混合動(dòng)力城市公交車節(jié)能環(huán)保效益分析與研究

1、第34卷第5期2010年10月武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版J o u r n a l o f W u h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y (T r a n s p o r t a t i o n S c i e n c e &E n g i n e e r i n gV o l .34N o .5O c t .2010混合動(dòng)力城市公交車節(jié)能環(huán)保效益分析與研究*收稿日期:2010-05-15李孟良(1964-:男,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要研究領(lǐng)域?yàn)檐囕v排放和節(jié)能測(cè)試技術(shù)*國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目資助(批準(zhǔn)號(hào):2007A 11A

2、 131李孟良1胡友波2艾毅3李鐵軍3馮玉橋3(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心1天津300162(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院2武漢430072(北京市環(huán)境保護(hù)局機(jī)動(dòng)車排放管理處3北京100044摘要:通過對(duì)6類城市公交車(5種混合動(dòng)力公交車和1種常規(guī)柴油公交車污染物排放(H C ,C O ,N O x 和P M 和能量消耗兩個(gè)方面的性能進(jìn)行測(cè)試,結(jié)合在北京市121公交線路中的實(shí)際運(yùn)行成本分析,將混合動(dòng)力城市公交車的排放、能耗以及運(yùn)營(yíng)過程中的成本與常規(guī)柴油車輛進(jìn)行對(duì)比研究,分析混合動(dòng)力公交車相對(duì)于同等級(jí)純柴油公交車帶來的節(jié)能環(huán)保效益.研究結(jié)果表明:混合動(dòng)力城市公交車具有良好的節(jié)能環(huán)保效果,節(jié)能環(huán)保效益最好的

3、車型在生命周期內(nèi)能夠收回較常規(guī)柴油車輛多出的全部成本增量;在車輛生命周期內(nèi),5輛不同類型混合動(dòng)力城市公交車?yán)塾?jì)可節(jié)省燃油14.05萬L ,減少污染物的排放量達(dá)5.28t ;當(dāng)節(jié)油率達(dá)到了26%,除了產(chǎn)生巨大環(huán)保效益外,在車輛生命周期內(nèi)可以收回全部成本增量.關(guān)鍵詞:混合動(dòng)力城市公交車;節(jié)能環(huán)保;效益分析;故障成本分析中圖法分類號(hào):U 664.121D O I :10.3963/j.i s s n .1006-2823.2010.05.022在控制機(jī)動(dòng)車排放方面的一個(gè)重要舉措就是大力發(fā)展公共交通,積極發(fā)展低排放公交車.混合動(dòng)力汽車技術(shù)的不斷成熟,為低排放公交車發(fā)展提供了可選的方向.混合動(dòng)力技術(shù)在公

4、交車上的應(yīng)用越來越受到政府部門的關(guān)注,而對(duì)其節(jié)能環(huán)保效益分析仍然沒有形成統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系.本文采用車載排放測(cè)試系統(tǒng)(P E M S 對(duì)6類城市公交車的能耗和排放進(jìn)行測(cè)試,結(jié)合在北京市121公交線路的實(shí)際運(yùn)營(yíng)成本,通過混合動(dòng)力與常規(guī)柴油公交車的比較對(duì)混合動(dòng)力公交車節(jié)能環(huán)保效益進(jìn)行評(píng)估,研究混合動(dòng)力公交車較常規(guī)柴油公交車在節(jié)能減排方面的優(yōu)勢(shì).1測(cè)試車輛及試驗(yàn)方案本試驗(yàn)設(shè)備采用中國(guó)汽車技術(shù)研究中心的車載排放測(cè)試系統(tǒng)(p o r t a b l e e m i s s i o n m e a s u r e s ys -t e m ,P E M S 1-2.1.1測(cè)試車輛本試驗(yàn)測(cè)試的5類混合動(dòng)力城市公交

5、車都是在國(guó)I I I 排放水平發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上研制.另外還提供1輛J N P 6120G -1型常規(guī)柴油車作為混合動(dòng)力公交車的對(duì)比車輛,各車輛主要技術(shù)參數(shù)見表1.1.2試驗(yàn)方案在北京交通部公路試驗(yàn)場(chǎng)地,對(duì)混合動(dòng)力公交車的能耗和排放性能同時(shí)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試大綱參照G B /T 19754-2005重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車能量消耗量試驗(yàn)方法3.駕駛員根據(jù)車輛行駛工況跟蹤系統(tǒng)對(duì)車速進(jìn)行控制,復(fù)現(xiàn)和跟蹤中國(guó)典型城市公交循環(huán)工況.利用車載排放測(cè)試系統(tǒng)(O B S -2200和E L P I 以及能耗測(cè)試系統(tǒng)(F l o w t r o n i c 210油耗儀和WT 1600型數(shù)字電功計(jì)獲取車輛在該循環(huán)下污染物

6、實(shí)時(shí)排放(H C ,C O ,N O x 和PM 、燃油消耗以及電能消耗數(shù)據(jù).在測(cè)試前,調(diào)試測(cè)試設(shè)備,按照目標(biāo)工況進(jìn)行一次預(yù)循環(huán),待測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定后測(cè)試車輛的能耗與排放性能,實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù).每輛車重復(fù)測(cè)試3次,最終結(jié)果取算術(shù)平均值.表1測(cè)試公交車輛主要技術(shù)參數(shù)H E V-AH E V-BH E V-CH E V-DH E V-E柴油車輛動(dòng)力系統(tǒng)混合型式并聯(lián)并聯(lián)混聯(lián)串聯(lián)串聯(lián)常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)D E U T ZI S B e15030I S B e18532I S D e16030I S D e16030I S B e22031排量/L4.043.95.94.54.55.9額定功率/k W11811013

7、6118118162電動(dòng)機(jī)額定功率/k W406065100100蓄電池組類型/型號(hào)鎳氫Q N F G60鎳氫Q N F G60鎳氫Q N F G60鎳氫Q N F G60額定電壓/V336336360360標(biāo)稱容量/(A·h40406060超級(jí)電容電容量/F41.25工作電壓/V2603802數(shù)據(jù)處理及分析2.1能量消耗混合動(dòng)力車輛采用內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為混合動(dòng)力源,其能耗構(gòu)成包括發(fā)動(dòng)機(jī)油耗和可再充式儲(chǔ)能裝置(R E S S的凈能量消耗,本試驗(yàn)將混合動(dòng)力的能耗測(cè)試分為發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試和R E S S電量消耗測(cè)試兩部分.重型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的實(shí)際油耗要考慮電量?jī)?chǔ)能補(bǔ)償?shù)挠绊?相關(guān)文獻(xiàn)給出

8、了電量?jī)?chǔ)能對(duì)燃油消耗計(jì)算的修正.本節(jié)中修正油耗量的計(jì)算正是采用G B/T19754-2005中的公式和換算系數(shù),即3.02k W·h的電能相當(dāng)于1L燃油的能量.對(duì)鎳氫電池組在測(cè)試循環(huán)中瞬時(shí)的電流值進(jìn)行積分,結(jié)合電池組標(biāo)稱電壓計(jì)算R E S S的凈能量來修正百公里油耗;對(duì)于超級(jí)電容器,則根據(jù)測(cè)試循環(huán)前后電容電壓的差值來計(jì)算R E S S的凈能量并以此來修正百公里油耗4-5.將混合動(dòng)力與常規(guī)柴油公交車輛能耗進(jìn)行對(duì)比,見圖1. 圖城市公交車能耗對(duì)比使用0#柴油,無需另外增加公交加油站和?？空镜然A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入.3.2車輛故障成本分析車輛故障成本包括人力工時(shí)成本和更換零部件成本.人力工時(shí)成

9、本=人工維修故障工時(shí)數(shù)×人工小時(shí)費(fèi).根據(jù)G B /T 13043-2006客車定型試驗(yàn)規(guī)程6中按照車輛發(fā)生故障的嚴(yán)重程度對(duì)示范運(yùn)行的6輛公交車的故障跟蹤記錄和分類,并按規(guī)程中的當(dāng)量系數(shù)換算成一般故障,如表2所列.表2公交車故障分類次車型輕微故障一般故障嚴(yán)重故障致命故障當(dāng)量故障H E V -A 297044.8H E V -B 478048.6H E V -C 363022.2H E V -D 2142024.8H E V -E 1124032.4常規(guī)柴油車251010.8依據(jù)試驗(yàn)規(guī)程中對(duì)故障嚴(yán)重程度的規(guī)定,排除一般故障大約花費(fèi)30m i n 時(shí)間,而按此標(biāo)準(zhǔn)可計(jì)算各車型人工維修故障工

10、時(shí)數(shù).另外,人工小時(shí)費(fèi)按每小時(shí)40元人民幣進(jìn)行計(jì)算,由此可得出各車型在示范運(yùn)行期間的故障維修所耗費(fèi)的工時(shí)成本.與混合動(dòng)力公交車相比,常規(guī)柴油車的故障次數(shù)較少,故障總成本較低.由表3可以計(jì)算示范運(yùn)行期間各混合動(dòng)力城市公交車較常規(guī)柴油車多出的故障成本增量.表3運(yùn)行期間公交車輛故障成本元車型更換部件成本工時(shí)成本故障總成本H E V -A 10408961936H E V -B 11209722092H E V -C 6504441094H E V -D 8404961336H E V -E 9906481638常規(guī)柴油車5202167364節(jié)能環(huán)保效益分析在分析不同車型油耗和排放削減的基礎(chǔ)上,根據(jù)車

11、輛購(gòu)置成本、故障成本和節(jié)油成本,分析混合動(dòng)力城市公交車的節(jié)能環(huán)保效益.混合動(dòng)力的節(jié)能效益用燃油節(jié)省量來評(píng)價(jià);采用混合動(dòng)力單位成本增量(與常規(guī)車輛相比的污染物排放削減量來分析環(huán)保效益,單位:g /元,也就是混合動(dòng)力車輛較常規(guī)車輛多投入的單位成本所削減的污染物排放的質(zhì)量,公式表示如下.B =P C +C g -C j(1式中:B 為環(huán)保效益,m g /元或g /元;P 為混合動(dòng)力排放削減量,g;C 為混合動(dòng)力車輛購(gòu)置成本較常規(guī)車增量,元;C g 為混合動(dòng)力車輛故障成本較常規(guī)車增量,元;C j 為混合動(dòng)力節(jié)省燃油的成本,元.4.1油耗和排放削減率依據(jù)第3節(jié)中采用車載排放測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得H C ,C O

12、,N O x 和P M 的排放與能耗數(shù)據(jù),將混合動(dòng)力城市公交車測(cè)試結(jié)果與參比常規(guī)車輛進(jìn)行對(duì)比研究,分別計(jì)算各混合動(dòng)力的排放削減率和油耗削減率,如表4所列.表4油耗與排放削減率車型百公里油耗削減率/%各污染物排放削減率/%H C C O N O xP M H E V -A 8.630.89-7.6920.374.48H E V -B 9.582.9340.1712.4534.33H E V -C 26.584.55-24.793.4871.64H E V -D 15.191.0644.44-22.2376.12H E V -E12.688.6220.51-65.3255.234.2運(yùn)行期間油耗和

13、排放效益評(píng)價(jià)根據(jù)運(yùn)行期間不同車型的行駛里程,結(jié)合油耗削減率和排放削減可計(jì)算各個(gè)混合動(dòng)力城市公交車型的油耗和排放削減總量,如表5所列.不同車型的油耗和排放削減量差異性較大.只有H E V -B 混合動(dòng)力公交車四種污染物的排放均有所減少,其他車型只能減少三種污染物的排放.運(yùn)行期間,5輛混合動(dòng)力車?yán)塾?jì)節(jié)省燃油2529L ,減少污染物排放81.83k g .H E V -C 油耗削減量最大,累計(jì)節(jié)油達(dá)1117L ,占累計(jì)節(jié)油的44.2%;H E V -B 排放削減量最多,減排達(dá)20051g ,占總污染物削減量的24.5%.表5油耗與排放削減量車型運(yùn)行里程/k m油耗削減量/L各污染物排放削減量/gH

14、C C O N O x P M 合計(jì)H E V -A 60882022313-548153422117677H E V -B 6559242669030831010117720051H E V -C 10847111711281-3148466461316558H E V -D 839849494064367-2309550414277H E V -E 9660474105292318-7805342013268合計(jì)41552252940220976830107173681830·649·武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版2010年第34卷不同車型污染物排放效益有所差異.H

15、 E V-B 排放效益較好,較常規(guī)車輛多投入一元的成本,可削減66.87m g的污染物排放量.根據(jù)式(1將表5中混合動(dòng)力城市公交車污染物排放削減總量除以混合動(dòng)力最終的成本增量,分析各車型的環(huán)保效益,如表6所列.表6排放效益車型各污染物排放效益/(m g·元-1H CC ON O x P M合計(jì)H E V-A7.71-1.8351.150.0758.93H E V-B22.3110.2833.690.5966.87H E V-C38.45-10.7215.902.0956.43H E V-D31.6114.68-77.621.6947.98H E V-E35.347.78-261.97

16、1.4144.534.3車輛生命周期內(nèi)油耗與排放效益分析一般來說,公交車輛的生命周期為10a,行駛里程為500000k m.依據(jù)上述5.15.2運(yùn)行期間油耗和排放效益的計(jì)算方法,結(jié)合車輛生命周期內(nèi)行駛里程(假定混合動(dòng)力城市公交車生命周期內(nèi)行駛里程均能達(dá)到500000k m,可對(duì)生命周期內(nèi)各車型的油耗和污染物排放效益進(jìn)行評(píng)估,如表7所列.混合動(dòng)力城市公交車具有良好的節(jié)能減排效果.在生命周期內(nèi),5輛公交車?yán)塾?jì)可節(jié)省燃油14.05萬L,減少污染物的排放量達(dá)5.28t.假定混合動(dòng)力城市公交車和常規(guī)柴油車的排放劣化一致,并且不考慮混合動(dòng)力更換動(dòng)力電池表7生命周期內(nèi)H E B油耗與排放削減量車型油耗削減量

17、/L各污染物排放削減量/gH CC ON O x P M合計(jì)H E V-A16600190000-45000126000017651451765H E V-B18450510000235000770000135301528530H E V-C51500520000-14500021500028235763235H E V-D29400560000260000-137500030000850000H E V-E24550545000120000-404000021765686765合計(jì)14050023250006150002245000952955280295的成本,按照運(yùn)行期間混合動(dòng)力較常規(guī)柴

18、油車每公里多出的故障成本計(jì)算混合動(dòng)力生命周期內(nèi)的總故障成本增量.依據(jù)式(1分析不同車型的環(huán)保效益,如表8所列.通過計(jì)算分析,H E V-C混合動(dòng)力公交車在行駛里程達(dá)到49.3萬k m的時(shí)候,節(jié)省的燃油成本剛好可以抵消其較常規(guī)車多出的購(gòu)置成本和故障成本增量,同時(shí)可以帶來純的減排效益.而其他車輛在生命周期內(nèi)都不能收回其成本增量,較常規(guī)車輛多出的成本用來減少污染物的排放.在混合動(dòng)力公交車生命周期內(nèi)沒有收回成本增量的情況下,H E V-D的排放效益最好,較常規(guī)柴油車多投入一元的成本能夠產(chǎn)生減少5.57g污染物的環(huán)保效益.與H E V-D比較H E V-B的減排效益有所下降,主要原因是由于H E V-D

19、的節(jié)油率高,隨著行駛里程的增加,節(jié)油成本較大,使得最終的排放效益增加.表8生命周期內(nèi)混合動(dòng)力環(huán)保效益車型各污染物排放效益(g·元-1H CC ON O x P M合計(jì)H E V-A0.64-0.644.270.0064.92 H E V-B1.770.812.670.055.30 H E V-D3.671.70-9.010.205.57 H E V-E2.810.62-20.850.113.544.4排放效益對(duì)比分析隨著混合動(dòng)力城市公交車行駛里程的增加,將其成本增量與污染物排放效益的變化分別進(jìn)行比較,研究各自的變化趨勢(shì),如圖2所示 .5結(jié)論1混合動(dòng)力城市公交車具有良好的節(jié)能效果,與常

20、規(guī)柴油車相比平均節(jié)油率在14.5%左右.節(jié)油率最高達(dá)到26.5%.混合動(dòng)力車輛節(jié)油率大小不僅與整車質(zhì)量、車輛控制匹配等有關(guān),而且與R E S S 有密切的聯(lián)系.2重型柴油機(jī)在N O x 和PM 排放方面存在折衷的關(guān)系.由于控制策略的約束,混合動(dòng)力公交的各種污染物排放增減趨勢(shì)不同,發(fā)動(dòng)機(jī)仍然沒有達(dá)到預(yù)期的理想的工作區(qū)域,某些污染物排放存在增加的現(xiàn)象.部分車輛P M 排放的效果較好,但其N O x 排放的控制效果卻較差.3與混合動(dòng)力城市公交車相比,常規(guī)柴油公交車的故障次數(shù)較少,故障程度較輕,故障成本也較少.4與常規(guī)柴油車相比,混合動(dòng)力城市公交車具有良好節(jié)能環(huán)保效果.在生命周期內(nèi),5輛混合動(dòng)力車輛累

21、計(jì)可節(jié)省燃油14.05萬L ,減少污染物的排放量達(dá)5.28t .而且當(dāng)節(jié)油率達(dá)到了26%,除了產(chǎn)生巨大環(huán)保效益外,在車輛生命周期內(nèi)可以收回全部成本增量.參考文獻(xiàn)1陳燕濤.車輛道路排放測(cè)試技術(shù)的研究D .武漢:武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院,2006.2J o h n s o n K ,D u r b i n T ,C o c k e r D ,e t a l .O n -r o a d e v a l u a t i o n o f a P E M S f o r m e a s u r i n g g a s e o u s i n -u s e e m i s s i o n s f r o m

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24、C h i n a A u t o m o t i v e T e c h n o l o g y &R e s e a r c h C e n t e r ,T i a n ji n 300162,C h i n a 1(S c h o o l o f A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g ,W u h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,W u h a n 430072,C h i n a 2(M o t o r V e h i c l e E m i s s i o n M

25、 a n a g e m e n t O f f i c e o f B e i j i n g M u n i c i pa l E n v i r o n m e n t a l P r o t e c t i o n B u r e a u ,B e i j i n g 100044,C h i n a 3A b s t r a c t :T h e e m i s s i o n (H C 、C O 、N O x a n d P M a n d e n e r g y c o n s u m p t i o n p e r f o r m a n c e o f s i x t r a

26、 n s i t b u -s e s (f i v e h y b r id t r a n s i t b u se s a n d o n e d i e s e l b u s w e r e t e s t e d .C o m b i n e d w i t h t h e c o s t a n a l y s i s of t h e a c t u a l o p e r a t i o n i n B e i j i ng 121b u s l i n e s ,c o m p a r a t i v e l y r e s e a r ch e d t h e e mi

27、s s i o n a n d e n e r g yc o n s u m p -t i o n a nd t he o p e r a t i n g c o s t c o m p a r e d w i t h t h e c o n v e n t i o n a l d i e s e l t r a n s i t b u s ,a n d a n a l y s e d t h e e n e r g y s a v i n ga n d e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o nb e n e f i t o f t h e f i v e h y b r i d t r a n s i t b u s e s .T h e a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t ,h y b r i dc i t y b u s e s h a v e a g o odef f e c t o f e n e rg y s a v i n g a n d e n v i r o n m e n t a l p r o t