动力总成类型与热管理对混合动力电动车(HEV)及缸内直喷(GDI)汽油车实际行驶排放(RDE)的影响

《Vehicles》：Impact of Powertrain Type and Thermal Management on Real Driving Emissions of HEVs and GDI Vehicles

　　

交通运输部门是空气污染的重要来源，实际道路排放测量日益受到重视。本研究采用便携式排放测试系统(PEMS, Portable Emissions Measurement System)在实际道路驾驶条件下，对比了一辆涡轮增压缸内直喷(GDI, Direct Injection)汽油内燃机(ICE, Internal Combustion Engine)车辆与一辆进气道喷射(PFI, Port Fuel Injection)混合动力电动车(HEV, Hybrid Electric Vehicle)的排放特性。在两辆车行驶的市区、郊区和高速公路路段分别测量了CO2、CO、NOx（氮氧化物）及颗粒物数量(PN, Particulate Number)排放。结果表明，在整个实际行驶排放(RDE, Real Driving Emissions)循环中，HEV的CO2排放较ICE低约20%，而在市区工况下低近50%。HEV在郊区和高速段的PN排放低于ICE，但在早期市区阶段出现显著的PN峰值，可归因于HEV发动机暖机较慢。机器学习分析（随机森林Random Forest与极限树回归器Extra Trees Regressor）表明冷却液温度是驱动HEV PN排放的主导因素。结果显示动力总成特性和热管理强烈影响实际行驶排放，对混合动力车的进一步开发具有重要意义。

论文解读：《动力总成类型与热管理对HEV及GDI车辆实际行驶排放(RDE)的影响》

该研究发表于《Vehicles》期刊。研究背景方面，交通运输是全球空气污染的主要贡献者，乘用车约占全球CO₂排放的15%，CO、NO_x及颗粒物数量(PN, Particulate Number)亦危害公共健康，因此排放法规日趋严格，实际行驶排放(RDE, Real Driving Emissions)测试成为实验室补充手段。HEV通常采用阿特金森循环提高热效率，已有研究表明HEV在实况下CO₂低于同级ICE车辆，但其在瞬态热工况（尤其是频繁启停导致发动机低温运行）下的排放行为尚缺乏深入理解——HEV虽整体RDE表现好，却在低温时伴随明显PN峰值。为此，研究人员选取一台涡轮增压GDI汽油ICE车和一台进气道喷射(PFI, Port Fuel Injection) HEV，在同一路线上进行RDE测试，探究动力总成差异及热管理（尤其冷却液温度）对PN等排放的影响及成因，对HEV后续热管理优化具有工程指导意义。

研究人员采用的主要关键技术方法如下：选取排量相近但动力总成与热管理系统不同的ICE（涡轮增压GDI，Miller循环，缸内直喷，WLTP认证）和HEV（PFI，Atkinson循环，串联－并联功率分流式，NEDC认证，里程约11.3万km），于同一条含市区／郊区／高速公路（占比符合RDE要求，总长约97.5 km，时长105±5 min）的路线各进行三次PEMS(SENSORS LDV，含SEMTECH DS+气体分析仪、CPN颗粒计数器、排气质量流量计)实测；按速度划分路段，依欧盟Reg. 49 SI计算比排放(mg/km或g/km)；用Python处理数据并结合随机森林(Random Forest)和极限树回归器(Extra Trees Regressor)机器学习模型（对PN做log₁₀变换，引入3 s滑动均值/标准差及10 s滚动窗口，SHAP分析特征重要性）解析影响PN排放的关键因素。

3. Results（结果）

3.1. Trip Composition（行程构成）

HEV在三次行程中纯电模式行驶超20 km、电驱时长43–47 min；ICE平均负荷24%±1.5%，HEV表观负荷82.75%±0.25%（因发动机间歇工作）。所有测量满足RDE有效性标准，路段比例各次标准差<5%。

3.2. Overall Emission Results（总体排放结果）

ICE平均CO₂排放124 g/km，HEV为99 g/km，全RDE循环HEV低约20%；CO（ICE 0.045 g/km，HEV 0.058 g/km）与NO_x（ICE 0.003 g/km，HEV 0.002 g/km）均远低于Euro 6限值（1.0 g/km与0.06 g/km），PN₂₃亦低于限值。

3.3. Impact of Driving Dynamics on Emissions（行驶动力学对排放的影响）

CO₂变异小（ICE 121–126 g/km，HEV 96–100 g/km）。两车间CO随车速升高略增，NO_x无明确动态关联；PN在两车型中最具动态敏感性——最高PN出现在中等转速(1800–3500 rpm)强加速工况。HEV因混动控制发动机常运行于少数高效转速-高负荷区。

3.4. Emission Comparison in Urban, Rural, and Motorway Driving Sections（市区、郊区及高速公路分段排放对比）

市区ICE CO₂135 g/km，HEV仅69 g/km（约低49%）；高速段HEV CO₂125 g/km，反较ICE高2 g/km。NO_x两车型趋势相似且市区最高。PN方面：ICE在郊区与高速高于HEV，但HEV在市区段PN显著更高（约为ICE两倍），郊区与高速则更低。

3.5. Effect of Coolant Temperature on Emissions（冷却液温度对排放的影响）

两车均从约22℃车库出发。ICE连续运转约3 min冷却液达70℃，~10 min达正常工作温88℃后启用启停；HEV因频繁启停同样路段仅升至43℃，至郊区/高速段才达70℃。HEV市区暖机阶段每次发动机启动出现PN与CO峰值，待冷却液进入正常工作范围后峰值消失。ICE冷启动即连续运转升温快，市区段未现早启停致PN峰。

4. Discussion（讨论）

全RDE循环HEV CO₂低约20%、市区低约49%，与文献报道相符。需注意两车年龄、认证标准及里程不同属局限。PN在全循环中量级相当（ICE带汽油颗粒捕集器GPF），HEV在郊区/高速低但市区高。HEV暖机慢致冷启动多次重复，引发PN峰——RF与ETR模型显示HEV PN最主要影响因子为冷却液温度（低水温→高PN），ICE则为排气温度与排气流量。HEV需累积约3–4 min发动机运转时间（对应实际行驶10–12 min电驱穿插）冷却液方达50℃，该温区贡献近45% PN总量。若HEV冷启动后保持发动机连续运转至冷却液≥50℃再切入混动控制，可显著降低初期CO与PN峰值，但或轻微增加暖机阶段油耗与CO₂。早期HEV热管理偏重电驱优先，现代设计可通过电子水泵等加快暖机减排放。研究结论为：HEV全RDE循环CO₂较ICE低~20%（市区~49%，高速略高2 g/km）；HEV郊区/高速PN低但市区暖机段PN及CO现峰值；冷却液温度是HEV PN排放主导因素；冷启动后短暂连续发动机运转（至冷却液~50℃）可明显降低暖机PN/CO峰值，代价为微幅CO₂与油耗上升；后续需在统一条件下扩大HEV车型验证。