研究报告
研究背景和发表信息
这项研究以“Characteristics of instantaneous particle number (PN) emissions from hybrid electric vehicles under the real-world driving conditions”为标题，由Yachao Wang, Junfang Wang, Chunxiao Hao, Xin Wang, Qing Li, Junqiang Zhai, Yunshan Ge, Lijun Hao 和 Jianwei Tan 等研究者共同完成，主要机构包括北京理工大学机械工程学院、国家汽车性能与排放测试实验室、中国环境科学研究院以及青海高原科技开发有限公司等。该研究发表于国际期刊《Fuel》，刊号为“Fuel 286 (2021) 119466”，并于2020年10月21日在线发布。
本研究聚焦于混合动力汽车(hybrid electric vehicles, HEVs)在实际驾驶条件下的瞬时颗粒物(PN)排放特性分析，特别是探讨高排放集群（high emission sets, HES）的形成及其与车辆和发动机工况的相关性。研究目的是通过对中国国六标准下不同技术参数的混合动力乘用车进行测试，揭示瞬时PN排放的特征并为未来的车辆排放政策和排放模型提供科学支撑。
科学背景及研究意义
颗粒物(PM2.5)排放严重影响人类健康，每年在欧盟导致超过40万人过早死亡。在中国，2013年的严重雾霾事件使得PM2.5 的防控受到前所未有的关注。为应对这一问题，多个地区陆续出台了颗粒物排放限制，例如欧盟于2008年对柴油轻型车辆制定了每公里6*10¹¹#/km的PN限值，中国则在2016年直接规定轻型车辆的PN限值为6*10¹¹#/km（无论使用何种燃料或发动机技术）。
对于混合动力汽车(Hybrid Electric Vehicles, HEVs)，尽管燃油经济性优于传统内燃机车辆，但其PN排放却可能更高。现有文献主要集中于其PN排放因子，但很少分析瞬时PN排放特性及影响因素。因此本研究特别针对瞬时高PN排放集群(HES) 的特点进行深入分析，期望能够为更清洁的混合动力汽车技术战略提供参考。
研究方法与工作流程
测试车辆与测试条件
- 测试的车辆包括四台符合中国国六排放标准的混合动力轻型乘用车，这些车辆技术参数各异，包括发动机排量、进气方式、燃油喷射类型、变速箱类型、电池容量等。具体参数列于研究中的表1。
- 车辆燃料为标准中国国六商用汽油。
- 其中一辆原型车采用了涂层汽油颗粒物过滤器(coated gasoline particulate filter, CGPF)替代传统的底部催化转化器(underfloor catalytic converter, UCC)。
测试设备
- 使用HORIBA OBS-ONE便携式排放测量系统(PEMS)进行PN分析。系统包括气体分析模块、PN分析模块和排气流速测量模块。PN浓度的检测下限为23 nm。
- 数据同步记录设备及辅助仪器包括GPS模块、气象站和车载诊断(OBD)通信模块。
测试路线与测试程序
- 测试使用位于北京的一条实际驾驶路线，测试全程约76.6公里，涵盖城市、乡村和高速驾段。根据中国国六的RDE要求，确保测试路线符合相关规范。
- 除车辆2外，其余车辆均实地进行测试，而车辆2则在底盘测功机上复现实际驾驶速度/海拔的谱图，用于控制实验。
- 为排除冷启动对瞬时PN排放的影响，所有车辆在测试前均经过整夜浸泡，保证车辆完全冷却。
数据处理和分析方法
- 数据处理未排除冷启动或车辆静止工况的数据，以全面反映实际驾驶条件下混合动力车辆的瞬时PN排放特性。
- 将瞬时PN排放数据按递减顺序排列，通过设定累积PN排放比例（如HES-20、HES-50、HES-80），计算每组高排放集群（HES）的门槛值和时间占比。
实验结果与数据分析
高排放集群（HES）特性
- 时间占比：结果显示，约20%的颗粒物排放发生在不到2%的驱动时间内，而约80%的颗粒物排放发生在不超过7%的驱动时间内。
- 门槛对比：与PFI（端口燃油喷射）车辆相比，未装配GPF过滤器的GDI（直喷燃油）车辆具有更高的HES阀值（高17.91%至329.82%）。安装GPF后，该阀值则显著降低至不装配车辆的50%以下。
瞬时PN排放特征
- 在冷启动阶段，Pn排放值出现显著峰值，超过50%的颗粒物可能在此阶段排放。
- 加装“WCC（暖催化器）+CGPF”的车辆表现出对冷启动PN排放的较好抑制效果，而仅加装WCC和GPF的车辆仍产生明显排放峰值。滤芯初始灰尘积累量可能会对过滤效率产生影响。
影响PN排放的参数
- 速度与加速度：HES主要出现在低速（<60 km/h，城市驾驶工况）下，但也有部分高排放集中在冷启动加速以及燃料切断（Fuel-cut）工况。
- 温度：加装GPF的车辆在高温（如催化器入口温度>650°C）下能够触发主动或被动滤芯再生，从而显著提高PN排放。
- 空气燃料比(Air-Fuel Ratio, λ)：高排放可发生在贫燃/富燃条件下，大量富燃状态下观察到冷启动和加速阶段的排放峰值。
累计排放与中国国六标准的符合性
- 总行程排放因子显示，仅GDI不装配GPF的车辆（车辆4）超出国六限制（6.0×10¹¹#/km）3.67倍，而其他车辆均符合限值。
- 冷启动频率与城市驾驶均较高排放因子相关，而使用GPF的车辆在农村或高速工况下表现出更优的过滤效率。
研究结论及科学与应用价值
科学意义
- 本研究首次系统性分析混合动力车瞬时PN高发排放的时间分布及影响因素，建议未来政策应针对城市驾驶工况优化PN排放标准。
- 研究证明采用“WCC + UCC + GPF”策略能够显著降低冷启及瞬时高排放，提高GPF过滤效率。
应用价值
- 研究结果对混合动力汽车技术优化设计提供了重要依据，建议结合燃油效率优先与污染物控制策略并行的研发方向。
- 政策制定者可以根据研究结果改进RDE和PN排放因子计算模型，从而准确评估车辆的真实排放特性。
研究亮点
- 实验设计涵盖真实驾驶条件和实验室模拟测试，数据全面且具代表性。
- 采用了先进便携设备（如HORIBA PEMS）进行实时排放检测。
- 研究中对多种混合动力车型的对比分析揭示了GPF再生对瞬时排放的强影响，以及动力切换策略和空气燃料混合对PN排放的敏感性。
通过本研究，作者建议改善混合动力车辆的控制策略，同时呼吁政策制定者出台更严格且技术中立的标准以削减颗粒物污染。