基本都在0.004 g/s以下)。

分析原因认为：CO是燃料不完全燃烧的产物，空燃比对CO排放的影响最大，起步和加速阶段发动机燃烧室内的可燃混合气偏浓，导致严重的不完全燃烧会使得CO排放出现峰值；HC排放主要来自于内燃机中未燃烧和不完全燃烧的燃料，空燃比过低或过高都会导致HC排放量的增加，在起步和加速阶段会有部分燃料直接排出发动机外，HC排放明显偏高；内燃机中排放的氮氧化物中的主要成分为NO，其比例超过90%以上[12]，NO的生成主要与燃烧室内的温度有关，温度升高时NO的生成量会随之迅速增加，加速工况的高负荷也会使发动机燃烧室温度上升，从而导致NOx排放的增加。

2.2 测试车辆在城市主干道行驶工况下的排放特征分析

2.2.1 速度特征

对测试数据进行区间统计，以速度5 km/h为间隔，将数据划分为怠速(速度为0)，(0，5]，(5,10],…,(60，65]，>65共15个区间，并以Q0，Q1,…，Q14表示，求取区间内的CO、NOx、HC的排放速率(即单位时间内的排放量，g/s)和排放因子(即单位里程内的排放量，g/km)，混合动力轿车和汽油轿车在城市主干道行驶工况下CO、NOx、HC排放的速率特征经过统计整理后见图3。

由图3(a)可见，汽油轿车的CO排放速率在低速区间相对较高，而中高速区间相对较低，这主要是由于起步阶段的大脚油门和可能的发动机冷机状态导致，随着车速的上升，汽油轿车的CO排放因子逐渐下降，这说明提高城市主干道的通行速度有助于降低CO排放量；混合动力轿车由于在行驶速度超过50 km/h时发动机突然起动介入工作，而驱动功率较大时驱动电机可以起到功率分担作用，因而并不像汽油轿车那样具有明显随车速上升而排放下降的规律，其起动-停止控制模式减少了发动机排放CO的时间，但是再起动阶段的CO排放峰值更加频繁而且恶劣，所以CO排放整体没有明显改善。

由图3(b)可见，汽油轿车的NOx排放速率在所有速度区间都高于混合动力轿车，这是因为速度低于50 km/h时，混合动力轿车处于纯电动驱动状态，没有NOx排放。在城市主干道行驶时，红绿灯较多，使得红灯停车后车辆起动并加速到50 km/h以上需要一定的时间，因而混合动力轿车整体上发动机工作时间较少，导致发动机温度相对较低，而NOx排放主要与发动机燃烧室的温度有关，因而混合动力轿车较低的温度和较少的工作时间，使得其NOx排放速率与排放因子都远远低于汽油轿车。

由图3(c)可见，测试车辆的HC排放在规律上与CO排放相似：汽油轿车的HC排放因子随着车速的上升逐渐下降，这说明提高城市主干道的通行速度也有助于降低HC排放；混合动力轿车的HC排放因子也不如汽油汽车那样具有明显随车速上升而排放量下降的规律，这是由于发动机停机后可能导致冷机再起动，以及发动机介入工作后与驱动电机匹配的复杂性，混合动力轿车在多数发动机工作区间的排放速率和排放因子都高于汽油轿车，但两者在HC排放速率上的差值明显小于在CO排放速率上的差值。

2.2.2 比功率特征

机动车比功率(Vehicle Specific Power,VSP)最早应用于遥测数据的分析中，后来经进一步地完善并得到广泛的应用[13]。机动车比功率(PVSP)定义为瞬态的机动车输出功率与机动车质量的比值(单位为kW/t)，其综合考虑了速度、加速度、坡度以及风阻等参数的影响，其最终简化后的计算公式为

PVSP=v[1.1a+9.81(atan(sinθ))+0.132]+0.000 302v3

(1)

式中：v为机动车车速(m/s)；a为机动车加速度(m/s2)；θ为道路坡度(rad)。

对测试数据进行分析，计算出对应的机动车比功率，并进行区间统计，以3 kW/t为间隔，将数据划分为<-10，[-10，-7)，[-7，-4)，[-4，-1)，[-1，1]，(1，4]，(4，7]，(7，10]，>10共9个区间，并以N4，…，N1，Z，P1，…，P4表示，求取区间内的CO、NOx、HC的排放速率(g/s)和排放因子(g/km)，混合动力轿车和汽油轿车在城市主干道行驶工况下CO、NOx、HC排放的比功率特性经过统计整理后见图4。

由图4(a)可见，在机动车比功率为正值时，CO排放速率都随着比功率上升而增加，混合动力轿车CO排放速率增加得更为迅速，这可能是由于混合动力轿车为小排量发动机、更大的整车质量以及发动机和电机驱动匹配控制的复杂性所致；在机动车比功率为负值时，意味着车辆处于减速阶段，汽油轿车的CO排放速率相对稳定，而混合动力轿车的排放速率并不平稳，在N4区间数值较大。经过数据分析发现，在超车过程中大脚油门后的减速阶段，混合动力轿车的发动机CO排放转换到排放较低的减速状态有明显延迟，此时机动车比功率为负值而CO排放速率仍较高，这是因为测试的混合动力轿车采用起动-停止控制模式，试验数据表明车速超过50 km/h时发动机才起动参与工作，因而发动机应该不可能由油门踏板直接控制，而是需要采集油门踏板信号并经过控制模块进行逻辑结算后来决定发动机的工作状态，控制复杂性带来了发动机工作状态上的延迟。

由图4(b)可见，在机动车比功率为负值的区间内，测试车辆NOx排放基本稳定；在机动车比功率为正值的区间内，汽油轿车的NOx排放随着比功率的上升而迅速增加，这是由于比功率上升，汽油轿车发动机负荷增加，燃烧室燃烧加剧，温度迅速上升，导致NOx排放快速增加。而混合动力轿车在比功率增加时，由于驱动电机会在负荷很大时分担驱动功率，而且起动-停止控制模式频繁地进行使发动机停机冷却，因而发动机燃烧室温度在全路段整体偏低，导致NOx排放在整个比功率区间内偏低而且相对平稳。

由图4(c)可见，机动车比功率为正值时，混合动力轿车的HC排放速率在规律上与汽油轿车非常相似，都是随着比功率的增加而逐渐上升；机动车比功率为负值时，汽油轿车的HC排放速率相对稳定，而混合动力轿车的排放速率并不平稳，在N4区间数值较大，与CO排放情况类似。

此外，汽油轿车的CO和HC排放因子在Z区间都出现峰值，Z区间比功率接近于零，包含较多超低速的试验数据，这些数据计算出的单位里程排放值相对较大，最终导致这个区间出现峰值；混合动力轿车的排放数据对应的车速都在50 km/h以上，计算出的单位里程排放没有极高的数值，因而没有类似的峰值。

2.2.3 总排放因子特征

在整个测试期间内，汽油轿车全路段CO总排放因子为1.68 g/km，NOx总排放因子为0.17 g/km， HC总排放因子为0.10 g/km;混合动力轿车全路段NOx总排放因子为0.023 g/km，相当于汽油轿车的13.3%，HC总排放因子为0.052 g/km，大约为汽油轿车的52%，CO总排放因子为1.68 g/km，基本与汽油轿车持平。测试数据分析表明，采用起动-停止控制模式时，混合动力轿车的CO总排放因子没有明显改善，但NOx和HC两者的总排放因子都较汽油轿车有明显降低。

3 结 论

基于车载排放测试技术，对混合动力轿车和汽油轿车在城市主干道行驶工况下的尾气排放进行测试试验，并对比分析了测试车辆的排放特征，得到如下结论：

(1) 在城市主干道上，测试车辆的CO、NOx、HC瞬时排放速率峰值都出现在加速阶段，在减速和怠速阶段很少出现排放速率峰值。在整个测试路段，混合动力轿车的NOx总排放因子大幅度降低，HC总排放因子也明显降低，而CO总排放因子没有明显改善。

(2) 在全部速度区间下，混合动力轿车NOx排放速率和排放因子都低于汽油轿车，而混合动力轿车的CO和HC排放速率在发动机起动后的大多数速度区间内高于汽油轿车，CO排放速率的差值大幅度超出HC排放速率的差值。

(3) 在负比功率区间内，汽油轿车的CO、NOx和HC排放速率相对稳定，而混合动力轿车的CO和HC排放速率则并不平稳；在正比功率区间内，测试车辆的CO和HC排放速率都随着比功率的增加而逐渐上升，但是汽油轿车的NOx排放速率随比功率上升而快速增加，而混合动力轿车NOx排放速率基本保持不变；在比功率接近零的Z区间内，汽油轿车的CO和HC排放因子出现峰值。

[1] 李孟良，刘伏萍，陈燕涛，等.基于PEMS的混合动力客车排放和油耗性能评价[J].江苏大学学报，2006，27(1)：27-30.

[2] 李孟良，聂彦鑫，高继东，等.混合动力客车与常规客车排放对比研究[J].汽车工程，2010，32(3)：193-197.

[3] de Carvalho C A R,Lamas W Q.The use of hybrid vehicles as a proposal for reducing CO2emissions its contribution to reducing greenhouse gas emissions[J].ThermalEngineering,2009,8(1):7-11.

[4] Mckain D L,Clark N N,Balon T H,et al.Characterization of emissions from hybrid-electric and conventional transit buses[C]//SocietyofAutomotiveEngineering.SAE 2000 World Congress.Detroit,2000.

[5] 许建昌，李孟良，徐达，等.车载排放测试技术的研究综述[J].天津汽车，2006(3)：30-33.

[6] 王宏图，郝艳召，郝姗姗.机动车车载尾气检测技术研究综述[J].安全与环境工程，2012，19(2)：79-83.

[7] 宋国华，于雷，莫飞，等.混合动力车与传统汽油车的排放对比试验研究[J].汽车工程，2007，29(10)：865-869.

[8] Frey H C,Unal A,Rouphail N M,et al.On-road measurement of vehicle tailpipe emissions using a portable instrument[J].JournaloftheAir&WasteManagementAssociation,2003,53:992-1002.

[9] 黄成，陈长虹，景启国，等.重型柴油车实际道路排放与行驶工况的相关性研究[J].环境科学学报，2007，27(2)：177-184.

[10] 胡昌俊，高运川，许琳科，等.轻型汽车道路排放的车载实验研究[J].上海师范大学学报，2014，43(2)：210-214.

[11] 郭栋，赵韩涛，王晓原，等.实际道路运行工况下轻型车排放特征研究[J].北京理工大学学报，2013，33(12)：1279-1283.

[12] 刘巽俊.内燃机的排放与控制[M].北京：机械工业出版社，2003.

[13] Kuhns H D,Mazzoleni C,Moosmuller H,et al.Remote sensing of PM,NO,CO and HC emission factors for on-road gasoline and diesel engine vehicles in Las Vegas,NV[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2004,322:123-137.

Emission Research of a Hybrid Electric Car and a Gasoline Car on City Roads

SUN Longlin，HE Ping，HUANG Wenwei

(SchoolofAutomotiveandTransportation,ShenzhenPolytechnic,Shenzhen518055,China)

Based on the Portable Emission Measurement System(PEMS),this paper carries out emission experiments of a hybrid electric car and a gasoline car on city roads.Then the paper analyzes the emission characteristics of them.The study shows that the start-stop control mode on city roads shortens the engine’s operating time;the motor works together with the engine to reduce the engine peak load;and then the HC emission factor decreases by 48% as a result;the engine temperature is low,which reduces the NOxemission factor by 86.7%;when the engine starts after stopping,the ignitable mixture is thick,which leads to serious incomplete combustion;the CO emission factor doesn’t decrease obviously.

hybrid electric car;gasoline car;portable emission measurement system；tailpipe exhaust;comparative experiment

1671-1556(2015)04-0034-06

2014-12-30

2015-03-02

广东省自然科学基金项目(S2013010013931);深圳市科技创新委员会项目(JCYJ20120617140820889)

孙龙林(1977—)，男，硕士，讲师，主要从事机动车排放污染与控制方面的研究。E-mail:sunlonglin@szpt.edu.cn

X51；X734

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.006