（光学工程专业论文）基于pems的重型混合动力公交车排放特性研究.pdf

武汉理j ：人学硕十学位论文 摘要 随着汽车保有量的不断增加及石油资源的匮乏，节能与环保成为当今全球 汽车工业发展的两大主题。各国争相研制与开发新能源汽车，如电动汽车。其 中融合内燃机汽车和纯电动汽车优点的混合动力电动汽车得到了各国重视。混 合动力电动汽车( h e v ，h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 采用了发动机和电机两套动力 驱动系统，既继承了纯电动汽车作为“绿色车辆”的节约能源和超低排放的优点， 又弥补了纯电动汽车的续驶里程不足的、替代燃料需增添新的配套基础设施、 燃料电池电动汽车造价太高的缺点。混合动力电动系统最适合也最有潜力应用 于公交车( 混合动力电动公交车h e b ，h y b r i de l e c t r i cb u s ) ，尤其是城市公交 车。城市公共交通拥挤，公交车时走时停行车速度慢，燃油浪费大，污染严重， 在这种情况下，传统的内燃机汽车油耗和排放都很差，而混合动力电动系统正 可以发挥其优势。 现行的重型车辆排放评价是采取某种行驶工况，通过台架试验来评价发动 机排放水平，但依据发动机来评价混合动力车辆的排放水平显得很不合适。重型 混合动力车辆是在常规发动机基础上，增添配置了一套动力辅助装置，这种装 置被设计成根据车辆的实际行驶工况，采取针对性的控制策略，实现车辆节能 和降低排放的目的。这样发动机的实际运行工况分布与实验室相差很大，仅仅 依据发动机排放和能耗水平评价混合动力车辆排放水平有很大的局限性。 本研究采用一种基于整车实际行驶工况条件下的车载排放测试技术，测试 重型混合动力车辆污染物排放。通过对混合动力公交车及常规公交车在“中国 典型城市公交工况”下的污染物排放水平进行测试，对比分析了不同动力型式 混合动力车辆的排放并研究了装配s c r 系统的国混合动力公交车减排效果。 本研究研究了重型公交车典型工况、速度v 、加速度a 、行驶力v a 及机 动车比功率v s p 与排放的关系，并将排放v 的关系、排放v a 的关系及排放 v s p 的关系推广到一类公交车上，从而为排放预测提供技术支持，进而为建立 快速高效、节能环保的公共交通系统提供基础数据和技术经验。 关键词：车载测试技术：混合动力公交车；排放；排放特性 武汉理t 大学硕七学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e i n c r e a s i n g a m o u n to fv e h i c l ea n ds c a r c e p e t r o l e u mr e s o u r c e s ， e n e r g y - s a v i n ga n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a v eb e c o m et w om a i nt h e m e so f i n d u s t r yd e v e l o p m e n to fg l o b a la u t o m o t i v e c o u n t r i e sa r es c r a m b l i n gt or e s e a r c h a n dd e v e l o pn e wt y p eo fv e h i c l e ss u c ha se l e c t r i cv e h i c l e t h ea d v a n t a g e so f h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，au n i q u ec o m b i n a t i o no f i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l e a n dp u r ee l e c t r i cv c h i c l e ，h a sb e e nn a t i o n a la t t e n t i o n h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ( h e v ) u s e das e to fe n g i n ed r i v es y s t e ma n das e to fe l e c t r i c a ld r i v es y s t e m ，w h i l ec a r r y i n g o nt h es a v i n ge n e r g ya n du l t r a - l o we m i s s i o n sa d v a n t a g e so ft h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l e ， b u ta l s om a d eu pi n s u f f i c i e n tc o n t i n u e dd r i v i n gm i l e a g eo fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e ， a l t e r n a t i v ef u e l sn e e dt oa d dan e w s u p p o r t i n gi n f r a s t r u c t u r e s ，f u e lc e l lv e h i c l e sc o s t t o om u c hf l a w s i ti sm o s ts u i t a b l ea n dm o s tp o t e n t i a lt h a th y b r i de l e c t r i cs y s t e mi s a p p l i e dt op u b l i ct r a n s p o r tv e h i c l e ( h y b r i de l e c t r i cb u s ) ，p a r t i c u l a r l yi nt h eu r b a n b u s o fu r b a np u b l i ct r a f f i cc o n g e s t i o n ，b u s e ss t o pw h e nt h eb u s e sg os l o w e rs p e e d ， f u e lw a s t ea n ds e r i o u sp o l l u t i o n , i nt h i sc a s e ，f u e lc o n s u m p t i o na n de m i s s i o n so ft h e t r a d i t i o n a li n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ev e h i c l ea r ev e r yb a d , a n dh y b r i de l e c t r i c s y s t e m sw i l lp l a yt h e i rs t r e n g t h s t h e e x i s t i n ge m i s s i o n se v a l u a t i o no fh e a v y - d u t yv e h i c l et h a tu s e st h eb e n c h t e s tt o e v a l u a t et h el e v e lo fe n g i n ee m i s s i o n si ns o m ek i n do fd r i v i n gc y c l e s ，b u ta p p e a r e s t ob ev e r yi n a p p r o p r i a t ef o rh y b r i dv e h i c l e h e a v y - d u t yh y b r i dv e h i c l ei sb a s e do n t h ec o n v e n t i o n a le n g i n e ，a n da d d st oc o n f i g u r eas e to fp o w e r - a s s i s t e dd e v i c et h a ti s d e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ev e h i c l e sa c t u a ld r i v i n gc o n d i t i o n s ，t a k e sa p p r o p r i a t e c o n t r o ls t r a t e g i e st oa c h i e v ep u r p o s e so fe n e r g y - s a v i n ga n de m i s s i o n - r e d u c t i o n t h i s e n g i n e sa c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n sh a v ew i d e l yd i f f e r e n c ew i t hl a b o r a t o r i e s s ot h e e m i s s i o n se v a l u a t i o no fh y b r i dv e h i c l e ss o l e l yb a s e do ne m i s s i o n sa n de n e r g y c o n s u m p t i o nl e v e l so fe n g i n eh a v eg r e a tl i m i t a t i o n s i nt h i s s t u d y , t e s t sh e a v y - d u t yh y b r i dv e h i c l e se m i s s i o n sb yu s i n gv e h i c l e e m i s s i o n st e s t i n gt e c h n o l o g y t h r o u g ht e s t i n ge m i s s i o nl e v e l so ft h eh y b r i db u s e s a n dc o n v e n t i o n a lb u s e si nc h i n e s et y p i c a lu r b a nc y c l e ，c o m p a r e sa n da n a l y s e s d i f f e r e n tt y p eo fh y b r i dv e h i c l e se m i s s i o n sa n ds t u d i e se m i s s i o n r e d u c t i o no ft h e 武汉理。l 人学硕十学位论文 c o u n t r yi vh y b r i db u s t h a ta s s e m b l e dt h es c r s y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et y p i c a lc y c l e s ，v e l o c i t y ，a c c e l e r a t i o n ， v a ，v s pa n de m i s s i o n so fh e a v y - d u t yb u s e s ，a n dp r o m o t e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h er e l a t i o n s h i po fe m i s s i o n s v ，t h ee m i s s i o n - v a ，e m i s s i o n v s pt oac l a s sb u s e s ， w h i c hp r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o re m i s s i o n sp r o j e c t i o n s ，a n dt h u sp r o v i d eb a s i c d a t aa n dt e c h n i c a le x p e r i e n c ef o rt h ee s t a b l i s h m e n to ff a s t ，e f f i c i e n t ，e n e r g ys a v i n g a n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yp u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m k e y w o r d s ：v e h i c l et e s tt e c h n o l o g y ；h y b r i dt r a n s i tb u s ；e m i s s i o n ；e m i s s i o n c h a r a c t e s t i c 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文字特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：j 暾日期： 关于论文使用授权的说明 卿7 ，l 坞 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名：溉导师签名：至坦日期：丝互! 兰均 武汉理丁人学硕+ 学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着汽车保有量的不断增加及石油资源匮乏，节能与环保成为当今全球汽 车i _ q k 发展的两大主题【l 】。汽车是当今社会的主要交通工具之一。目前汽车保 有量越来越大，交通排放污染越来越严重，汽车尾气排放成为我国城市空气污 染主要来源。在发达城市，如北京市，可吸入颗粒物浓度中约有2 3 源于机动 车排放，机动车对碳氢化合物h c 、氮氧化物n o x 、一氧化碳c o 的贡献率分 别达到了5 0 、6 0 和9 0 以上。机动车排放的污染物不仅直接影响大气环 境质量，而且因为其毒性大，直接危害人们的身体健康。因此，各国争相研制 与开发新能源汽车，如电动汽车，其中融合传统汽车( 内燃机汽车) 和纯电动 汽车优点的混合动力电动汽车得到了各国重视。混合动力电动汽车( h e v ， h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ) 采用发动机和电机两套动力驱动系统，既继承了纯电动 车辆作为“绿色汽车”的节约能源和超低排放的优点，又弥补了纯电动车辆的续 驶里程不足的缺点。而混合动力系统最适合也最有潜力应用于公交车( 混合动 力公交车h e b ，h y b r i de l e c t r i cb u s ) ，尤其是城市公交车。城市公共交通拥挤， 公交车时走时停行车速度慢，燃油浪费大，污染严重，在这种情况下，传统的 内燃机汽车油耗和排放都很差，而混合动力电动系统正可以发挥其优势【2 】。根 据国外相关文献，混合动力汽车的燃油消耗指标与装备同类型发动机的传统汽 车相比平均降低3 0 0 0 , - 4 0 ，尾气排放指标平均降低5 0 0 旷6 0 t 3 】e 5 3 。 混合动力汽车技术的不断成熟，为低排放公交车发展提供了更多的可选方 向，混合动力公交车在节能减排方面具有更大的潜在优势。国外在这个方面进 行许多成功地尝试。美国混合动力公交车早在2 0 0 0 年就开始了示范运营【6 】叫1 2 1 。 经过多年来的试运营，认为混合动力公交车具有很好的节能减排性能，进而推 进了混合动力技术在公交车上广泛运行，同时也促进了混合动力公交车的产业 化，实现技术的不断成熟与产业化之间形成良性循环。例如，纽约市公交公司 向o r i o n 公共汽车工业( 戴姆勒克莱斯勒北美商用公共汽车公司) 大量订购混 合动力公交车。预测到2 0 1 0 年，n y c t 将有接近1 7 0 0 辆的混合动力车，n y c t 将有世界上最大的混合动力公交车队。 1 武汉理j ：人学硕十学位论文 北京市环保局为进一步减少公交车排放污染、节约能源及保护环境，按照 国家和北京市大力发展低排放、环保节能公共交通的有关要求，设立了北京市 混合动力公交车示范项目，目的在于考核混合动力公交车在实际条件下的运行 技术。在北京市实际运行条件下对混合动力公交车进行验证，研究实际的节能 效益、评估运行成本，分析评价环保经济性，为北京市乃至全国城市公交车的 更新换代探索并积累经验，同时也为混合动力公交生产公司改进车辆性能提供 技术参考，有利于混合动力车辆推广应用激励政策的研究，推进混合动力车辆 技术发展。 1 2 研究目的与意义 本研究通过对目前国内外先进的车载排放测试技术，测试方法以及测试设 备的调研与分析，采用一种适合于当前国内重型混合动力电动汽车整车排放性 能测试的测试方法，测试技术及测试设备，对混合动力电动汽车的污染物排放 性能进行准确地、客观地评估并且对混合动力电动汽车的排放特性进行了深入 研究。 采用车载排放测试技术对混合动力公交车的排放性能进行测试，对不同动 力型式混合动力电动汽车( 包括串联混合动力公交车、并联混合动力公交车) 的总体排放性能进行对比分析，并对混合动力电动汽车的排放特性进行研究， 以求通过对测试结果的分析，找到影响混合动力电动汽车排放的因素，进而改 善公交车的污染物排放，为混合动力公交车的研发构建一个评价平台，同时也 为可以公交车排放控制、排放预测及建立高效、节能环保的公共交通系统提供 数据和技术经验支持。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本研究的主要内容包括以下几个方面： 第一，对混合动力电动汽车的总体排放性能进行测量和评价，并对比分析 不同动力型式混合动力车辆的减排效果；同时对装配了s c r 技术的国混合动 力车n o x 减排效果进行研究。 2 武汉理一i ：人学硕十学位论文 第二，建立公交车排放特性分析方法，从而研究了公交车车速v 、行驶力 v a 及机动车比功率v s p 与公交车污染物排放的关系，从而为污染物排放控制 及预测提供技术支持。 1 3 2 研究技术路线 基于上述研究内容，本课题确定研究路线如图： i 一_ 一 l 车载排放测试系统 !l! l ! 试爱统验里_ j r ，二 r 二 常规柴油公交车f 混合动力公交车； l 一i ，一一 ；总体排l l 放对比l 一 一。!：一一 数据分析 t 1。s。c。r1。1釉。11。 交车运用的适l i 旦丝丛塑 巨鞫壹- 与v s p 壶i i d o h 盗 各典型工况i 排放；排放tl ”篙z 嘉 一一l j a z u ，j 图1 - 1 本研究所采用的技术路线 3 武汉理j ：人学硕十学位论文 第二章重型混合动力公交车测试方法及测试系统 本研究通过对目前国内外先进的汽车检测技术，测试方法以及测试设备的 调研与分析，采用一种适合于当前国内重型混合动力电动汽车整车性能测试的 测试方法，测试技术及测试设备，对混合动力电动汽车的各项性能，特别是污 染物排放性能进行准确、客观地评估。本章将详细介绍本研究所采用的重型混 合动力公车排放测试方法、车载排放测试系统p e m s ( p o r t a b l ee m i s s i o n s m e a s u r e m e n ts y s t e m ) 的构成及测试数据的预处理。 2 1 重型混合动力公交车排放测试方法 随着电动汽车技术的日益成熟，电动汽车的标准法规的制定也在不断完善 中。对于混合动力电动汽车整车能耗的测试方法，国内外先后制定了若干试验 标准，如s a e 儿7 “1 9 9 9 混合动力电动汽车排放和燃油经济性试验方法、s a e j 2 7 1 1 - 2 0 0 2 混合动力和传统重型车辆排放和燃油经济性测试推荐规程、i s o 2 3 2 7 4 混合动力电动汽车污染物排放和燃料消耗测试( 不可外接充电) 、g b t 1 9 7 5 3 2 0 0 5 轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法、g b t1 9 7 5 4 2 0 0 5 重 型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法等【l3 】 【1 9 1 ，以及若干关于混合动力电动 汽车的测试方法。 目前，对于传统的重型车辆排放测量方法，国内都是通过在台架上采取某 种工况如欧洲稳态工况( e s c ) 评价发动机排放水平来实现【l 引。重型混合动力 车辆是在常规发动机基础上，增添配置了一套动力驱动装置。这种装置常被设 计成根据车辆实际运行状况，采取针对性优化控制策略，实现车辆节能和降低 排放的目的。对于这种车辆，单从结构上看( 多了套动力辅助装置) ，凭据发 动机来评价排放就不合适；而且由于辅助动力驱动装置的工作，发动机的实际 运行工况一方面和与法规测试工况相差很大，传统的法规工况点测试方法在应 用上有很大局限性；另一方面发动机控制策略和动力辅助装置运行特性进行联 合优化，发动机控制方法与传统车辆有很大的差别。这导致了重型混合动力电 动汽车实际道路行驶特性还不为熟悉。现行的法规g b t1 9 7 5 4 0 5 1 只规定了能耗 消耗测试方法，而对排放测试方法并未涉及。为此很有必要开发基于整车混合 4 武汉理i ：人学硕十学位论文 动力车辆排放测量特性方法。 基于整车的评价方法般有两种：试验室内重型底盘测功机和无底盘测功 机的道路测试。美国汽车工程师协会的推荐标准s a ej 2 7 1 1 重型混合动力车辆 排放性能测试，就是基于重型底盘测功机上进行测量的。这种方法在排放测试 设备方面没有问题，但在底盘测功机方面还存在一些问题，比如重型底盘测功 机价格昂贵，实际测试费用巨大，效果不是很理想等。另一个难点在于测量安 装在车辆上的发动机的扭矩尚未有精确且容易实现的方法。国内也有几套这种 设备，情况也大致如此。 本研究采用一种基于整车实际行驶工况条件下的车载排放测试技术，测试 重型混合动力车辆污染物排放。目前国内重型混合动力车辆只有能量消耗量试 验方法，没有污染物排放试验方法，为了完成混合动力车辆的对比测试，将参 照s a ej 2 7 1 1 及g b t1 9 7 5 4 2 0 0 5 制定污染物排放试验大纲。 在试验场地，采用装载沙袋的方法对车辆进行配重，模拟车辆日常的载客 负荷。车辆按照固定的工况行驶，使用车辆行驶工况跟踪系统对车速进行控制。 便携式车辆排放测试系统，包括气态污染物测量仪器o b s 2 2 0 0 和颗粒物测量仪 器e l p i 装在车厢内，采集车辆行驶过程中所有的污染物( c o 、h c 、n o x 、c 0 2 、 p m ) 排放实时数据，对所选车辆进行污染物排放测试。试验准备及试验过程等 可以参考文献【5 2 】1 5 3 1 。本研究将主要说明一下测试工况。 场地测试在北京通县交通部公路试验场内进行，参照国标g b t 1 9 7 5 4 2 0 0 5 ，被测车辆在试验场的道路上运行标准要求的“中国典型城市公交循 环工况”，于此同时利用车载排放设备获取车辆排放数据，下图是中国典型城市 公交循环的速度曲线图，如图2 1 。 图2 1 测试循环工况 重型混合动力电动汽车的评价需要比较长时间的试验运转，因为单一的试 5 武汉理l ：太学硕士学位论文 验循环不足以使得发动机管理系统给r e s s 系统提供额外的能量，以影响s o c 状态。长时间的试验循环可以增加循环初始及结束时低的净能量变化( n e c ) 出 现的可能性。对于城市公交车，采用2 次重复的中国典型城市公交循环作为试 验的行驶循环。测试循环参数如表2 - 1 所示。 表2 1中国典型城市公变循环工况 循环次数行驶时间行驶距离平均车速最高车速 22 6 2 8 s1 16k m1 59 k n g h6 0 k m h 最高加速度 最大减速度怠速时间一怠速时间比例 0 9 1 4 m s 215 4 3 m s 2 7 6 2 s 2 9 0 22 试验测试系统 试验测试系统由车辆行驶工况车载测试系统( o b d c t s ) 和车载排放测试系 统p e m s 两部分组成。 o b d c t s 主要出车辆信号处理仪、非接触光电速度传感器和数据信号处理 软件组成。用来复现和跟踪指定的车辆行驶工况，使用时它被放置在驾驶室， 驾驶员根据复现的预定工况操作车辆，实现车辆多次重复相同的工况。 p e m s 由车载气态污染物测量仪o b s - 2 2 0 0 和车载颗粒物测量仪e l p i 组成， 试验测试系统见图。 颗粒物取样尾气取样及流 ， 五轮仪 图2 - 2 试验测试系统 o b d c t s 、o b s - 2 2 0 0 及e l p i 实验设备的介绍及试验验证可以参考文献 1 2 0 - i = 3 1 5 4 1 z 武汉理一i ：大学硕十学位论文 2 4 数据预处理 车辆在测试线路上行驶的过程中，应用o b s 2 2 0 0 对各种污染物浓度进行 测量、采集和记录，数据采集记录的频率是1 h z 。每辆车跑完全程需要4 0 分 钟左右的时间，这意味着每个测试数据文件中包含2 6 0 0 多条实时采集的数据； 由于各种因素，这么长时间的实时采集和数据记录过程中不可避免会出现数据 坏点，或者更严重的情况，成段的数据异常现象。这些坏点和异常数据段是不 能用来作为后续计算分析的基础数据的，需要将它们甄别出来，进行合理修正 或者剔除。对数据的预处理主要包括三个步骤：车速修正、延迟时间修正 2 3 】及 数据质量控制( 包括突变值平滑以及缺失值插值处理等) 。 o b s 2 2 0 0 系统整合了一个g p s 接收模块，通过g p s 天线接收车辆在行驶 过程中的各种地理位置信息( 包括经纬度、海拔和行车速度) 。但是出于一些 原因( 如建筑物、树木等遮蔽物导致信号接收不良) ，使用接收记录的g p s 数 据出现错误，主要是车速数据的“冻滞”( 如果连续多点的车速数据完全相同， 这与匀速运动不同) 。则可以通过行驶工况跟踪仪测得的车辆速度对其进行核 正。 每个数据文件，都需要对关键测量项在时间轴上进行调整对正，这主要出 于以下两个原因：发动机排气至排气管末端的延时；流量采集与污染物浓度分 析用时长短上的差异( 不同污染物的分析由于原理和方法的不同，延时长短也 有区别) 。可以在怠速阶段进行延迟分析，通过与车速的比较确定排气流量、 c o 、h c 、n o x 及c 0 2 的浓度延迟。一般，排放流量滞后车速2 秒左右，c 0 2 相对于排气流量的变化滞后2 3 秒，h c 滞后c 0 2 约1 秒，而n o x 和c o 滞 后c 0 2 约2 秒。 对车载测试设备收集的车辆排放特征数据及行驶工况数据进行时间同步匹 配，然后对数据进行质量控制( 如对缺失值进行插值处理等) ，从而保证数据的 精度。实验测试将得完整的工况数据及与之相对应的瞬时排放数据( 各种污染 物排放率、排气温度、排气压力等) ，如图所示。数据预处理后将得完整循环 2 6 2 8 秒的工况数据、与之相对应的瞬时排放数据( t h c 、c o 、n o x 、c 0 2 及 p m 的排放率) 及碳平衡油耗。其中油耗可以通过各瞬态排放率求得，公式如 下： 7 武汉理1 大学硕十学位论文 f r 一0 8 6 6 t h c + z 1 2 。c 0 + q 1 2 q c 0 2 甩= l j l 一 0 8 6 6 式中f e 为燃油消率，g 压；c 0 2 、c o 、t h c 为气体质量排放率， 般情况下假定汽、柴油在1 5 下的密度分别为07 4 9 k g l ，0 8 4 9 k g l ， 质量比为08 6 6 ，排气中碳氢化合物t h c 的碳质量比为o8 6 6 。 ( 2 一1 ) e g s 。在一 燃油中碳 ( a ) 2 5 本章小结 ( b ) 图2 - 3h c 排放率、油耗及速度变化 本章对现有的国内外重型车辆( 特别是重型混合动力汽车) 的排放测试方法 进行调研，在此基础上提出一个合适的车载排放测试方法。同时对车载排放试 验的测试方法，测试系统及测试数据的预处理进行了介绍。 国 武汉理】：人学硕十学位论文 第三章重型混合动力公交车总体排放研究 本章利用车载测试系统，对重型混合动力公交车及常规公交车在跟踪“中国 典型城市公交循环工况”下的瞬时尾气排放进行测试，比较了各种驱动型式的公 交车油耗、颗粒物排放及气态排放的差异。同时对装配选择性催化还原器s c r 技术的国混合动力n o x 减排效果进行研究，发现s c r 技术在我国应用特别 是在城市公交车上应用所面临的问题，为其改进提出了建议。 3 1 一致性分析 3 1 1 跟踪一致性 对每次测试的跟踪工况数据与目标工况数据进行相关性分析。如图为两测 试车辆某次跟踪工况和目标工况的相关性分析。其中两辆车的拟合系数分别为 r 2 = 0 9 9 1 4 和r 2 = o 9 8 0 2 ，两辆车的工况跟踪拟合系数r 2 很高，表明试验的行 驶工况的跟踪有效。 6 ( j ：专5 0 二 掣l 【l 耋3 0 _ 霎卦 h 1 0 = ( j0 n1 t jj ( j6 00i ( j2 0 标工况建j = 壁k mh 图3 - 1 跟踪工况与目标工况相关性分析 3 。1 2 测试结果一致性分析 重复多次试验，对比混合动力车辆和常规车辆污染物测量结果的一致性， 主要分析c 0 2 、n o x 及p m 在测试中的偏差。混合动力车c 0 2 测试偏差为1 6 8 ， n o x 为0 0 7 ，p m 为2 6 7 ；常规车c 0 2 测试偏差为3 0 3 ，n o x 为2 9 5 ， p m 为2 9 9 从测量结果来看，两辆车的污染物排放三次测试结果比较接近。 混合动力车及常规车的各次测试之间偏差很小，基本上在3 1 之内。这主要因 9 武汉理t 大学硕十学位论文 l 一_ 一 为混合动力车驱动系统及其控制策略复杂，且每次测试时动力电池组的初始 s o c 不一定一致，从而导致混合动力车出现一定的偏差【2 4 h 2 5 1 。 3 2 混合动力公交车与柴油公交车排放对比研究 本节按照实验设计，在中国交通部通县实验场内对重型混合动力公交车及 常规公交车在跟踪“中国典型城市公交循环工况”下的瞬时尾气排放进行测试， 比较了各种驱动型式的车辆油耗、颗粒物排放及气态排放的差异。本节将通过 试验验证了混合动力车辆可以减少污染物的排放，具有很好的环保效应，能够 明显改善城市的环境状况，为混合动力车辆的发展提供了支持。国内外做过大 量的研究混合动力车节能环保性的研究口4 h 儿l 。 3 2 1 测试车辆 选择了三辆外形尺寸、整备质量及最高车速基本相同的测试车辆，包括串 联混合动力车、并联混合动力车及常规车各一辆，车辆的基本参数见表3 1 。 按照实验设计，在中国交通部通县实验场内对测试车辆进行多次的车载道 路测试。对同一辆车多次测试的结果进行平均，以代表该车的排放情况。 表3 1 试验车辆参数表 一一一 ； 并联h e b 串联h e b l 常规公交车 一一一一一一一一一一一r 一” 整备质量 车身参数 最高车速 11 9 9 0k g 1 3 7 3 5k g 1 1 2 0 0k g 8 8 2 5 4 318 1 19 9 2 5 0 3 2 0| 1 19 8 2 5 5 3 0 5 7 0k m h l 7 0k m h80k m h 型号 i s b e l 5 03 0 i s d e l 6 03 0 ； i s b e 2 2 03 1 一：一一一j 一一 一一一一一 发动机! 拄量l 羔二旦一生1 4 ：旦生 墨一塑曼一生 功率i 1 1 0 k p 一i ! 望一堕一 ! 璧堕 一“一一一一一一一一r 一一 皇秘熟! 一颦枣热奎i 。婴一堕_ j ，h 1 0 0 ，姆0 # 南妇。，! 类型i 一一璺氢掣望鲤上照里蔓堕璺生j 一 蓄嘉池颟定毛磋j ：；蟊l x ：_ ：! ：蔓蕃董夏：! ： 组 i 标称容量l 6 0a h6 0a h1 1 0 武汉理i ：人学硕十学位论文 3 2 2 油耗分析 一阜医= 三三主= = = 盈 卜车匿= = 三互盈! 串联军陵碰五蹴“。幺幺盈施：缯 i 黼逸覆圣墨 i i 。卜一：f i 一一：一。 佳正后油耗“1 0 0 h 图3 2 各型式车辆修正后的油耗对比 混合动力电动汽车能耗的评价与常规车有很大的不同，因为混合动力电动 汽车有燃油箱和动力电池组两种储能装置，且比常规车增加了电力驱动( 或发 电) 系统，兼具传统汽车及电动汽车的一些特征，故油耗测试有所区别。本研 究参考g b t1 9 7 5 4 2 0 0 5 中给出的公式，即3 0 2 k w h 的电能相当于1 l 燃油的 能量，对油耗进行修正。如图3 2 为各测试车辆修正后的百公里油耗。 由图3 2 可以看到，各混合动力公交车油耗水平都不同程度地低于常规公 交车，其中串联混合动力公交车百公里油耗比常规车低2 4 8 ，并联混合动力 公交车百公里油耗低1 9 8 。混合动力公交车节能效应明显，且串联混合动力 公交车比并联混合动力公交车更加节能。笔者分析认为，串联混合动力的发动 机工作不直接受制于车辆运行状态( 如速度与加速度) ，易于将其控制在更加低 排放、低油耗的工况区。 3 。2 ，3 颗粒物排放分析 此4 # 廖叨嬲聊锄嬲期荔唧弼穆翻嘲 并联车隧：幽。幺碰如么勉t 。自泷i 溷 1 1 0 40 50 60 7o 8 1 1 武汉理+ i ：人学硕十学位论文 图3 3 各型式车辆颗粒物p m 排放因子 各测试车辆的颗粒物p m 排放因子对比，如图3 3 。图3 3 中可以明显看出， 各混合动力公交车p m 排放因子匀不同程度地低于常规公交车，其中串联混合 动力公交车p m 排放比常规车低7 0 1 ，并联混合动力公交车p m 排放比常舰 车低7 6 。串联技术形式车辆的颗粒物排放比并联车辆少很多，同样也是因为 串联混合动力车的发动机工作在高效的工况，抑制了p m 的产生。 3 2 4 气态污染物分析 图3 4 各型式车辆n o x 排放因子 各测试车辆的n o x 排放因子对比，如图3 - 4 。图中可以看出，串联混合动 力公交车n o x 排放比常规车高18 o ，并联混合动力公交车p m 排放比常规车 低1 5 5 。由图3 ，在p m 排放方面，串联低于于并联。由图4 ，在n o x 排放 方面，串联高于并联。颗粒物p m 与n o x 由于生成机理相反，所以表现出很强 的t r a d e o f f 关系 3 2 1 。由于串联混合动力公交车表现出过高的n o x 排放，如将 串联混合动力技术应用于公交车上应加强对发动机的排放控制或使用后处理技 术以减少n o x 排放。 f 雠匿置：互覆乏圈。 。 懈匿至疆l ：- 瓣匿互夏互覆盈并最车隧旌幺；茏i t 乙：么貔。也：。翅 1 2 武汉理i ：人学硕十学位论文 图3 - 5 各型式车辆h c 排放因子 【夏= = = 二= = 筇现舡隧曲拦。逝蹦甾磊：如蓝缸；。盘2。地山篮；逝出一；耋 槲匿z z = 盈串联车隧_ 缸溢碰缸：么幺山：缉 匿蚤夏四 f 0 o2 o4 o 6 0 8 0i o o c og ，k - 图3 - 6 各型式车辆c o 排放因子 各测试车辆的t h c 排放因子对比，如图3 5 。图中可以明显看出，各混合 动力公交车t h c 排放因子都不同程度地低于常规公交车，其中串联混合动力公 交车t h c 排放比常规车低5 6 9 ，并联混合动力公交车t h c 排放比常规车低 1 5 2 。各测试车辆的c o 排放因子对比，如图3 - 6 。图中可以明显看出，串联 混合动力公交车c o 排放比常规车低3 6 9 ，并联混合动力公交车c o 排放比常 规车低3 1 8 。各型式的混合动力车t h c 及c o 表现出与p m 相同的减排关系。 3 3 装配s c r 的国混合动力公交车排放研究 在国外，为使柴油机或柴油车达到更高的排放标准( 如欧、欧v 及 s u l e v ) ，主要存在着选择性催化还原器s c r ( s e l e c t i v ec a t a l y t i cr e d u c t i o n ) 【3 3 - 4 3 5 1 及废气再循环系统e g r ( e x h a u s tg a sr e c y c l i n g ) - i - 柴油机颗粒捕集器d p f ( d i e s e lp a n i c u l a t ef i l t e r ) 3 5 h 3 7 】两条技术路线。其中，s c r 技术已成功应用于 欧及欧v 排放的车特别是中重型车上。s c r 技术路线与e g r + d p f 技术路线 相比，具有油耗低，对发动机结构及其电控系统功能改变小，对燃油中的硫含 量不敏感等技术特剧3 3 h 3 5 1 。s c r 技术已经引入中国，并成为我国汽车生产商 实现中重型车国排放的重要技术路线。国内已有许多柴油机制造商通过使用 s c r 技术使柴油机达到国排放标准。 考虑到s c r 技术刚引入中国，在我国的实际使用环境发生了很大的变化 ( 主要包括我国s c r 自主开发技术的不成熟、我国城市实际行驶工况的变化、 柴油油品偏差及添蓝成分与浓度的不同等一系列的问题) 同时国内缺少对s c r 系统应用中国城市公交车特别是混合动力公交车适应性的研究，本研究利用车 1 3 武汉理一f ：人学硕士学位论文 载测试系统，测试两辆混合动力公交车( 包括国i i i 混合动力公交车及国混合 动力公交车各一辆) “中国典型城市公交循环工况”下的瞬时尾气排放，通过与 国i i i g 合动力公交车的排放对比，研究了装配s c r 系统的国混合动力公交车 排放情况，发现了装配s c r 系统的国i v 混合动力公交车n o x 减排存在的问题， 为s c r 在国混合动力公交车上的应用提出建议。 3 3 1 测试车辆 本节选择一辆国混合动力公交车h e b ( h y b r i de l e c t r i cb u s ) 为研究车辆， 并选择一辆国i i i 混合动力公交车为试验对比车辆，用于验证s c r 的在中国城市 公交车上运用的适应性问题。两测试车具有外形尺寸及最高车速基本相同的特 征，基本参数见表。 国公交车的后处理均采用s c r 技术。混合动力公交车为混联式混合动力 电动汽车，综合了串联式混合动力公交车和并联式混合动力公交车的结构及使 用优点；使用超级电容作为动力电池组( 超级电容具有瞬态响应快，即能够快 速充放电，循环使用寿命长等特点) ；并采用以车速为主要参数的控制策略 翊。 表3 2 试验车辆参数表 参数国i i i h e b国i v h e b 驱动型式混联混联 外形尺寸长宽高 11 9 8 c m 2 5 4c m 3 1 8c m1 1 9 8c m 2 5 4c m 3 1 0c m 发动机型号 i s b e l 8 53 2i s b e 42 0 5 b 发动机排量 5 9 l6 7l 发动机排放阶段国i i i国 额定功率1 3 6 k w1 5 0k w 电机功率6 5k w6 5k w 电池型式超级电容超级电容 电池电压 2 6 0 3 8 0 v2 6 0 3 8 0 v 电池容量4 1 2 5 a h 4 1 2 5 a h 后处理技术ls c r 最高车速8 0 k m h 8 0k m h 1 4 武汉理t ：人学硕+ 学位论文 3 3 2s c r 起燃特性 康明斯某型国柴油机通过台架实验得到的s c r 起燃特性曲线，如图3 7 所示。 图3 7s c r 的起燃特性曲线 由图可以看到，n o x 转化效率随着温度成向下的抛物线变化趋势。即，首 先随着温度的上升转化率也增加；当排气温度在3 6 0 左右时，n o x 转化效率 最高，约为9 7 左右；然后随着的温度的继续增加，转