混合动力汽车实际道路行驶排放特性研究∗

禹文林，葛蕴珊，王 欣，彭子航，王学智，尹 航

(1.北京理工大学机械与车辆学院，北京 100081；2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081；3.青海省高原科技发展有限公司，西宁 810006；4.中国环境科学研究院，北京 100012)

前言

随着汽车保有量的不断增加，汽车工业已经逐步发展成为我国实体经济的支柱产业。汽车在提供便利的同时也造成了巨大的环境污染，不断加严排放法规和使用清洁能源是减少汽车污染物排放的有效手段。考虑到纯电动汽车续驶里程短和充电难的问题，混合动力技术将是一个很好的过渡。

实验室标准测试循环只能反映汽车在特定工况的排放水平，通过标准测试循环得到的污染物排放和实际道路排放存在较大差别[1-3]。最新发布的国六法规中引入实际道路排放(real driving emission，RDE)测试，通过使用车载便携式排放测试设备(portable emission measurement system，PEMS)对车辆在实际道路行驶条件下进行排放测试[4]。混合动力汽油车的实际道路排放与传统燃料汽车的实际道路排放也存在差别[5]。目前对混合动力汽车的实际道路行驶排放研究较少，本文中选择了3辆混合动力汽油车和同排量的3辆汽油车进行RDE试验，采用CO2移动平均窗口法分析汽油车的污染物排放，采用算术平均法、CO2移动平均窗口法和插电混合动力(off-vehicle charging hybrid electric vehicle，OVCHEV)车辆RDE计算方法分析混合动力汽油车的污染物排放[4]。

1 试验方案

RDE试验是一个多变量的试验过程，当试验条件发生改变时结果也会发生改变，影响测试结果的因素如下:①环境因素:大气温度、湿度和风速；②交通:流畅或拥堵；③路况:路面平整性，有无陡坡；④驾驶员驾驶行为:激进或柔和。

RDE试验流程一般分为5步:①试验车辆和PEMS设备挑选；②试验车辆WLTC工况测试；③实验路线规划；④R DE路试；⑤污染物排放因子计算。

1.1 试验车辆

参加试验的6辆车，分别编为1号车、2号车、3号车、4号车、5号车和6号车，其技术参数如表1所示。

表1 试验车辆主要技术参数

混合动力汽车通过加速踏板和电池荷电状态来控制动力的输出模式，一般有3种动力输出模式:发动机独立工作模式、电动机独立工作模式和发动机与电动机同时工作模式[6-8]。通过不同工作模式的切换使车辆在行驶过程中获得最佳的燃油经济性和排放特性。

1.2 测试设备

本次RDE试验选用Horiba OBS-ONE车载排放分析仪对汽车尾气进行采样分析，分析仪包含气态污染物测量和颗粒物测量(PN)两大模块，在试验过程中能够对汽车的CO，CO2，NOx(NO和NO2)和颗粒物数量(PN)排放进行瞬态测试。测试设备如表2所示，设备安装如图1所示。

表2 测试设备组件与功能

图1 设备安装示意图

1.3 试验车辆

试验在北京市进行，试验路线按表3所示的法规要求设计[4]。

表3 RDE路试条件

在行驶过程中，市郊工况可被市区工况打断，高速工况可被市区工况和市郊工况打断。

按照上述要求，经过不断尝试后挑选路线如下。

市区路段:博兴六路 兴海路 博兴路 荣昌西街荣昌东街 永昌中路 永昌北路 荣京东街 荣京西街 凉水河一街 博兴路。

市郊路段:博兴路 太和桥 六环高速 马驹桥京津高速。

高速路段:京津高速 德仁务高速出口 京津高速 徐庄桥。

2 数据处理

RDE试验过程中测试设备会记录车辆行驶过程中污染物浓度、排气流量和车速等相关瞬态数据。本文中主要研究混合动力车辆的实际道路行驶污染物排放，关于汽油车的数据处理过程不再详述，直接给出其污染物排放结果以对比分析混合动力车辆的污染物排放。

2.1 计算瞬时污染物排放

(1)数据对齐:利用反向移位的方法使污染物浓度、排气流量和车速实现数据对齐。

(2)剔除冷起动数据:按照RDE法规要求，剔除发动机起动后5min内冷却液温度未达到70℃时的数据。

(3)剔除发动机熄火数据:剔除排气质量流量小于3kg/h或排气流量率测量值小于怠速稳定排气流量率15%时的数据。

(4)利用式(1)和式(2)计算 CO，CO2，NOx和PN的瞬时质量和数量排放(g/s或#/s)。

式中:mgas，i为排气污染物“gas”质量排放率，g/s；pgas，i为排气污染物“gas”的密度，kg/m3； pgas，e为排气污染物的密度，kg/m3；cgas，i为排气中测得排气污染物“gas”的浓度，10-6； qmew，i为排气质量流量，kg/s；gas为相应的污染物；i为测量值编号。

式中:mPN，i为颗粒物瞬态数量排放率，#/s，#代表个；cPN，i为修正到 0℃的颗粒物数量浓度，#/m3； pe为 0℃排气密度，kg/m3； qmew，i为排气质量流量，kg/s。

2.2 算术平均法计算污染物排放因子

在2.1节中已得到车辆的瞬时污染物排放量(g/s或#/s)，把瞬时污染物排放进行累加得到总的污染物排放量，然后除以车辆在试验时的行驶里程即可得到污染物排放因子:

式中:j为污染物的种类(CO，CO2，NOx和 PN)；m为污染物的瞬时排放；S为行驶里程；M为污染物排放因子，mg/km或#/km。

2.3 CO2移动平均窗口法计算污染物排放因子

CO2移动平均窗口法是把试验结果划分为不同窗口然后进行排放计算。

2.3.1 窗口划分

以车辆在Ⅰ型试验(WLTC循环)中CO2总排放量的一半(MCO2ref)作为窗口的划分依据，从第1s的CO2质量开始累加，直到 CO2累加质量(第 i s)≥MCO2ref为止，则从第1s到第 i s为第1个 CO2窗口。然后从第2s开始累加CO2质量，直到CO2累加质量≥MCO2ref为止，此为第2个CO2窗口，以此类推，将得到的瞬时数据划分为不同的CO2窗口。

2.3.2 工况划分和污染物排放率计算

计算每个窗口的平均车速，按照窗口的平均车速小于45km/h、大于45km/h且小于80km/h和大于80km/m的原则把窗口划分为市区窗口、市郊窗口和高速窗口，并计算车辆在市区、市郊和高速段的污染物(CO，CO2，NOx和PN)加权质量排放率，然后用式(4)和式(5)计算总行程各污染物的排放因子(mg/km或#/km)。

式中:gas表示 CO，CO2和 NOx；M 为质量排放率；u代表urban，市区工况；r代表rural，市郊工况；m代表motorway，高速工况；fu，fr和fm分别为 0.34，0.33 和0.33。

式中PN为颗粒物数量排放。

2.4 OVC-HEV车辆RDE排放计算

本文中采用OVC-HEV车辆RDE排放计算方法对3辆混合动力汽车进行排放计算:

式中:Mt为整个行程中气体污染物或颗粒物比排放量，mg/km或#/km；mt为整个行程中的气体污染物质量或颗粒物排放数量(g或#)；mt，CO2为整个行程中 CO2的排放总量，g；MWLTC，CO2为 WLTC 循环中，电量保持模式下CO2的比排放，g/km。

3 结果分析

3.1 试验车辆行驶特征参数

6辆车的RDE试验行驶特征参数都满足RDE法规测试要求，如表4所示。

表4 试验车辆行驶特征参数

3.2 混合动力车辆完整性和正常性校验

在试验获得的CO2窗口中，当市区、市郊和高速窗口数量达到总窗口数量的15%以上时，试验车辆完整性通过测试。当市区、市郊和高速窗口至少有50%落在特性曲线所定义的基本公差范围内时，试验车辆正常性通过。如果不满足上述规定的50%的最小要求，可以按1%的步长增加基本公差值，直到满足50%窗口要求。但最终不可以超过二次公差带。表5为3辆混合动力车辆的窗口校验。表中“完整性”行中的数量表示各类型道路的窗口总数；而“正常性”行中的数量则表示各类型道路窗口中满足“特性曲线公差带”要求的窗口数量。对应百分比的含义自明。由表可见，3辆混合动力车辆的完整性和正常性都通过验证，试验顺利通过。

图2为3辆混合动力试验车的CO2特性曲线，图中P1，P2，P3点横坐标为1号车、3号车、5号车的WLTC循环低速段、高速段、超高速段的平均速度，纵坐标为平均速度对应CO2排放因子的1.2倍、1.1倍、1.05倍，1号车和3号车的CO2特性曲线完全落在二次公差带以内，5号车市郊、高速的CO2特性曲线完全落在二次公差带以内，市区部分的CO2特性曲线较少部分超出二次公差带，满足RDE法规要求。

表5 窗口正常性和完整性校验

图2 混合动力车辆CO2特性曲线

3.3 试验车辆市区、市郊、高速污染物排放分析

在RDE试验之前，所有的车辆都进行了WLTC整车排放试验，图3给出6辆试验车的WLTC工况循环和RDE试验的全程、市区、市郊和高速的CO，NOx和PN排放因子。3辆混合动力车辆的CO，NOx和PN的平均排放因子分别为168.56mg/km，10mg/km和1.29×1012#/km，3辆汽油车的CO，NOx和PN的平均排放因子分别为385.17mg/km，18.49mg/km和2.35×1011#/km。混合动力车辆的CO和NOx排放比汽油车低56.24%和45.91%，混合动力车辆的PN排放比汽油车高4.49倍。

RDE试验过程中记录，3号车在市郊路段车辆较多，需要不断加速超车满足法规速度要求，工况变化剧烈。3号车在市郊路段的PN排放很高，对其PN排放因子贡献较大，当对比3号车(MPI-hybrid)和6号车(GDI-gasoline)的PN排放时发现3号车的PN排放较高。

图3 试验车辆污染物排放结果对比

表6 不同权重系数下的污染物排放因子

试验后发现，2号车、3号车、5号车和6号车在市区、市郊和高速的里程占比接近34%，33%和33%，而1号车和4号车在各段的里程占比为31.5%，31.5%，37%和31.9%，36.2%，31.9%(都满足法规要求)。表6为采用不同加权系数计算得到试验污染物的结果，法规所对应的加权系数为fu，fr和fm分别等于0.34，0.33和0.33，实际所对应的加权系数fu，fr和fm分别等于试验车辆的各段里程占比。由表6可见，在试验条件都满足法规要求的前提下，各段里程占比偏差越大，按法规要求计算得到的污染物偏差也越大。

表7为试验车辆CO2排放因子结果。由表可见，混合动力车辆CO2排放都低于同排量汽油车的CO2排放，混合动力车辆的燃油消耗比汽油车低。

表7 试验车辆CO2排放因子

3.4 3种方法计算混合动力车辆污染物排放因子

采用3种不同的数据处理方法对混合动力车辆RDE测试结果进行排放因子计算，其结果如表8所示。表中方法a代表算术平均法，方法b代表CO2移动平均窗口法，方法c代表OVC-HEV车辆RDE排放计算法。

由表7可见，3种计算方法得到的污染物排放因子大小并没有明显的规律，例如由a，b，c 3种计算方法得到的5号车NOx排放因子分别为4.25，4.36和 4.96mg/km，结果相差不大，但由 a，b，c 3 种计算方法得到的1号车 NOx排放因子分别为14.67，22.06和13.38mg/km，结果相差很大。

表8 混合动力车辆污染物排放因子

算术平均法计算得到的污染物排放因子能反映车辆在试验过程中的整体排放水平，但忽略了局部的排放；CO2移动平均窗口法以试验车辆WLTC的CO2排放总量的一半为基础划分窗口，依据窗口的平均车速把整个试验划分为市区、市郊、高速3部分，然后计算各段和全程的污染物排放因子，能反映出车辆在试验过程中的整体和局部的排放水平；OVC-HEV车辆RDE排放计算法是依据试验车辆WLTC的CO2排放因子、车辆试验过程所产生的污染物排放总量和CO2排放总量来计算污染物排放因子。基于车辆CO2排放计算试验全程污染物排放因子，反映车辆的整体排放水平。CO2移动平均窗口法和OVC-HEV车辆RDE排放计算法相比算术平均法的优势在于把车辆的实际道路排放和实验室工况循环排放相结合，提升了标准工况循环制定的实际意义，但车辆在实验室工况循环的CO2排放水平对实际道路的污染物排放计算影响较大。

3.5 污染物瞬时排放特性分析

以5号车和6号车为例，分析试验过程中车辆瞬时车速和发动机转速分布。表9和表10分别为5号车和6号车的车速和发动机转速分布。

表9 5号车的车速和发动机转速分布 %

由表9可见，5号车发动机转速在[0，2 000]的统计比例为82.20%，[2 000，3 000]的统计比例为17.29%，[3 000，5 000]的统计比例为 0.45%，且当车速大于60km/h时，发动机转速落在[0，2 000]的统计比例为25.20%，说明车辆在行驶过程中的大部分工况依靠纯电机或电机和发动机同时工作为车辆提供动力输出，很少有发动机单独工作的工况，以此来达到较好的燃油经济性和污染物排放特性。

表10 6号车的车速和发动机转速分布 %

由表9和表10可见，6号车发动机转速和汽车车速高低对应。当车速大于60km/h后，5号车发动机转速低于1 000r/min的统计比例为9.19%，6号车发动机转速低于1 000r/min的统计比例为0.08%，混合动力汽车有电辅助动力输出，在较高的车速下也可能对应较低的发动机转速。

为研究混合动力车辆的瞬时污染物排放特性，截取5号车的部分速度片段进行分析，所选速度片段由市区、市郊和高速工况组成，图4为所选片段的污染物瞬时排放随加速度和节气门开度的变化曲线。

图4 5号车污染物瞬时排放与加速度、节气门开度关系

图4 中a点CO出现瞬时排放峰值176.89mg/s，对CO排放因子的计算贡献很大，其对应时刻的加速度为1.92m/s2，节气门开度为55.30%，此时车辆处于较大负荷和急加速工况。由图可见，CO的瞬时排放与加速度和节气门开度并无较为明显的跟随关系。

但是，NOx排放和PN排放与节气门开度有很好的跟随关系，当车辆负荷加大而发动机节气门开度增大时，NOx和PN的瞬时排放增加，且PN排放表现更为明显。由图可见，NOx和PN的排放峰值出现在节气门突然增大的瞬间，即使后面节气门依然保持很大的开度，车辆NOx和PN排放也很低。出现这种情况的主要原因是发动机在加速的瞬间使用浓混合气，空燃比严重偏离了理论空燃比，三元催化转化效率变低，导致排放急剧升高，此工况下的污染物瞬时排放对排放因子的计算贡献很大。

图4中区间d所对应的时间段内，车辆处于频繁的加、减速工况，发动机不断地切换熄火和点火状态，PN呈现出明显的低谷和峰值排放。图中b，c两段时间内节气门几乎全闭，发动机处于熄火状态，由电机驱动车辆前行，此时的CO，NOx和PN排放都为零。

4 关于RDE法规的思考和建议

4.1 关于RDE法规的思考

(1)混合动力汽车的RDE试验设计与传统燃料汽车RDE试验基本相同，法规没有建立一套完整的混合动力汽车RDE试验体系。

(2)混合动力车辆的RDE数据处理方法得到的车辆实际道路排放信息较少。

(3)没有针对RDE测试的试验路线，低速、中速、高速的里程占比允许偏差为±10%，当偏差较大时权重因子fu，fr和fm依然采用0.34，0.33和0.33，污染物计算结果不能真实反映车辆的实际道路排放。

4.2 关于RDE法规的建议

(1)开展混合动力汽车的RDE试验，收集分析混合动力汽车的RDE试验数据，提出一套针对混合动力汽车的RDE试验方案。

(2)建议针对混合动力车辆RDE试验数据处理时兼顾CO2移动平均窗口法。

(3)设计专门用于RDE测试的试验路线或试验场，低速、中速、高速的行驶里程占比允许偏差需要严格控制。

5 结论

(1)参加试验的混合动力车辆相比同排量的汽油车具有排放和燃油消耗优势，排放优势主要表现在CO和NOx排放比汽油车低56.24%和45.91%，但PN排放比汽油车高4.49倍。

(2)当混合动力车辆处于较大负荷和急剧加速工况时易出现CO排放峰值，负荷突然增大的瞬间出现NOx和PN排放峰值，此工况下的NOx和PN瞬时排放对排放因子的计算贡献最大，应给予重点关注。