基于NEDC和WLTC工况循环的混合动力汽车排放特性研究

靖春胜 张铁臣 于镒隆

摘要 以一辆先进混合动力国Ⅴ汽油车为试验对象，研究混合动力汽车在NEDC循环与WLTC循环工况下的排放特性，以及混合动力汽车在各速度区间及各加速度区间下的排放差异。研究结果表明：WLTC循环使混合动力汽车CO和PN排放因子增大，HC和NOx排放因子降低;混合动力汽车在发动机冷启动阶段CO、HC和NOx的排放污染均较为严重，应做重点优化，高速度阶段内CO排放较高，PN排放主要集中在发动机频繁启停的工况段内，其余工况排放污染较低;随着速度的增加CO排放因子总体呈现增大的趋势，HC排放因子总体呈现减小的趋势，NOx和PN排放因子总体呈现先增大后减小的趋势;随着加速度的增加CO、NOx和PN排放因子总体呈现增大的趋势， HC排放因子总体呈现先增大后减小的趋势。

关 键 词 混合动力汽车;NEDC循环;WLTC循环;国Ⅵ;排放特性

Abstract Taking an advanced HEV gasoline vehicle as the test object， the emission characteristics of HEV under NEDC and WLTC cycles and the emission differences of HEV at different speeds and acceleration ranges were studied. The results show that WLTC cycle increases CO and PN emission factors of hybrid electric vehicles and decreases HC and NOx emission factors. The emission pollution of CO， HC and NOx of hybrid electric vehicles in engine cold start-up stage is serious and should be optimized. CO emission in high speed stage is higher， PN emission is mainly concentrated in engine frequent start-up and shut-down stage， and the emission pollution in other working conditions is lower. With the increase of acceleration， CO， NOx and PN emission factors generally show an increasing trend， HC emission factors generally show a decreasing trend， and NOx and PN emission factors generally show a trend of first increasing and then decreasing; with the increase of acceleration， CO， NOx and PN emission factors generally show an increasing trend， while HC emission factors generally show a “first increasing and then decreasing” trend.

Key words hybrid electric vehicle; NEDC cycle; WLTC cycle; country VI; emission characteristics

0 引言

随着工业化、城市化的不斷加快，人们对私人汽车的依赖程度越来越高，机动车的排放污染情况已越来越多地受到人们的关注[1]，大量研究结果表明，汽车尾气排放污染已经成为中国城市空气污染的主要污染来源，城市地区出现的空气污染已由“煤烟型”向“尾气型”转变，这是造成区域性光化学烟雾和灰霾污染的重要原因[2-3]。与此同时，日益严格的排放法规同样对机动车辆的排放水平提出了严格要求。据了解，广州、深圳、天津等省市纷纷宣布于2019年7月1日开始执行轻型汽车“国Ⅵ”排放标准[4];北京市生态环境局发布的《关于北京市实施第六阶段机动车排放标准的公告（征求意见稿）》显示，北京将自2019年7月1日起，重型燃气车以及公交及环卫行业重型柴油车须满足国Ⅵb阶段标准要求，自2020年1月1日起，轻型汽油车和其余行业重型柴油车须满足国Ⅵb阶段标准要求[5]。因此，开发新能源汽车和低排放汽车已迫在眉睫。而混合动力汽车具有燃油经济性高，尾气排放较低，能量利用率高等优点，能够较好地适应当前汽车市场的需求[6]。所以，本课题中针对混合动力汽车排放特性的研究显得尤其具有意义。

与轻型车国Ⅴ排放标准相比，轻型车国Ⅵ排放标准的污染物限值更低且加入对颗粒物数量（PN）的限值，Ⅰ型试验工况也由全球轻型车统一测试循环（Word-wide Harmonized Light Duty Test Cycle，WLTC）代替新欧洲测试循环（New European Driving Cycle，NEDC）[7]，因此，即将实施的国Ⅵ排放标准对未来混合动力汽车的开发提出了巨大的挑战。

目前国内对国Ⅵ、国Ⅴ标准的研究主要集中在污染物限值与试验工况的对比分析;WLTC循环对汽油机工作性能的影响等[8- 9]，而对于新型混合动力汽车NEDC循环与WLTC循环的对比分析和不同速度或加速度工况的排放特性研究还比较少。

本文以一辆先进混合动力国Ⅴ汽油车为试验对象，研究混合动力汽车在NEDC循环与WLTC循环下的排放特性，以及车辆在不同速度和不同加速度下的排放特性，为今后的国Ⅵ车及混合动力汽车的研究开发建立分析基础。

1 试验方案

1.1 试验样车与燃油

试验车辆为某品牌1.8 L国Ⅴ排放水平的HEV混合动力汽车，搭载直列四缸、水冷、自然吸气汽油机，其主要参数见表1。试验所用燃油为市售92号汽油。

1.2 试验工况

本次试验采用NEDC循环工况和WLTC循环工况对比测试，其中NEDC循环工况由市区工况ECE（780 s）和市郊工况EUDC（400 s）组成，共持续1 180 s;WLTC循环由低速段（Low），中速段（Medium），高速段（High）和超高速段（Extra High）4部分组成，持续时间共1 800 s，其中低速段持续时间589 s，中速段持续时间433 s，高速段的持续时间为455 s，超高速段的持续时间为323 s[10]。循环的主要参数见表2 。循环工况示意图如图1和图2所示。

1.3 试验设备

本课题中所用试验设备如表3所示。

1.4 试验方案

整车预处理后，置于环境舱（298 K，100 kPa）浸车8 h后在底盘测功机上对试验车辆进行排放循环测试（电量保持模式），测试整车动力系统的控制策略，油耗以及排放污染物。

通过NEDC、WLTC循环差异，综合分析整车在发动机工作模式下的性能及排放表现。

1.5 冷却水温控制

NEDC循环运行至市郊工况由于负荷增大，发动机热负荷较大，当运行至1 035 s时节温器开启，发动机出水温度迅速升高至83 ℃左右，并保持稳定，整车散热器将进水温度控制在25 ℃左右。

WLTC循环运行至中速阶段850 s时节温器开启，发动机出水温度迅速升高至83 ℃，进入大循环后发动机出水温度稳定在80～90 ℃，整车散热器将进水温度控制在20～40 ℃，保证了试验的顺利进行及试验结果的可靠性。

2 试验结果及分析

2.1 污染物循环排放因子

根据国六排放法规，轻型车排放试验主要采用排放因子来衡量车辆的排放污染情况，即混合动力车辆行驶单位距离的平均排放污染物的质量，其具体计算公式如下：

图5为混合动力汽车在NEDC循环和WLTC循环下的排放性能与国Ⅵb排放限值的对比分析，其中，CO排放因子：NEDC

2.2 污染物瞬态工况排放特性

图6为混合动力汽车NEDC循环的污染物瞬态累积排放，CO排放主要集中在冷启动及郊区工况段内;HC排放主要集中在冷启动阶段内;NOx排放在冷启动阶段增长迅速，随后缓慢增长;PN排放主要与发动机的工作状况有关，在发动机的启动工况PN排放增加明显。

图7为混合动力汽车WLTC循环的污染物瞬态累积排放，CO排放主要集中在中速段、高速段及超高速工况段内;HC排放主要集中在冷启动阶段内;NOx排放在冷启动阶段增长迅速，随后增长缓慢;PN排放因子在600～1 200 s时间段内增长最快，主要是发动机在此阶段内频繁启停所致。

综上所述，混合动力汽车在发动机冷启动阶段CO、HC和NOx的排放污染均较为严重，应做重点优化;高速度阶段内CO排放较高;PN排放主要集中在发动机频繁启停的工况段内，其余工况排放污染较低。

2.3 速度对排放特性的影响

瞬态排放累积图可反映混合动力汽车瞬态排放量的变化，但是不能明确展示具体工况要素（速度、加速度）对污染物排放量的影響[11]，所以将循环工况分成7个速度区间（不包含怠速）：（0，20]，（20，40]，（40，60]，（60，80]，（80，100]，（100，120]，（120，140]和6个加速度区间（不包含怠速）：（<-1），[-1，-0.5），[-0.5，0），（0，0.5]，（0.5，1]，（>1）进行分析研究，研究结果如下所示。

图8为混合动力汽车在不同速度区间下的CO排放情况，随着车辆速度的增加CO排放因子整体呈现增加趋势，主要原因为随着车辆速度的增加，发动机所需燃料量逐渐加大[12]，导致CO排放浓度增加，其中混合动力汽车在NEDC循环工况0～20 km/h的速度区间段内CO排放因子较高，主要是发动机冷启动阶段对CO排放影响较大所引起的;在20～40 km/h速度区间内，NEDC循环CO排放值很低，WLTC循环CO排放因子远大于NEDC循环;NEDC循环和WLTC循环CO排放因子均在最大速度区间内达到峰值。

图9为混合动力汽车在不同速度区间下的HC排放情况，NEDC循环和WLTC循环HC排放因子的最大值均在0～20 km/h速度区间内，主要是在发动机冷启动阶段内燃料燃烧不完全引起的，而0～20 km/h速度区间内NEDC循环的排放因子大于WLTC循环，因为NEDC循环的怠速工况较WLTC循环更多，故低速区间的行驶里程较小导致单位里程排放量变高[13];在20～60 km/h速度段内，WLTC循环的排放因子远大于NEDC循环;在速度大于60 km/h的工况段内，NEDC循环和WLTC循环的排放因子相差不多。

图10为混合动力汽车在不同速度区间下的NOx排放情况，其中NEDC循环在0～80 km/h区间段和WLTC循环在0～60 km/h区间段NOx排放因子均增大，主要原因在于随着速度的提升发动机负荷增大，排气温度上升导致NOx排放因子增大;NEDC循环在80～100 km/h区间段和WLTC循环在60～80 km/h区间段NOx排放因子均下降，主要原因为在该速度区间段内车辆的加速工况较多，混合气加浓导致氧气含量较少，NOx排放因子降低[14]。

图11为混合动力汽车在不同速度区间下的PN排放情况，随着速度的增加PN排放总体呈现先增大后减小的趋势，NEDC循环和WLTC循环PN排放主要集中在20～80 km/h区间段内，其中，NEDC循环和WLTC循环PN排放峰值均在40～60 km/h区间内。

2.4 加速度对排放的影响

图12为各个加速度区间段内CO的排放情况，由图可以看出随着加速度的增加CO排放因子总体呈现增大的趋势，这是由于加速度增加时发动机负荷增大，混合气加浓导致燃油燃烧不完全，所以CO排放因子增加[15];NEDC循环和WLTC循环CO排放峰值均在加速度大于1的间段内。

图13为各个加速度区间段内HC的排放情况，HC排放主要集中在加速阶段（加速度大于0），主要由于车辆在加速阶段内发动机负荷增加，混合气加浓燃油不完全燃烧所致，在车辆减速阶段内，HC排放因子较小且变化不大;NEDC循环和WLTC循环CO排放峰值均在（0，0.5]区间段内，结合图6和图7进行分析，可能是冷启动阶段HC排放过大所致。

图14为各个加速度区间段内HC的排放情况，NOx排放因子随着加速度的增加整体呈现先增大后减小的趋势;NEDC循环和WLTC循环的NOx排放峰值均在（0.5，1]区间段内，这可能是因为在加速度区间（0.5，1]内，发动机负荷较大排气温度较高所导致的;加速度小于0.5的区间内NEDC循环和WLTC循环的NOx排放因子相差不多，加速度大于0.5的区间内NEDC循环NOx排放因子大于WLTC循环。

图15为各个加速度区间段内PN的排放情况，由图可知，PN排放因子总体上随着加速度的升高而增大，这是由于车辆加速度增大，发动机负荷增大，喷油量加大燃油混合不均等因素造成的;NEDC循环和WLTC循环均在加速度区间（0.5，1]到达峰值;加速度大于1的区间内，PN排放因子降低。

3 结论

1）混合动力汽车NEDC循环和WLTC循环对应的HC、CO、NOx均满足国Ⅵb，PN超出限值，但满足现阶段（2020年7月1日前）过渡限值（6×1012 /km）。

2）CO排放因子：NEDC

3）混合动力汽车在发动机冷启动阶段CO、HC和NOx的排放污染均较为严重，应做重点优化;高速度阶段内CO排放较高;PN排放主要集中在发动机频繁启停的工况段内，其余工况排放污染较低。

4）随着速度的增加CO排放因子总体呈现增大的趋势，HC排放因子总体呈现减小的趋势，NOx和PN排放因子总体呈现先增大后减小的趋势。

5）随着加速度的增加CO、NOx和PN排放因子总体呈现增大的趋势，HC排放因子总体呈现先增大后减小的趋势。

参考文献：

[1]    李腾腾，秦孔建，方茂东，等.混合动力客车颗粒物排放特性的研究[J].汽车工程，2011，33（4）：309-313.

[2]    郝艳召，邓顺熙，邱兆文，等.机动车非尾气颗粒物排放研究[J].汽车工程，2015，37（2）：145-149，154.

[3]    陈树勇，陈全世.动力驱动系统匹配与控制策略研究[J].计算机仿真，2009，26（3）：276-280，297.

[4]    深圳市人居环境委员会.深圳市公安局交通警察局关于轻型汽车执行第六阶段国家机动车大气污染物排放标准的补充通知[EB/OL]. [2019-05-28] http：//meeb.sz.gov.cn/xxgk/zcfg/zcfg/hblgfxwj/content/post_2016169.html

[5]    北京市生态环境局.关于北京市实施第六阶段机动车排放标准的公告（征求意见稿）[EB/OL]. [2019-05-28] http：//sthjj.beijing.gov.cn/bjhrb/index/xxgk69/zfxxgk43/fdzdgknr2/shbjgfxwj/1748263/index.html

[6]    段博.混合动力汽车控制策略研究及硬件在环仿真[D].重庆： 重庆大学，2018.

[7]    邵军，赵志国.汽油机国五与国六法规对比研究[J].交通节能与环保，2017，13（3）： 18-21.

[8]    郭千里，赵冬昶，陈平，等.WLTC与NEDC比较及对汽车油耗的影响浅析[J].汽车工程学报，2017，7（3）：196-204.

[9]    宋博，胡雷，全轶枫，等.缸内直喷汽油车WLTC颗粒物排放试验研究[J].汽车技术，2017（6）：24-28.

[10]  轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第六阶段）： GB18352.6—2016 [P].北京：中国环境科学出版社.

[11]  POKHAREL S S，BISHOP G A，STEDMAN D H.An on-road motor vehicle emissions inventory for Denver： an efficient alternative to modeling[J].Atmospheric Environment，2002，36（33）：5177-5184.

[12]  ALVAREZ R，WEILENMANN M，NOVAK P.Pollutant emissions from vehicles with regenerating after-treatment systems in regulatory and real-world driving cycles[J].The Science of the Total Environment，2008，398（1/2/3）：87-95.

[13]  張鹏宇，张新宇，郝利君，等.不同测试循环工况下的轻型车污染物排放特性分析[J].车辆与动力技术，2016（4）：47-49，53.

[14]  黎苏，李明海.内燃机原理[M].北京：中国水利水电出版社，2010.

[15]  KINSEY J S，MITCHELL W A，SQUIER W C，et al. Evaluation of methods for the determination of diesel-generated fine particulate matter： Physical characterization results[J].Journal of Aerosol Science，2006，37（1）：63-87.