电量保持阶段增程器的排放与工作特性的试验研究

2021-06-09王长卉刘泽民李雁飞帅石金邵慧芳王银辉

汽车工程 2021年5期

王长卉，刘泽民，李雁飞，帅石金，邵慧芳，王银辉

（1.烟台大学机电汽车工程学院，烟台 264005；2.清华大学，汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084；3.雅富顿化工（苏州）有限公司，苏州 215000）

前言

汽车是大气污染物排放的主要来源，其中CO、NOx和PM排放量超过90%，HC排放量超过80%［1］。随着对环境保护和能源危机的关注，节能减排是当前汽车技术开发亟待解决的问题。

混合动力技术可以弥补纯电动车续驶里程短的缺陷，且能够满足油耗法规要求［3-4］。但其可能会导致部分污染物排放恶化。Huang等［4］对雷克萨斯NX200t、NX300h（混动版本）和埃尔法350与其混动版本进行了测试，结果表明混动版本车型的总碳氢（total hydrocarbon，THC）排放并未得到改善。钟庄敏［5］发现混合动力汽车CO排放比传统车更多。Yang等［6］的研究表明，混合动力车型PN排放远超传统内燃机车型，该结果与Thomas等［7］的研究一致。插电式混合动力技术被认为可能是进一步降低运输能耗和排放的一种选择而备受关注［8］。插电混合动力车可以分为增程式和混合式两种形式。虽然插电混合动力车能保持较长的电驱里程，但其在电量不足或功率需求较高的情况下，发动机仍然会介入工作。已有研究表明，在混合式插电混合动力车中，功率需求的突然增加会引发发动机的高能冷起动（high power cold starts）。加州空气资源委员会的研究表明高能冷起动会导致远超法规限值的氮氧化物（nitrogen oxides，NOx）排放［9］。Lijewski等［10］的研究表明，增程式混合动力车的HC和CO排放比混合式插电混合动力汽车更高。国六排放法规对PN提出了限制，因此有必要围绕插电式混合动力汽车的颗粒物排放特性展开进一步研究。

增程式混合动力汽车主要是通过增程器来解决电动车的里程焦虑问题，因此其对增程器的功率等性能参数要求会比传统混合动力车和燃油车大幅降低。Clemente等［11］研究了不同结构增程器，展示了增程器设计多样性的潜力。Borghi等［12］开发了专用于增程器的两缸发动机，它采用电动增压器、特殊的发动机转子元件等方式，减少热损。然而，新型增程器工作特性比其他混合动力车和燃油车发动机特性可能有较大差别，并对润滑油和后处理系统等设计提出一定挑战，因此需要进一步加深对增程式混合动力汽车工作特性的理解。

本文中在整车转鼓台架上对某款处于电量保持阶段的增程式混合动力车在WLTC循环工况的工作特性展开研究，通过耦合增程器转速、负荷、机油温度、冷却水温度和排气温度等参数来分析气体（HC、CO、NOx）排放和颗粒物排放，并基于发动机工作特性进一步解析该增程器的工况轨迹。

1 试验设备与方案

试验台架如图1所示。该系统主要由底盘测功机、HORIBA排放分析仪、DMS500、OBD数据记录仪和温度记录仪等设备组成。其中试验环境舱温度保持在25±2℃，相对湿度保持在25%左右，大气压力在101 kPa左右。通过HORIBA-MEXA-7200分析仪以1 Hz的采样频率获取NOx、THC、CO和CO2浓度以及尾气中氧含量。通过CO2、CO和HC等参数的实时测量值来计算空燃比；通过CAMBUSTION DMS 500获取颗粒物浓度和粒径分布；通过K型热电偶对增程器机油温度和排气温度进行监测，其机油温度监测点位于机油标尺末端，排气温度监测点位于排气尾管处；通过OBD数据记录仪实时获取增程器转速、负荷、进气歧管绝对压力和冷却水温度等数据。

图1 整车转鼓台架测试系统

测试车辆（满足我国正式上市国五排放标准）参数如表1所示。测试时，保证名义电量（仪表盘显示电量）在10%以下（增程器能在车辆启动时快速介入工作），同时车辆在室温条件下静置6 h以上，启动时机油温度和冷却水温与室温相同。所采用的测试循环为全球轻型车统一测试循环（WLTC）测试。

表1 车辆主要参数

2 结果讨论

图2 示出该车辆在WLTC循环下的气体和颗粒物排放、氧含量、空燃比、机油温度、排气温度以及通过OBD获取的增程器负荷、转速和冷却水温度等变化过程。通过图2（a）可以看出，随着循环的进行，增程器会多次启停（6次）。通过图2（b）可以看出，在温度上升阶段，冷却水的温升速率大于机油的温升速率，最终冷却水温度稳定在85℃左右，在增程器停机时，温度会出现一定的下降；机油温度最高可达120℃；排气最高温度可达570℃。以冷却水温度到达70℃作为暖机期的标准，传统（非增程式）混合动力车大约在400 s左右冷却水温达到70℃［13］，而该增程器在158 s时已经达到了70℃，展示了更快的暖机速度。这是由于该款车型增程器负荷率高，温升更快。该增程器峰值机油温度（120℃）也明显高于其他混合动力车传统模式（机油温度在95℃达到平衡）和混动模式（机油温度低于95℃）下的温度［14］，排气温度也远高于传统油电混合动力车（低于400℃）［13］。

通常认为，增程器主要是用于解决里程焦虑，因此发动机可以进一步小型化［12］，但是上述结果表明发动机小型化会使发动机机油和三效催化器的工作环境恶化，这也对增程器机油及催化器的开发提出新的挑战。

2.1 增程器排放特性研究

增程器的启停和负荷变化也导致了排放的剧烈变化。下面将分为气态污染物和颗粒物排放特性两部分进行解析。

2.1.1 气态污染物排放

增程器在首次启动（50 s左右）时，THC、CO和NOx排放均会产生一个浓度峰值（图2（d））。从图2（c）中也可以观察到每次启动时空燃比下降的现象，表明缸内存在混合气加浓和不完全燃烧等情况，同时，首次启动时排气温度过低（26℃左右），三效催化器未起燃，导致了气体排放浓度快速增加。

除增程器启动时的气体排放恶化外，在图2（d）中还可以观察到700~800 s时存在NOx排放峰值和1 500~1 800 s时存在CO排放峰值。结合图2（a）中相应时刻的负荷变化和图2（c）中氧含量及空燃比的变化，可以看到NOx排放峰值出现在增程器负荷从50%跃升到100%过程中，而此时缸内的混合气偏浓，能够满足NOx产生的条件（高温和富氧），因此负荷上升是缸内NOx生成的一个关键原因。1 500~1 800 s时的CO排放呈现台阶状上升：在1 550 s时，CO呈现逐渐增加而后保持稳定，在1 700 s时又大幅增加。该变化过程可以归因于增程器负荷和转速的同时变化。结合图2（a），可以发现增程器在1 550 s时转速逐渐从1 000增加到3 500 r∕min，负荷从50%上升至90%左右，这导致了CO的第一次增加。在1 700 s附近，车辆功率需求进一步增加，增程器转速和负荷进一步分别提高至4 425 r∕min和100%，而在此时，从图2（c）中可以看到，空燃比已经偏浓，进而造成了CO浓度的骤增。该阶段的CO浓度峰值是首次启动时的3倍以上。在此时间段，THC浓度变化的趋势与CO相同。

2.1.2 颗粒物排放

图2 （e）和图2（f）给出了增程式混合动力车在WLTC循环下的颗粒物浓度和粒径分布的变化规律。增程器首次启动（50 s左右）和随后的多次重启时，都会出现颗粒物浓度增加的现象，该结果与前人的研究结果一致［6］。

为进一步解析增程器启动时刻的颗粒物排放特征，图3给出启动时刻的颗粒物排放特性及其相应的边界条件（水温、机油温度和排气温度）。首次启动时产生的高浓度颗粒物排放主要由核态颗粒物（小于50 nm）组成，该阶段高浓度THC排放是核态颗粒物形成的直接原因。同时，在后续重启过程中，颗粒物呈现出积聚态比例逐渐增加、核态颗粒物比例逐渐减少的特征。从不同时刻的冷启动边界条件来看：首次启动冷却水温度在25℃左右，后续重启时冷却水温度在86~88℃之间；机油温度逐渐从25增加到102.7℃左右，而尾气温度则从28上升到405℃左右。因此不同启动时刻颗粒物粒径分布特征变化与冷却水温度相关性较弱，而与机油温度和排气温度（增程器工况）有关。增程器重启过程中，其转速由0快速提升至某一高转速运行，此过程中增程器自身由于惯性，振动幅度较大，随机油温度的升高，其黏度逐渐降低，而低黏度状态下机油飞溅进入缸内的可能性会远远大于机油处于高黏度的状态，因此机油参与燃烧可能是导致粒径增大的原因之一；此外，不同重启时刻排气温度的上升也意味着所对应的增程器缸内燃烧温度也逐渐升高。结合重启时浓混合气的形成和低含氧量的条件，会加快缸内燃料热裂解和脱氢反应生成初级碳烟粒子，通过团聚和吸附成为大粒径的积聚态颗粒物［15］。

图2 WLTC循环气体排放和PN排放变化曲线以及相关参数

图3 启动过程粒径变化与相应参数

在图2（e）中，除启动过程外，还有4个明显的颗粒物浓度峰值区域（A、B、C、D），且颗粒物粒径分布在5~1 000 nm之间，表明核态颗粒物与积聚态颗粒物都有较高的浓度。为进一步解析其形成原因，将该4个颗粒物浓度峰值出现区域进行放大，如图4所示。可以发现：A、B、C、D 4个阶段颗粒物峰值点均出现进气歧管压力降低和空燃比增大的现象，这可能是增程器出现了短暂断油或减油，导致混合气偏稀。一方面，这4个阶段的机油温度、排气温度和冷却水温都较高。高转速高负荷运行状态下减速，可以看到进气歧管绝对压力降低，如图4所示。缸内形成负压，从而油膜更易吸入缸内，参与缸内活动，导致PN排放增加；同时空燃比增加会导致固体颗粒物表面积区域浓度降低，促进硫酸盐成核［16］，从而引起核态PN排放的增加。因此，由于（1）增程器从高速高负荷下减速时，排气温度和冷却水温处于较高值，机油由于缸内外的传热过程导致蒸发进入缸内［17］，（2）在较高的机油温度下，机油黏度降低，机油蒸汽通过曲轴箱通风系统，进入发动机进气口［18］，（3）减速时形成的缸内负压，也会使机油蒸发更易进入缸内，（4）低黏度状态的机油飞溅进入缸内的可能性增大，而机油在缸内介入燃烧或随惯性运动直接排出，均会使积聚态PN排放增加。传统汽车中也发现制动过程会产生大量由机油诱导产生的颗粒物［19］，这进一步印证了机油是混合动力车减速时颗粒物的重要来源之一。通过图2中增程器首次启动与4个减速时颗粒物浓度峰值（A、B、C、D）对比，可以发现后者比前者大一个数量级。

通过对颗粒物排放的分析可知，增程器启停均会对颗粒物排放产生重要影响，颗粒物排放浓度与冷却水温度、机油温度和增程器启停工况密切相关。在增程器频繁启停的情况下，机油对颗粒物数量的贡献应予重视。

2.2 增程器工作特性

2.2.1 工况点分布特性

图5 为增程器在WLTC循环下转速负荷分布图。与传统的混合动力车，例如丰田Prius［20］的发动机工况点多分布在高效油耗区相比，该增程器工况点的分布呈现出较大的差异，且可以看出，增程器可能是按照一定轨迹工作。考虑到图5无法量化增程器工况点的频率分布，图6和图7分别给出了转速和负荷在WLTC循环内的分布，并与车速展开相关性分析。

由图6可见，增程器在运行时主要有4个高频次工作转速：2 250 r∕min（低转速）、2 400 r∕min（低转速）、3 500 r∕min（中转速）和4 425 r∕min左右（高转速）。车速在0-55 km∕h左右时，增程器在低转速区域运行；55-80 km∕h左右时，增程器主要处于一个瞬态转速由低转速区域向中转速区域过渡的时期，在此阶段增程器可能采取的是功率跟随策略；80-100 km∕h左右时，增程器会在中转速区域运行或处于中转速和高转速的过渡状态；当车速超过100 km∕h时增程器会运行在中转速或高转速的稳定转速区域。在这4个主要工作转速中，低转速区域工作频次最多，高转速区域最少。因为当车速达到100 km∕h以上增程器才有可能在高转速区域稳定工作。其他低频次转速可以认为是处于过渡工况或是其功率跟随策略下的增程器启动或运行。

与转速频次分布较为集中的特点相比，负荷分布在40%~100%之间，如图7所示。高频次负荷主要为45%、50%、62%、94%和100%，但是其他负荷率仍有较高的工作频次。同时可以看出，负荷的分布与车速的相关性并没有增程器转速与车速的相关性强。以94%负荷为例，其在车速130和50 km∕h的情况下均会出现。

图4 WLTC循环下4个明显PN峰值区域（A、B、C、D）局部放大示意图

图5 WLTC循环下转速负荷分布图

图6 WLTC循环下车速转速分布及相应频次

图7 WLTC循环下车速负荷分布及相应频次

2.2.2 工况点轨迹

从图5和图7均可以看出，增程器工况点呈现一定的轨迹分布。为解析该现象，图8给出了WLTC循环不同阶段时的增程器负荷和转速的运行状态以及各自的运行轨迹。在WLTC循环低速阶段（0-589 s），增程器在低转速低负荷工况下运行，没有明显的运行轨迹。中速阶段（590-1 022 s）、高速阶段（1 023-1 477 s）和超高速阶段（1 478-1 800 s），增程器会随车速的变化有一个明显的运行轨迹。

图8 WLTC不同阶段时负荷与转速的变化

在中速阶段，增程器处于低转速区域和低转速向中转速过渡区域，没有达到中转速的稳定工作区域，负荷覆盖高、低两个区域。从运行轨迹可以看出，在功率需求增加（整车加速）时，增程器通过同时提高转速和负荷的方式来提升功率输出，但是在功率需求降低（整车减速）时，增程器会先保持高负荷降速至低转速区，然后在低转速区降低负荷。

在高速阶段，增程器转速覆盖低、中两个转速区间，负荷率覆盖低负荷稳定工作区域和低负荷向高负荷过渡的瞬态区域，没有高负荷的稳定工作区域。功率需求增加时，增程器先同时提升转速和负荷，当转速达到中转速区域时转速固定，然后继续提升负荷以增加输出功率。当功率需求降低时，增程器以原路径返回。

在超高速阶段，增程器转速均覆盖全部工作区域。功率需求增加时，增程器一开始的轨迹与高速阶段一致。随着车辆功率需求的进一步增加，转速不变，负荷增加。当车速达到130 km∕h时，增程器的转速存在一个明显的阶跃（从3 500快速升至4 425 r∕min），通过此方式来增大输出功率，同时负荷率在高负荷区域也对应一个小幅上升（90%升至100%），这也是前文中CO浓度骤增的时刻。在功率需求下降时，增程器会先保持高负荷降速至低转速区，然后在低转速区降低负荷。