CNG-电混动公交车道路行驶工况与排放特性研究

丁健峰　朱孟良　崔焕星　李颖　杜骞

摘要：CNG-电公交车以天然气作为发动机燃料，辅以电机共同驱动的混合动力车辆，车辆行驶速度低、启动频繁等特性，发动机实际运行工况与型式检验工况具有较大差异。为研究其实际行驶工况与排放特性，选取4辆国V排放标准的CNG-电混合动力公交车，往返于市区与城郊，使用PEMS（portable emission measurement system）实时收集车辆行驶及NOX排放数据。结果表明，发动机运行工况集中于中低功率段，与型式检验工况差异较大，污染物排放集中于发动机切入车辆传动系统的临界车速附近。

Abstract： CNG-electric bus uses natural gas as engine fuel， supplemented by a hybrid vehicle driven by motor. Due to the low speed and frequent starting， the actual operating condition of the engine is quite different from the type test condition. In order to study its actual driving emission characteristics， 4 CNG-electric hybrid buses with national V emission standard were selected to travel between urban and suburban areas， and real-time data of driving and NOX emission were collected using PEMS （portable emission measurement system）. The results show that the operating condition of the engine is concentrated in the middle and low power segment， which is different from the type test condition.

關键词：混合动力;公交车;PEMS;排放特性

Key words： hybrid power;city bus;PEMS;emission characteristics

0  引言

公交车辆的行驶区域具有近人群特性，其发动机污染物排放对人体健康的影响更为直接。CNG-电混合动力公交车具有排放低、噪声小、能耗低等优点[1][2]，在我国不断推进节能减排、强化机动车污染物排放管控的形势下，越发受到市政、生产企业青睐。

混合动力公交车发动机的运行工况有别与传统燃料发动机的车辆，目前对这类车辆发动机运行工况特点研究成果偏少[3]，针对CNG-电混合动力公交车的实际行驶工况及排放特性更为匮乏。本研究以4辆满足国V排放标准的CNG-电混合动力公交车为研究对象，基于PEMS研究其实际行驶运行工况及污染物排放特性，以期对公交车辆污染物排放监管提供参考。

1  测试方案

1.1 测试车辆

受试车辆为插电式CNG-电混合动力国V城市公交车辆，主要技术参数如表1所示。

为确保受试车辆车况正常，试验前对车辆进行正常维护保养，通过专用设备查验OBD信息，确保发动机及排放控制装置正常工作。

1.2 测试道路选择

试验道路选取2条公交运营线路，每条线路各包含2辆车辆由不同驾驶人员驾驶。1号、2号车辆运营试验道路1，穿过较为拥挤的泉城广场、趵突泉等市区拥堵路线至市郊，共28个站点，3号、4号车辆运营试验道路2，包含市区、市郊两种道路条件，共35个站点，如图1所示。

1.3 测试设备

测试设备包含发电机组、流量计、环境温湿度传感器、分析仪（SEMTECH-DS）及各种配件[4]。流量计与车辆排气管连接获得排放流量，并将排气导向分析仪，OBD信息读取设备实时记录发动机的转速、扭矩等运行参数，环境温湿度传感器测量实施的环境温度和湿度，GPS记录车辆行驶速度，发电机组为测试系统提供动力，测试设备安装如图2所示。

2  车辆运行测试结果分析

测试共采集19662条实时数据，公交车在测试过程中正常停靠公交站，以贴合其实际行驶工况，但因测试前已按照车辆载重的50%进行加载，并未上下乘客。

2.1 车辆运行道路条件

依据标准要求[5]，整车PEMS测试按照市区-市郊-高速的行驶顺序进行，城市车辆测试的运行道路功率的时间分配比例为70%市区道路和30%市郊道路。车辆在市区道路的行驶速度在0-50km/h之间，平均车速为15-30km/h，市郊道路以第一个出现超过55km/h的短行程为开始标识，车辆行驶速度不超过75km/h。以此对测试车辆运行道路划分如表2所示。

从实际道路来看，两条试验线路的市郊道路占比均超过30%，但就实际行驶情况来看，市郊道路占比及车辆平均行驶车速与标准要求相比，差异明显。

2.2 车辆运行工况

4辆测试公交的运行工况依据怠速（车速=0）、加速（加速度≥0.1m/s2）、匀速（非怠速，-0.1m/s2≤加速度≤0.1m/s2）、减速（加速度≤-0.1m/s2）进行分组[6]，与WHDC（world-wide harmonized heavy duty certification，全球统一重型发动机核准程序）工况数据库得出的工况分布特征[7]对比如图3所示。

由于城市道路交通情况复杂多变，公交车辆频繁启停等因素，与工况数据库相比，公交车运行中的加、减速工况占比较高，匀速及怠速工况占比低。加、减速工况中加速度介于-1m/s2至1m/s2的工况占比92.6%，集中于车速40km/h以下，占比87%。

3  发动机运行结果分析

CNG-电混合动力公交车在临界车速以下主要由电机驱动，进入临界车速以上后转换为发动机驱动，因此其发动机运行工况与污染物排放特性具有一定特殊性。

3.1 发动机运行工况

图4为4辆公交车行驶速度-车辆加速度-发动机功率分布散点图，车辆在行驶过程中，发动机一直维持在低功率运行，以保证空气压缩机等车辆辅助系统的正常工作，当车辆行驶速度达到临界车速20km/h左右，发动机开始正常工作，由于公交车辆平均车速较低，且频繁加减速，发动机转速及扭矩均集中于中低段，发动机正常工作过程中的转速百分比与扭矩百分比如图5所示。

其中，转速百分比=，%;n为发动机实际转速，rpm;nidle为发动机怠速，rpm;nrated发动机额定转速，rpm;扭矩百分比=，%;N為发动机实际扭矩，Nm;Nmax为发动机最大扭矩，Nm。

由此可以看出，发动机转速集中于额定转速40%以下，扭矩更是集中于最大扭矩20%以下。

发动机台架瞬态测试循环已由ETC调整为WHTC。WHTC的城市工况权重有所提高，能够更好地反映柴油公交道路工况特征[9-11]，但低速低负荷占比较混合动力公交车辆依然较低，WNTE（World-Harmonized Not-To-Exceed，发动机台架非标准循环）测试将发动机转速低于n30（WHTC包含怠速在内的所有转速频率累积的30%所对应的发动机转速），扭矩小于发动机最大扭矩30%的所有发动机负荷点剔除[12]，而CNG-电混合动力公交车配套发动机恰恰主要在此区域内运行。

3.2 发动机污染物排放

气态污染物排放测试结果与车辆行驶速度、发动机功率之间的关系如图6-图8所示，由图可以看出，污染物排放点集中于20-40km/h区域，与发动机切入传动系统的临界车速区域一致。

其中，NOX高排放区域为车辆高速行驶并需发动机大功率输出或车辆低速行驶且频繁加减速时。在车辆高速行驶发动机大功率输出导致缸内的过量空气系数降低，排气温度升高，而在车辆低速行驶频时，频繁加减速使得发动机负荷增大，缸内温度上升，利于NOX产生。

CO排放速率受车辆行驶速度的影响相较于发动机工况要小，高排放速率分布在怠速和车辆频繁加减速阶段，尤其是车辆加速行驶时。这是由于过量空气系数在公交车怠速及频繁加减速阶段较低，发动机缸内的氧气含量少，燃料燃烧不够充分，随着车速升高及平稳行驶，过量空气系数增大，燃料的燃烧条件逐渐改善改善，排放速率降低。

THC的高排放主要集中于车辆低速行驶时，特别是发动机大功率输出时，这是由于此时发动机内的混合燃烧气体的浓度较高，但燃烧不够充分，未完全燃烧的混合气随发动机排气一并排出，随着车辆行驶速度升高，发动机的转速升高，缸内的燃烧气体混合更加充分，利于充分燃烧，因而THC排放相对减少。

4  结论

①公交车辆的平均车速较低，且频繁加减速，车辆实际行驶过程中的排放测试难以达到标准中要求平均行驶速度，建议对公交车辆进行整车排放测试时适当提高市区道路占比，降低市郊道路的平均车速;

②发动机在CNG-电混动公交车辆行驶时，转速较低，车辆急加速需发动机输出较大功率，气态污染物排放升高趋势明显，型式检验工况尤其是WNTE对其代表性较差，建议降低测试区域的扭矩边界;

③CNG-电混动公交车的污染物排放集中于发动机切入车辆传动系统的临界车速附近，建议在测试过程中对该区域予以重点关注。

参考文献：

[1]尹兴林，刘红春.气电混合动力城市公交客车运行气耗研究[J].人民公交，2016（01）：67-69.

[2]Podnar D J，Kubesh J T ，Colucci C P.Development and Application of Advanced. Control Techniques to Heavy—Duty Natural Gas Engines[J].SAE 961984.

[3]彭美春，曾隆隆，张伟伦.LNG-电混合动力公交车发动机实际运行工况分析[J].车用发动机，2017（06）：36-42.

[4]Investigation into the Per-formance of an On-Board Emission Measurement System. Karl Oestergaard，Scott Porter. SAE2003-01-3746 .

[5]生态环境部.HJ857-2017 重型柴油车、气体燃料车排气污染物车载测量方法及技术研究[S].http：//kjs.mee.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqydywrwpfbz/201709/t20170921_422035.shtml.

[6]生态环境部.GB17691-2018 重型柴油车排气污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）[S].http：//kjs.mee.gov.cn/hjbhbz/bzwb/dqhjbh/dqydywrwpfbz/201807/t20180703_445995.shtml.

[7]ECE regulation NO.49 Revision 06. Uniform provisions concerning the measures to be taken against the emission of gaseous and particulate pollutants from compression-ignition engines and positive ignition engines for use in vehicles[S].2013.

[8][10]Specific engine performance and gaseous emissions characteristics of European test cycle and worldwide harmonized driving cycle for a heavy-duty diesel engine[J] . Cha-Lee Myung，Ahyun Ko，Juwon Kim，Kwanhee Choi，Sangil Kwon，Simsoo Park. Journal of Mechanical Science and Technology. 2013（12）.

[9]程建康，肖红军，刘小舫，张斌，郑巍.重型车用柴油机欧Ⅵ排放法规浅析[J].汽车科技，2016（03）：86-91.

[11]赵国斌，盖永田，耿帅，金灵，伍恒.WHSC/WHTC与ESC/ETC测试循环的试验比较与研究[J].汽车工程学报，2015，5（01）：29-34.

[12]解瀚光，张凡，李昂.北京Ⅵ阶段重型发动机排放测试方法及限值对比分析[J].北京汽车，2016（05）：31-34.

基金项目：国家重点研发计划—非道路移动源排放标准评估与重要标准研究（2016YFC0208004）。

作者简介：丁健峰（1990-），男，本科，从事发动机排放型式认证试验。