混合动力系统特殊工况对NOx 排放的影响研究

宁廷会， 乔运乾， 贾艳艳， 李建东

（潍柴动力股份有限公司， 山东 潍坊 261061）

混合动力汽车通过合理的参数匹配、控制策略制定以及优化控制，使车辆在实际应用中不仅具有了传统内燃机汽车行驶里程远的特点，而且还具有纯电动汽车高效、清洁的优势，是目前汽车行业最具实际发展意义的新能源汽车。但发动机启停功能因停机时对后处理温度的影响使行业上担心会对车辆实时排放带来负面效果，同时在冷热态时的急加速工况是易产生高排放的特殊工况，因此探索混合动力技术对车辆排放的影响首先要对这些特殊工况进行评估。

本文借助项目开发资源支持，通过充分的试验对特殊工况的排放情况进行摸底，通过实际数据来验证热态急加速、冷态急加速及不同停机时长对后处理温度的变化及对排放物的影响。

1 试验方案设计

本文从发动机启停功能、热态急加速和冷态急加速3种特殊工况探索混合动力技术对排放的影响，为给出定量结论，需以传统车辆为对标基准，所以每种工况都需要有传统车的同步试验，且需保证试验条件的一致性。混合动力的启停工况对应传统车的怠速工况模式。

本文试验对象为8×4单轴并联混合动力重型商用车，因其具备传统的纯发动机模式，以此为对标数据。试验时调取发动机排温、高压系统状态、车辆系统状态、当前挡位、需求挡位、离合器需求位置、离合器实际位置、车速、加速踏板开度、离合器气压、制动开关状态、T15开关、T50开关、发动机需求扭矩和实际扭矩、电机需求扭矩和实际扭矩等重要变量，记录并保存。

1.1 停机&怠速工况试验对比

停机&怠速工况的试验均为热机状态下，试验初始条件为发动机水温≥75℃、SCR上游温度≥220℃。

车辆以传统发动机模式工作，发动机怠速1min，踩30%油门将SCR上游温度至≥220℃作为一组试验，若SCR上游温度降低不到220℃，试验结束。通过同样的方法进行不同油门下怠速时间分别为5min、10min、15min、20min、30min的试验。怠速工况试验项目详细工况见表1。

表1 怠速工况试验项目

进行停机工况试验时车辆为正常混动模式，发动机停机1min，踩30%油门将SCR上游温度至≥220℃作为一组试验，若SCR上游温度降低不到220℃，试验结束。通过同样的方法进行不同油门下停机时间分别为5min、10min、15min、20min、30min的试验。停机工况试验项目详细工况见表2。

表2 停机工况试验项目

1.2 热态急加速工况

该工况初始条件为发动机水温≥75℃、SCR上游温度≥220℃，踩油门至100%，分别进行发动机模式、混动模式的排放对比，试验项目见表3，记录并保存数据。

表3 热态急加速工况

1.3 冷态急加速工况

该工况初始条件为自然环境下的冷态，变油门逐步提升，记录温度和排放情况。同样，分别进行发动机模式、混动模式的排放对比。

2 试验验证

2.1 停机&怠速工况验证

在动力总成台架及道路上均进行了不同停机&怠速时长的温度变化和排放试验。图1、图2分别为道路试验空载和满载时不同怠速&停机时长的温度变化情况。

图1 道路空载怠速&停机温差对比

图2 道路满载怠速&停机温差对比

当再次以固定50%油门起动加速对整车进行加热，达到初始后处理温度（以SCR上游温度为参考） 混动模式所用时间比传统模式短，图3为满载时加速的升温时间对比。

图3 道路满载怠速&停机升温时长对比

在动力总成台架上进行不同时长、以不同油门再次起动升温的怠速&停机验证。图4～图6分别为再次起动油门50%，80%及100%不同怠速&停机时长的后处理温度随时间的变化曲线。

图4 怠速&停机温度变化 （50%油门）

图5 怠速&停机温度变化 （80%油门）

图6 怠速&停机温度变化 （100%油门）

通过数据可知，在当前热态试验条件下怠速或停机的温度都以某一速率下降，怠速25min后温度稳定在120℃附近。无论是道路试验还是台架试验在不同怠速&停机时长下都反映出停机温度下降比怠速慢趋势，因此停机有利于后处理保温。油门再次启动达到相同的后处理工作温度，停机工况所需时间明显短于怠速工况，时间提升20%～70%。

定义从初始温度怠速&停机一定时长，油门再次起动温度回升到初始温度值为一个完整循环。在整个循环工程中停机模式的总排放物比怠速模式低，通过图7～图9可知，停机模式的比排放同样优于怠速模式。

图7 50%油门开度总比排放

图8 80%油门开度总比排放

图9 100%油门开度总比排放

如果只看升温过程产生的排放物，排放量上停机工况明显低于怠速工况，但比排放并不一直低于怠速工况。具体数据可见图10～图12。

图10 50%油门开度升温比排放

图11 80%油门开度升温比排放

图12 100%油门开度升温比排放

综上所述，特定工况循环下混合动力的升温保温效果要明显好于柴油机，排放物总量和比排放明显低于柴油机。

2.2 热态急加速工况验证

图13为传统与混动模式扭矩分布对比。热态急加速工况下，通过图14可知混合模式因有电机助力，加速性好且升温速率也快。

图13 传统与混动模式扭矩分布

图14 急加速工况混动&传统模式对比

通过图15可知，在急加速过程发动机产生的NOx总量上混动模式比传统模式少0.7g，占总量的8%，两种模式的瞬态排放峰值相差不大。因为混动模式发动机的做工少，该模式下的NOx比排放比传统模式要高。

图15 急加速工况混动&传统模式对比

2.3 冷态急加速工况验证

如图16所示，冷态加速过程加速到相同温度时，在升到相同温度时混合动力比柴油机模式用时略长，两者做功基本相同，但排放物总量和比排放要明显高于传统模式。冷态加速混动模式&传统模式对比如图17所示。

图16 冷态加速模式对比

图17 冷态加速混动模式&传统模式对比

3 结论

1） 混合动力系统的停机模式相对于传统车的怠速对后处理系统的保温及排放都有改善。

2） 在低负荷工况混合动力系统用纯电动行驶，当提高负荷发动机再次介入时（传统模式为发动机一直工作），温度可较快速达到后处理工作温度。

本文为研究混合动力系统对排放的影响进行了试验探索，为充分发挥混合动力技术优势提供了数据支撑。